基于ARM的远程电能质量监测系统的研究与设计

郄君，韩晓倩，李颜鑫

(1.河北政法职业学院，河北石家庄050061；2.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄050061)

基于ARM的远程电能质量监测系统的研究与设计

郄君1，韩晓倩1，李颜鑫2

(1.河北政法职业学院，河北石家庄050061；2.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄050061)

经济的进步带来了电能质量的不断恶化，使得对电能质量的监测变得越来越重要。以ARM为中心，设计了一种远程电能质量监测系统。该系统利用底层采集网完成实时信号的采集，嵌入式Linux自带的TCP/IP协议栈构建WEB服务器并提供PC机和手机客户端的应用，形成了数据的采集、传输、处理、显示、分析和控制的一体化监控功能。实验证明，该监控系统适应性强、实时性好，误差距离小，能有效地实现电网电能质量监控。

电能质量；Tiny4412；远程监控；服务器

电能，作为现代社会中的一种广泛使用的能源形式，已成为现代科技和国民经济的支柱。而电力电子技术的发展，使众多的精密设备应用到了生产和生活当中，这些仪器的使用一方面对电能质量提出了更高的要求，而另一方面，一部分仪器在使用过程中所产生的各种各样的非线性干扰会对电能质量产生不利的影响。因此，加强对电能质量的监控是必不可少的环节。

电能质量的问题在近阶段主要表现为以下几个方面[1]：

(1)随着各种开关电源和非线性设备的广泛应用，特别是静止变流器，会引起电网电流和电压波形的畸变，使供电系统中增加了大量的非线性干扰，引起电网的多次谐波“污染”；

(2)各种大型生产设备投入，例如电弧炉、轧钢机、电力机车等。不仅会引起高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重。因此，这些冲击性、波动性的负荷会造成电网质量的降低，还会影响其他设备的安全运行；

(3)大量高精度仪器的投入，对电能质量提出了更高的要求，使电网中过去不被使用者所重视的电能质量问题也凸显出来，例如暂时过电压、瞬态过电压等；

(4)随着电力系统的完善，电力的利用效能也成为供电及用电双方所关心的问题。因此，合理地进行电能的分配，以期电能取得最大的经济效益。

基于以上的考虑，加强对电能质量的监控是现实的需要。而随着现代电网在规模和复杂程度上日益增加，传统的在线监测系统已不能满足功能的要求，智能化、网络化、信息化是电能质量监控系统的发展趋势。

1 系统总体设计

传统的电能质量监测系统主要采用单片机为控制核心，其优点是结构简单，操作方便，技术成熟。但是单片机的缺点是数据处理能力不强，对于远程监控的支撑能力不足。

基于ARM形式的监测系统是近年来发展的重点，ARM处理器最大的优势在于处理速度快、功耗低、性能完善，同时，可以移植嵌入相应的实时操作系统，可以有效地实现多任务的处理和调度；而丰富的外围接口，有的芯片还自带各种通信接口模块，为监控的现场显示和远程通信提供了良好的硬件支持。

以ARM为核心的监测系统总体设计如图1所示。

图1 系统整体结构

系统的底层是数据采集系统，电网的电压和电流由电流和电压互感器进行数据的采集，并通过信号调理电路，将采集的信号调整到合理的范围内。同时，通过A/D转换电路，将模拟信号转换为数字信号，再将数据发送至底层数据采集与控制中心。

底层数据采集与控制中心接收来自于电网的状态信息，将这些信息通过串口传送至ARM处理器，同时，底层数据采集与控制中心接收来自于ARM芯片的控制命令，并将控制命令传达到执行机构，以控制现场的断路器等电磁开关的动作。

整个系统的核心是ARM芯片，芯片上配有显示模块、按键模块、存储器、串口驱动、片上资源驱动、网络控制驱动等。ARM芯片上移植Linux操作系统，并利用其强大的网络功能和内置的TCP/IP协议栈，实现远程数据的采集和监控。

数据处理的核心是远程WEB服务器，内置oracle数据库管理系统，完成电网参数如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、谐波含量及频率等参数分析和统计功能。同时，服务器配置专家知识库，利用其中的规则来对电能质量进行分析，以实现智能化控制。

整个系统的最后一个部分是监控系统的应用部分。在本设计当中，监控的应用主要包括了PC端的应用和手机终端的应用，主要提供状态数据的显示、远程控制命令的发布等。

2 硬件选型及电路设计

系统的硬件部分是功能实现的实体，其核心是ARM芯片，在本设计中，选择Tiny4412开发板。Tiny4412是高性能的Cortex-A9，核心板采用三星高性能的Exynos 4412四核处理器，具有超强的数据处理能力，也能承担相应的网关功能。其硬件资源分布如图2所示。

图2 Tiny4412硬件分布图

Tiny4412核心板的CPU采用Samsung ARM Cortex-A9四核Exynos 4412 Quad-core处理器，运行主频1.5 GHz，1 G DDR3 RAM内存，32 bit数据总线，标配4 G eMMC；底板提供了网络、LCD、USB Host、按键、串口等接口，可以有效地完成功能要求。

Tiny4412接收来自于底层数据采集系统的信息。底层数据采集系统由电流电压互感器、调理电路、ADS模块与底层数据采集中心组成。电流电压互感器采集电力系统的电压或电流等信号，并将其传送至调整电路，经信号调整电路进行去干扰等操作后，传送入ADS模块进行数模转换。转换后的信号传送至底层采集中心。

底层采集中心可以采用单片机，也可以采用嵌入式芯片，选择的依据是功能的要求和成本的核算。底层采集中心将数据通过串口传送至Tiny4412开发板中。

底层采集中心的通信可以采用CAN总线形式，也可以采用无线传感网。其电源和信号调理电路设计如2.1和2.2所示。

2.1 电源系统设计

电源实现的功能主要为核心板等提供稳定的3.3 V电压，同时为一些需要电压相对较大的传感器模块等提供5 V或3 V电压。另外在该模块中还包括了重启功能，支持系统重启。电源模块的原理图如图3所示。

图3 电源模块原理图

在供电方式上支持USB供电、调试接口供电和4节干电池供电，只要将电源接入相应的引出的接口即可相对比较灵活。该模块中起核心作用的是REG1117-3.3稳压芯片，其主要功能是将输入的电压(5 V)转成稳定的3.3 V电压，输出电流为800 mA，周围的电容主要起去耦作用。

2.2 信号调理电路设计

信号调理电路的作用是从电压或电流互感器中采集相应的数据，并将这些信号中的干扰信号进行滤除，其工作原理如图4所示。过滤后的信号经幅度调整后传送入ADS模块进行转换，在本设计中，ADS模块选择了ADS7864。

图4 信号调理电路

3 总结

本文利用嵌入式芯片Tiny4412构建了电能质量监测系统。该监测系统利用底层采集系统采集电能数据，并利用移植了Linux操作系统的Tiny4412将电能参数上传至WEB服务器进行电能质量的计算，从而得出相应的电网如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、谐波含量及频率等参数的分析和统计结果。经测试，该系统运行稳定、适应性强、实时性好、误差距离小，能有效实现电网电能质量监控。

[1]荆小刚.基于ARM的远程电能质量监测系统的研究[D].南京：南京理工大学，2008：1-2.

Research and design of remote power quality monitoring system based on ARM

QIE Jun1,HAN Xiao-qian1,LI Yan-xin2
(1.Hebei Vocational College of Politics and Law,Shijiazhuang Hebei 050061,China;2.Sifang College,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang Hebei 050061,China)

The progress of economy has brought the worsening of power quality.So the monitoring of power quality becomes more and more important.Based on the ARM,a remote power quality monitoring system was designed.The underlying collection net was used to complete real-time signal acquisition.The TCP/IP protocol stack of embedded Linux was used to build WEB server and provide the PC and the mobile client application.The integrated monitoring system with data collection,transmission,processing,display,analysis and control was formed.Experiments show the monitoring system of power quality has many advantages,such as strong adaptability,good real-time monitoring and small miss distance.So it can effectively realize the monitoring of power quality.

power quality;Tiny4412;remote monitoring;server

TM 41

A

1002-087 X(2016)08-1703-03

2016-03-06

郄君(1982—)，女，河北省人，讲师，主要研究方向为计算机科学与技术，电子商务。