CN103091580A

CN103091580A - 一种基于arm的微电网电能监测装置

Info

Publication number: CN103091580A
Application number: CN2013100105973A
Authority: CN
Inventors: 杜贵平; 何莉丹
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-01-12
Filing date: 2013-01-12
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明涉及一种基于ARM的微电网电能监测装置，包括嵌入式微处理器模块、采样模块、信号处理电路、通讯模块、显示设备；所述嵌入式微处理器分别与信号处理电路、通讯模块、显示设备连接；所述信号处理电路还与采样模块连接。本发明对电网内的电能质量进行实时监测，结构简单，且具有能及时更新数据、数据传输快等优点。

Description

一种基于ARM的微电网电能监测装置

技术领域

本发明涉及微电网综合自动化技术领域，具体涉及一种基于ARM的微电网电能监测装置。

背景技术

目前，光伏发电、风能发电以及蓄电池储能等多种分布式能源组合接入微电网的技术还不成熟，不同种类、容量的电源在同一系统中融合会带来许多新的问题,如系统稳定性和可靠性的问题、电能质量问题等。

随着社会的进步和发展，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及供电可靠性的要求越来越高。目前关于电能质量，我国制订了五项标准，分别是：1)电能质量，公用电网谐波；2)电能质量，供电电压允许偏差；3)电能质量，电压允许波动和闪变；4)电能质量，电力系统频率允许偏差；5) 电能质量，三相电压允许不平衡度。电能质量要求微电网系统的电压、频率、谐波等参数能够符合要求。同时，微电网中发电设备主要由光伏发电、风能发电以及蓄电池储能等组成，这些设备存在着大量的电力电子器件，在运行和调度过程中会对微电网中电能质量造成重大影响。为了确保用户用电安全，有必要对电能质量进行监测,对数据的及时更新有较高的要求，这就要求数据传输的高速性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ARM的微电网电能质量监测装置，可以实时测量微电网内的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、频率、谐波等微电网系统中的各项参数指标，并依靠工业以太网总线或CAN总线快速将数据传输给相关设备供其分析和处理，可以分析微电网电力系统中电能受污染的程度，是改善微电网系统电能质量的基础工作，为微电网电力调度提供了重要参考。

本发明通过下述方案予以实现:

一种基于ARM的微电网电能质量监测装置，包括信号处理电路、采样模块、嵌入式微处理器模块、通讯模块、存储器、显示设备；所述嵌入式微处理器分别与信号处理电路、通讯模块、存储器、显示设备连接；所述信号处理电路还与采样模块连接；所述采样模块实时测量微电网系统中的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、频率、谐波参数指标；所述信号处理电路对采样模块输出的信号进行隔离放大、滤波等处理；所述通讯模块用于实现嵌入式微处理器与外部设备之间的通信；所述显示设备用于显示检测到的微电网电压、电流、频率、谐波等信息；所述存储器用于存储数据信息。

所述的嵌入式微处理器为高性能ARM处理器，用于微电网数据采样、计算和处理，设有32位精简指令集、DSP扩展指令集、最高频率为200MHz，拥有220MIPS的运算性能及各种用于数据传输的外设接口。

所述采样模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，用于采集电压、电流信号（可测交直流电压、电流）；所述信号处理电路由运算放大器及相关电阻电容构成，用于对采样模块输出信号进行隔离放大、滤波处理，并将处理后的信号送到嵌入式微处理器模块AD采样专用端口。

所述的通信模块包括以太网通信方式模块和CAN通信模块，各模块之间相互独立与对应的外部设备连接。其中以太网通信模块为10/100M以太网通信模块，用于嵌入式微处理器模块与上层监控设备的以太网通信；CAN通信模块实现与其他微电网发电设备控制器之间数据通信。

所述的显示设备为触摸屏。

所述嵌入式微处理器模块采用一个适合实际使用的实时多任务操作系统。

所述嵌入式微处理器模块对信号处理电路输出的信号执行模数转换（AD 转换），并对AD 采样结果进行数字滤波处理，处理过的数字信号再分别进行快速傅立叶变换（FFT）、电压真有效值计算、电流真有效值计算、频率计算。同时将计算的结果送到显示设备进行实时显示，同时将数据经过通信模块输送到外部相关设备中。

所述存储器包括用于程序和数据储存的NAND FLASH(NAND型闪存 )、DATA FLASH（数据闪存）、EEPROM(电可擦写可编程只读存储器 )和用于程序运行的SDRAM(同步动态随机存储器)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明结构简单，采用高速性能和具有丰富接口资源的32位ARM微处理器，利用其DSP指令对采集数据进行高速运算处理，具有集成度高，外部接口电路简单等优点；同时采用源代码公开的实时操作系统，降低了设备及其系统的成本。本系统还具有实时性强、稳定可靠等突出的优点，适合在环境比较恶劣的现场运行。

附图说明

图1为实施方式中的基于ARM的微电网电能质量监测装置示意图；

图2为实施方式中的微处理器AT91SAM9263-CU示意图；

图3为实施方式中的存储器的示意图；

图4为实施方式中的10/100M以太网通信模块的示意图；

图5为实施方式中的LCD与触摸屏示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的监测系统作进一步的描述。

如图1所示，一种基于ARM的微电网电能质量监测装置包括信号处理电路、采样模块、嵌入式微处理器模块、通讯模块、存储器、显示设备；所述嵌入式微处理器分别与信号处理电路、通讯模块、存储器、显示设备连接；所述信号处理电路还与采样模块连接；所述采样模块实时测量微电网系统中交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、频率、谐波等参数指标；所述信号处理电路对采样模块输出的信号进行隔离放大、滤波处理；所述通讯模块用于实现嵌入式微处理器与外部设备之间的通信；所述显示设备用于显示检测到的微电网电压、电流、频率、谐波等信息；所述存储器用于存储数据信息。

所述采样模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，用于采集电压、电流信号（可测交直流电压、电流）；所述信号处理电路由运算放大器及相关电阻电容构成，对采样模块输出的信号进行隔离放大、滤波处理，并将处理后的信号送到嵌入式微处理器模块AD采样专用端口。

嵌入式微处理器模块对信号处理电路输出的信号执行模数转换（AD 转换），并对AD 采样结果进行数字滤波处理，处理过的数字信号再分别进行快速傅立叶变换（FFT）、电压真有效值计算、电流真有效值计算、频率计算。同时将计算的结果送到显示部分进行实时显示，同时将数据经过通信模块输送到外部相关设备中。所述的显示设备为触摸屏。所述嵌入式微处理器模块采用实时多任务操作系统。

如图2所示，所述的嵌入式微处理器为ATMEL公司生产采用ARM926EJ-S arm 内核的32位嵌入式微处理器，具有DSP扩展指令集，JAVA硬件加速，型号为AT91SAM9263，嵌入式微处理器是控制系统的核心，负责整个嵌入式系统的任务调度、数据采集、数据处理以及数据通信。

嵌入式微处理器AT91SAM9263采用两级供电方式：内核采用1.2V直流电源供电，芯片内部功耗更低；一般外设输入输出端口采用3.3V供电，保持其外设的通用性。Y1、Y2为两个无源晶振，为嵌入式微处理器提供工作时钟。其中第二无源晶振Y2接到嵌入式微处理器的XIN、XOUT两端，其频率为32.768KHz，为嵌入式微处理器提供慢时钟；第一无源晶振Y1接到嵌入式微处理器的XIN32、XOUT32两端，其频率为18.432MHz，是嵌入式微处理器的主时钟。嵌入式微处理器在上电复位后，第二无源晶振Y2为U1提供慢时钟，使嵌入式微处理器首先工作起来，慢时钟稳定工作后，主时钟接入嵌入式微处理器，嵌入式微处理器以主时钟作为工作频率，进入正常工作的状态。主时钟和慢时钟基准经过微处理器内部两个锁相环（PLL）后，产生系统所需的各种CPU时钟、外设时钟以及USB器件工作时钟。

如图3所示，存储器包括四个部分，NAND FLASH、DATA FLASH、 SDRAM、EEPROM，其中NAND FLASH、DATA FLASH、 SDRAM分别满足程序、数据存储以及程序运行的需要，EEPROM作为重要数据备份之用。

NAND FLASH采用三星公司生产的型号为K9F2G08UOM,是256M的8 bit NAND Flash Memory，它只需要8位数据线和6根一般I/O线就可以实现与嵌入式微处理器的连接，电路结构简单。NAND FLASH存储器主要用来存储采集数据。

DATA FLASH采用Atmel公司生产的型号为AT45DB321D-SU，是一种容量32Mbit的闪存芯片，作为系统Data Flash存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据。

SDRAM采用HY公司生产的型号为HY57V641620，容量为8MByte的SDRAM存储器，两块SDRAM通过32位数据总线与嵌入式微处理器连接，组成容量为16M Byte SDRAM，满足程序运行的需要。

EEPROM采用AT24C512，容量为64K Byte EEPROM，它通过I2C总线与嵌入式微处理器连接，作为重要数据备份之用，在实际应用中可以选用。

如图4所示，为本实施方式的10/100M以太网通信模块的示意图。

所述嵌入式微处理器内部集成了一个10/100M的以太网控制器，不需要再扩展以太网控制器，只需要接一个物理层接口芯片即可实现以太网通信。以太网物理层接口芯片，型号为DM9161E，可提供MII（Media Independent Interface）/RMII（Reduced MII）接口，以及传统的7线制网络接口GPSI，使用RMII接口模式。RJ45接口内部集成了网络电压器，型号为HR911105A，适用于10/100M以太网，最大ESD电压为1.5KV。

如图5所示，所述嵌入式微处理器内部集成了LCD控制器，因此系统的显示设备电路就简单了很多，图中LCD为显示器接口，提供LCD驱动即可工作，图中LCD扫描方式有两种可供选择：U/D为高，从上到下扫描，为低从下向上扫描，R/L为高从右到左扫描，为低从左到右扫描。嵌入式微处理器拥有2D图形协处理器，显示性能得到提升。

触摸屏接口芯片是Burr-Brown 公司产品，型号为ADS7843E。静电保护电路采用DALC208SC6，提供静电保护，减小信号失真。

本发明的部分功能模块、接口具有很强的独立性，可以根据实际使用情况进行裁剪；各种存储器的容量也可以根据实际需要进行选择，具有很大的灵活性。这种功能化、模块化的设计是控制产品成本的一个非常重要的手段。所有的器件都使用了标准的封装形式，各种输入输出端口均也使用了标准器件，符合产品规范化和标准化的要求。

Claims

1.一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于包括信号处理电路、采样模块、嵌入式微处理器模块、通讯模块、存储器、显示设备；所述嵌入式微处理器分别与信号处理电路、通讯模块、存储器、显示设备连接；所述信号处理电路还与采样模块连接；所述采样模块实时测量微电网系统中的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、频率、谐波参数指标；所述信号处理电路对采样模块输出的信号进行隔离放大、滤波等处理；所述通讯模块用于实现嵌入式微处理器与外部设备之间的通信；所述显示设备用于显示检测到的微电网电压、电流、频率、谐波等信息；所述存储器用于存储数据信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述的嵌入式微处理器设有32位指令集、DSP扩展指令集、最高频率为200MHz、拥有220MIPS的运算能力及用于各数据传输的外设接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述采样模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器；所述信号处理电路由运算放大器及相关电阻电容构成，用于处理交流、直流信号，并将处理后的信号送到嵌入式微处理器模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述的通信模块包括以太网通信方式模块和CAN通信模块，它们之间相互独立；其中以太网通信模块为10/100M以太网通信模块，用于嵌入式微处理器模块与上层监控设备的以太网通信；CAN通信模块实现与其他微电网发电设备控制器之间数据通信。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述的显示设备为触摸屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述嵌入式微处理器模块采用实时多任务操作系统。

7.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网电能监测装置，其特征在于所述嵌入式微处理器模块对信号处理电路输出的信号进行计算，即计算测量到的电压、电流、频率、谐波，并将结果通过显示设备实时显示，同时数据经过通信模块输送到外部相关设备中。

8.根据权利要求1所述的一种基于ARM的微电网质量监测装置，其特征在于所述存储器包括NAND FLASH、DATA FLASH、EEPROM和SDRAM。