CN109193627A - 分布式无线网络的电能质量监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无线网络的电能质量监控系统，该系统包括监测节点、区域接收处理单元和上位机显示控制单元，所述监测节点以多点分布的形式设置在多个采集点，其通过传感器采集模块采集现场电信号，并将采集的电信号通过AD转换模块送入监测处理器，监测处理器将处理后的数据通过无线网卡发送给区域接收处理单元，区域接收处理单元将接收的现场数据进行相关运算处理后通过网络传送给上位机显示控制单元。本发明可将现场电能质量监测传送给远程控制室并建立数据库供异常分析和设备运行状态统计，同时上位机可实时显示现场电能质量的波形、总的有功、无功功率、功率因数、三相基波电压、电流有效值、基波功率、功率因数、相位等。

Description

分布式无线网络的电能质量监控系统

技术领域

本发明涉及大功率非电阻性负载对电网影响的监测，主要是通过以太网络为媒介长距离监测的控制系统，具体是一种分布式无线网络的电能质量监控系统。

背景技术

在如今现代社会中，电力能源不仅仅是一种能源，其应用程度更标志着一个国家的科技发展水平。电能是一种经济实用、用于控制转换的能源，也是电力部门向用户提供的保证质量的一种特殊产品，近年来，随着国民经济的不断发展，工业规模的扩大以及科学技术的发展，国民用电量越来越大，电气化程度越来越高，越来越多的人使用对电能要求特别高的电器设备，从而人们对电能质量的要求越来越高，人们对电能质量问题越来越重视。电力企业慢慢的市场化，电能已然是一种商品，这个时候电能质量问题更为突出，电力用户根据自身需求要求电力部门提供高质量的供电，所以在电能质量检测方面进行深入研究的意义非凡。

为保证电网中电能的质量达标，最大程度的维护供电部门以及用电户的共同利益，并保证电网的正常运行，保证有利于电力运行的环境干净清洁，就必须加强在电力系统电能质量方面的管理，这都是由电力部门和接入电网的广大用户来共同维护。随着电力系统的发展以及科学技术的不断进步，微电子技术、计算机技术、集成技术、网络技术、纳米技术以及超导技术等多项技术的发展，这一切无不向电能质量监测系统提出更高更多的要求，要求速度、成本、灵敏、可靠等，而随着监测系统的不断发展，电能质量监测系统将向着计算机化、网络化、智能化、集成化方向不断发展。电能质量实时监测系统通过微处理器监测控制前端采集到的数据信号，并通过实时系统进行实时处理显示。而由于电能质量监测系统的特点，完全可以看成一个信号监测系统，不仅可以用于电力系统内部变配电站，还可以用于别的领域，如工业制造、现代铁道、地铁等方面信息的实时监测，所以电能质量监测实时监控系统有着巨大的市场前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式无线网络的电能质量监控系统，将现场电能质量监测传送给远程控制室并建立数据库供异常分析和设备运行状态统计，上位机监控建立数据库通过以太网络接收现场监测下位机传送的实时数据。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：该系统包括监测节点、区域接收处理单元和上位机显示控制单元，所述监测节点以多点分布的形式设置在多个采集点，其包括传感器采集模块，AD转换模块和监测处理器，所述传感器采集模块用于采集现场电信号并将采集的电信号通过AD转换模块送入监测处理器进行相关数据运算处理，监测处理器将处理后的数据通过无线网卡发送给所述区域接收处理单元，区域接收处理单元将从监测节点接收的现场数据进行相关运算处理得到的电能参数通过网络传送给上位机显示控制单元。

进一步的，所述监测节点将模拟信号转换成数字信号并进行适当的处理后经无线网卡发送给区域接收处理单元；该节点的监测处理器采用cortex-m核处理器，并通过电流电压互感器采集电能参数。

进一步的，所述区域接收处理单元采用ARM11处理器，其无线网卡编写Linux驱动实现AP热点功能，给监测节点提供接入点，将从节点接收的现场数据进行相关运算处理得到的电能参数通过网络传送给上位机，所述电能参数包括有功、无功功率、功率因数、三相基波电压、电流有效值、基波功率、功率因数。

更进一步的，所述区域接收处理单元还包括DSP处理器，区域接收处理单元在接收完数据后将运算送给DSP处理，DSP采用中断模式处理完数据后中断通知ARM进行读数处理。

更进一步的，所述区域接收处理单元同时加入触屏控制显示模块以便现场操作观测，以及加入了无线网卡和有线网卡，无线网卡用于接收监测节点数据，有线网卡用于将数据传送给远程上位监控机。

进一步的，所述上位机显示控制单元可以实时监测并能控制现场供电，上位机将采集的数据库存储起来，建立数据库，可查询以往的运行参数并进行相关的分析。

本发明的效果及相关计算原理如下：

本系统采用无线网络技术进行通信，一个区域内的监控由多个监测节点和一个区域接收处理单元构成，区域接收处理单元的无线网卡设置为AP模式给监控几点提供接入点，相应的多几个监控节点设置为STA模式。监控节点和区域接收处理单元分别采用cortex-m核和ARM11核。

为提高精度监测节点采用外置的16位AD转换芯片，外设加入无线网卡，加入继电器控制单元，以便远程开通关断电能设备。

区域接收处理单元由DSP+ARM11构成，接收处理单元在接收完数据后将运算送给DSP处理，DSP采用中断模式处理完数据后中断通知ARM进行读数处理，并加入触屏控制显示模块以便现场操作观测。区域接收处理单元加入了无线网卡和有线网卡，无线网卡用于接收监测节点数据，有线网卡用于将数据传送给远程上位监控机。

现场监测节点根据采用要求，配置适当的硬件并采用嵌入式Linux操作系统，相比较WindowsCE该装置实用嵌入式Linux操作系统可根据需求适当剪切从而能提高设备运行效率降低设备生产成本。数据AD部分采用外置8通道16为芯片大幅度提升数据采样精度。以太网卡才用主流10M/100M网卡，能满足大量数据传送需求。

采样三相电压、三相电流，利用快速傅立叶变换(FFT)算法对电网中的电参数进行实时测量，只需3次FFT就可计算出三相电压、三相电流的FFT结果。其中单相电压和电流的测量算法如下：

同时采样N点电压序列{u(n)}和电流序列{i(n)}二者构成一个复数离散时间序列：

x(n)＝u(n)+ji(n)(0≤n≤N-1) (1)

对于复序列{x(n)}，其离散傅立叶变换(DFT)为：

由上式得：

对式进行DFT变化，并由其复数共扼的性质，则可得到电压、电流的频谱为

利用式(4)的变换方法得到电压、电流的频谱。

设为u(t)第K次谐波的向量表示，为i(t)第K次谐波的向量表示则电压、电流向量与其频谱有如下关系：

当K＝0时，X(N-K)＝X(N)＝X(0)隐含了周期性，这里不考虑直流分量，这样，可导出此相各次(1≤N≤N/2-1)谐波电压、电流的有效值(U_g,I_g)和有功功率(P_K)为：

则此相电压有效值和电流有效值为：

有功功率、无功功率、视在功率及功率因数为：

S＝UI (13)

总谐波畸变率分别为：

其中，L＝N/2-1这样，系统得到了此相的各项参数，其它两相的各项参数的处理方法与之相同。

无功的计算采用瞬时无功理论，设三相电路的各相电压瞬时值为e_a、e_b、e_c各相电流瞬时值为i_a、i_b、i_c分别将它们变换到两相正交α-β坐标系上，由下述变换可以得到两相瞬时电压为e_α、e_β两相瞬时电流为i_α，i_β即：

矢量e_α、e_β和i_α，i_β分别可以合成为电压矢量和电流矢量，即：

e＝e_α+e_β＝|e|∠φ_e (19)

i＝i_α+i_β＝i∠φ_i (20)

设i滞后e的角度为φ＝φ_e-φ_i，则三相电路的瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q分别定义如下：

i_p＝icosφ (21)

i_q＝isinφ (22)

三相电路的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为电压矢量e的模与三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q的乘积，即：

p＝|e|i_p (23)

q＝|e|i_q (24)

瞬时有功功率与瞬时无功功率矩阵形式为:

p、q对于三相电压、电流的表达式为：

p＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c(26)

因此三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。三相电路各相的瞬时无功电流i_aq、i_bq、i_cq是α、β两相的瞬时无功电流i_αq、i_βq通过变换得到：

同理，也可以得到三相电路各相的瞬时有功电流为:

三相电路各相的瞬时无功功率q_a、q_b、q_c分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流的乘积；瞬时有功功率p_a、p_b、p_c分别为该相的瞬时电压与瞬时有功电流的乘积，即：

p_a＝e_ai_ap p_b＝e_bi_bp p_c＝e_ci_cp (30)

q_a＝e_ai_aq q_b＝e_bi_bq q_c＝e_ci_cq (31)

同时，p＝p_a+p_b+p_c，q＝q_a+q_b+q_c＝0 (32)

瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。

采用瞬时无功理论和小波变换来提取信号，识别部分采用最小二乘法加权集成神经网络，将多种类型的信息类型的信息综合在一起，并从中提取具有更多价值的信息技术。基于改进锁相环和集成神经网络电能质量自动识别，采用多个不同结构的神经网络对相同电能质量扰动信号本进行训练识别，然后采用最小二乘加权融合法，对各子网络的分析结果进行信息融合，通过融合结果的分析最终识别电能质量扰动。各子网络分析结果的信息融合提高识别正确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是系统构成图。

图2是网络传送原理图。

图3是电能扰动自动识别原理方框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种分布式无线电能质量监控系统，它包括监测节点、区域接收处理单元、远程上位显示等单元构成，区域接收处理协调多个检测节点的数据采集传输。

在监测节点断电情况下继电器为常开状态，给监测节点和区域接收处理单元供电，继电器闭合设备开始工作。监测节点通过电压电流互感器采集电压电流值进行适当的处理传送给区域接收处理单元。

其中监测节点的继电器连接在监测节点微控制处理器上，根据远程客户端的指令控制用电设备接入电网。

无线网络提供监测节点和区域控制接收处理单元的数据双向传输通道，其用于传递用电设备的参数数据和控制指令信号。无线网卡基于WIFI技术，区域控制接收处理单元设置为AP模式为测控节点提供接入点。

区域控制接收处理单元移植Linux操作系统，并在此基础上加入7寸触屏、无线网卡、RAM、Flash等设备单元进行相关系统剪切，以统筹各个监测节点的运行和数据交互。

区域控制接收处理单元将各个监测节点传送来的数据进行计算等到电能质量的波形、总的有功、无功功率、功率因数、三相基波电压、电流有效值、基波功率等参数。

上位机监控单元构建数据库，接收现场送来的数据，进行相关处理存储，同时可根据实际筛选要求动态的显示波形和相关电力参数。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：该系统包括监测节点、区域接收处理单元和上位机显示控制单元，所述监测节点以多点分布的形式设置在多个采集点，其包括传感器采集模块，AD转换模块和监测处理器，所述传感器采集模块用于采集现场电信号并将采集的电信号通过AD转换模块送入监测处理器进行相关数据运算处理，监测处理器将处理后的数据通过无线网卡发送给所述区域接收处理单元，区域接收处理单元将从监测节点接收的现场数据进行相关运算处理得到的电能参数通过网络传送给上位机显示控制单元。

2.根据权利要求1所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：所述监测节点将模拟信号转换成数字信号并进行适当的处理后经无线网卡发送给区域接收处理单元；该节点的监测处理器采用cortex-m核处理器，并通过电流电压互感器采集电能参数。

3.根据权利要求1所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：所述区域接收处理单元采用ARM11处理器，其无线网卡编写Linux驱动实现AP热点功能，给监测节点提供接入点，将从节点接收的现场数据进行相关运算处理得到的电能参数通过网络传送给上位机，所述电能参数包括有功、无功功率、功率因数、三相基波电压、电流有效值、基波功率、功率因数。

4.根据权利要求3所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：所述区域接收处理单元还包括DSP处理器，区域接收处理单元在接收完数据后将运算送给DSP处理，DSP采用中断模式处理完数据后中断通知ARM进行读数处理。

5.根据权利要求4所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：所述区域接收处理单元同时加入触屏控制显示模块以便现场操作观测，以及加入了无线网卡和有线网卡，无线网卡用于接收监测节点数据，有线网卡用于将数据传送给远程上位监控机。

6.根据权利要求1或3所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：所述上位机显示控制单元可以实时监测并能控制现场供电，上位机将采集的数据库存储起来，建立数据库，可查询以往的运行参数并进行相关的分析。

7.根据权利要求3所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：采集的三相电压、三相电流，利用快速傅立叶变换算法对电网中的电参数进行实时测量，通过3次FFT可计算出三相电压、三相电流的FFT结果。

8.根据权利要求7所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：单相电压和电流的测量算法如下：

同时采样N点电压序列{u(n)}和电流序列{i(n)}，二者构成一个复数离散时间序列：

x(n)＝u(n)+ji(n)(0≤n≤N-1) (1)

对于复序列{x(n)}，其离散傅立叶变换(DFT)为：

由上式得：

对式进行DFT变化，并由其复数共扼的性质，则可得到电压、电流的频谱为

利用式(4)的变换方法得到电压、电流的频谱；

设为u(t)第K次谐波的向量表示，为i(t)第K次谐波的向量表示则电压、电流向量与其频谱有如下关系：

当K＝0时，X(N-K)＝X(N)＝X(0)隐含了周期性，这里不考虑直流分量，这样，可导出此相各次(1≤N≤N/2-1)谐波电压、电流的有效值(U_g,I_g)和有功功率(P_K)为：

则此相电压有效值和电流有效值为：

有功功率、无功功率、视在功率及功率因数为：

S＝UI (13)

总谐波畸变率分别为：

其中，L＝N/2-1这样，系统得到了此相的各项参数。

9.根据权利要求3所述的分布式无线网络的电能质量监控系统，其特征在于：无功的计算采用瞬时无功理论，设三相电路的各相电压瞬时值为e_a、e_b、e_c，各相电流瞬时值为i_a、i_b、i_c，分别将它们变换到两相正交α-β坐标系上，由下述变换可以得到两相瞬时电压为e_α、e_β两相瞬时电流为i_α，i_β即：

矢量e_α、e_β和i_α，i_β分别可以合成为电压矢量和电流矢量，即：

e＝e_α+e_β＝|e|∠φ_e (19)

i＝i_α+i_β＝i∠φ_i (20)

设i滞后e的角度为φ＝φ_e-φ_i，则三相电路的瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q分别定义如下：

i_p＝icosφ (21)

i_q＝isinφ (22)

三相电路的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为电压矢量e的模与三相电路瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q的乘积，即：

p＝|e|i_p (23)

q＝|e|i_q (24)

瞬时有功功率与瞬时无功功率矩阵形式为:

p、q对于三相电压、电流的表达式为：

p＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c (26)

因此三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率，三相电路各相的瞬时无功电流i_aq、i_bq、i_cq是α、β两相的瞬时无功电流i_αq、i_βq通过变换得到：

同理，也可以得到三相电路各相的瞬时有功电流为:

三相电路各相的瞬时无功功率q_a、q_b、q_c分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流的乘积；瞬时有功功率p_a、p_b、p_c分别为该相的瞬时电压与瞬时有功电流的乘积，即：

p_a＝e_ai_ap p_b＝e_bi_bp p_c＝e_ci_cp (30)

q_a＝e_ai_aq q_b＝e_bi_bq q_c＝e_ci_cq (31)

同时，p＝p_a+p_b+p_c，q＝q_a+q_b+q_c＝0 (32)。