关键词：嵌入式；电能质量；监测装置；开发；研究
引言
电能质量监测是对电气量进行采集、处理、分析，并最终解释成为有用信息的过程。作为智能电网建设的重要组成部分，构建先进完善的电能质量监测系统是保障电力系统安全运行的前提条件。基于此，本文主要对嵌入式电能质量监测装置开发研究作具体论述，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。
1基于物联网的电能质量监测系统的工作流程
基于物联网的电能质量监测系统的工作流程为:待测区域内分布着若干监测节点,其中监测节点采用微控制器和专用计量芯片的架构,微控制器通过SPI通讯方式与计量芯片进行通讯,读取计量芯片寄存器中的监测数据,并进一步对返回的数据进行解析,提取出需要的数据,然后对监测节点采集的电能质量监测数据进行打包,通过LoRa无线通信模块将数据包传输至网关设备。网关设备连有组成该局域网的协调器节点,通过该模块接收监测节点传入的数据,网关设备的监测应用程序对数据进行汇总和封装,通过基于TCP/IP协议的Socket通信将数据传输至远程服务器,远程监控中心的数据接收中间件通过TCP/IPScoket通信读入传输的数据,并对其进行解析和处理,按照统一的数据格式将数据存入数据库中,同时综合评估算法对电能质量指标数据进行综合评估,分析得出该区域的电能质量等级。最后是用户对待测区域的监控功能,管理人员通过监测系统应用程序查看各监测节点的实时电能数据和评估结果,操作方便,访问快速,方便工作人员便于维护整个监测系统。
2电能质量监测仪功能整体测试
(1)可以测量基本电量参数电压/电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、系统频率、功率因数,预留三相功能,目前只接A相作为单相测量。(2)具有电压、电流谐波分析功能,能够测量到50次谐波,以列表方式显示谐波有效值和百分比,可以显示基波幅值和谐波总含量。(3)可以启动标准源校表功能、通信设置、始终显示设置、存储显示设置等多项要求功能,通过按键进行切换操作,实现相应的功能。
3电能质量监测仪精度测试试验及分析
将可调交流电源输出连接电能质量测试仪和带电能质量分析的电表安科瑞DTSD1352-H,通过对比数据来测试本文设计表的精度。本文测试实验釆用两组负载进行测试,一组负载为16W开关电源,另一组负载为功率50W开关电源,负载在运行过程中动态变化,每隔5分钟记录一次数据,根据所得原始数据进行分析,得到电压、电流、有功、无功测量值与标准表数值之间的比较结果,可得出结论16W功率工况和50W功率工况对电压有效值测量值影响不大,精度都比较高,最大误差只有0.09%;电流测量值误差在50W功率工况下误差最大值到6.89%;有功功率值误差基本上不受功率改变的影响,最大误差只有3.44%;无功功率误差从统计结果看在16W功率工况下误差较大,随着功率增加,误差值逐渐减小。分析误差原因,主要是因为基准表给出的有功功率、无功功率单位较大,分别为为kw和kvar,转换到小功率测量时精度不够,造成误差偏差偏大。整体测量数据显示,电压有效值、电流有效值、有功功率值、无功功率值和频率值都在可控误差范围内,能够满足电能质量参数监控要求;电压测量值与标准表数据相比整体偏小,可以通过修改校表参数值进一步修正。
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4数据中心软件设计
4.1数据中心软件的设计背景及平台
监测装置可以采集或计算出电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压电流THD和三相不平衡度保存在硬盘中，又可以在出现异常运行状态时记录波形，并开启了TCPServer服务供远程主机连接获得数据。而数据中心需要通过已经接入TCP/IP网络的监测设备的IP地址，与每一个监测设备建立连接，轮询每一台设备的文件，在线或离线读取其采集的电能质量指标信息，并可以离线获得电能质量指标异常时的录波数据，同时又具有远程管理监测装置文件的功能，以上这些功能均在ARM的数据中心交互进程中提供了接口，数据中心只需发送命令即可实现。为缩短数据中心的软件设计周期，并为用户提供较好的人机交互体验，选择LabVIEW作为数据中心的软件平台。LabVIEW是NI公司推出的基于图形化G语言的高编程效率的软件开发环境，在计算机上构建与真实仪器仪表类似的可视化面板，通过面板上的虚拟控件向后台程序发出数据，并以图形化的函数模块及逻辑框图来构建代码，实现复杂的功能。单就函数而言，LabVIEW提供了包括信号分析、文件存储和通信等多类底层函数供使用，使开发者能够专注于顶层设计的实现。
4.2服务器端程序设计
服务器端程序处于电能质量监测仪内部，由其作为通信的数据发送源，向上位机客户端提供现场监测数据与计算结果，不提供界面。在人机交互程序中，可以在主界面的网络按钮中启动与中断按钮来启动与暂停监测仪器的网通TCP服务器功能。(1)当“启动”按钮被点击时，主窗口类将实例化TCPServer类为变量tcpserver，并使用tcpserver.listen(QHostAddress::Any,6255)命令，对网络通道进行监听，监听IP地址不限，端口号为6255。(2)若接收到客户端连接请求，TCPServer可以立即启动函数。在该函数内，人机交互主窗口程序会将TCPSocket类实例化为socket变量，并把刚刚接收到的套接字ID传递给socket，使得每一个请求连接的客户端都有一个TCPSocket类与其对应。(3)socket变量能够在其接收到客户端的信号时，调用槽函数向客户端返回其请求的信息。由于函数能够按照约定格式将存储于ARM系统的监测数据传输给上位机。该函数首先读取客户端发送的数据块大小，并判断目前可读数据是否符合数据块大小，如果符合则新建一个指向保存监测数据文件PQData.dat的数据流类变量readfile，使用“>>”操作符将监测数据依次读出。之后建立一个数据块block，以及指向它的数据流变量out，通过“<<”操作不断将刚刚读出的监测数据写入out，则可完成对block的写入。最后通过socket.write(block)将信息发送出去。考虑到电能质量监测仪内的数据每3s向上位机通信一次即可，服务器与客户端无需每次都频繁交互数据。当下次请求来临时再建立连接即可。
结语
总之，通过设计系统的前端处理电路，使用亚克力结构将ARM与DSP端的软硬件设计成果组合起来，最终构建了本文的电能质量监测仪整机，并针对该原型机进行了各类电能质量指标测试，测试结果表明所设计仪器能够满足国标的要求，但仍存在某些指标误差超标的情况，针对存在的问题在最后进行了误差分析。
参考文献
[1]何正友，胡海涛，方雷，等．高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究[J]．中国电机工程学报，2011，31(16)：55-62．
[2]曾灿林，罗安，马伏军，等．新型高速铁路电能质量补偿系统及参数设计[J]．电网技术，2011，35(10)：64-69．
论文作者:肖礼军
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
标签：电能论文; 数据论文; 功率论文; 误差论文; 质量论文; 有效值论文; 测量论文; 《科学与技术》2019年第17期论文;