CN102331525A - 基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统。它包括若干个谐波检测终端、若干个无线网络/以太网网关以及服务器，各谐波检测终端通过相应的无线网络/以太网网关与服务器连接；其中，各谐波检测终端采集相应设备或线路的电压和电流信号，计算电压和电流的有效值及各次谐波；无线网络/以太网网关实现信息在无线网络和以太网之间的双向转发；服务器包括应用服务器、数据库服务器和WEB服务器，实现谐波数据的显示、存储、越限报警和WEB发布，实现了大容量的信息存储、更美观的界面和更方便的操作，将数据通过互联网发布出去，达到在线监测和即时报警的目的，既可用于检测建筑物内的谐波状况，还可用于其它对电能质量有较高要求的场合。

Description

基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统。

背景技术

近年来随着现代科学技术的迅猛发展，民用建筑配电系统中用电负荷结构发生了重大变化，半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置等负荷迅速发展。一方面，这些现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，容易受到冲击；另一方面，这些基于电力电子技术和计算机技术的设备具有负荷非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使民用建筑配电系统的波形畸变越来越严重，对电能质量造成的干扰或污染也越来越严重。电力企业对输配电线路的电能质量监测比较注重，相关的研究也较多，但电力用户对建筑内的供配电系统中的谐波检测尚未有足够的重视，更别说进行全面的电能质量监测。现有研究大多数集中于建筑物内的谐波预防和治理问题，但无论采用何种防治措施都必须先掌握建筑内的谐波现状，这些研究所采取的措施都是根据以往的设计经验或者简单的几次离线测试得来的，缺乏大量详实的数据基础。随着建筑内用电设备的不断变化，这些治理方案的作用也未可知。因此，有学者从保证用电设备安全的角度出发提出要对建筑配电系统的谐波进行快速、准确的检测。

在这些检测方案中，大多数使用数字示波器或便携式电能质量监测仪等仪器进行现场测量。这些仪器具有使用方便、灵活的优点，但是每隔一两个月就需要进行一次定期检测，由于每次的测试时间短，只能获取测试期间的片面的谐波数据。刘金凤等人研制了一种电能质量在线监测装置，它功能强大，具有大屏幕液晶和键盘等人机接口，它集谐波检测、电压偏差分析、频率偏差分析、三相电压不平衡度分析等多种功能为一体，适合用于监测建筑10kV进线的电能质量。但该装置成本较高，不适合监测建筑内的多个设备或配电支路，而过大的体积也使其较难安装于设备的插座旁边或配电箱内。

物联网是指将各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、全球定位系统、短距离无线自组织网络等，通过各种接入设备与互联网结合起来而形成的一个庞大的智能网络。如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物之间的沟通和对话。物联网技术的出现使得建筑物内的所有设备之间的互联互通成为可能，并为人与设备之间的互动提供了新的途径。采用物联网技术可以将分布于建筑物内各个角落的谐波检测终端通过无线网络和以太网接入互联网中，用户可以随时通过浏览器在线查看相关的谐波信息。

发明内容

本发明的目的就是为解决目前建筑物内谐波检测方面存在的问题，提供一种基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，该系统由遍布建筑物内各个位置的谐波检测终端(以下简称终端)实时采集设备或线路的电压和电流信号，计算电压和电流的有效值和各次谐波等参数，并将得到的各种数据通过无线网络/以太网网关(以下简称网关)上传给服务器，由服务器上的软件来完成大部分数据处理功能。利用服务器强大的资源可以实现较大容量的信息存储、更美观的界面和更方便的操作，同时采用WEB技术将数据通过互联网发布出去，达到在线监测和即时报警的目的。本发明不仅可用于检测建筑物内的谐波状况，还可用于其它对电能质量有较高要求的场合。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，它包括若干个谐波检测终端、若干个无线网络/以太网网关以及服务器，各谐波检测终端通过相应的无线网络/以太网网关与服务器连接；其中，

各谐波检测终端采集相应线路的电压和电流信号，计算电压和电流的有效值及各次谐波；

无线网络/以太网网关实现信息在无线网络和以太网之间的双向转发；

服务器包括应用服务器、数据库服务器和WEB服务器，实现谐波数据的显示、存储、越限报警和WEB发布。

所述谐波检测终端包括：微控制器I、信号调理电路、电压互感器、电流互感器以及射频收发器I，其中，电压互感器、电流互感器采集相应线路的电压和电流信号，经信号调理电路送入微控制器I的A/D转换器，微控制器I计算电压和电流的各次谐波和有效值并定时将这些数据经射频收发器I通过无线网络发送给无线网络/以太网网关，同时接收网关转发来的远程查询命令实现对各种数据的即时召唤。

所述微控制器I还与JTAG接口连接。

所述无线网络/以太网网关包括：微控制器II、射频收发器II、模拟量输出端、数字量输出端、开关量输出端、以太网接口，其中微控制器II通过射频收发器II与各谐波检测终端通信，通过以太网接口与以太网通信；无线网络/以太网网关通过无线网络与所覆盖范围内的谐波检测终端通信，通过以太网接口就近接入大楼内的局域网，从而实现数据在无线网络和局域网之间的双向转发。

所述服务器包括应用服务器、数据库服务器和WEB服务器，应用服务器负责与网关定时通信，获取该建筑内的原始谐波数据，经过计算和统计分析后得到完整的数据并将其保存至数据库服务器中，WEB服务器负责将这些数据发布到互联网上，供用户通过浏览器远程查看相关信息。

本发明所利用的技术包括：

1.无线网络技术

由于谐波检测终端分布较广，本发明采用无线网络作为终端与网关之间的通信网络。这是因为在既有建筑内单独架设诸如485或现场总线之类的通信网络无疑会增加建设成本和布线的困难，且某些终端可能需要安装在配电箱内，缺乏能够连接到大楼局域网的网络插座，因此必须找到一种成本低廉且没有布线困难的通信网络。作为物联网核心技术之一的无线传感器网络，它具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适用于对布线困难的区域进行远程监测，因为我们采用它作为现场设备层的通信网络。

2.工业以太网技术

由于现代的建筑大多已经建设了计算机网络，几乎每个房间都有信息插座，充分利用这些既有资源可以最大限度的降低系统建设成本，并且可以避免复杂的布线。以内置以太网控制芯片的微控制器为核心构建的嵌入式网关，可以方便地联入大楼内的局域网继而接入互联通过大楼内的交换机、路由器等网络节点以及由双绞线、光纤等组成的通信链路与应用服务器进行通信。

3.WEB技术

整个服务器系统采用Browser/Server结构。操作系统均采用Windows 2003 Server，开发工具采用的都是Visual Studio.Net，以C#作为开发语言。数据库采用SQL SERVER 2005，WEB服务的平台采用Internet Information Server(IIS)。传统的三层B/S架构一般分为表示层、业务层和数据层，这种模式一般是由用户通过提交请求数据经业务层处理后再响应用户。但在基于WEB的实时监控系统中，原始数据都是由现场设备周期性地发送而来，故而增加了一个数据采集层专门负责采集现场数据。WEB服务器采用ASP.NET技术来实现动态网页，实时数据的刷新采用AJAX技术，可以保证数据刷新时页面不会抖动。

4.谐波分析算法

谐波分析采用的是32点快速傅立叶变换(FFT)算法。以电流为例，采用该算法可将一个周期内的电流信号I(t)展开成傅立叶级数，即

其中f₀＝50HZ，I_n和

为第n次谐波的幅值和相角。电流有效值I_RMS可以采用公式

计算得到，总谐波畸变率THD可以采用公式

进一步计算得到，其中I₁为基波的幅值。

本发明的有益效果为：在建筑供配电系统中应用基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统具有重要意义。基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，可分布式安装多个终端用于多个设备或回路的谐波监测，可以很方便地获取设备或线路的电压、电流等信息，进而得到谐波数据；采用物联网技术可以将分布于建筑物内各个角落的谐波检测终端通过无线网络及以太网与服务器互连，更方便地实现数据的上传；服务器强大的资源可以实现较大容量的存储和更美观的人机界面，采用WEB技术将数据通过互联网发布出去，有利于电力企业和电力用户共同了解建筑物内的谐波情况，及时根据谐波状况采取有针对性的治理措施。同时，该系统所存储的大量数据也能够为今后的建筑供配电系统设计提供宝贵的经验。另外，本发明不仅可用于检测建筑物内的谐波状况，还可用于其它对电能质量有较高要求的场合。

附图说明

图1为本发明的物理体系结构示意图；

图2为谐波检测终端的硬件框图；

图3为谐波检测终端的软件流程图；

图4为无线网络/以太网网关硬件框图；

图5为服务器软件技术架构图；

图6某线路各次谐波含量柱形图；

图7某线路电流波形及各次谐波曲线图。

其中，1.谐波检测终端，2.无线网络/以太网网关，3.应用服务器，4.数据库服务器，5.WEB服务器，6.台式机，7.笔记本电脑，8.微控制器I，9.电压互感器，10.电流互感器，11.信号调理电路，12.A/D转换器，13.射频收发器I，14.SPI接口，15.JTAG接口，16.微控制器II，17.射频收发器II，18.以太网接口，19.模拟量输出端，20.数字量输出端，21.开关量输出端，22.通信服务模块，23.配置数据库，24.采集数据库，25.应用数据库，26.谐波计算模块，27.数据统计模块，28.监控图模块，29.柱形图模块，30.曲线模块，31.报警模块，32.报表模块。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。

图1中，基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，它包括若干个谐波检测终端1、若干个无线网络/以太网网关2、服务器(包括应用服务器3、数据库服务器4和WEB服务器5)。

根据需要可以在用户关心的每个重要用电设备的插座上安装多个谐波检测终端1，也可以只安装在照明、空调或动力等配电支路上，或者只在变压器的出线侧安装一个谐波检测终端1。谐波检测终端1负责采集相应设备或线路的电压和电流信号，计算电压和电流的各次谐波和有效值等。谐波检测终端1将数据经无线网络发送给无线网络/以太网网关2，同时接收无线网络/以太网网关2转发来的远程查询命令实现对数据的即时召唤。

无线网络/以太网网关2负责数据在无线网络和局域网之间的双向转发。这是由于现代的建筑大多已经建设了计算机网络，几乎每个房间都有信息插座，可以因地制宜地就近安装网关。充分利用这些既有资源可以最大限度的降低系统建设成本，并且可以避免复杂的布线。

该系统中的服务器包括应用服务器3、数据库服务器4和WEB服务器5。应用服务器3负责与无线网络/以太网网关2定时通信，实时采集该建筑内的原始谐波数据，经过计算和统计分析后得到完整的数据并将其保存至数据库服务器4中，如果谐波畸变率超出设定的限值则启动报警，同时生成一条报警记录，WEB服务器5负责将这些数据以各种图形方式发布到互联网上，用户可以通过台式机6或笔记本电脑7上的浏览器远程查看相关信息。

图2中，谐波检测终端1采用的微控制器I8是基于增强AVR RISC结构的低功耗8位微控制器。被测电压经电压互感器9变换为0～5V的电压信号，被测电流经电流互感器10变换为0～20mA的电流信号，然后均经过信号调理电路11后统一变换为较理想的电压信号后送入微控制器I8内部所集成的A/D转换器12，经A/D转换后得到原始采样数据。微控制器I8利用快速傅立叶变换算法对这些采样数据进行计算得到电压和电流的各次谐波及有效值，并定时将这些数据通过射频收发器I13发送给无线网络/以太网网关2。射频收发器I13是一种符合IEEE802.15.4标准的的2.4G无线通信芯片。它继承了ZigBee的大部分优点，又在ZigBee的基础上将传输速率提高至625Kbps，而结构相对简单，协议开发较容易，成本也较低。射频收发器I13只需要极少的外围元器件就能工作，包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。射频收发器I 13通过高速SPI接口14与微控制器I8进行通讯，发送或是接收数据均以外部中断的方式来通知微控制器I8。为了调试方便，谐波检测终端1中还设计了JTAG接口15。

微控制器I8为ATmega64芯片，射频收发器I13为UM2455无线通信芯片。

图3中，由于不需要检测电压波动和闪变等快速变化的谐波参数，也不需要故障录波功能，终端内的嵌入式软件采用“采集-计算-发送-等待”的方式循环运行。即采集完一个周期的数据后立即进行谐波分析，然后将分析结果发送给服务器，然后再启动一次数据采集，周而复始重复上述过程。数据定时上传的间隔为1分钟。其数据通信格式如下所示：

ObjID

DateTime

URMS

IRMS

Base_Ampl

F3_Ampl

F5_Ampl

...

F15_Ampl

其中，

ObjID即被监测的线路编号，类型为int；

DateTime即日期和时间，格式为“yyyy-mm-dd hh:mm:ss”；

URMS即电压有效值，类型为float；

IRMS即电流有效值，类型为float；

Base_Ampl即基波幅值，类型为float；

F3_Ampl即三次谐波幅值，类型为float；

F5_Ampl即五次谐波幅值，类型为float；

……

F15_Ampl即十五次谐波幅值，类型为float。

图4中，无线网络/以太网网关2包括微控制器II16，它一方面通过射频收发器II17与无线网络连接，另一方面通过内部集成的以太网接口18与以太网连接。无线网络/以太网网关2还有多个模拟量输出端19、数字量输出端20以及开关量输出端21。

微控制器II16为MC9S12NE64。射频收发器II17为UM2455无线通信芯片。

图5中，服务器软件采用Browser/Server结构。传统的三层B/S架构一般分为表示层、业务层和数据层，这种模式一般是由用户通过提交请求数据经业务层处理后再响应用户。但在基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统中，原始数据都是由终端周期性地发送而来，故而增加了一个数据采集层专门负责采集实时数据。数据采集层主要是通信服务模块22，数据层包括配置数据库23、采集数据库24和应用数据库25，应用层主要包括谐波计算模块26和数据统计模块27，表示层主要包括监控图模块28、柱形图模块29、曲线模块30、报警模块31和报表模块32等。

通信服务模块22部署于应用服务器3中，其任务是采用特定的网络通信协议通过无线网络/以太网网关2与现场的各个谐波检测终端1通信，根据协议格式对无线网络/以太网网关2转发来的数据包进行解析得到电压、电流的有效值及其各次谐波值。

配置数据库23、采集数据库24和应用数据库25均部署于数据库服务器中。配置数据库23中主要包含通信数据描述表和检测对象描述表。前者存储每台终端上传数据时的各种类型数据的个数以及每路数据的具体属性，通信服务模块22启动时即读取该描述表中的记录以便利用这些信息将接收到的数据对号入座。如0101号终端共发送8路开关量、32路模拟量，其中第5路模拟量为A相电流的有效值，第六路模拟量为A相电压的有效值等等。检测对象描述表主要定义如何处理每个被检测对象的原始数据，该表中的信息主要供谐波分析模块26启动时读取。采集数据库24负责存储每个检测对象的原始数据，如电流的有效值以及各次谐波值。这些原始数据由谐波计算模块26和数据统计模块27进行二次处理，处理后的数据存入应用数据库25中。

谐波计算模块26和数据统计模块27也部署于应用服务器3中。谐波计算模块26进一步计算各项谐波参数，包括电压及电流的各次谐波畸变率和总畸变率等指标，如果超出规定的范围则启动报警，同时生成一条报警记录。数据统计模块27负责对各路检测对象的数据进行统计计算，如统计某一天或某一月的某支路电流谐波总畸变率的最大值、最小值及发生时间，便于用户了解某段时间内整个谐波的变化情况。

监控图模块28、柱形图模块29、曲线模块30、报警模块31和报表模块32均运行在WEB服务器5上，其任务是根据用户请求将各种数据以直观的方式展现给用户。监控图的刷新采用AJAX技术，可以保证数据刷新时页面不会抖动。柱形图模块29用于对比某个线路的各次谐波含量、总畸变率等参数。曲线图模块30负责以曲线方式展示电压、电流及其各次谐波分量等数据在某段时间内的变化趋势(如图6、图7所示)。报警模块31负责显示由谐波计算模块生成并保存的各种谐波指标超限记录。报表模块32能根据需要将原始数据或二次处理数据以合适的格式导出后生成报表并打印，如统计线路的谐波总畸变率最大值、最小值及其发生时间，整点时刻的电压或电流有效值等。

Claims (5)

1.一种基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，其特征是，它包括若干个谐波检测终端、若干个无线网络/以太网网关以及服务器，各谐波检测终端通过相应的无线网络/以太网网关与服务器连接；其中，

各谐波检测终端采集相应设备或线路的电压和电流信号，计算电压和电流的有效值及各次谐波；

无线网络/以太网网关实现信息在无线网络和以太网之间的双向转发；

服务器包括应用服务器、数据库服务器和WEB服务器，实现谐波数据的显示、存储、越限报警和WEB发布。

2.如权利要求1所述的基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，其特征是，所述谐波检测终端包括：微控制器I、信号调理电路、电压互感器、电流互感器以及射频收发器I，其中，电压互感器、电流互感器采集相应线路的电压和电流信号，经信号调理电路送入微控制器I的A/D转换器，微控制器I计算电压和电流的各次谐波和有效值并定时将这些数据经射频收发器I通过无线网络发送给无线网络/以太网网关，同时接收网关转发来的远程查询命令实现对各种数据的即时召唤。

3.如权利要求2所述的基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，其特征是，所述微控制器I还与JTAG接口连接。

4.如权利要求1或2所述的基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，其特征是，所述无线网络/以太网网关包括：微控制器II、射频收发器II、模拟量输出端、数字量输出端、开关量输出端、以太网接口，其中微控制器II通过射频收发器II与各谐波检测终端通信，通过以太网接口与以太网通信；无线网络/以太网网关通过无线网络与所覆盖范围内的谐波检测终端通信，通过以太网接口就近接入大楼内的局域网，从而实现数据在无线网络和局域网之间的双向转发。

5.如权利要求1所述的基于建筑设备物联网的分布式谐波在线检测系统，其特征是，所述服务器包括应用服务器、数据库服务器和WEB服务器，应用服务器负责与网关定时通信，获取该建筑内的原始谐波数据，经过计算和统计分析后得到完整的数据并将其保存至数据库服务器中，若谐波畸变率等指标超出设定的限值则立即报警，WEB服务器负责将这些数据发布到互联网上，供用户通过浏览器远程查看相关信息。

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