基于PLC的电能质量监测系统的设计.docx

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1、基于P1.C的电能质量监测系统的设计摘要电能质量监控装置的主要功能是对电压、电流、频率、工作功率等进行测量,并对其进行评估。而供电端则是一个可靠的概念，它代表着电力系统持续提供电力的能力，它可以用来评估电力系统的电力质量，也可以用来衡量一个国家的经济状况。随着现代科学技术的飞速发展，各类精密仪器和设备的广泛应用，对电压、电流、频率等要素提出了更高的要求，稍有不慎就可能导致巨大的损失，对电能质量进行有效的监控显得尤为重要。本设计所用的开发板为正点原子的1.inux开发板，以NXP公司的1.MX6U1.1.为主控芯片，拥有多种串口资源。在此设计中，利用了USB和网络驱动部分，并利用了艾瑞达公司的I

2、MI281B电能测量模块，实现了单相交流电参数的测量、采集和传输。它可以用IMl281B的电能计量模块对交流电的电压，电流，功率，频率等进行测试，并在计算机上显示出一系列的测试结果，并以一种排列的方式来显示。关键词：1.inux；电能质量；IMI28IB第一章绪论第一章绪论1.l背景随着科学技术的快速发展，从民用用电到工业生产，从办公设备到医疗器械,都离不开用电。但是，由于大规模用电设备的接入，电网结构日趋复杂，谐波、闪变等现象频繁发生，严重影响供电安全稳定运行，并对接入电网的各类设备产生危害。特别是在工厂、实验室、医院等对电能品质有较高要求的地方，供电的稳定与品质直接影响着装置的正常工作与资

3、料的正确性。在这种情况下，对电能质量进行监控显得尤为重要。该系统可以对电力系统中的电压，电流，频率等进行实时监控，以便及时地检测出电网的故障。当故障发生时，如电压波动、谐波超标等，可快速作出反应，并及时报警，并将故障电源断开，避免了设备的损坏和数据的损失。同时，通过对电网数据的深入分析，可以对可能发生的故障进行预测，从而为电力系统的维修工作提供可靠的数据支撑。同时:对电能质量进行监控，可以为企业节约成本。通过对电力消费进行实时监控与分析，能够更加准确地掌握电力消费状况，实现电力消费结构的优化，降低不必要的能源浪费。同时，通过对电网设备的实时监测，可以使公司能够及时地检测到设备的异常状况，以便能

4、够及时地进行检修或替换，防止由于设备故障造成的生产中断和数据的损失。总之，随着科学技术的进步，用电设备的日益增多，电能质量监控已经成为现代化城市建设中不可缺少的组成部分。它不但可以保证供电的安全稳定，而且可以为企业节约成本，提高经济效益。1.2研究趋势(1)在软件开发方面，本文将研究内容划分为体系结构研究，数据管理研究。(2)在体系结构方面，主要是从CoRBA体系结构、多主体体系结构、调度体系结构三个方面进行了研究。(3)在数据管理方面，主要是针对大数据分析，针对海量数据进行存储等方面的研究。(4)研究了高精度的监测数据。(5)关于监控系统与云计算平台的对接问题。1. 3设计内容传统的电能质量

5、检测设备以单片微控制器为主，尽管其性能得到了很大提高,但是仍然存在着数据处理速度慢，可操作性差等不足。针对上述问题，本文提出了一种基于MX6U1.1.的嵌入式系统。该芯片具有精度高，处理速度快，功耗低，接口资源丰富等优点，在该芯片基础上开发的操作系统具有更好的操作性和实用性。另外，MX6U1.1.中有大量的开放源码材料，给开发人员带来了很大的方便。本文的目的就是研制出一种能够对不同类型的电流进行有效检测的电能质量监控仪表。在本系统的设计中，我们对不同的电力品质问题进行了详细的分析，以保证所用的仪表可以正确地辨识出故障并将其记录下来。针对这一现状，本论文研究了以ARM为核心的电能质量监控系统。A

6、RM体系结构具有性能高，功耗低等特点，适用于嵌入式系统。利用MX6U1.1.芯片的优点，研制出一套具有高精度、高效率的电能质量监控系统。它不但能够对电力系统中的电流、电压和频率进行实时监控，而且能够对电力系统中的谐波、闪变等进行分析，为电力系统的维修与管理提供有价值的数据支撑。另外，本系统具有良好的人机交互界面，便于使用者进行设定与调节。本项目提出了一种以ARM为核心，以MX6U1.1.为核心的电能质量监控系统,具有简单、准确、实用等优点，可广泛应用于工业、实验室、电网运行等领域。第二章系统方案设计第二章系统方案设计2.1设计要求（1）能够测量单相交流电压，测量范围是1-380V。（2）能够测

7、量单相交流电流，测量范围是IOmA-50A。（3）能够测量单相交流功率，可测的最小功率是0.0001kw0（4）能够测量线路频率，测量范围是AC45-65Hz0（5）能通过PC查看监测得到的数据。2. 2方案论证2. 2.1方案1本文选用了Cortex-M3系列STM32F103ZET6芯片，以其优良的性能与稳定性能为主要研究对象。为了保证采样点的精确性，采用了16位模数转换器AD7607,保证了采样点的精确性。独有的512点取样设计，配合快速傅立叶变换，可实现对电流电压的实时监控。在人机界面上，通过将键盘和GPU液晶显示屏相结合的方式，给用户带来直观方便的操作体验。系统采用RS485串行通讯

8、方式，与上位机进行通讯，确保了通讯的高效、可靠。本项目的研究成果既能满足高品质的电能品质需求，又能给用户带来方便高效的使用体验，是电力质量监控领域的一项重大科技创新。2. 2.2方案2该方案以32位ARM9芯片AT91RM9200作为主处理单元，使系统具有较强的运算性能，并具有较高的稳定性。本系统采用ATT7022B芯片完成多路信号的采集，以达到对多个电参数的精确采集。该芯片具有高精度、高可靠性等特点，可以实现对电流，电压，功率等关键电气参量的同步采集。在系统中，利用USB作为接口，实现了对海量数据的快速传输与存储。USB接口的优点是传输速度快，稳定性高，可以快速地把所收集的信息传送给外置存储

9、器或电脑，供后续的处理与分析。为使使用者能够更好地掌握电力参数的实时状态，本系统还采用了一种显示方式，将所获得的数据显示出来。它能实时显示出电流、电压、功率等参量的数值及波形图，便于用户对电能质量进行监控与分析。同时，本系统也为使用者提供了良好的人机介面及介面，方便使用者设定及调节，以配合各种监控需要。2. 2.3方案3本项目以COrteX-A架构下的I.MX6U1.1.为核心，利用其优越的运算能力，可实现对电能参数的实时监测。同时，通过IMI281B的电能测量模块，实现对电流、电压等电能参数的准确测量，为后续的数据处理与分析奠定坚实的基础。该系统采用USB作为通讯接口，实现了对电力系统中重要

10、的电力参数的实时传输。利用该接口，可以将测量到的各类电能参数快速、稳定地传送给开发板。而在开发面板中，USB-TT1.接口作为与PC机连接的一座桥梁，可以实时地向PC机发送电量参数。另外，MX6U1.1.还提供了中文资料说明等多种功能，极大地简化了开发人员的操作与开发流程。它的实用、方便，是我们选用这款芯片的主要原因。MX6U1.1.是一款集高性能、高运算功能于一身的产品，是本次设计的首选产品。该系统可以对电力系统进行实时监控，并对电网的运行状况进行实时监控。这对防止电网故障，优化用电，保证电网安全稳定运行，有着十分重要的意义。本项目的研究成果将为电力质量监控与分析技术的发展奠定基础。本项目的

11、研究成果将对工业生产、能源管理及科学研究起到积极的推动作用，对提高电力系统的使用效率与管理水平具有重要意义。第三章系统总体设计3.1系统设计方框图为了更好地利用其在数据处理与运算方面的优势，本设计以正则原子阿尔法程序开发板作为系统的核心。通过与IM1281B的精确接口，可以对多个电参量进行实时的测量。为保证数据的正确传送，本系统采用USB口转换模块，以平稳的方式向开发板传送所需的参数。1.inux在开发板上对串口信息进行了有效的读取，保证了数据的零丢失和实时性。最后，利用计算机上的软件接口，方便地对所收集到的各类电力参数进行查询，达到对电网运行状况进行实时监控的目的。本项目在保证数据精度的前提

12、下，极大地提升了监控的效能，为电力部门的实时监控与管理提供了一种强有力的手段。图3.1系统硬件框图3. 2系统工作原理在整个系统中，单相SOC芯片起到了关键作用，对电流、电压等信号进行精确采集。在此基础上，将其转换成具有实用价值的电参数数据。SOC芯片在完成了对数据的处理之后，并没有立刻将其展示出来，而是通过1.inUX系统进行传输。1.inUX系统在收到数据之后，必须对其进行串行配置，以保证正确的数据传递与分析。在这个时候，字符串在1.inux系统中扮演着重要的角色。通过设定该结构的有关参数，可方便地设定串口的控制位，检验位，停止位，波特率等，以保证数据的稳定与准确。在完成了所有的配置之后，

13、1.inux就会利用读写函数从串口中读出相应的数据。通过这种方式，1.inUX系统可以顺利地读取先前经过SOC芯片处理和传输的电力参数数据。然而，这还没有结束。本系统利用USBJrT1.接口，实现了与PC机之间的通信。通过这种方式，可以将1.inux上的数据实时传送到计算机上。通过在计算机上安装相应的软件，即可查看电力系统的各项性能指标，从而达到实时监控电网运行状况的目的。这一完整的设计过程，既表现出工艺上的精准，又表现出部件间的协作能力。采用单相SOC芯片，1.inUX操作系统，USB.TT1.接口，实现了一种实时，稳定，高效的电能监控的解决方案。3. 3相关技术3. 3.1操作系统移植技术

14、(1)操作系统属于软件，但它只是硬件之上的第一层软件，它是对系统的硬件和资源进行直接的管理，例如CPU、内存和存储空间等，它是应用和硬件之间的一种关系，它可以把所有的软件和相应的物理资源都连接起来，可以由操作系统来直接对硬件进行操作，而不需要自己通过寄存器来进行控制。操作系统可以对系统的各个资源进行管理，包括存储、驱动端口、确定系统资源的优先级、对其它程序进行控制等最基础的运算功能，还可以提供“文件系统”、“驱动”、“用户接口”、“系统服务”等基础服务程序。(2) 1.inUX是一个开放源码的系统，其设计和UNIX相似，但通过不断的改进和革新，目前已能适用于多种硬件。操作系统中有一个系统核心，

15、负责管理系统中的各类硬件资源以及组成该系统的某些组件；常用的操作系统有Veket,Ubumu,Fedora,以及国内的麒麟操作系统，雨林木风操作系统等。(3) UbUmU是CanOniCal公司研发的1.inUX分发版本，而分发版本一般都是自由开放的，这也导致了UbUntU还有一个很好的特性，那就是社区化做得很好，大多数问题都可以在社区中得到解决，这对于初学者来说是最好的选择。(4) OS移植最值得称赞的地方在于其可移植性，可以在各种架构的处理器及开发电路板上运行，而正点原子则可以提供各种固化体系的方式，本设计采用的是用mfgtool上位机进行固化系统的方法：将开机方式设定为USB开机，用US

16、B连接线把USB_OTG界面与PC机相连，然后用MfgtOOl打开VB文件，把系统固定到开发板的EMMC中。3.3.2USB通信技术USB通信系统采用的是差分方式，利用两条线路间的电位差作为数据的表达方式，从而极大地提高了数据的传输精度和稳定性。在USB主机通讯中，将设备划分为主从两个部分。HOST主机具有较高的使用权限,能够执行一些从机的指令,如收发数据等。与之相应，DEVlCE从属程序主要是对主机的请求做出反应。USB协议定义了四种不同的数据传输方式，以适应不同的应用场合。其中，控制传递包括设备的建立、数据的传递和状态的传递，主要用于设备的组态和指令/状态的查询。在对数据量不大而又有实时性要求的情况下，例如鼠标、键盘等。批传送技术主要适用于大容量的数据传送，对实时性的需求比较小，一般只适用于存贮和列印等工作。最后，对于实时性有很高的需