CN103675716B - 一种通过测量磁场监测用电负荷的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通过测量变压器一次侧的磁场数据并通过对比一次侧、二次侧磁场数据来实现监测用电负荷的方法及其装置、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

一种通过测量磁场监测用电负荷的装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及电力设备领域，更具体地涉及一种通过测量磁场监测用电负荷的装置、系统和方法。

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。本发明将采集到的一次侧和二次侧的磁场数据直接进行对比，来实现用电负荷监测目的。这种方式能够及时发现用电异常事件，并及时上报给用电管理部门。

本发明提供了一种通过测量磁场监测用电负荷的方法，所述方法包括测量专变一次侧的磁场数据；测量专变二次侧的磁场数据；将所测的一、二次磁场数据进行对比，如果二者的差值超出预定值，则认为用电负荷出现异常，发出报警信息。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的方法，其中，

测量专变一次侧的磁场数据可以包括测量专变一次侧的磁场强度H1；

测量专变二次侧的磁场数据可以包括测量专变二次侧的磁场强度H2。

其中，测量磁场强度可以包括：

将磁场传感器放置在大小已知且可调的磁场中，

多次改变磁场的大小，分别记录磁场传感器对应的输出电压，

用回归分析法对得到的数据进行分析，得出被测磁场和输出电压之间的关系，

根据磁场与输出电压的关系，确定标定系数并保存该标定系数，

根据标定系数，换算得到磁场强度。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的方法，其中，当H2<H1*η*PT时，这里PT为专变一、二次侧的电压比，η为线损值，即可以认为用电负荷出现失调并发出警告信息。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的方法，其中，当H2<H1*η*PT且持续一段时间后，这里PT为专变一、二次侧的电压比，η为线损值，即可以认为用电负荷出现异常并发出报警信息。

本发明还提供了一种通过测量磁场监测用电负荷的装置，包括一次侧磁场采集单元、二次侧磁场采集单元和主控单元；一次侧磁场采集单元测量专变一次侧磁场数据，二次侧磁场采集单元测量专变二次侧磁场数据，主控单元将一、二次侧磁场数据进行对比，监测用电负荷的运行情况。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中一次侧磁场采集单元可以包括一次侧磁场传感器、处理器模块、RF模块和用于供电的供电模块，一次侧磁场传感器测量专变一次侧的磁场，处理器模块通过一次侧磁场传感器获得磁场数据，在主控单元要求时，一次侧磁场采集单元通过RF模块将该磁场数据发送到主控单元。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中一次侧磁场采集单元可以可通过绝缘杆安装在专变一次侧附近以测量专变一次侧的磁场。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中二次侧磁场采集单元可以包括二次侧磁场传感器、处理器模块、485通信模块和用于供电的供电模块，二次侧磁场传感器测量专变二次侧的磁场，处理器模块获得二次侧磁场传感器的磁场数据，在主控单元要求时，二次侧磁场采集单元通过485通信模块将该磁场数据发送到主控单元。

本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中一、二次侧磁场传感器可以使用单轴线圈设计。

本发明还提供了一种用电负荷监测系统，包括本发明提供的通过测量磁场监测用电负荷的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，将其分别设置于专变的一次侧和二次侧，将它们采集到的一次侧和二次侧的磁场数据直接进行对比，来实现负荷监测目的。这种方式能够及时发现用电异常事件，并及时上报给用电管理部门，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、二次侧的磁场数据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为本发明的通过测量磁场监测用电负荷的装置的实施例示意图；

图2为本发明的一次侧磁场采集单元的结构实施例框图；

图3为本发明的二次侧磁场采集单元的结构实施例框图；

图4为本发明的一次侧磁场采集单元与电力线的安装实施例示意图；

图5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过程。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。通过测量电力线周围的磁场，可达到与测量电流近似相同的效果；而通过对比变压器一次侧和二次侧的磁场数值来进行负荷监测，即可达到与本领域中传统的通过测量一、二次侧电流及视在功率进行负荷监测的近似相同的技术效果。

本发明通过测量磁场来判断负荷失调的方法如下：

变压器一、二次侧的视在功率对应关系如公式1所示：

P1*η=P2 （公式1）

其中：P1为一次侧视在功率，P2为二次侧视在功率，η为线损值。

一、二次侧视在功率的计算如公式2、3所示：

$P1=V1*I1/\sqrt{3}$ （公式2）

其中：V1为一次侧线电压，I1为一次侧电流有效值。

$P2=V2*I2/\sqrt{3}$ （公式3）

其中：V2为二次侧线电压，I2为二次侧电流有效值。

将公式2和公式3带入公式1，可得：

V1/V2*I1*η=I2(公式4)

磁场的变化是随电流的变化而变化的，上述公式4可等效为公式5:

H1*η*PT=H2(公式5)

其中：H1为一次侧磁场强度，H2为二次侧磁场强度，PT为电压比，η为线损值。

在正常用电情况下，变压器一、二次侧的磁场强度值应该满足公式5。而在出现负荷失调、异常，例如用户有窃电嫌疑时，测得的二次侧磁场强度值会表现得比实际磁场强度值小得多。因此，当判断H2<H1*η*PT时即可认为用电负荷失调。

如图1所示，本发明的通过测量磁场监测用电负荷的装置包括设置于专变一次侧的一次侧磁场采集单元、设置于用户侧的二次侧磁场采集单元和主控单元。一次侧磁场采集单元将采集到的磁场强度数据经RF模块传送到主控单元，二次侧磁场采集单元将采集到的磁场强度数据经485总线传送到主控单元，主控单元记录同一时刻一次侧和二次侧的磁场强度数据，并将它们进行比较，主控单元判断两个磁场强度数据是否满足关系式H2<H1*η*PT，当满足该关系时，则认为负荷失调，即可通过短消息服务模块，即SMS模块发出警告信息，警告负荷失调；在持续一段时间，例如30分钟后，如果H2<H1*η*PT仍然成立，则立即通过SMS模块发出报警信息，报警某负荷异常。

本发明的一次侧磁场采集单元的结构框图如图2所示。本发明的一次侧磁场采集单元采用可充电电池或不可充电电池供电，在不断电情况下使用绝缘杆安装在变压器一次侧的电力线附近。处理器模块采用低功耗的单片机MSP430F,此MCU内部自带16位精度AD，可以保证采样精度。处理器模块通过一次侧磁场传感器测量磁场强度，并将获得的数据处理后，在主控单元要求时，通过RF模块将磁场强度值发送给主控单元。

如图3所示，二次侧磁场采集单元包括：二次侧磁场传感器、处理器模块、供电模块和485通信模块，处理器模块通过二次侧磁场传感器完成磁场强度的采集，并将采集到的数据处理后，通过485通信模块将磁场数据传送到主控单元。其中，处理器模块采用低功耗的单片机MSP430F,此MCU内部自带16位精度AD，采样精度得以保证。二次侧磁场采集单元可采用计量箱内220V交流供电。

一、二次侧磁场采集单元在安装使用前需分别进行磁场标定。磁场定标方法如下：

将磁场传感器放在大小已知且可调的磁场中，多次改变磁场的大小，分别记录磁场传感器对应的输出电压，将得到的数据用回归分析法进行分析，得出被测磁场和输出电压之间的关系，根据磁场与输出电压的关系，确定标定系数，并在处理器中设定标定系数，且将其保存在存储单元中。根据标定系数就可换算出磁场强度值。

这里，磁场传感器使用单轴线圈设计，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，图4示出了一次侧磁场采集单元与电力线的安装示意图。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5所示。主控单元包括：RF模块、SMS模块、时钟模块、存储模块、处理器模块和485通信模块，处理器模块通过RF模块与一次侧磁场采集单元通信完成一次侧磁场数据接收，处理器模块通过485通信模块与二次侧磁场采集单元通信读取二次侧磁场数据，并计算和比较一次侧、二次侧的磁场数据来实现负荷监测，存储模块用于存储磁场数据并供处理器模块读取，时钟模块用于处理器模块的时钟设定。主控单元采用计量箱内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，主要完成磁场数据接收，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，通过RF模块每隔一预定时间与一次侧磁场采集单元通信，获得一次侧磁场采集单元发送的磁场数据。这种主动间歇方式有效地保证一次侧电磁采集单元电池的电量能使用许多年。RF模块采用RF905射频芯片以433M载波进行无线通信，也可以采用其它射频芯片。处理器模块通过485通信模块每隔一预定时间（与上述的时间相同，例如每15隔分钟）从二次侧磁场采集单元获得磁场强度。主控单元将获得的一、二侧磁场数据进行对比，当判断H2<H1*η*PT时，即通过SMS单元发出警告信息，在持续一段时间，例如30分钟后，如果H2<H1*η*PT仍成立，则通过SMS单元发出报警信息，并按时钟单元的时钟保存在存储单元中。

当用电管理人员以后想查看时，可通过手机或管理平台向主控单元发送请求信息，主控单元，具体是其SMS模块收到该信息后，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SMS模块将用电负荷数据发送到管理人员的手机或管理平台上。这样管理人员可随时了解用电数据。

本发明还提供一种通过测量磁场监测用电负荷的系统。该系统由上述的装置和上位机服务器构成。上位机服务器例如可以是用电管理人员的手机或手持设备，还可以是电力公司的管理平台。

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。本发明的优点是磁场采集单元无需断电安装，且无需切断电力线安装，施工方便，用户的可接受度高。

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 (5)

1.一种通过测量磁场监测用电负荷的方法，其特征在于：所述方法包括测量专变一次侧的磁场数据；测量专变二次侧的磁场数据；将所测的一、二次磁场数据进行对比，如果二者的差值超出预定值，则认为用电负荷出现异常，发出报警信息；

测量专变一次侧的磁场数据包括测量专变一次侧的磁场强度H1；

测量专变二次侧的磁场数据包括测量专变二次侧的磁场强度H2；

其中，测量磁场强度包括：

将磁场传感器放置在大小已知且可调的磁场中，

多次改变磁场的大小，分别记录磁场传感器对应的输出电压，

用回归分析法对得到的数据进行分析，得出被测磁场和输出电压之间的关系，

根据磁场与输出电压的关系，确定标定系数并保存该标定系数，

根据标定系数，换算得到磁场强度；

当H2<H1*η*PT时，这里PT为专变一、二次侧的电压比，η为线损值，即认为用电负荷出现失调并发出警告信息；

当H2<H1*η*PT且持续一段时间后，这里PT为专变一、二次侧的电压比，η为线损值，即认为用电负荷出现异常并发出报警信息。

2.一种通过测量磁场监测用电负荷的装置，包括一次侧磁场采集单元、二次侧磁场采集单元和主控单元；一次侧磁场采集单元测量专变一次侧磁场数据，二次侧磁场采集单元测量专变二次侧磁场数据，主控单元将一、二次侧磁场数据进行对比，监测用电负荷的运行情况；

其中一次侧磁场采集单元包括一次侧磁场传感器、处理器模块、RF模块和用于供电的供电模块，一次侧磁场传感器测量专变一次侧的磁场，处理器模块通过一次侧磁场传感器获得磁场数据，在主控单元要求时，一次侧磁场采集单元通过RF模块将该磁场数据发送到主控单元；其中二次侧磁场采集单元包括二次侧磁场传感器、处理器模块、485通信模块和用于供电的供电模块，二次侧磁场传感器测量专变二次侧的磁场，处理器模块获得二次侧磁场传感器的磁场数据，在主控单元要求时，二次侧磁场采集单元通过485通信模块将该磁场数据发送到主控单元。

3.根据权利要求2所述的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中一次侧磁场采集单元可通过绝缘杆安装在专变一次侧附近以测量专变一次侧的磁场。

4.根据权利要求2所述的通过测量磁场监测用电负荷的装置，其中一、二次侧磁场传感器使用单轴线圈设计。

5.一种用电负荷监测系统，包括权利要求2-4任一的通过测量磁场监测用电负荷的装置和上位机服务器。