基于物联网云端的双路径无线通信便携式电能质量监测系统

《IEEE Access》：IoT Cloud-Based Portable Power Quality Monitoring System With Dual-Path Wireless Communication

　　

本文介绍了一种面向低压三相和单相配电网的基于物联网云端的便携式电能质量监测(PQM)系统的开发与验证。设计阶段集成了IEC 61000-4-30标准中针对Class S统计调查所规定的参数集和聚合程序。为便携式PQM系统开发的印制电路板(PCB)同时遵循IPC-2221B和IEC 60664-1设计标准，并在电网接口与数字处理级之间设置了具有文档记录的电流隔离屏障。测量的参数包括RMS电压和电流、相量图、信号间相位角、相位频率、有功、无功和视在功率、功率因数、VTHD、ITHD、电压和电流不平衡度、电压暂降、暂升、中断以及设备部署位置。该便携式PQM由被测电网供电；在断电情况下，系统自动切换至集成备用电池，确保测量和数据传输不中断。采集的数据通过MQTT协议经Wi-Fi或4G LTE传输至物联网云平台，并在路由之间实现自动故障切换。当连接丢失时，SD卡对数据进行缓冲，并在连接恢复后按时间顺序重新传输。使用三相交流感应电机和单相非线性负载进行的实验室实验测试表明，所有分析的电学参数与Class S商用电能质量分析仪的测量一致性在1%以内。此外，在通信故障测试和断电测试期间，经证实未丢失任何测量记录。

**研究背景**

随着电力电子设备和分布式发电的大规模部署，配电网中引入了新的扰动和畸变源，导致用电点出现电压暂降、暂升、中断及谐波电流畸变等问题，进而造成能量损耗增加、设备损坏、电气绝缘加速老化以及保护装置误跳闸。美国电力研究院(EPRI)估计，包括电力扰动和电能质量不佳在内的可靠性事件每年给美国经济造成高达1880亿美元的损失，给欧洲经济造成1500亿欧元的损失。商用PQ分析仪虽然测量可靠，但购置成本高且依赖外部可靠电源，限制了其广泛应用。现有基于通用微控制器的定制仪器在实现IEC 61000-4-30所规定的聚合程序时面临多通道高分辨率同步采集与通信存储任务之间的资源争用问题，且采集与处理级之间的爬电距离、绝缘要求和标称绝缘电压等隔离设计细节在已发表文献中鲜有记录。此外，大多数现有实现将测量精度、电源独立性和通信弹性作为孤立的设计约束，而非综合设计考量。

**研究内容与意义**

研究人员开发并验证了一种面向低压三相和单相配电网(最高100 A_rms，兼容50 Hz和60 Hz电网频率)的基于物联网云端的便携式电能质量监测(PQM)系统(命名为ITA-9000)。系统由被测电网直接供电，断电时自动切换至内置LiPo电池，可持续测量和数据传输超过14小时。系统通过Wi-Fi或4G LTE双路径无线网络，采用MQTT协议和JSON载荷将数据传输至开源IoT云平台ThingsBoard，支持操作员选择主路径及故障自动切换。SD卡本地存储在连接中断时缓冲记录，并在恢复后按时间顺序重传，确保测量记录不丢失。集成GNSS接收器在会话开始和测量期间定期传输地理坐标，实现设备部署位置跟踪。所有PQ参数均按IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021中Class S规定的聚合间隔和程序在嵌入式系统中计算。该论文发表在《IEEE Access》。

**关键技术与方法**

系统采用ADI ADE9000模拟前端(AFE)作为计量核心，其七个同步24位Σ-Δ ADC可在单一采集周期内同时采样三相电流、中性线电流和三相电压，并在片内计算功率和PQ参数。主控制器为ESP32-WROOM-32E-H8双核处理器，运行FreeRTOS，在双核上分别执行测量与通信任务。采集域与处理域之间通过CA-IS3742HW数字隔离器和HLK-F0505S-2WR3隔离DC-DC转换器实现电流隔离。通信采用Wi-Fi与SIMCom A7670SA 4G LTE Cat-1模块双路径，以MQTT协议接入ThingsBoard云平台，SD卡进行本地缓冲。电源管理采用BQ25895电源路径管理器，配合12,000 mAh LiPo电池，实现断电时无缝硬件切换。校准采用SA2100 Class S分析仪和UNI-T UT181A真有效值万用表作为参考仪器，计算每相增益和相位校正常数。

**研究结果**

**A. 三相交流感应电机测试**：在星形连接、220 V_rms线电压、60 Hz条件下，系统以三相四线模式、Wi-Fi主路径运行，ThingsBoard平台仪表盘实时显示IEC 61000-4-30 Class S所需全部参数，包括各相电压电流RMS值、相量图、相序、不平衡度、功率、功率因数、VTHD/ITHD及事件日志；本次测试未记录到暂降、暂升或中断事件。

**B. 单相非线性负载测试**：以单相两线模式、4G LTE主路径测试全桥整流RC负载(75 Ω电阻与4,700 μF电容并联)，测得V_rms为69.8 V，I_rms为2.78 A，有功功率119.8 W，视在功率193.6 VA，功率因数0.619，VTHD为3.43%，ITHD为127.14%，与非线性负载特性和示波器观测到的畸变电流波形一致。

**C. 电压事件检测**：通过自耦变压器人为生成暂降、暂升和中断事件，ITA-9000与SA2100同步采集，事件幅值匹配精度达0.70%，持续时间差异与半周期时间分辨率一致，中断检测精度达4.25%(三个最长事件为0.71%)；成功检测到0.9 s的短时中断，验证了电源无缝切换能力。

**D. 电池备用自主运行**：在三种数据路由模式下测试电池寿命，4G LTE模式下持续运行14小时20分钟，记录17,207个数据点无丢失。

**E. 热性能**：主PCB在4G LTE连续传输5小时后，最高温组件为A7670SA模块(41.0°C)，所有组件均在标称温度范围内，被动热管理足以支撑连续现场运行。

**F. 双路径通信与数据连续性**：Wi-Fi主路径失效后，系统在39秒内自动切换至4G LTE，期间13条记录缓冲至SD卡并在链路恢复后按时间顺序重传；490条记录以3秒间隔全部无丢失传输。

**讨论与结论**

研究证实，所有测量的PQ参数均在不确定度范围内与SA2100 Class S参考仪器一致，符合Class S仪器水平。电压暂降、暂升和中断事件均被正确检测和分类。断电和通信故障切换测试均未导致测量记录丢失。下一步工作包括：利用ADE9000 AFE原始波形数据进行分相谐波和间谐波分解以识别扰动源、在低压配电网中进行非平衡负载现场验证，以及工业环境中EMI敏感性表征。