基于Android平台的煤矿井下电力谐波监测系统研究.pdf

第4 6 卷第1 1 期 2 0 1 4 年 第1 1 期 煤炭工程 C0AL ENGl NEERI NG Vo 1 ． 46． No ．1 1 No ．1 1， 2 01 4 do i ： 1 0． 1 1 79 9 ／c e 2 01 41 1 0 45 基于 A n d r o i d平台的煤矿井下 电力 谐 波监测 系统研 究 谢苗苗 ，李能菲 ，李华龙 ( 1 ．安徽大学 江淮学院，安徽 合肥2 3 0 0 3 9 ；2 ．中科院合肥智能机械研究所，安徽 合肥2 3 0 0 3 1 ) 摘要：论文设计了一种基于 A n d r o i d手机平台的煤矿井下电力谐波 实时监测 系统方案 ，研制 了基 于 A R M C o d e x—M 3内核 的 3 2位处理 器 S T M 3 2 F 1 0 3 V B T 6和 ~ C ／ O S—I I 嵌 入 式 实时操 作 系统 的 谐波监测节点，通过节点外扩的 Z i g B e e和 G P R S传输模块 ，实现监测节点间自组网和数据无线远程 传输 ，开发出基于 A n d r o i d手机平台的煤矿井下分布式电网谐波实时监测软件 ，突破 了管理员必须 服务器监控电脑查看电网谐波信息灵活性差的瓶颈 ，实验表明该 系统设计方案可行有效。 关 键词 ：A n d r o i d ；Z i g B e e和 G P R S传输 ；谐 波监 测 ；A R M 中图分类号 ：T D 7 6 文献标识码 ：A 文章编号：1 6 7 1— 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) l l - 0 1 4 4 -03 St u dy o n M o n i t o r i n g S y s t e m o f Und e r g r o u nd Co a l M i ne El e c t r i c Po we r Ha r mo nic Ba s e d o n And r o i d Pl a t f o r m XI E Mi a o—mi a o ， L I Ne n g—f e i ， L I Hu a—l o n g ( 1 ． J i a n g h u a i C o l l e g e ，A n h u i U n i v e r s i t y ，H e f e i 2 3 0 0 3 9，C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n t Ma c h i n e s ，C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ，H e f e i 2 3 0 0 3 1 ，C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e r e a l—t i me mo n i t o ring s y s t e m o f c o a l mi ne e l e c t ric p o we r ha r mon i c b a s e d o n An d r o i d mo b i l e p ho n e p l a t f o rm wa s d e s i g n e d， t h e h a r mo n i c mo n i t o r i n g n o d e b a s e d o n 3 2 b i t A RM C o r t e x— M3 k e r n e l p r o c e s s o r S T M3 2 F1 0 3 VB T 6 a n d w C ／ OS— I I e mb e d d e d r e a l— t i me o p e r a t i n g s y s t e m wa s d e v e l o p e d ． An d wi t h t h e e x t e n d e d Z i g B e e mo d u l e a n d G P RS mo d u l e ， d a t a e x c h a n g i n g a mo n g t h e d e t e c t i n g n o d e s ， a n d d a t a r e mo t e t r a n s mi s s i o n we r e r e a l i z e d ． T h e mi n e d i s t ri b u t e d h a rm o n i c r e al —t i me mo n i t o rin g s o f t w a r e b a s e d o n An d r o i d mo b i l e p h o n e p l a t f o rm w a s d e v e l o p e d， b r e a k i n g t h r o u g h t h e fl e x i b i l i t y b o t t l e n e c k wh i c h r e q u i r e s a d mi n i s t r a t o r t o v i e w h a r mo n i c i n f o rm a t i o n i n s e r v e r mo n i t o ri n g c o mp u t e r ． An d t h e e xp e r i me n t s v e r i f i e d t he f e a s i b i l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e d e s i g n ． Ke y wo r d s ： A n d r o i d； Z i g B e e a n d GP RS t r a n s mi s s i o n； h a rm o n i c mo n i t o ri n g ； ARM 随着煤 矿企 业 生产 的快 速 发展 ，电力 负荷 急 剧增 加 ， 大量电力电子功率器件及装置在电网的广泛应用 ，给煤矿 企业生产带来节能和能量转换的同时，也给供电网络电能 质量造成严重 的污染 ，严 重威胁 矿井 电 网的电能 质量 和 电 力设备的安全运行。目前，用于电网谐波检测的电能质量 检测仪普遍存在成本高的缺点，此外，分布式电能质量监 测 系统 ．虽然 已将 电能质 量 在线 监测 装 置有 机结 合 起 来 ， 但是存在管理人员必须在服务器监控电脑前查看 电网谐波 信息的灵活性差等缺点。 本文采 用 基 于 A R M C o r t e x—M3内核 的 3 2位 处 理 器 S T M3 2 F 1 0 3 V B T 6和 w C ／ O S—I I 嵌入式实时操作系统的低成 本的谐波检测装置节点设计方案，通过节点的 Z I G B E E和 G P R S 传输模块 ，实现节点间 自组网和数据无线远程传输， 并建立基于 A n d r o i d手机平 台的电网谐波在线实时监测系 统，将监测终端从监控电脑搬至智能手机，使得管理员可 以随时随地在 智能手机上 方便 快捷 的查看 各 电力节 点设 备 的谐波参数信息，实现基于 A n d r o i d 手机平台的低成本移动 型电力谐 波在线监测系统 。 收稿 日期 ：2 0 1 3—1 0— 0 9 基金项 目：安徽省高等学校省级自然科学研究项目( K J 2 0 1 3 B 0 1 4 ) 作者简介：谢苗苗 ( 1 9 8 5一) ，女，安徽 宿州人，主要从事 电能质量检测 和继 电保 护技术 方向的研究 ，E—m a i l ： n h mmi a o @ 1 63 ．c o n 。 引用格式：谢苗苗，李能菲，李华龙．基于A n d roi d平台的煤矿井下电力谐波监测系统研究 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 ( 1 1 ) ：1 4 4—1 4 6 ． 1 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第1 1 期 煤炭工程 1 系统总体设计 系统主要分为谐波在线采集节点，监控中心服务器端， 智 能 手 机 客 户 端 三 部 分。谐 波 采 集 节 点 采 用 S T M3 2 F 1 0 3 V B T 6为核心处理器 ，分为谐波在线监测子节点 和谐波在线监测汇聚节点，其中，子节点外扩 Z I G B E E模 块，可实现监测子节点间的自组网，汇聚节点外扩 Z I G B E E 模块和 G P R S 模块，可将 Z I G B E E网络的各个子节点采集的 谐波数据，通过 G P R S网络实时传输给远程监控中心，服 务器端采用 C l i e n t ／ S e r v e r 结构，负责接收谐波检测网络的节 点谐波数据，响应智能手机客户端请求 ，供客户端实时查 询各节点谐波信息 ，系统整体框图如图 1 所示。 远程 智 监控 能 中心 服 务 手 器 机 图 1 基于 A n d r o i d手机平 台的煤矿 井下 电网谐波实 时监测 系统 1 ． 1 谐波在线监测节点 节点采用的 S T M3 2 F l O 3 V B T 6核心处理器具有外设丰 富、开发简单、价格低等特点 J ，通过移植 p ~ C ／ O S—I I 嵌 入式实时操作系统，提高了监测节点运行的实时性和稳定 性 。 采用霍尔电流电压传感器采集 电网三相电压、电流信 号，A ／ D信号调理电路将采集后的电流 电压信号转换 成 A R M的可识别的0～3 ． 3 V信 号，采用抗混叠低通滤波器防 止采样信号的频谱混叠，采用过零检测电路和锁相电路消 除采样不同步和减少周期测量误差对测量精度的影响，从 而有效避免 F F r变换后带来 的频谱泄露效应和栅栏效应， 将检测结果通过T F T液晶实时显示 ，通过 Z i g B e e 模块实现 节点间的数据交换，通过 G P R S模块实现监测数据远程传 输，供监控中心进行存储分析 J 。监测节点结构框图如图 2所 示 。 1 ． 2 谐波检测算 法 目前，主要的谐波检测分析方法有 快速傅 里叶变换 F F T 、小波变换、人工神经网络等 ， 其中 F f T r 算法因其计算 高效性而被广泛应用于谐波分析 ，本文采用的是插值加窗 函数快速傅里叶变换的方法 ，进一步消除栅栏效应和频谱 泄露现象，采用等相角差值采样数据，保证频谱分析结果 准确性，在将采集来的数据进行加窗函数处理前，尽量获 得具有相同波形的采样数据，然后采用加海宁窗函数对采 样数据进行优化 ，其函数形式见式( 1 ) ，再进行 F f Y I 1 基 2算 电网 电 流 电 压 传 感 器 信 号 调 理 电 路 T F T 液晶屏 人机接 口 } = = z~ G P 1LS F ⋯ s 。 I 皇 图 2 谐 波在 线监测节点框 图 法 ，以减小频谱混叠以及频谱泄露问题。 ( n ) = 。 一 ( 1 一 。 c o s ( ) ( 1 ) 式中，a为系数 ，a取值为 0 ． 5 ；／ l, = 0，1 ，⋯，Ⅳ一1 ( Ⅳ为采样点的个数) 。 根据 F F T变换，从其频谱中获得各次谐波分量，进而 得到 T H D和各次谐波含有率，此外，测量谐波的方法须根 据快慢变化不同的谐波源选择不同的测量间隔，为区别暂 态现象和谐波，每次测量结果应为3 s 测量值的平均值，其 算式为： = ( 2 ) 式 中，U 为 3 s内第 k次测得 h次谐波电压 ( 方均根 值) ；m为 3 s内取得均匀问隔的测量次数 ，m>6 。谐波分 析算法流程图如图 3所示。 图 3 谐 波分析流程 图 1 ． 3 电网谐 波在线实时监测 系统 系统采用 Mi c r o s o ft S Q L S e r v e r 2 0 0 8作为服务器端数据 库管理系统，用于实时存储个采集节点的谐波参数信息， 用户管理，安全检查、建立窗体和报表等功能。服务器端 实现服务器与谐波在线监测节点的实时交互，以及响应和 1 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第1 1 期 处理智能手机客户端请求操作，通过共享数据库，实现交 互操作。系统的服务器端通过 J a v a S e r v l e t 技术实现与客户 端的交互，其工作流程为：客户端发送请求到服务器，服 务器启动并调用 S e r v l e t ，S e r v l e t 根据客户端请求响应内容 并将其传送给服务器 ，服务器将响应返回客户端 。 A n d r o i d是 由 G o o g l e和开放 手 持 设备 联 盟 开发 与领 导 的，基于 L i n u x平台的开源手机操作系统，主要用于移动终 端设备，A n d r o i d系统架构 自底向上由基于 L i n u x的内核模 块、运行时库与其他库、应用程序框架、应用程序 4个层 次组成。E c l i p s e是目前十分流行的J a v a 开发软件 ，在其上 可以方便地下载和安装 A n d r o i d S D K以及开发所需的 A D T ， 基于 A n d r o i d手机平 台的电网谐 波在线实时监测软件在 E c l i p s e配置的 A n d r o i d开发环境进行开发 ，软件采用 J a v a 语言编程，A n d r o i d操作系统为 A n d r o i d 2 ． 1及以上版本 ，运 行的硬件环境为智能手机 ，且需联入网络 。 2实验 为 了测试在线谐波检测节点对谐 波参数 检测 的准 确性 ， 实验将电网信号同时接入电力分析仪和节点，并记录两者 测量 电网各项 电能 参数 的测试 数据 ，其 中，谐波 分析 测量 数据表见表 1 ，由表 1可以看出，测量误差较小，实验结果 表明节点运行稳定可靠，能够较准确地完成对电网电压、 电流以及电能质量的测量，满足国家相关标准的要求 。 实验将谐波检测节点采集的模拟谐波参数发送至实验 室服务器数据库 中，将煤矿井下电网谐波在线实时监测系 统软件安装于智能手机上，打开手机 的 G P R S联 网功能， 接入 实验 室服务 器 ，打 开监控 软件 界面 可实 时查看 服务 器 上的谐波在线监测节点传来的电网谐波信息。 表 1 谐波分析测量值 注 ：1为电力分析仪测量数据 ，2为节点测量值 ，谐 波值表 示均为相对基波 的百分 比 3 结语 本文给出了以S T M 3 2 F l O 3 V B T 6为核心处理器的低成本 谐波检测装置节点 ，建立基于 A n d r o i d手机平 台的煤 矿井下 电力谐波在线实时监测系统 ，下一步将在已完成的实验基 础上，完善该监测系统的软、硬件设计，使其应用于煤矿 井下实际现场，使矿山管理人员可以随时随地在智能手机 上方便快捷 的查看煤矿井下各 电力设备的谐波参数信息， 实现基于智能手机平台的煤矿井下低成本移动型电网谐波 在线监测系统，具有广泛的应用前景。 参考文献 ： [ 1 ] 彭刚，秦 志强．基 于 A R M C o r t e x—M3系 列嵌入 式微 控 制器应用实践 [ M] ．北 京：电子工业 出版社 ，2 0 1 1 ． [ 2 ] J e a n J ．L a b r o s s 著．嵌入式实时操作系统 Ix C ／ O S— I I ( 第2 版 ) [ M] ．邵贝 贝 ，译 ．北 京 ：北 京航 空航 天 大学 出版 社 。2 0 0 3 ． [ 3 ] 王州波．用户电能质量在线监测研究 [ D] ．杭州 ：浙江大 1 46 学 ，2 0 1 1 ． [ 4] 陈海 山．深入 J a v a S e r v l e t 网络 编程 [ M] ．北 京 ：清 华大 学 出版社 ，2 0 0 2：9—1 4 ． [ 5] 吴 亚峰 ，索伊娜．A n d r o i d核心技术 与实例详 解 [ M] ．北 京 ：电子工业 出版社 ，2 0 1 1 ． [ 6] 谢 苗苗 ，李华龙 ，李能菲．一 种新 型电能质量 监测装 置设 计 [ J ] ．2 0 1 3 ，9 ( 4 3 ) ：5 6— 5 7 ． [ 7] 孙鸣．分布式发 电对配 电网线 路保护 影响 的分析 [ J ] ． 电网技术 ，2 0 0 9，3 3 ( 8 ) ：1 0 4—1 0 7 ． [ 8 ] 王志群．分布式电接人位置和注入容量限制的研究 [ J ] ． 电力系统及其 自动化学报 ，2 0 0 5，1 7 ( 1 ) ：5 3— 5 8 ． [ 9] 杨伟 ，华梁．基 于多 A g e n t 技术 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