电能质量在线监测分析系统的设计与实现

发表时间：2017-09-19T10:17:33.850Z 来源：《电力设备》2017年第14期 作者： 张峻松 李阿雪

[导读] 摘要：随着社会生产的快速发展，各种非线性负荷、非对称性、冲击性用电设备被大量使用，使电网中产生大量的谐波干扰，严重影响电网电能的质量。

（国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司 辽宁朝阳 122000）

摘要：随着社会生产的快速发展，各种非线性负荷、非对称性、冲击性用电设备被大量使用，使电网中产生大量的谐波干扰，严重影响电网电能的质量。因此，实时有效地对电网电能质量进行监测，对确保电力系统安全、稳定运行具有十分重要的意义[1]。现有的电网电能质量监测系统大多采用有线方式传输监测数据，使得在特殊环境条件下布线困难，不易维护。针对以上问题，设计了以DSP、ARM和ZigBee无线传感网络技术为基础的电网电能质量监测系统，实现对电网电能质量的智能在线监测。 关键词：DSP；ZigBee；电能；监测 1系统设计

1.1系统整体设计

本项目目的是建立一个电能质量监测与分析系统，使得电能质量监管部门能够实时、连续地得到电网内相应测点完整、可靠的电能质量数据。本电能质量在线分析系统由监测终端（下位机）、数据库和分析管理软件（上位机）三部分组成。

电能质量监测终端接到相应测量点上，利用终端的高速计算能力完成电能质量原始数据的高速采集和实时的数据处理分析，计算得到电能质量各指标值，并保存到存储设备中，供上位机随时查询。

数据库采用SQL Server 2005，它提供数据访问的接口，分析管理软件（上位机）可以通过接口完成电能质量数据的存取。

分析管理软件实现了对测量点电能质量数据的综合分析管理。一方面，通过网络向监测终端发送各种控制消息；另一方面，通过网络将监测终端中保存的电能质量指标参数，存储到数据库中。然后以图形、数据表等多种形式对电能质量指标进行分析评估，并能根据国标和用户的管理需求生成电能质量报表。

此系统的目标就是建立起一套完整的集电能质量高速采集、计算、存储、分析及评估的系统，提供测量点的电能质量的全面信息。该文完成的内容是该项目中电能质量分析管理软件的设计与实现。 1.2各模块设计 1.2.1实时显示模块

在与监测终端相连的情况下，提供各路电压及电流波形的实时显示，与示波器功能相似。同时，还实时显示各路电压及电流的有效值。

1.2.2控制模块

在与监测终端相连的情况下，通过各种命令可以实现对监测终端的控制，包括开始采集数据，停止采集数据，将已保存在监测 终端中的数据同步到数据库中，供需要时分析。另外，由于监测终端不具备断电后保存时间的功能，因此，在发送开始采集数据的命令的同时将系统时间发送至监测终端，完成监测终端的对时。 1.2.3图形评估模块

图形评估主要对测得的相关指标进行图形分析评估，这是系统最重要的功能之一。主要涉及的指标有：电压、电流、频率、功率、三相电压不平衡度、谐波等。用户通过设置查询的时间段及相应的参数指标，系统以图形（包括曲线图、描点图、柱状图、锯齿图等）、列表等形式直观快速地显示查询结果，是用户了解及掌握电能质量相关信息的主要途径之一。 1.2.4报表生成模块

生成报表是本系统的另一个重要功能。软件能够生成所设定好时间范围内各测量指标超标情况的统计信息，包括最大值、最小值、平均值、总测量次数、超标次数、超标次数所占比例等。主要涉及的指标有：电压、频率、三相不平衡度、谐波等，所使用的国家标准由用户输入并保存在系统中。 1.2.5设置模块

主要包括国标设置和测点设置两部分。其中，国标设置主要包括供电电压偏差、电力系统频率允许偏差、三相电压允许不平衡度、公用电网谐波等标准的设置，默认情况按现行国家标准执行。测点设置方面主要是设置测点的额定电压、基准短路容量等基本信息。 1.3实现

随着互联网技术的飞速发展，软件的体系结构主要有以下两种：客户机/服务器（C/S）模式和浏览器/服务器（B/S）模式。C/S模式将应用一分为二，服务器负责数据管理，客户机完成与用户的交互，有较高的安全性，同时具有强大的数据操作和数据处理能力。另一方面，也使得客户端程序设计较为复杂，升级代价较高。B/S模式则是利用不断成熟的浏览器技术，结合浏览器的各种脚本语言，实现了原来需要复杂客户端软件才能实现的强大功能，其最大的优点是运行和维护简单方便，但是在浏览器上对大量数据进行深层次的分析、汇总等处理能力较弱[3]。

考虑到本系统需要对大量的电能质量数据进行分析处理，并且需要有较好的交互性，并综合分析C/S模式和B/S模式的优缺点后，决定采用C/S模式进行设计，通过.Net平台开发实现。在设计过程中采用MVC模式，把整个系统分为三个基本部分：模型（Model）、视图

（View）和控制器（Controller）。MVC模式的目的是实现一种动态的程式设计，使后续对程序的修改和扩展简化，并且使程序某一部分的重复利用成为可能。除此之外，此模式通过对复杂度的简化，使程序结构更加直观。软件系统通过对自身基本部份分离的同时也赋予了各个基本部分应有的功能。采用MVC模式一方面使用程序结构直观，便于设计；另一方面，由于C/S模式和B/S模式只在表现形式（视图）方面有较大的区别，因此，采用MVC模式设计后，如果有需要，能够较容易地将C/S模式转换为B/S模式以方便系统的运行和维护。

数据模型（Model）用于封装与应用程序的业务逻辑相关的数据以及对数据的处理方法。“模型”有对数据直接访问的权力，例如对数据库的访问。模型不依赖视图和控制器，也就是说，模型不关心它会被如何显示或是如何被操作。在实现时，主要通过ADO. NET技术来实现对存储在数据库中的电能质量数据进行高效的访问。

视图（View）是指界面设计人员进行图形界面设计。在本软件中，通过友好的界面实现用户与程序的交互，并将查询分析结果以图表

的形式呈现给用户。在图形评估模块中，通过.NET中的GDI+技术绘制相应的图形，并提供图形的缩放、导出、打印等功能，图1为电能质量分析评估界面图。在报表生成模块中，通过.NET的水晶报表控件来生成各指标的统计报表，使用户对电能质量情况有较好的把握。 2 结语

本文设计的电网电能质量监测系统，采用DSP芯片TMS320 F2812作为运算处理核心，以ARM9系列的S3C2440为控制中心，充分发挥各自的运算和控制优势，利用ZigBee无线传感网络技术，实现DSP与ARM之间数据的无线传输。该系统结构紧凑、易于实现、性能可靠，能够对电网电能质量进行实时监测，具有较高的应用推广价值。 参考文献

[1]舒双宝，罗家融，王勤湧，等.基于DSP和ARM便携式电能质量监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2010，38（24）：185-187.

[2]王永杰，杨小平.基于无线传感器网络的智能小区监控系统设计[J].制造业自动化，2011，33（2）：68-70.