CN217766606U - 一种基于物联网的电能质量实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于物联网的电能质量实时监测系统，包括电力信号取样模块、电能计量模块、STM32主控模块、WIFI模块、温度传感器、蜂鸣器、存储模块以及电源模块，所述电力信号取样模块的输出端与电能计量模块的输入端相连接，所述电能计量模块的SPI接口与STM32主控模块的SPI接口相连接，所述温度传感器、蜂鸣器和存储模块分别与STM32主控模块相连；所述WIFI模块与STM32主控模块的串口相连；所述电源模块分别与电能计量模块、STM32主控模块和WIFI模块相连接进行供电；本实用新型通过电能计量模块与STM32主控模块及相关电路实现电能质量的检测，并通过WIFI模块，实现电能质量参数的远距离传输，达到可远程实时监测电能质量的效果。

Description

一种基于物联网的电能质量实时监测系统

技术领域

本实用新型涉及电能质量检测技术与物联网通讯技术领域，尤其是涉及一种基于物联网的电能质量实时监测系统。

背景技术

在我国电力系统高速发展过程中，在用电终端难免会接入一些大功率、非线性、不平衡负载等设备，比如工业炼钢电弧炉、电气化铁路、电力电子设备等的大量使用，这会使电力系统中产生谐波、间谐波、三相不平衡、电压波动和闪变、电压跌落和短时中断等一系列电能质量问题。这些问题不仅会使一些精密仪器设备精度降低、敏感电子元件失灵，影响设备的使用，还会使电气设备寿命降低，对电力系统以及人身安全都存在很大的安全隐患，因此电能质量的好坏则直接影响各行各业的安全、经济、高效运作，解决因电能质量带来的问题，已经是迫在眉睫的一件大事。

而要治理这些电能质量问题，首先则需要先检测这些电能质量参数。传统的电能质量检测仪器大部分都是采用现场总线的通信方式，这种检测仪器一般现场布线较为繁琐，每次检测也需要技术人员去安装检测装置或仪器，事实上检测点一般都是固定的位置，每次的安装以及拆走也是一大不便之处；另外数据一般是通过装置上的显示屏或指针表来显示检测数据，当需要频繁检测数据时，技术人员需要一直在检测点进行检测，工作时间太长了技术人员可能会操作不当，造成电气事故，同时也耗费人力资源。基于上述原因本实用新型提出一种基于物联网的电能质量实时监测系统，在保证检测精度的前提下，解决传统电能质量检测仪器的弊端。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术不足，提供了一种基于物联网的电能质量实时监测系统，通过使用物联网技术，解决传统检测仪器的问题，实现远程实时监测电力系统供电的电能质量参数。

本实用新型采用的技术方案：

包括电力信号取样模块、电能计量模块、STM32主控模块、WIFI模块、温度传感器、蜂鸣器、存储模块以及电源模块，所述电力信号取样模块的输出端与电能计量模块的输入端相连接，所述电能计量模块的SPI接口与STM32主控模块的SPI接口相连接，所述温度传感器、蜂鸣器和存储模块分别与STM32主控模块相连；所述WIFI模块与STM32主控模块的串口相连；所述电源模块分别与电能计量模块、STM32主控模块和WIFI模块相连接进行供电。

所述电力信号取样模块由电流互感器、电压互感器和信号处理电路组成，所述电流互感器、电压互感器分别与信号处理电路连接，所述电流互感器与电压互感器用于对测量信号进行取样，将所测的高压电信号降低成低压电信号，以保证输入的电力信号不至于烧毁电能计量模块。

所述信号取样模块，用以获取所检测的电力模拟信号，其原理是通过电流和电压传感器将所测电流和电压信号降低为低电压信号，经过RC滤波电路滤除高频谐波分量，最后将处理后的信号通过差分输入的方式送进计量模块进行ADC采样并计算。

所述电能计量模块，其核心采用的是RN8302计量芯片，它内部含有6路24位ADC，可同时检测三相电流与三相电压信号，并可计算出交流电流与交流电压的有效值，以及电量、功率、功率因素、相角、频率等数据，存放在对应的寄存器中，并置有SPI引脚用于数据通信。

所述STM32主控模块，通过SPI通信协议读取计量模块寄存器中的电能质量参数，通过所得电流电压波形数据，进行FFT（快速傅里叶变换）谐波分析，最后将所检测数据通过串口发送AT指令给WIFI模块，将数据透传发送到云服务器上。此外所测的电压获电压数据若超过设定的阈值会启动蜂鸣器进行报警，并将警报信息传送到客户端，若检测环境周围温度过高，也同样会发送报警信息。

所述WIFI模块，将STM32主控模块串口发送过来的数据通过无线传输的方式发送至云服务器端，云服务器作为中介，可将数据发送至客户端，客户端以微信小程序的为主体，将所测得的数据显示出来。因为手机可随身携带，从而对电能质量实现远程实时的监测。

本实用新型有益效果在于：

（1）相对于传统的电能质量监测仪器，除了能准确检测出电能质量的一些基本参数，在检测精度满足国标GB/T35725-2017，误差范围为基波电压（±0.1％）、基波电流（±0.2％）的同时，本系统还可以检测到50次以下的谐波参数；

（2）加入了蜂鸣器以及温度传感器，可对电压、电流以及检测点的温度数据超过所设的阈值范围时，会启动蜂鸣器进行报警提醒，同时将报警信息发送给客户端，让监测人员及时发现到异常状态，并有时间对异常事故进行处理，给检测环境提供一个安全的保障。

（3）客户端采用微信小程序作为监测界面，而微信小程序作为一种无需下载且受众群体广泛的软件程序，使用起来非常方便，监测人员可不必在固定地点看守，只需携带手机便可在任何地方实时监测电能质量参数，并且本系统将以往的历史数据存储起来，可以作为将来对电能质量分析作为依据。

附图说明

图1为本实用新型的硬件结构框图；

图2为本实用新型的软件结构框图；

图3为本实用新型的监测步骤流程图。

1.电力信号取样模块，101.电流互感器，102.电压互感器，103.信号处理电路，2.电能计量模块，3.STM32主控模块，4.WIFI模块，5.温度传感器，6.蜂鸣器，7.存储模块，8.电源模块，301.信号采集程序，302.SPI通信程序，303.温度检测程序，304.UART通信程序，305.数据存储程序，306.MQTT通信程序，307.蜂鸣器控制程序，308.谐波FFT计算程序，309.MQTT云服务器，310.MQTT通信程序，311.UI界面渲染程序。

具体实施方式

为了使实用新型创造实现其实用新型目的的技术构思及优点更加清楚明白，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解的是，以下描述仅用以解释和说明本实用新型，不应当构成对本实用新型要求专利保护的范围的限定。

本实用新型一种基于物联网的电能质量实时监测系统包含硬件和软件两个部分，硬件结构如图1所示，软件结构如图2所示。硬件由电力信号取样模块1、电流互感器101、电压互感器102、信号处理电路103、电能计量模块2、STM32主控模块3、WIFI模块4、温度传感器5、蜂鸣器6、存储模块7、电源模块8组成，软件程序主要在STM32主控模块3与微信小程序端，在STM32主控模块中分别有信号采集程序301、SPI通信程序302、温度检测程序303、UART通信程序304、数据存储程序305、MQTT通信程序306、蜂鸣器控制程序307、谐波FFT计算程序308，在微信小程序端有MQTT通信程序310以及UI数据渲染程序311。

如图1所示，所述电力信号取样模块1包括电流互感器101、电压互感器102以及信号处理电路103，电流与电压输入分别通过电流互感器101和电压互感器102后，连接信号处理电路103；所述信号取样模块103输出与电能计量模块2的输入相连接；所述电能计量模块2的SPI接口与STM32主控模块3的SPI接口相连接；所述温度传感器5、蜂鸣器6、存储模块7分别与STM32主控模块3相连；所述WIFI模块4与STM32主控模块3的串口相连；所述电源模块8分别与电能计量模块2、STM32主控模块3、WIFI模块4相连接进行供电。

如图2所示，所述信号采集程序301，是实现STM32主控模块读取计量模块的寄存器数据的程序，其中包括对RN8302的初始化，RN8302内部有参数寄存器和配置寄存器两种寄存器，参数寄存器主要用来存放所采样以及经过计算后的数据，其中数据是用来读取的，而配置寄存器则是用来对RN8302的配置，在对应寄存器中写入相应命令，可以设置比如其工作模式、通道增益、过压实压阈值、校正等功能。

所述SPI通信程序302是实现通信协议,首先要对STM32对应的SPI引脚进行初始化，配置引脚的传输速度时钟等，其次写与RN8302相对应的数据帧格式，只有按照正确的数据帧格式，数据才会被识别并允许读写操作，最后是根据读写时序写好相应的读写函数。

所述谐波FFT计算程序308,用以计算所测信号中的谐波数据，包括谐波的幅值、频率、相位，其原理是通过快速傅里叶算法将时域信号变换成频域信号，可算出不同频率下的信号数据，因为RN8302采样频率为6.4Khz，可缓存128点的波形数据用于FFT分析，基波频率为50hz，按照奈奎斯特采样定理，理论上可计算出64次以下的谐波，按照国标只需检测到50次以下谐波即可。

所述MQTT通信程序306，是基于MQTT协议，是一种基于发布订阅的物联网协议，用来实现电能质量参数数据的远程传输。

所述UI数据渲染程序311，是通过微信小程序实现，微信小程序作为一种无需下载且受众群体广泛的软件程序，使用起来非常方便，通过良好的UI界面设计，并将所获得的数据渲染到UI界面，可以清晰的实时了解电能质量参数。

结合图1、图2、图3，本实用新型一种基于物联网的电能质量实时监测系统其监测的细致过程如下：

步骤S1、首先接入被测的电流电压信号，将被测的电流电压与取样模块的电流电压输入侧相连接，电流电压信号分别通过电流电压互感器强强电信号降低成弱电信号。

步骤S2、将弱点信号通过RC滤波电路滤除高频谐波信号，通过差分输入到RN8302芯片中，RN8302同时对六路信号（三相电流与三相电压共六路）进行采样，内部通过高通滤波后，计算电流电压的有效值、电量、功率、功率因素、相角、频率等数据，并将采样的波形信号存放其24位的波形缓存寄存器中。

步骤S3、通过在STM32主控模块中编写相应程序，如图2所示，读取到RN8302寄存器中的数据，获得基本参数，通过谐波FFT计算程序（308），计算出谐波的幅值、频率、相位，并通过数据存储程序（305），将数据存储到存储模块中，以供备用。同时会将所测的电压数据以及检测店周围的温度与设定的阈值进行比较，若检测超出阈值范围，则启动蜂鸣器发出警报，同时也将警报信息通过WIFI模块发送至云端。

步骤S4、参考图2，WIFI模块通过MQTT协议连接云服务器，并将STM32主控模块从串口发送的数据通过透传模式无线远距离发送至MQTT云服务器（309）。

步骤S5、MQTT云服务器（309）作为中间代理，负责把所接收的消息通过无线远距离传送至微信小程序端。

步骤S6、微信小程序端则将数据渲染到UI界面，供客户查阅所检测得到的电能质量参数，实现手机在哪，便可在哪监测电能质量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，并不构成对本实用新型的限定。本领域技术人员在现有技术的指引下，无需进行创造性劳动即可对本实用新型的实施情况进行其他修改，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改或者采用本领域惯用技术手段进行的简单置换或等同替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：包括电力信号取样模块（1）、电能计量模块（2）、STM32主控模块（3）、WIFI模块（4）、温度传感器（5）、蜂鸣器（6）、存储模块（7）以及电源模块（8），所述电力信号取样模块（1）的输出端与电能计量模块（2）的输入端相连接，所述电能计量模块（2）的SPI接口与STM32主控模块（3）的SPI接口相连接，所述温度传感器（5）、蜂鸣器（6）和存储模块（7）分别与STM32主控模块（3）相连；所述WIFI模块（4）与STM32主控模块（3）的串口相连；所述电源模块（8）分别与电能计量模块（2）、STM32主控模块（3）和WIFI模块（4）相连接进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：所述电力信号取样模块（1）由电流互感器（101）、电压互感器（102）和信号处理电路（103）组成，所述电流互感器（101）、电压互感器（102）分别与信号处理电路（103）连接，所述电流互感器（101）与电压互感器（102）用于对测量信号进行取样，将所测的高压电信号降低成低压电信号，以保证输入的电力信号不至于烧毁电能计量模块（2）。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：所述信号处理电路（103）用于将电力信号转成电压信号，并经过滤波处理将处理好的信号送进电能计量模块（2）。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：所述电能计量模块（2）用于对电压信号进行采样，并且能够计算出电能质量的电流、电压、电量、功率、功率因素、相角、频率数据，电能计量模块（2）寄存器将这些离散的电信号数据进行储存。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：所述STM32主控模块（3）作为系统的控制中心，用于读取电能计量模块（2）寄存器中的电能质量参数、读取温度传感器（5）的温度数据、计算谐波、控制蜂鸣器（6）、将数据传输给WIFI模块（4）、将数据存进存储模块（7）。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电能质量实时监测系统，其特征在于：所述WIFI模块（4），用于将所检测的电能质量参数数据通过WIFI无线传输到云端。

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