CN105785099A - 一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，包括下位机、上位机、无线数据传输模块；所述下位机主要包括无线传感器测量模块、GPS模块、嵌入式模块、人机交互模块、数据存储模块和电源模块；所述上位机包括PC机与智能移动设备。本发明通过使用无线传感器模块增加传感器与下位机的物理距离，增加装置的灵活性，实时获取电量数据；易于实现多节点电能质量的实时监测，大大降低了系统的成本，与计算机进行无线互联，同时将移动设备作为上位机接入，增加装置的便捷性，辅以计算机终端软件，不仅可以利用计算机终端的成熟硬件设备，还可以实现软件的高度复用；还可很容易提供高质量的Web服务，实现数据的网络共享化。

Description

一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统
【技术领域】
本发明涉及一种电力系统配电网电能质量监测装置的技术领域，特别是一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量监测系统的技术领域。
【背景技术】
现代社会的发展离不开电能，因此电能质量的高低将对社会经济的进步产生很大影响。但是，因采用电力电子器件控制电能有诸多优点，其在现代电网的方方面面都得到了应用，致使电网用户侧出现了大量的非线性电子器件，这类器件包括半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉等。除此之外，静止无功补偿器和最优潮流控制器等的投入、风力发电和光伏发电等新能源发电规模的日益扩大、柔性交流输电技术和高压直流输电技术的日益成熟，都增加了电网中的谐波源，使得谐波治理愈加困难。未来的电网供电将会受到更多的干扰和“污染”已是必然。
大型电网的电能质量监测系统使用的互感器多为固定安装，定点测量，使得用电设备的数据采集和监视控制系统安装工程量大、调试困难、布线复杂、灵活性不高。随着电网的不断扩大，致使电源分布广泛、电源频繁切换、设备随时切入和退出运行。这就需要测量灵活、投入快速、安装便捷的设备与之配合。此类装置应能对故障现场或新增加的节点进行快速测量，帮助用户监测配电网中电能质量，为制定配电网侧相关策略提供参考。而目前市场上的电能质量监测装置虽然大都有与上位机的无线互联，但在实际使用过程中均存在传感器与下位机连接距离有限的缺点，使监测的灵活性大大下降；而且上位机多是计算机，少有移动设备作为上位机接入，导致装置的监测功能不够便捷。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，能够使测量灵活方便提高了上位机的综合管理效率。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，包括数据实时采集与智能分析的下位机、当前与历史可查询的上位机、无线数据传输模块；所述下位机主要包括用于数据实时采集的无线传感器测量模块、用于提供标准时钟信号的GPS模块、用于数字信号分析与处理的嵌入式模块、用于显示结果和设置参数的人机交互模块、用于保存数据的数据存储模块和用于为各个模块供电的电源模块；所述上位机包括PC机与智能移动设备。
作为优选，所述无线传感器测量模块包含用于连接并实时监测电网节点电压电流大小的钳形互感器、用于进行信号放大的信号调理模块、数模转换模块、无线通信模块和电源模块；所述的钳形互感器分别与转接模块连接，可以在电网节点上快捷安装；所述信号调理模块包括信号跟随模块、反向求和模块和反向放大模块等；所述数模转换模块采用高精度外部AD。
作为优选，所述GPS模块采用遵循NMEA-0183协议的GPS模组，为数字信号分析与处理模块提供时间基准，以便测量节点的相角及三相不平衡度。
作为优选，所述数字信号分析与处理的嵌入式模块以STM单片机芯片为硬件核心，以嵌入式实时操作系统为软件核心，通过串口从无线传感器测量模块获取数字信号，并传输给电压和电流运算模块。
作为优选，所述人机交互模块包括触屏输入模块、彩屏输出模块等，通过所述触屏输入模块可以选择所需的功能及设置参数；所述彩屏输出模块用于显示测量数据、波形及图表等信息；所述人机交互模块通过STM单片机芯片来控制驱动芯片，进而在薄膜晶体管液晶显示器及投射式电容触摸屏上实现显示内容及触屏控制。
作为优选，所述数据存储模块用于存储历史数据并与可移动存储设备进行数据传输，包括标准SD卡接口、USBHOST接口，文件操作使用的是嵌入式文件管理系统。
作为优选，所述无线数据传输模块包括蓝牙模块、WIFI模块和驱动电源，均通过串口与STM单片机芯片相连；所述蓝牙模块与智能手机客户端进行通信；所述WIFI模块使用基于可分别与计算机上位机和智能手机进行通信。
作为优选，所述当前与历史可查询的上位机包括PC机与智能移动设备，计算机的上位机软件运用JAVA编写；所述上位机的功能是显示、保存、查询和处理从STM单片机芯片发来的数据，智能移动设备的客户端可以查看STM单片机芯片的文件管理系统的数据。
本发明的有益效果：本发明通过使用无线传感器模块增加传感器与下位机的物理距离，增加装置的灵活性，实时获取电力系统的电压、电流、相位等电量数据；易于实现多节点电能质量的实时监测，而且模块化的软硬件设计大大降低了系统的成本，与计算机进行无线互联，同时将移动设备作为上位机接入，增加装置的便捷性，辅以计算机终端软件，不仅可以利用计算机终端的成熟硬件设备，还可以实现软件的高度复用；还可很容易提供高质量的Web服务，实现数据的网络共享化。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统的系统结构示意图；
图2是本发明一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统的无线传感器测量模块结构示意图；
图3是本发明一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统的上位机软件功能示意图。
【具体实施方式】
参阅图1、图2、图3，本发明一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，包括数据实时采集与智能分析的下位机、当前与历史可查询的上位机、无线数据传输模块；所述下位机主要包括用于数据实时采集的无线传感器测量模块、用于提供标准时钟信号的GPS模块、用于数字信号分析与处理的嵌入式模块、用于显示结果和设置参数的人机交互模块、用于保存数据的数据存储模块和用于为各个模块供电的电源模块；所述上位机包括PC机与智能移动设备。
所述无线传感器测量模块包含用于连接并实时监测电网节点电压电流大小的钳形互感器、用于进行信号放大的信号调理模块、数模转换模块、无线通信模块和电源模块；所述的钳形互感器分别与转接模块连接，可以在电网节点上快捷安装；所述信号调理模块包括信号跟随模块、反向求和模块和反向放大模块等；所述数模转换模块采用高精度AD7606，其可以分别对8个通道输入信号进行同步采样，模拟输入可以接受真双极性输入信号，内置输入钳位保护、输入信号缩放放大器，采样保持放大器、高速ADC、数字滤波器以及高速并行和串行接口；所述无线通信模块为采用基于IEEE802.15.4standard的以CC2530芯片为核心的Zigbee通信模块。；所述GPS模块采用遵循NMEA-0183协议的U-BLOXNEO-6M模组，体积小巧，性能优异，自带陶瓷天线，可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，自带IPX接口，可以连接各种有源天线，所述GPS模块为数字信号分析与处理模块提供时间基准，以便测量节点的相角及三相不平衡度；所述数字信号分析与处理的嵌入式模块以STM单片机芯片为硬件核心，以嵌入式实时操作系统为软件核心，通过串口从无线传感器测量模块获取数字信号，并传输给电压和电流运算模块，电压和电流运算模块使用FFT(快速傅里叶变换)对数据进行计算，以得到稳态电能质量数据如电压电流的频率、幅值、谐波和相角，使用SFFT(短时快速傅里叶变换)对数据进行计算，以对电压波动与电压暂降进行监测；所述人机交互模块包括触屏输入模块、彩屏输出模块等，通过所述触屏输入模块可以选择所需的功能及设置参数；所述彩屏输出模块用于显示测量数据、波形及图表等信息；所述人机交互模块通过STM32F4的FSMC接口来控制驱动芯片进而在4.3寸TFTLCD上显示内容和触屏控制；所述TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器，为4.3寸投射式电容触摸屏；所述驱动芯片为ILI9341控制器，并使用GT9147作为驱动IC；所述数据管理模块包括使用STM32F407自带的SDIO接口驱动设计的标准SD卡接口，4位模式，最高通信速度可达48Mhz，最高每秒可传输数据24M字节，还包括采用侧式USB-A座的USBHOST接口，文件操作使用的是STM32F407内移植的专为小型嵌入式系统设计的FATFS文件管理系统，版本为FATFS—R0.10b；所述无线数据传输模块包括蓝牙模块、WIFI模块和驱动电源，均通过串口与STM32F407相连；所述蓝牙模块使用ATK-HC05-V11蓝牙串口模块，与智能手机客户端进行通信；所述WIFI模块使用基于ARMCortex-M4内核，运行频率高达80MHz的CC3200方案，具有低功耗、传输安全的特点，可分别与计算机上位机和智能手机进行通信；所述当前与历史可查询的上位机包括PC机与智能移动设备，计算机的上位机软件运用JAVA编写，上位机的功能是显示、保存、查询和处理从STM32F407发来的数据，智能手机的客户端使用Basic4Android工具编写的安卓系统下的APP，可以查看STM32F407的FATFS文件管理系统的数据。
所述的计算机上位机软件能够实现的功能包括参数监测、单相监测、三相监测和历史数据四项；所述的参数监测分为三项：谐波监测、频率监测和电压监测；所述谐波监测又包括显示谐波数据和谐波柱状图；所述频率监测可以对频率偏差进行监测；所述电压监测可以对过电压、欠电压、电压中断和电压波动等稳态数据进行监测，也可以对电压暂升暂降等暂态数据进行监测，所监测的系统参数没有超出所设定范围的变动时，装置按所设置时间间隔自动保存数据；当所监测参数发生超出设定值的变动时装置自动保存异常数据；所述单相监测和三相监测功能为显示波形及参数，显示所选择相的电压和电流的实时波形并将其幅值、频率和相角等参数；所述的历史数据功能可实现对历史数据按日期查询、删除等。
本发明工作过程：
本发明一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统在工作过程中，通过无线传感器测量模块对电网的一个或多个节点进行数据信号采样，获得实时的电网节点数据信号。将电网节点数据通过信号调理装置进行信号放大，最后获得可以进行加工处理的放大信号，通过Zigbee通信模块发送给STM32。同时，GPS模块将实时时间信号传输给STM32。通过人机交互模块进行参数设置和功能选择。根据设置的参数和选择的功能，在STM32的电压和电流运算模块中对放大信号进行计算,将监测和计算的数据按固定时间间隔和按电压波动事件进行保存，并通过无线数据传输模块发送给上位机,最后通过蓝牙模块发送给智能手机或者通过WIFI模块发送给手机或计算机。
本发明通过使用无线传感器模块增加传感器与下位机的物理距离，增加装置的灵活性，实时获取电力系统的电压、电流、相位等电量数据；易于实现多节点电能质量的实时监测，而且模块化的软硬件设计大大降低了系统的成本，与计算机进行无线互联，同时将移动设备作为上位机接入，增加装置的便捷性，辅以计算机终端软件，不仅可以利用计算机终端的成熟硬件设备，还可以实现软件的高度复用；还可很容易提供高质量的Web服务，实现数据的网络共享化。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：包括数据实时采集与智能分析的下位机、当前与历史可查询的上位机、无线数据传输模块；所述下位机主要包括用于数据实时采集的无线传感器测量模块、用于提供标准时钟信号的GPS模块、用于数字信号分析与处理的嵌入式模块、用于显示结果和设置参数的人机交互模块、用于保存数据的数据存储模块和用于为各个模块供电的电源模块；所述上位机包括PC机与智能移动设备。
2.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述无线传感器测量模块包含用于连接并实时监测电网节点电压电流大小的钳形互感器、用于进行信号放大的信号调理模块、数模转换模块、无线通信模块和电源模块；所述的钳形互感器分别与转接模块连接，可以在电网节点上快捷安装；所述信号调理模块包括信号跟随模块、反向求和模块和反向放大模块等；所述数模转换模块采用高精度外部AD。
3.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述GPS模块采用遵循NMEA-0183协议的GPS模组，为数字信号分析与处理模块提供时间基准，以便测量节点的相角及三相不平衡度。
4.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述数字信号分析与处理的嵌入式模块以STM单片机芯片为硬件核心，以嵌入式实时操作系统为软件核心，通过串口从无线传感器测量模块获取数字信号，并传输给电压和电流运算模块。
5.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述人机交互模块包括触屏输入模块、彩屏输出模块等，通过所述触屏输入模块可以选择所需的功能及设置参数；所述彩屏输出模块用于显示测量数据、波形及图表等信息；所述人机交互模块通过STM单片机芯片来控制驱动芯片，进而在薄膜晶体管液晶显示器及投射式电容触摸屏上实现显示内容及触屏控制。
6.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述数据存储模块用于存储历史数据并与可移动存储设备进行数据传输，包括标准SD卡接口、USBHOST接口，文件操作使用的是嵌入式文件管理系统。
7.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述无线数据传输模块包括蓝牙模块、WIFI模块和驱动电源，均通过串口与STM单片机芯片相连；所述蓝牙模块与智能手机客户端进行通信；所述WIFI模块使用基于可分别与计算机上位机和智能手机进行通信。
8.如权利要求1所述的一种基于嵌入式无线网络的多节点电能质量实时监测系统，其特征在于：所述当前与历史可查询的上位机包括PC机与智能移动设备，计算机的上位机软件运用JAVA编写；所述上位机的功能是显示、保存、查询和处理从STM单片机芯片发来的数据，智能移动设备的客户端可以查看STM单片机芯片的文件管理系统的数据。
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