CN105548743A - 一种基于手机客户端电能质量监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于手机客户端电能质量监测系统及方法，属于电能质量监测系统及方法。包括：监测终端和移动设备终端；监测终端的电流钳和电流互感器输入端相连；电压钳和电压互感器输入端相连；电压互感器输出端及电流互感器输出端分别与信号调理模块相连，两个信号调理模块的输出端均与A/D高速采样芯片输入端相连，A/D高速采样芯片输出端和DSP处理器输入端和ARM处理器的输入端相连，ARM处理器的输入端同时与A/D高速采样芯片、SD存储模块、改造版WiFi路由、DSP处理器、SIM908通信模块和实时时钟电路模块连接；ARM处理器与太阳能供电系统连接；移动设备终端为Android智能手机。优点：覆盖范围广、传播速度快，减少了线缆对采集数据的干扰，降低了运营成本，增加了系统的稳定性。

Description

一种基于手机客户端电能质量监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电能质量监测系统及方法，特别是一种基于手机客户端电能质量监测系统及方法。

背景技术

近年来随着电力电子技术的创新和国民经济的发展，各种电力电子装置的应用日益广泛，非线性负荷产生了大量谐波注入电网，加剧了对电网的污染。由谐波引起的电能质量问题越来越受到人们的重视，因此通过设备对电网进行监测显得尤其重要。

目前,电能质量监测是智能电网组成的一个重要环节，不仅能对电网的电能质量进行全面监测，还为电网的污染治理提供了前提和依据。目前，现有的大部分电能质量监测系统和设备，功能比较单一和类似，将采集的海量数据通过网络远程传输给服务器或者监控中心，不仅对网络的稳定性和传输速度提出了极高要求，还大大增加了运行成本。还有一些设备采用RS232、RS485本地通信端口或者采用以太网通信端口，这些通信方式虽然可以实现将数据远程传输达到监测的目的，但是由于电网设备众多且分散不集中的特点，架设监测通信网络并不经济、也不现实。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于手机客户端电能质量监测系统及方法，解决现有电网设备众多且分散不集中，架设监测通信网络并不经济、也不现实的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：电能质量监测系统包括：监测终端和移动设备终端；所述监测终端包括电流钳、电压钳、电流互感器、电压互感器、信号调理模块、太阳能供电系统、A/D高速采样芯片、SD存储模块、改造版WiFi路由、ARM处理器、DSP处理器、SIM908通信模块和实时时钟模块；电流钳和电流互感器输入端相连；电压钳和电压互感器输入端相连；电压互感器输出端及电流互感器输出端分别与信号调理模块相连，两个信号调理模块的输出端均与A/D高速采样芯片输入端相连，A/D高速采样芯片输出端和DSP处理器输入端和ARM处理器的输入端相连接，ARM处理器的输入端同时与A/D高速采样芯片、SD存储模块、改造版WiFi路由、DSP处理器(11)、SIM908通信模块和实时时钟电路模块连接；ARM处理器通过电源线和太阳能供电系统(6)连接；

所述移动设备终端为Android智能手机。

所述太阳能供电系统包括太阳能光伏板、光伏控制器、蓄电池组和电源变换器；太阳能光伏板、光伏控制器、和电源变换器顺序连接，蓄电池组与光伏控制器连接；通过光伏控制器控制将太阳能转换成电能为整个系统供电。

所述改造版WiFi路由中刷入有一个开源的openWRT系统，所述改造版WiFi路由和移动设备终端之间通过TCP/UDP方式实现通信。

所述移动设备终端的智能手机(18)中安装有监测系统App应用程序，监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写，将传送来的电能质量数据以曲线或者图表等形式显示。

电能质量监测方法：当监测系统工作在待机工作模式时，整个系统处于自动运行监测模式下，电流互感器和电压互感器采集到电网数据后，将数据传送给信号调理模块，经放大、滤波、偏置处理后传送给A/D高速采集模块完成模数转换，最终在DSP处理器中完成分运算和分析，并将计算处理得到的基波谐波幅值、频率和相位参数，以及三相不平衡参数和电压瞬变参数结果传输给ARM处理器，通过和设定的阈值比较，判断是否超出临界范围，如若超出启动SIM908通信模块，SIM908模块将定位信息和监测数据以短信方式发送到巡检人员智能手机上，通知采取相应的防范措施；

巡检人员通过移动设备终端启动和停止按钮发送手机指令，操作整个监测系统的运行，或者通过清屏和保存按钮对数据参数进行处理；有三个显示窗口分别显示电压/电流波形、频谱和谐波含量柱状图；通过采样参数设置窗口设置所需要的采用频率和采样时长；测量窗口完成谐波分析、不平衡和相角和瞬变参数测量的功能，并将回传的定位信息和本地时间显示在屏幕上。

有益效果，由于采用了上述方案，采用无线网络实现了监测，比到已有的有线网络架设的监测方式，无线网络不仅覆盖范围广、传播速度快，而且减少了线缆对采集数据的干扰，既减少了运营成本，又增加了系统的稳定性。同时采用ARM+DSP主从体系结构处理器，既可以发挥DSP芯片数字处理能力采样频率高、运算速度快的特点，又能充分利用嵌入式芯片ARM处理器的资源协调整个系统运行，使得整个电能质量监测系统更加高效和完善。巡检人员不必携带沉重的监测设备，只需携带一部智能手机，通过手机获取电能质量实时曲线和图表，并且设备在待机工作时，当监测数据超过阈值时，可以通过短信方式发送预警信息实现了远程监控的目的，使得整个监测系统更加智能和人性化。

解决了现有电网设备众多且分散不集中，架设监测通信网络并不经济、也不现实的问题，达到了本发明的目的。

附图说明：

图1为本发明的连接框图。

图2为本发明太阳能供电系统的连接框图。

图3为本发明手机WiFi连接模式工作流程图。

图4为本发明待机工作模式的工作流程图。

图5为本发明手机APP应用程序运行界面分布图。

图中：1、电流钳；2、电压钳；3、电流互感器；4、电压互感器；5、信号调理模块；6、太阳能供电系统；7、A/D高速采样芯片；8、SD存储模块；9、改造版WiFi路由；10、ARM处理器；11、DSP处理器；12、SIM908通信模块；13、实时时钟模块；14、太阳能光伏板；15、光伏控制器；16、电源变换器；17、蓄电池组；18、智能手机。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

本发明的基于手机客户端电能质量监测系统，主要由监测终端和移动设备终端构成，所述监测终端包括电流钳1、电压钳2、电流互感器3、电压互感器4、信号调理模块5、太阳能供电系统6、A/D高速采样芯片7、SD存储模块8、改造版WiFi路由9、ARM处理器10、DSP处理器11、SIM908通信模块12和实时时钟模块13；所述电流钳1和电流互感器3输入端相连，用于采集电网强电流信号并将强电流信号转换成弱电流模拟信号；所述电压钳2和电压互感器4输入端相连，用于采集电网强电压信号并将强电压信号转换成弱电压模拟信号；

所述电压互感器4输出端及电流互感器3输出端分别与信号调理模块5相连，将电压和电流模拟信号传送给信号调理模块5，所述信号调理模块5作用是将模拟信号进行滤波、放大和偏置处理；

两个信号调理模块5的输出端均与A/D高速采样芯片7输入端相连，信号调理模块5处理完成后将信号传送给A/D高速采样芯片7，所述A/D高速采样芯片7输出端和DSP处理器11输入端和ARM处理器10的输入端相连接，所述A/D高速采样芯片7将模拟信号转换成数字信号后传送给DSP处理器11，完成了监测系统对数据的采集工作。

所述ARM处理器10的输入端同时与A/D高速采样芯片7、SD存储模块8、改造版WiFi路由9、DSP处理器11、SIM908通信模块12和实时时钟电路模块13连接；ARM处理器10通过电源线和太阳能供电系统6连接；

所述移动设备终端为Android智能手机18。

所述太阳能供电系统6包括太阳能光伏板14、光伏控制器15、蓄电池组17和电源变换器16；太阳能光伏板14、光伏控制器15、和电源变换器16顺序连接，蓄电池组17与光伏控制器15连接；通过光伏控制器15控制将太阳能转换成电能为整个系统供电。

所述改造版WiFi路由9中刷入有一个开源的openWRT系统，所述改造版WiFi路由9和移动设备终端之间通过TCP/UDP方式实现通信。

所述移动设备终端的智能手机18中安装有监测系统App应用程序，监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写，将传送来的电能质量数据以曲线或者图表等形式显示。

所述ARM处理器10为整个系统的管理控制中心，选用Samsung公司的ARM920T内核的16/32位RISC处理器S3C2410，协调管理各模块的运作和通信；

所述DSP处理器11为整个系统运算分析和处理中心，选用TI公司的TM320F2812定点DSP芯片；

所述实时时钟电路模块13采用DS1302芯片，为整个监测系统提供统一的时间；

所述SD卡存储模块8采用TXS02612芯片。

电能质量监测方法：当监测系统工作在待机工作模式时，整个系统处于自动运行监测模式下，电流互感器3和电压互感器4采集到电网数据后，将数据传送给信号调理模块5，经放大、滤波、偏置处理后传送给A/D高速采集模块7完成模数转换，最终在DSP处理器11中完成分运算和分析，并将计算处理得到的基波谐波幅值、频率和相位参数，以及三相不平衡参数和电压瞬变参数结果传输给ARM处理器10，通过和设定的阈值比较，判断是否超出临界范围，如若超出启动SIM908通信模块12，SIM908模块12将定位信息和监测数据以短信方式发送到巡检人员智能手机18上，通知采取相应的防范措施；

巡检人员通过移动设备终端启动和停止按钮发送手机指令，操作整个监测系统的运行，或者通过清屏和保存按钮对数据参数进行处理；有三个显示窗口分别显示电压/电流波形、频谱和谐波含量柱状图；通过采样参数设置窗口设置所需要的采用频率和采样时长；测量窗口完成谐波分析、不平衡和相角和瞬变参数测量的功能，并将回传的定位信息和本地时间显示在屏幕上。

图1为本发明的连接框图，用于表明系统各模块的连接结构；图2为太阳能供电系统的连接框图，用于表明太阳能供电系统的连接结构。

基于手机客户端电能质量监测系统包括监测终端和移动设备终端，所述监测终端包括ARM处理器10；所述ARM处理器10通过电源线和太阳能供电系统6、A/D高速采样芯片7、SD存储模块8、改造版WiFi路由9、DSP处理器11、SIM908通信模块12、实时时钟电路模块13连接。

所述监测终端还包括电压钳2和电流钳1，所述电压钳2和电压互感器4输入端相连，用于采集电网强电压信号并将强电压信号转换成弱电压模拟信号；所述电流钳1和电流互感器3输入端相连，用于采集电网强电流信号并将强电流信号转换成弱电流模拟信号。所述电压互感器4输出端及电流互感器3输出端和信号调理模块5相连，将电压和电流模拟信号传送给信号调理模块5，所述信号调理模块5作用是将模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块5输出端与A/D高速采样芯片7输入端相连，信号调理模块5处理完成后将信号传送给A/D高速采样芯片7，所述A/D高速采样芯片7输出端和DSP处理器11输入端相连，所述A/D高速采样芯片7将模拟信号转换成数字信号后传送给DSP处理器11，完成了监测系统对数据的采集工作。

所述ARM处理器10和DSP处理器11为整个系统的核心。所述ARM处理器10为整个系统的管理控制中心，选用Samsung公司的ARM920T内核的16/32位RISC处理器S3C2410，协调管理各模块的运作和通信。所述DSP处理器11为整个系统运算分析和处理中心，选用TI公司的TM320F2812定点DSP芯片，以EDMA(EnhancedDMA)方式将电压、电流信号从A/D高速采样芯片7输入端连续采集量化成每点16位的二进制的8个数据,同时产生EDMA同步信号将512×8点数据连续送到SD卡存储模块8中，DSP处理器11以多线程方式对信号进行算法分析处理，得到基波和各次谐波的幅值、相位、频率，以及再通过计算得到三相不平衡参数和电压瞬变参数。

所述改造版WiFi路由9作为整个监测系统通信枢纽，而普通路由不能直接应用于监测系统。所述改造版WiFi路由9刷入了一个开源的openWRT系统，等于给路由安装了一个微型软件操作系统。openWRT是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统,拥有强大的网络组件和扩展性,常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器和其他电子设备。在开源的Linux系统Ubuntu环境下编译好所需的openWRT固件。所述改造版WiFi路由9和移动设备终端之间通过TCP/UDP方式实现通信，移动设备终端通过按键触发发送指令，将指令转换成相应的数据包，通过WiFi网络传输到路由上，路由从传输信道中提取数据包到TTL串口，所述改造版WiFi路由9TTL串口和ARM处理器10串口相连，通过串口通信的方式进行数据传输，ARM处理器10通过接收的数据指令协调相应模块完成动作。并且可以将采集到的电能质量数据转换成数据包以同样的方式回传给移动设备终端，从而实现了数据双向通信的特点，功能简便高效且功耗低。

所述移动设备终端采用Android智能手机18,智能手机18安装有监测系统App应用程序,监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写，可以将传送来的电能质量数据以曲线或者图表等形式显示。

所述监测系统采用太阳能供电方式为整个系统的运行提供电能，所述太阳能供电系统6包括太阳能光伏板14、光伏控制器15、蓄电池组17和电源变换器16。通过光伏控制器15控制，将采集的太阳能一部分转换成电能存储在蓄电池组17中，一部分电能通过电源变换器16通过DC-DC变换，转换成系统各模块所需电压值为整个系统供电。所述实时时钟电路模块13采用DS1302芯片，为整个监测系统提供统一的时间，所述SD卡存储模块8采用TXS02612芯片。

图3和图5中，图3为手机WiFi连接模式工作流程图，用于表明用手机通过WiFi登录时，系统的工作方式和流程；图5为手机APP应用程序运行界面分布图，用于表明整个系统的监测和运行状态。

当整个系统工作在手机WiFi连接模式时，巡检人员只需携带一部智能手机18，通过登录界面输入监测终端对应的端口号登录，启动发送指令，所述改造版WiFi路由9从信道中接受到手机指令，通过TTL串口通信方式传输给ARM处理器10，ARM处理器10协调相应模块进行数据采集工作，将采集到的电网数据通过信号调理模块5和A/D高速采样芯片7处理和模数转换后，由DSP处理器11进行运算和分析，将计算处理得到的基波谐波幅值、频率和相位参数，以及三相不平衡参数和电压瞬变参数存储到SD卡存储模块8中，并通过WiFi路由回传到智能手机18终端，通过APP应用程序绘制曲线/图表在屏幕上显示。

所述SIM908通信模块内部集成有GPS定位模块和短信收发功能，在整个监测系统待机工作时，系统监测到数据一旦超过阈值，可以将GPS定位信息和采集数据以短信的方式发送到手机终端，提醒检修人员采取相应防范措施。

图4为待机工作模式的工作流程图，用于表明整个系统在待机时的工作方式和流程。当监测系统工作在待机工作模式时，即整个系统处于自动运行监测模式下，电流互感器3和电压互感器4采集到电网数据后，将数据传送给信号调理模块5，经放大、滤波、偏置处理后传送给A/D高速采集模块7完成模数转换，最终在DSP处理器11中完成分运算和分析，并将计算处理得到的基波谐波幅值、频率和相位参数，以及三相不平衡参数和电压瞬变参数结果传输给ARM处理器10，通过和设定的阈值比较，判断是否超出临界范围，如若超出启动SIM908通信模块12，SIM908模块12将定位信息和监测数据以短信方式发送到巡检人员智能手机18上，通知采取相应的防范措施。

图5中，本发明手机APP应用程序运行界面分布图，巡检人员通过移动设备终端启动和停止按钮发送手机指令，操作整个监测系统的运行，或者通过清屏和保存按钮对数据参数进行处理。有三个显示窗口分别显示电压/电流波形、频谱和谐波含量柱状图。通过采样参数设置窗口设置所需要的采用频率和采样时长。其他测量窗口完成谐波分析、不平衡和相角和瞬变参数测量的功能，并将回传的定位信息和本地时间显示在屏幕上。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于手机客户端电能质量监测系统，其特征在于：电能质量监测系统包括监测终端和移动设备终端；

所述监测终端包括电流钳（1）、电压钳（2）、电流互感器（3）、电压互感器（4）、信号调理模块（5）、太阳能供电系统（6）、A/D高速采样芯片（7）、SD存储模块（8）、改造版WiFi路由（9）、ARM处理器（10）、DSP处理器（11）、SIM908通信模块（12）和实时时钟模块（13）；电流钳（1）和电流互感器（3）输入端相连；电压钳（2）和电压互感器（4）输入端相连；电压互感器（4）输出端及电流互感器（3）输出端分别与信号调理模块（5）相连，两个信号调理模块（5）的输出端均与A/D高速采样芯片（7）输入端相连，A/D高速采样芯片（7）输出端和DSP处理器（11）输入端和ARM处理器（10）的输入端相连接，ARM处理器（10）的输入端同时与A/D高速采样芯片（7）、SD存储模块（8）、改造版WiFi路由(9)、DSP处理器(11)、SIM908通信模块(12)和实时时钟电路模块(13)连接；ARM处理器（10）通过电源线和太阳能供电系统（6）连接；

所述移动设备终端为Android智能手机（18）。

2.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端电能质量监测系统，其特征在于，所述太阳能供电系统（6）包括太阳能光伏板（14）、光伏控制器（15）、蓄电池组（17）和电源变换器（16）；太阳能光伏板（14）、光伏控制器（15）、和电源变换器（16）顺序连接，蓄电池组（17）与光伏控制器（15）连接；通过光伏控制器（15）控制将太阳能转换成电能为整个系统供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端电能质量监测系统，其特征在于，所述改造版WiFi路由（9）中刷入有一个开源的openWRT系统，所述改造版WiFi路由（9）和移动设备终端之间通过TCP/UDP方式实现通信。

4.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端电能质量监测系统，其特征在于，所述移动设备终端的智能手机(18)中安装有监测系统App应用程序，监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写，将传送来的电能质量数据以曲线或者图表等形式显示。

5.权利要求1所述的基于手机客户端电能质量监测系统的监测方法，电能质量监测方法：当监测系统工作在待机工作模式时，整个系统处于自动运行监测模式下，电流互感器和电压互感器采集到电网数据后，将数据传送给信号调理模块，经放大、滤波、偏置处理后传送给A/D高速采集模块完成模数转换，最终在DSP处理器中完成分运算和分析，并将计算处理得到的基波谐波幅值、频率和相位参数，以及三相不平衡参数和电压瞬变参数结果传输给ARM处理器，通过和设定的阈值比较，判断是否超出临界范围，如若超出启动SIM908通信模块，SIM908模块将定位信息和监测数据以短信方式发送到巡检人员智能手机上，通知采取相应的防范措施；

巡检人员通过移动设备终端启动和停止按钮发送手机指令，操作整个监测系统的运行，或者通过清屏和保存按钮对数据参数进行处理；有三个显示窗口分别显示电压/电流波形、频谱和谐波含量柱状图；通过采样参数设置窗口设置所需要的采用频率和采样时长；测量窗口完成谐波分析、不平衡和相角和瞬变参数测量的功能，并将回传的定位信息和本地时间显示在屏幕上。