1 引言

随着我国经济快速发展，社会对能源的需求不断增长，电能质量也越来越受到社会的关注。近些年来直流输电技术不断投入工程应用、大规模新能源接入和大量调速电机投运，使电网中电压和电流波形畸变越来越严重，另外变频器、电弧炉、大型轧钢机等设备在运行中不仅会产生大量高次谐波，还会产生电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题。

电能质量监测是发现电能质量问题和提高电能管理水平的前提条件，电能质量监测将利用安装在用户侧的监测装置，通过各种通讯方式将电能质量监测数据上传至监测中心，实现对多个电能质量监测点的同步监测，发布电能质量相关数据，是电能质量评估的一种有效手段。

2 技术开发

2.1 技术路线

本文将以Qt跨平台应用程序开发框架为基础，研究嵌入式电能质量监测装置软件和PC端软件开发过程，内容包括装置I²C数据采集、主界面数据显示、偏置增益校验、功能参数配置及PC端网络通讯、实时数据保存为SQLite关系数据库、历史曲线查询等。

用户可在就地现场通过装置查看配电网电能质量实时数据，也可在远方PC端查看装置上传上来的实时监测数据，通过分析监测数据为电能质量综合治理提供有效的数据支撑和决策依据。

2.2 主板开发

装置采用英创公司面向工业自动化领域的ARM9系列EM9170工控主板，主板通过WinCE 6.0实时多任务操作系统为用户构造可直接使用的通用嵌入式核心平台，主板提供SDK开发包，包括各种接口驱动程序API，可使用微软Visual Studio软件开发工具在EM9170上开发系统应用程序，支持采用C/C++、C#、VB等主流开发语言进行编程。

EM9170主板配置64MB 的DDR2内存、128M的NandFlash、MicroSD卡插座、RTC实时时钟、4路UART串口、2路CAN总线接口、1路4线制SPI接口、1路I²C接口、1路以太网接口、2路USB接口、精简ISA总线、彩色LCD接口、直流5V电源。

2.3 数据采集板

采集板由四块同型号电压电流采样板卡组成，每块板卡上安装有五个锐能微公司RN8302三相多功能计量芯片，每个芯片采集一条线路上的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量、谐波和环境温度等实时数据，电压、电流信号经端子输入到装置后通过变换器将大电压大电流信号转换为mV和mA级弱电信号，弱电信号经PGA可编程增益放大器、ADC模数转换后进入DSP数字信号处理器，处理后的信号经D/A数模转换得到实时电能质量监测数据，实时数据通过LCD触摸液晶屏在装置前面板进行显示。EM9170主板通过RN8302芯片参数寄存器地址读取电能质量相关数据，通过I²C通讯方式将采集数据上送至主机。

2.4 通讯板

通讯板由装置220V交流工作电源接口、PCB通讯板、1路GPRS天线、1路以太网接口和1路RS485接口组成。整个装置硬件由四块采集板、一块通讯板、一块主板组成，四块采集板和一块通讯板通过上下轨道插槽固定于装置内，主板安装固定在装置前面板，LCD液晶显示屏镶嵌置于装置前面板相同尺寸的方形开孔处。

3 客户端软件开发

装置软件开发以功能模块形式进行，包含I²C数据采集、装置用户主界面数据显示、偏置校验与电压电流相位增益校验、TCP网络通讯客户端几个子功能模块。

3.1 I²C数据采集

I²C数据采集是本装置通过I²C通讯接口从采集板读取电能质量数据的核心功能模块，其数据采集与处理工作主要在RN8302三相计量芯片和EM9170工控主板中进行。

I²C通讯定义主机向子机发送指令，子机收到指令后将指令对应的数据发送给主机，本装置数据采集程序通过I²C发送四块板卡地址给EM9170主板，主板收到指令后（如0x61）将对应的数据内容（第一块采样板五个计量芯片采集到的电能质量数据）发送给主机，主机收到数据后进行数据处理并将处理后的数据显示在装置前面板LCD液晶显示屏上。I²C指令格式如下：

读取五个计量芯片数据RegAddr寄存器地址

（一个字节）

X7X6X5：芯片选择0-4

X4：置0读数据，置1偏置增益校验

① X3X2X1X0：读数据功能码（X4=0时）

1：电压、电流   2：有功、无功、视在功率        3：功率因数     4：能量         5：频率                        6：基波电压电流有效值

7：谐波电压电流有效值     

8：基波相角     9：温度

② X3X2X1X0：校验功能码（X4=1时）

0：偏置校验    1：UA、UB、UC增益校验  

2：IA、IB、IC增益校验  3：相位增益校验

I²C数据采集程序模块功能主要实现I²C接口打开和关闭、文件读写，同时实现将接收到的数据在装置主界面上显示、读取数据以及采集指定板卡芯片数据的功能。

3.2 用户主界面数据显示

装置主界面主要负责显示电能质量实时数据，包括20条线路上的三相电压、电流、有功、无功、功率因数、电量、频率、谐波、温度等。主界面可通过设置功能对20条线路名称进行修改，修改后的名称将同步更新显示在主界面上，另外主界面设置功能还实现了修改服务器端IP后自动连接新IP地址对应的PC端服务器，最后可通过设置功能修改CT变比，修改CT变比后对应线路上的电流等电气量将按CT变比同步更新显示实际值，装置主界面数据显示应用程序运行后将自动启动数据采集应用程序和以太网客户端应用程序。

3.3 偏置校验及增益校验

根据3.1关于RegAddr寄存器地址格式的规定，X4地址位置1时做偏置增益校验，即0x0100-偏置校验、0x0101-电压增益校验、0x0102-电流增益校验、0x0103-相位增益校验，偏置增益校验程序功能模块主要实现I²C接口打开和关闭、文件读写功能，通过打开I²C接口后对指定板卡（物理地址0x61,0x63,0x65,0x67）发送校验指令来实现偏置校验及电压电流相位增益校验，EM9170主板收到主机发来的校验指令后自动执行数据的校验工作。

3.4 网络通讯客户端

网络通讯客户端程序负责将采集的实时数据通过以太网通讯方式发送到服务器端，客户端程序功能模块主要实现读取服务器IP地址、连接服务器、读配置文件中的ip地址、向服务器端发送数据、连接服务器失败5秒钟后重新连接、服务器端关闭和找不到服务器的错误处理等功能。

3.5 装置设置功能参数配置文件

配置文件主要功能为设置装置界面上的20条线路名称、20个CT变比（二次侧为1A）、33个电能质量数据转换系数和服务器端IP地址，文件内容将配合装置设置按钮实现IP地址、线路名称、CT变比初始化和将修改后的参数写入配置文件中进行更新等功能。

3.6 WinCE仿真

开发出来的电能质量监测装置软件可通过WinCE中文模拟机查看各个功能模块在实际装置中的运行效果，操作方法如下：

WinCE 6.0简体中文模拟机->【文件】->【配置】->【常规】->【共享文件夹路径设置为功能模块程序文件夹】->【确定】->【我的设备】->【SDMMC】->【装置主界面程序】

4 PC端软件开发

PC端软件开发同样以功能模块形式进行，PC端软件部分包括网络通讯服务器端、PC端用户主界面数据显示、点表数据保存到SQLite关系数据库、历史曲线查询几个子功能模块。

4.1 网络通讯服务器端

网络通讯服务器端程序负责接收装置客户端发送过来的实时数据，服务器端程序功能模块主要实现TCP服务启动监听、TCP服务完毕后进行释放、有客户端成功连接后的处理和接收客户端发送过来的实时数据等功能。

4.2 PC端用户主界面数据显示

PC端用户主界面显示的电能质量数据和装置主界面上一致，设置按钮仅保留对20条线路名称进行修改的功能，修改后的名称同步更新显示在主界面上，增加“历史曲线”查询功能按钮，通过该功能可查询指定线路、分析对象及日期范围内的历史曲线数据。

PC端用户主界面数据显示应用程序运行后会自动启动服务器端应用程序和点表数据保存到SQLite关系数据库应用程序，PC端用户主界面设置按钮实现用户名和密码输入验证及20条线路名称的设置，配置文件主要功能为设置20条线路名称，文件内容将配合设置按钮实现线路名称初始化和将修改后的线路名称写入配置文件进行更新等功能。

4.3 点表数据保存SQLite关系数据库

PC服务器端程序启动后和装置客户端程序建立一个可靠连接用于接受数据，与此同时点表数据保存到SQLite关系数据库程序自动运行起来将接收到的实时数据每隔5分钟一次保存下来，并在当前文件夹中自动生成一个历史数据库文件。

点表数据保存到SQLite关系数据库功能模块实现连接关系数据库、根据当前时间设置下一个整5分钟时间、实时数据保存为关系数据库文件及数据每隔5分钟保存一次等功能。 4.4 历史曲线查询

当历史数据库文件保存了一定时间段数据后，运行历史曲线查询程序可通过SQL语句从历史数据库文件中提取指定线路、对象、时间范围历史数据并用历史曲线显示出来。

历史曲线查询功能模块主要实现选择20条线路名称、选择34个分析对象、选择开始结束时间、读取配置文件中的线路名称以及点击“曲线查询”按钮后显示历史曲线等功能，同时实现了根据不同分析对象的实际值动态调整历史曲线纵坐标轴数值显示范围的功能。

4.5 PC端设置功能参数配置文件

PC端设置功能参数配置文件的作用为配合设置按钮实现用户主界面左侧线路名称的初始化和将修改后的线路名称写入配置文件中进行更新和界面显示等功能。

5 装置现场运行

5.1 电能质量监测装置现场运行

通过现场低压配电线路上的CT(变比N:1)给装置采集板电流端子加量采集线路电流，通过低压线路电压空开或多功能表保险出线端给装置采集板电压端子加量采集电压，装置运行后将采集到的电能质量相关实时数据显示在装置显示屏上，点击“设置”按钮可对服务器IP地址、线路名称、CT变比进行配置。

5.2 PC端软件现场运行

PC端软件现场运行之前，需通过ipconfig查看本机IP是否和装置IP同属一个网段，若不同则需设为同一网段。PC服务器端成功连接客户端后将接收到装置发送过来的电能质量实时数据显示在主界面上，点击“历史曲线”按钮可查询指定条件下的历史数据曲线，点击“设置”可设置20条线路名称。

6 结束语

本文以Qt跨平台应用程序开发框架为突破口，对WinCE嵌入式操作系统下电能质量监测装置及其PC端软件的具体开发过程进行了深入研究，基于Qt跨平台软件开发技术实现了一套程序在WinCE和Win7两种不同操作系统下的编译运行，装置对现场20条线路进行了监测，达到了一定的效果，为未来新一代电能质量监测系统的设计与开发做好准备。