CN103675488A - 一种用电负荷监测装置、系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通过测量变压器一次侧的磁场并将其转换为一次侧电流值，通过对比一次侧、二次侧的视在功率来实现用电负荷监测的方法及其装置、系统。本发明提供的用电负荷监测方法及其装置、系统与现有技术中通过电流互感器测量电流通常要将电流互感器套接在输电线路上，需断开电力线且安装时需断电相比，不需电力线断电即可安装，磁通不易饱和。

Description

一种用电负荷监测装置、系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及电力设备领域，更具体地涉及一种用电负荷监测装置、系统及其监测方法。

背景技术

现有电能计量系统一般由计量互感器和电能表组成，用户的负荷由电能表读取，但电能表极易被破坏或改装，导致读出的负荷并不是实际的负荷。于是出现了通过对比专变一次侧的视在功率和电能表读出的视在功率来实现负荷监测的装置和方法，但这需要根据输电线路的负荷及电压等级将设备划分成许多型号，设计和实现起来都比较复杂，且安装方式需要破坏原输电线路，供电部门难免会质疑其实用性和安全性。

发明内容

与现有技术相比，本发明克服了现有技术中通过电流互感器测量电流通常要将电流互感器套接在输电线路上，需断开电力线且安装时需断电，磁通易饱和等缺点，不需电力线断电即可安装，磁通不易饱和。本发明提出了测量一次侧磁场并转换为一次侧电流值来实现负荷监测的方法及其装置、系统。

本发明提供了一种用电负荷监测方法，所述方法包括测量变压器一次侧的磁场值，将该磁场值转换成一次侧电流值，获取二次侧视在功率，计算并对比变压器一次侧、二次侧的视在功率，当一次侧、二次侧视在功率的差值超出预定值一段时间后，即认为用电负荷异常，发出报警信息。

本发明提供的用电负荷监测方法，变压器一次侧的视在功率可以通过预置的输电线路电压等级及获得的一次侧电流值计算得出的。

本发明提供的用电负荷监测方法，通过一次侧的磁场值计算电流值可以通过磁场标定实现的，磁场标定方法如下：

（1）将磁场传感器放置在可变电流源附近，与其相隔预定距离处，

（2）改变电流源输出，用标准磁场测量仪测量磁场传感器所处位置的磁场大小，并记录磁场传感器的输出电压，

（3）多次执行步骤（2），记录电流-磁场-电压值，

（4）用回归分析法分析步骤（3）中得到的电流-磁场-电压数据，得出被测磁场和电流之间的关系，确定标定系数。

本发明提供的用电负荷监测方法，视在功率等于三相视在功率之和，即视在功率等于线电压乘以各相相电流有效值之和，再除以根号3，如下列公式所示：

$P=V*I\sqrt{3}$

其中：P为总视在功率；

V为线电压；

I为各相电流有效值的和。

本发明还提供了一种用电负荷监测装置，包括磁场采集单元和主控单元，其中磁场采集单元测量变压器一次侧的磁场值，通过磁场-电流转换获得电流数据，并将该电流数据发送到主控单元；主控单元根据该电流数据计算出一次侧视在功率，并获取二次侧视在功率，通过比较一、二次侧的视在功率数据来实现用电负荷监测。

本发明提供的用电负荷监测装置，其中磁场采集单元可以包括磁场传感器、处理器模块、RF模块和用于供电的供电模块，磁场传感器测量变压器一次侧的磁场值，处理器模块接收磁场传感器发送的磁场数据并计算出电流值，RF模块在主控单元要求时将该电流值发送到主控单元。

本发明提供的用电负荷监测装置，其中所述磁场传感器可以使用单轴线圈设计，平行设置在电力线下方预定距离处。

本发明提供的用电负荷监测装置，其中主控单元包括RF模块、处理器模块、485通信模块、存储模块和时钟模块，其处理器模块通过RF模块与磁场采集单元通信完成一次侧电流数据接收，通过485通信模块读取二次侧视在功率，并计算出一次侧视在功率再通过比较一、二次侧的视在功率数据来实现负荷监测；存储模块用于存储用电负荷数据，时钟模块用于处理器模块的时钟设定。

本发明提供的用电负荷监测装置，其主控单元还可以包括短消息业务模块，处理器模块通过该模块和用电管理者的手机进行用电负荷数据的交流，其处理器模块可以按时钟模块提供的时间记录用电负荷数据，包括一次侧电流、一次侧视在功率、二次侧视在功率。

本发明还提供了一种用电负荷监测系统，包括本发明的用电负荷监测装置和上位机服务器。

本发明通过利用磁场采集单元安装方便，无需断电安装的优点，测量专变用户的一次侧输电线路的磁场，并通过本发明的磁场-电流转换方法获得电流值，再通过对比一次侧、二次侧的功率来实现用电负荷监测，解决了现有负荷监测装置的安装复杂、用户接受度不高等缺点，并且本发明采用的一、二次侧的功率比对方法可更好地监测用电负荷，及时发现用电异常事件。

附图说明

图1为本发明的用电负荷监测装置的结构实施例框图；

图2为本发明的磁场采集单元的结构实施例框图；

图3为本发明的磁场采集单元与电力线的安装实施例示意图；

图4为本发明的主控单元的结构实施例框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的用电负荷监测装置的组成和工作原理。其工作原理在于：根据交变电流产生交变的电场，交变的电场产生磁场，电力线周围必将产生随电流变化的磁场，因此，通过测量电力线周围的磁场，再根据磁场和电流的映射关系便可获得电流值数据。

如图1所示，本发明的用电负荷监测装置主要包括磁场采集单元和主控单元两部分。磁场采集单元安装在变压器一次侧输电线路附近，且无需停电安装，只要保证与输电线路相隔一定距离便可工作。主控单元安装在计量箱内，由计量箱220V交流电源供电。磁场采集单元采集变压器一次侧的磁场值；通过采集到的磁场值计算相对应的一次侧电流值；并将该电流值传送到主控单元。主控单元通过预置的输电线路电压等级及从磁场采集单元接收的电流计算出一次侧视在功率；通过485总线读取用户侧安装的计量电表的电流值（二次侧电流）和二次侧视在功率；记录并比较同一时刻一次侧和二次侧的视在功率，当两个视在功率之间的差值超过一预定值（例如线损值，即一次侧视在功率的30%）时，即认为用电负荷出现异常，立即通过短消息业务（short message service，SMS）模块发出报警信息到用电管理者手机或管理平台上，报警某负荷失调。在另一种实施方式中，当两个视在功率之间的差值超过预定值并且持续一段时间（例如15分钟，该时间可根据需要设定）后，主控单元触发用电负荷异常事件。从判断的可靠性方面讲，后一种方式较之前方式更为可靠。可根据情况，灵活选择采用哪一种方式。

本发明的磁场采集单元的结构框图如图2所示。磁场采集单元可采用可充电电池或者不可充电电池供电，在不断电情况下，可使用绝缘杆安装在电力线路附近。根据上述工作原理，通过将磁场采集单元设置在电力线附近，即可测量电力线周围的磁场。磁场采集单元包括磁场传感器、处理器模块、RF模块和供电模块。处理器模块接收磁场传感器发送的磁场数据，根据预置的指示磁场-电流转换关系的标定系数，可计算出电力线上的电流值。在主控单元要求此值时，磁场采集单元可通过其RF模块将该电流值发送到主控单元。处理器模块可以采用低功耗的单片机MSP430F,此MCU内部具有16位精度的AD，采样精度得以保证。其中通过磁场计算电流的方法需要先进行磁场标定来确定标定系数，标定方法如下：

1、将磁场采集单元，具体是磁场传感器放置在可变电流源附近，与其相隔一预定距离处，

2、改变电流源输出，用标准磁场测量仪测量磁场传感器所处位置的磁场大小，并记录磁场传感器的输出电压，

3、多次执行步骤2，记录电流-磁场-电压值，

4、用回归分析法分析步骤3中得到的电流-磁场-电压数据，得出被测磁场和电流之间的关系，确定标定系数。

该标定系数预置于处理器模块中，根据标定系数和磁场传感器输出的电压值，即可计算出实际电流值。

这里，磁场传感器可使用单轴线圈设计，无需套接在电力线上，只要平行设置在电力线下方预定距离即可，如图3所示。这种安装方式避免了传统的电流互感器测电流需将互感器套接在输电线路上，需断开电力线且安装时需断电，磁通易饱和的缺点。而使用单轴线圈的磁场传感器单元不需电力线断电即可安装，磁通不饱和。安装时，只需通过绝缘杆将磁场采集单元的顶部卡环卡在电力线上即可。

主控单元的结构框图如图4所示。主控单元可包括：RF模块、时钟模块、存储模块、处理器模块和485通信模块。主控单元可安装在计量箱内，通过计量箱内AC220V供电。主控单元的处理器模块可以采用Cortex-M3内核ARM处理器，具有功耗低、速度快、功能丰富的特点，主要完成电流数据接收，SMS模块控制，数据处理及备份，时钟设定，射频芯片控制等功能。处理器模块采用间歇式主动通信方式与磁场采集单元通过RF模块通信，以便获得磁场采集单元传送的电流值等数据。这种主动间歇方式有效地保证磁场采集单元电池的电量可以使用至少五年。RF模块可采用RF905射频芯片以433M载波进行无线通信，当然也可以采用其它RF射频芯片。处理器模块通过接收到的电流值和主控单元中预设的电压等级分别计算出每一相的实际用电视在功率。总视在功率等于三相视在功率之和，即视在功率等于线电压（即电压等级，例如10kV）乘以各相相电流有效值之和，再除以根号3，如公式1所示：

$P=V*I\sqrt{3}$ （公式1）

其中：P为总视在功率；

      V为线电压；

I为各相电流有效值的和。

处理器模块通过485总线读取用户侧计量电表的视在功率，即二次侧视在功率，并计算一次侧的视在功率与所读取的计量电表的视在功率的差值，当差值超出预定值时，即认为负荷失调，出现异常用电事件，这里预定值可根据线损值设定，例如可设定为一次侧视在功率的30%。

处理器模块通过RF模块每隔一预定时间（例如15分钟）读取一次侧电流和计量电表视在功率（二次侧视在功率），经处理器模块处理后按时间记录负荷数据，包括一次侧电流，一次侧视在功率，所读电表视在功率（二次侧视在功率），及时钟信息，并将它们保存在存储模块中。

当用电管理人员想了解某一时段的用电负荷数据时，可通过支持485通信接口的PC机或手持终端向主控单元发送请求信息，主控单元收到该信息后，通过处理器模块读取存储模块中存储的某时刻的用电数据，再通过485通信模块将用电负荷数据发送到PC机或手持终端上。

在一种实施方式中，主控单元还可包括SMS模块。在出现上述的异常用电事件时，可通过此SMS模块向用电管理人员的手机或管理平台发送用电异常信息。这样，可便于用电管理人员即时了解用电信息。在这种情况下，用电管理者的手机号码可通过预设的方式保存在存储模块中。

上文所述的用电负荷监测装置可与上位机服务器一起构成一种用电负荷监测系统。具有485通信接口的PC机或手持终端等设备都可充当上位机服务器，用电负荷监测装置获得的用电负荷数据可通过485通信接口发送到PC机或手持终端上。在用电负荷监测装置内置SMS模块的情况下，手机即为上位机服务器，在出现用电负荷异常情况下，所述系统可向用电管理人员的手机发送消息，便于及时了解用电情况。

本发明克服了现有技术中通过电流互感器测量电流通常要将电流互感器套接在输电线路上，需断开电力线且安装时需断电，磁通易饱和等缺点，不需电力线断电即可安装，磁通不易饱和。本发明测量一次侧磁场并转换为一次侧电流值来实现负荷监测的方法更先进、更新颖。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用电负荷监测方法，其特征在于：所述方法包括测量变压器一次侧的磁场值，将该磁场值转换成一次侧电流值，获取二次侧视在功率，计算并对比变压器一次侧、二次侧的视在功率，当一次侧、二次侧视在功率的差值超出预定值一段时间后，即认为用电负荷异常，发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的用电负荷监测方法，其特征在于：变压器一次侧的视在功率是通过预置的输电线路电压等级及获得的一次侧电流值计算得出的。

3.根据权利要求1或2所述的用电负荷监测方法，其特征在于：通过一次侧的磁场值计算电流值是通过磁场标定实现的，磁场标定方法如下：

（1）将磁场传感器放置在可变电流源附近，与其相隔预定距离处，

（2）改变电流源输出，用标准磁场测量仪测量磁场传感器所处位置的磁场大小，并记录磁场传感器的输出电压，

（3）多次执行步骤（2），记录电流-磁场-电压值，

（4）用回归分析法分析步骤（3）中得到的电流-磁场-电压数据，得出被测磁场和电流之间的关系，确定标定系数。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用电负荷监测方法，视在功率等于三相视在功率之和，即视在功率等于线电压乘以各相相电流有效值之和，再除以根号3，如下列公式所示：

$P=V*I\sqrt{3}$

其中：P为总视在功率；

      V为线电压；

      I为各相电流有效值的和。

5.一种用电负荷监测装置，包括磁场采集单元和主控单元，其中磁场采集单元测量变压器一次侧的磁场值，通过磁场-电流转换获得电流数据，并将该电流数据发送到主控单元；主控单元根据该电流数据计算出一次侧视在功率，并获取二次侧视在功率，通过比较一、二次侧的视在功率数据来实现用电负荷监测。

6.根据权利要求5所述的用电负荷监测装置，其中磁场采集单元包括磁场传感器、处理器模块、RF模块和用于供电的供电模块，磁场传感器测量变压器一次侧的磁场值，处理器模块接收磁场传感器发送的磁场数据并计算出电流值，RF模块在主控单元要求时将该电流值发送到主控单元。

7.根据权利要求6所述的用电负荷监测装置，其中所述磁场传感器使用单轴线圈设计，平行设置在电力线下方预定距离处。

8.根据权利要求5所述的用电负荷监测装置，其中主控单元包括RF模块、处理器模块、485通信模块、存储模块和时钟模块，其处理器模块通过RF模块与磁场采集单元通信完成电流数据接收，通过485通信模块读取二次侧视在功率，并计算出一次侧视在功率再通过比较一、二次侧的视在功率数据来实现负荷监测；存储模块用于存储用电负荷数据，时钟模块用于处理器模块的时钟设定。

9.根据权利要求8所述的用电负荷监测装置，其主控单元还包括短消息业务模块，处理器模块通过该模块和用电管理者的手机进行用电负荷数据的交流，其处理器模块按时钟模块提供的时间记录用电负荷数据，包括一次侧电流、一次侧视在功率、二次侧视在功率。

10.一种用电负荷监测系统，包括权利要求5-9中任一项所述的用电负荷监测装置和上位机服务器。

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