CN103904780A - 基于低压配电网的节点信息处理器 - Google Patents

Abstract

一种基于低压配网开关的“节点信息处理器”，其组成包括：中央处理器、节点电压采集模块、支路电流采集模块、数据变换模块、频谱变换模块、数据驱动模块、数据调制解调及对电缆耦合模块、谐波滤波模块、无功补偿模块、本地无线通信模块、数据存储器等；将此节点信息处理器嵌入到配电网络的各级开关，使实现：检测开关运行的电气参数和所在电网状态、统计配电运行数据，就近经所连接的配网电缆收发通信传送这些数据，实现配电开关智能化、配电网络信息化；可实现就地功率因数补偿、用电环境干扰滤除、及时发现漏电或偷电、发现异常线损，促进全网节电低碳。

Description

基于低压配电网的节点信息处理器

技术领域

本发明属于电力系统低压配电网络技术与信息化、智能化技术；将所发明的节点信息处理器嵌入到配电网络的各级开关（配电箱、配电柜中），使实现：检测开关运行的电气参数和所在电网状态、计算配电运行数据，就近经所连接的配网电缆收发通信传送这些数据，实现配网开关节点信息化、配电网络信息化。

背景技术

电力系统从发电、输电到变电、配电，再经低压配电网络连接千家万户；这里低压配电网络是连接最广的网络，错综复杂，也是电能损耗最大的网络；电力系统输、变、配传送大量电能的同时，其总损耗电量约占总供电量的12%，这其中约有70%是损耗在低压配网用电环节，可见配网损耗约占社会总供电量的8.4%，据2013年《中国电力年鉴》统计，全国社会用电量为49657亿KWH；8.4%的损失就是4171.188亿度电，按每度电0.5元计算就是2085.6亿元人民币；对这个损失有必要弄清根源、采取措施降低。

我国社会现今低压用电为了收费基本只统计到“月电度量”，对配网各环节在线用电状况基本没有管理，大电网送来配网的电流都到哪儿去了，电压都降在哪儿了，没有人知道，没有管理，从而漏洞很多、损失很大。

低压配电网电力源于配电变压器，它是配网根节点；由该变压器低压侧分支电缆逐级延伸扩展网络，直至各类企事业单位或居家的用电设备（叶节点）；低压配电网络都依存于各类生产、办公、生活等建筑物；配网依建筑物的型式分布，以街道配电为例，一台变压器可以供给多个小区（或单位或院落），一个小区分若干栋楼房，一栋楼房分若干楼层，一层楼分若干家庭，一个家庭分若干房室，一间房室有多台用电设备。这样组成的配电网络各级配电箱（开关柜）可定义分层网络节点为：配变总节点、院落级节点、楼栋级节点、楼层级节点、家庭级节点、房室级节点、用电终端设备（叶子）。

对这些开关节点嵌入本发明的“节点信息处理器”，用以检测各节点处的电压、检测各支路的电流，就近基于配电电缆传送这些检测数据，实现全网电气检测、电能计量、用电信息收发、就地功率因数补偿、干扰滤除等多方面功能集成；其中电气检测使检测节点电压、流经开关的各单相电流、及相位差；电能计量使计算该相有功、无功、功率因数、按秒、分、时、日、月分别累计有功、无功电度量；用电信息收发使向上级发送上述计算数据，接收上级校时及控制指令；向下级与末端用电设备发送控制与调节指令。

此节点信息处理器可代替过去的计量电度表，且增加了对电能质量和用电参数的监测，使可实现为了节电的就地用电分析和联网用电分析；增加了对开关的自动控制和接受上级指令的网络控制，方便于对偷漏电和线损的发现。

由于系统对居室开关每相监测并控制，所以系统对低压电力网就管理到了末级的每个电力支路，可实现对全网用电合理性、偷电、漏电、浪费电进行彻底地发现和合理控制，从而最大程度降低损耗。

节点信息处理器所含各项检测技术、计量技术、通信技术、功率因数补偿技术、干扰滤波技术等，集成到一起联网应用，使总体功效发生了前所未有的变化。本项目中使节点信息处理器与电力线通信结合完成所有各级开关节点的数据检测，也就代替了远程抄表，代替了用户电度表。

在电度计量方面，国内现行最先进方式是使用采集与计量专用集成电路芯片，其功能单一，需外接通信，也无法控制，都无法与本发明节点信息处理器相比。

公开日为2001年9月12日、申请号为99809730.6、发明人阿斯科姆电力线通信有限公司的H.维德默等人，专利名称为：用于通过低压供电网传输信息的装置及其转接器；介绍在局部范围内使电脑与外部设备通过低压电力线传输信息，解决对外网数据传送方法，其没有对低压配电数据检测、处理，没有节电控制，更没有低压配电信息网概念。

公开日为2003年1月1日、申请号为02117085.1、发明人清华大学的郭静波，专利名称为：低压配电网扩频通信网络系统及其通信方法；公开日为2004年12月15日、申请号为01814467.5、发明人德国西门子公司的克劳斯.多斯特尔特等，专利名称为：在低压电网上传输高频信号的方法及相应的系统；公开日为2005年6月29日、申请号为200410091841.4、发明人深圳市佳音达通信电子技术有限公司的王欢、谭显华等，专利名称为：低压配电及电力线通信一体化的方法和系统；他们都是利用低压配电网传送用户来自于外网的网络数据，构成一种传送外网信息的网络系统；这些发明只是研究利用电力网传送网外的数据，不同于本发明完全监测、传送本配网自行发生的数据，旨在解决节电降耗问题。

公开日为2012.07.16、申请号为201210243765.9、发明人代秋玲等的发明专利《智能配电网用电监控管理装置》 ，其采集低压配电数据，但通过GSM无线通信向外传送数据，需专门为装置提供电源，在配电网之外收集和管理这些数据；也是完全不同的机制和工作方式。

公开日2011.10.26、申请号为201110329530.7、发明人虞晓俊等的专利《区域智能配电网系统》 ，其所谓“低压配电信息化系统”是一套后台应用软件，在采集数据后用专门的馈线传送到该系统实现管理；它也不同于本专利的机制和工作方式。

发明内容

本发明的目的是使低压配电网信息化成为信息网络,可自动采集配网电气数据,对配网分节点、分支路的电压、电流、功率因素、谐波等数据监测，就地基于低压电缆分级传送，使配网供用电过程信息化，达到配网各级用电可信息化管理；

具体实现办法是：对低压配电网各级节点开关嵌入节点信息处理器，实现检测信息、处理信息、基于配电电缆传送信息；使人们在日常生产、生活用电过程中可以通过与“节点信息处理器”无线通信沟通，掌握用电状况，管理节约用电。

1、  低压配网节点信息处理器的组成包括：中央处理器、节点电压采集模块、支路电流采集模块、数据变换模块、频谱变换模块、数据驱动模块、数据调制解调及耦合模块、谐波滤波模块、无功补偿模块、无线通信模块、数据存储器等；中央处理器和存储器负责节点信息处理和数据存储管理；中央处理器输入数据的连接是：从配电线缆直接采集的电流、电压数据经数据变换和频谱分析后送入中央处理器；中央处理器通信传送数据的连接是：直接经数据驱动、调制或解调并耦合到配电线缆；中央处理器具有直接控制无功补偿、谐波滤波、环境监测和本地对用户无线通信的功能。

这里节点信息处理器采集和管理相关用电信息的特征是：

①     全面采集所连接各支路的电压、电流、相位角数据，电压采集精度mV，量程达KV；电流采集精度mA，量程达KA；

②     在常规电流、电压、相位差、有功功率、无功功率、有功电度量、无功电度量统计之余，很注重对各支路漏电流、电压降的计算；

③      特别注重本级节点相对于所有出线连接的上、下级节点的数据分析：分析节点各支路电流和的平衡，发现不明耗电、分析用电合理性；分析本级节点相对于所有下级节点分别的电压降，计算线损、发现超降超损故障；

该节点信息处理器对所连各支路采集数据的同步是：按工频50HZ周期计数同步采集，同步点是工频周期的上升过零时刻；采集的数据与采集时周期数码编入同一链路数据帧。

该节点信息处理器具有对数据分析发现漏电和线损的做法是：本节点接收各支路链接下级节点的数据，逐个支路分析：该支路两端的电流数据比对，发现支路漏电情况；逐个对向下每条支路两端的电压比对，发现电压降超标情况，并发现该支路线路损耗。

该节点信息处理器对采集数据压缩的实现方式是：节点对采集的各支路电流数据按8T一次进行256点频谱分析，获取基波及直到16的各次谐波数据，只对有影响的波次数据向上级传送，使通信数据量至少降低到1/16。

该节点信息处理器具有管理直连用电设备用电品质的功能，即自动测算该设备支路的功率因数，在发现功率因数偏低时，自动控制对该设备无功补偿，提高其用电品质，减少用电损耗；功率因数补偿范围达到至少0.95；无功补偿控制精度暂定分15级。

该节点信息处理器对采集电压进行数据谐波分析，自动测算直连用电设备谐波状况，控制滤除有影响的谐波，改善该谐波对配电网上其他设备用电品质的影响，使改善用电环保，实现配网安全绿色用电。

该节点信息处理器具备本地无线通信功能，其利用无线模块将在线用电信息和异常报警信息发送至被授权的管理者，让各级用户明白当前用电状态，即时发现漏电、发现不正常耗电，激发其采取节约用电措施；节点还可由该无线接收用户设置有关用电参数。

节点信息处理器具有与上下级节点通信联络功能，可将检测和统计的电气信息发送到上级节点信息处理器，同时接受上级有关控制指令和校时；也接收下级节点信息处理器上述电气数据，可对下级节点管理器给出必要的控制指令和校时。

附图说明

附图1为本发明节点信息处理器的组成结构。

02是低压配电箱的开关节点，它的向上出线L向外连接上级节点，向下出线L1、L2、L3分别连接三个下级节点；L、L1、L2、L3都是电力电缆，数据采集与通信传送都与它们相关；

中央处理器01是本节点信息处理器的核心，它直接连接频谱变换模块21、数字变换模块22、到数据采集模块23X，其中模块230采集节点02的电压数据，模块231～234分别采集4条电缆的电流数据；23X这些电路采集的数据先经模数变换再经频谱变换后输入中央处理器处理；01直连数据驱动模块1X1与调制解调及耦合模块1X2，使经电缆收发数据；01还控制无功补偿模块011、滤除干扰模块012、无线通信模块013、环境监测模块014等；

当中央处理器01发现某下联支路功率因数偏低时可启动011无功补偿模块对应予以提高；当中央处理器01从检测数据发现某支路有干扰时可启动滤波控制对应予以滤除；中央处理器01通过013无线通信模块传送信息给所在环境的用户，使其实现该局部配网的用电管理；中央处理器01还可通过014环境监测使发现所在环境的温度、烟雾异常。

具体实施方式

 1 电气参数检测

节点信息处理器嵌入配网开关后同时检测流经该开关各支路的实时电流瞬时值、节点实时电压瞬时值，计算每个周波的电压电流相位差角（功率因数角）；其中检测数据的采样速率按1.6KHZ/S，各电流检测使数字化20位，电压检测也数字化20位，数据精度达到mA、mV级，可较精确地发现细微压降或漏电。

模块21对数字化后的数据予以频谱变换，使发现电气数据中谐波和高次谐波，可据以判决是否滤波；对于幅值很小的谐波可忽略不予传送，达到节省通信数据量。

由功率因数值据以决定如何无功补偿。

节点信息处理器基于检测的数据可就地计算以下基本数据如：电流的周波有效值、峰值，秒的平均有效值、平均峰值；对电压计算周波的有效值、峰值，计算每秒（50个周波）的平均有效值、平均峰值及最大值；对相位计算每个周波的电压电流相位差，计算每秒平均相位差。

 2.节点对所连各支路的数据收发通信

本级节点的中央处理器将上述检测和计算出的电气参数发送到上级节点信息处理器，同时接受该上级的有关控制指令和校时；本节点也接收下级节点获取的上述电气参数，还对下级节点信息处理器给出必要的控制指令和校时。

 2.1节点对发送数据调制与信号驱动、耦合

数据调制与信号驱动、耦合是配电信息网节点对网络发送数据的物理接口。

通信发送端将数据变成串行，对二进制数据“1”、“0”分别调制成不同信号，然后按时间同步汇合到一条链路，再经功率驱动及隔离与耦合兼备的电路，送上低压电力线路。

 2.2 信号耦合、滤波与数据解调接收

信号耦合、滤波与数据解调是节点信息处理器从配电网络接收数据的物理接口。

数据接收端从低压电力线路经耦合和增益后提取信号，经滤波解调分出二进制数据“1”、“0”，再同步合并得到二进制串行链路数据；这些串行数据在对节点中央数据处理器接口时被对应组织成方便计算处理的字节数据。

 3 节点数据计量处理

 3.1 节点基本数据计量

由本级电压、各支路电流及相位差计算支路有功功率、无功功率；

从相位差计算出功率因数，分析各支路用电品质；

按时间累计可统计各支路消耗的有功电度量、无功电度量；

从本级电压相对各支路的下级电压统计支路电压降、分析线损、发现不明压降故障；

从支路电流计算支路负荷、从负荷平衡发现不明耗电、分析损耗、分析用电合理性；

3.1.1按秒数据处理、按秒通信

按秒统计数据：秒平均I、V、P，平均有效值、秒内最大值、秒内最小值，计算平均相位角φ及cosφ,秒内有功、无功，秒内电度量，秒内基波与谐波幅值；

按秒通信：向父节点传递I、V、P的均值、有效值、最大值、最小值，秒内平均cosφ，秒内有功、无功，秒内电度量，秒内主要谐波幅值

3.1.2按分（60秒*50=3000个周期）统计分内有功、无功、电度量、谐波； 

3.1.3按小时（60分—180000个周期）统计I、V、P、cosφ、有功、无功、电度量、谐波；

3.1.4　按日统计数据

统计日内24小时的上述数据，注意0时0分0秒第一个过零时刻为前日结束,后日开始；

在该时刻同步接收配网中心下发的标准北京时间作日同步。

 3.2相邻级别节点间联合数据计量

本级节点信息处理器相对于所有出线连接的下级节点，统计：本级总电流相对于下级所有支路电流和的平衡，可发现偷电、漏电；本级节点相对于下级所有支路节点分别的电压降，以发现线路接头不良和不明电阻损耗。

 4 功率因数补偿

根据上述计算各支路功率因数大小，发现功率因数离标准差的大小，结合该支路负荷确定控制投切电容量，实现无功补偿，改善用电品质，降低低压电力线损耗，同时改善工频交流电波形。

功率因数补偿范围定为：现值---0.98；无功补偿控制精度按15级。

 5、谐波监测与分析

在节点信息处理器中专设一频谱分析模块，对前述1.6K/S速率采样数据进行按256点FFT计算，获得各次谐波电压及功率因数角；同时由各次谐波电压分设报警定值和时限定值，可发现谐波值越限，可对系统报警；并将报警前后一段时间谐波数据发往上级管理层，以实现配电全网对谐波分布计算的汇总分析。

 6 环境参数检测

各级节点信息处理器分别对所在庭室或对应级别用电环境检测其环境温度和烟雾，以达到对该室内空调的控制和对着火的探测与报警。

 7　节点信息处理器软件主程序

7.1 节点信息主处理

节点信息处理软件的主处理程序负责变量复位、上电初始化、I/O、串口、模数转换和外部中断等外部设备，并对各部分的中断使能，开全局中断，最后进入一个主循环，在这个循环里面，根据自定义的活动寄存器act_reg的状态调度各个子服务程序，调度前修改活动寄存器，以防止错误的二次调度。act_reg是在各个中断服务程序内有要求而对应置位的。

 7.2　过零检测处理

过零检测用单片机片内的外部中断进行处理，每一个20ms 周期上升过0检测中断，在该中断作上周期检测的所有数据处理，启动本节点内各分支同步时间计数，使不同分支可按时间槽分时通信，计过零数50作为秒周期形成，分别形成分周期及小时周期，并在对应时刻置位各个统计标志。   

8、配网多级节点的信息处理器联合实现的功能和作用

本系统各级节点的信息处理器都可基于配网电缆自动进行通信，使得各级节点可联合开展信息处理，可如下实现数据综合统计、联合分析：

①   实时获取全网所有开关节点所有设备电度量信息，准确统计各级售电量和配网电能损耗，及时实现

相关营销管理；可免去现行低压配网所有计量电度表、抄表通信设施，免去所有抄表事务和抄表人员；

②   实时计算配网上三相分别的电力负荷，当发现三相负荷量之差达到一定比例时，提示管理者调整三

相挂接负载平衡，降低配电网络线损；

③管理全网所有各级分支线路分别基于各开关节点进出电流的平衡，使及时发现任何支路的漏电、偷

电、浪费用电或不正常耗电，特别及早发现和杜绝电气火灾；

④管理全网各级开关节点之间的电压降分布，使及时发现任何相邻节点之间支路线段的超差电压降，发现由它引起的正常或非正常线损；

⑤在所有带有用电设备的开关节点处自动测算其功率因数，适时就地进行无功补偿，提高功率因数，减少电能消耗；同时改善低压电网用电品质。 

⑥在全网各节点处建立谐波分析机制，汇总本网所有超标谐波予以集中分析,找出谐波源所在用电设备,指导谐波治理,实现配网用户“环保用电” 、安全用电。

⑦基于低压配电信息网建立节电平台，帮助用户对设备实现用电合理性控制，实现避峰用电、控制无功补偿、控制谐波抑制，发现并控制漏电和不明耗电。

⑧低压配电信息网节电平台在各级节点处都赋予无线接入功能，为用户实现即时用电信息查询；使全网用电管理实际分层建到企事业单位，建到用户车间、办公室、居民家庭，使真正实现全民节能节电。 

Claims (9)

1.一种低压配网节点信息处理器，其组成包括：中央处理器、支路电流采集模块、节点电压采集模块、数据变换模块、频谱变换模块、数据驱动模块、数据调制解调及耦合模块、谐波滤波模块、无功补偿模块、本地无线通信模块、数据存储器等；中央处理器和存储器负责节点信息处理和数据存储管理；中央处理器输入数据的连接是：从配电线缆直接采集的电流、电压数据经数据变换和频谱分析后送入中央处理器；中央处理器通信传送数据的连接是：直接经数据驱动、调制或解调并耦合到配电线缆；中央处理器具有直接控制无功补偿、谐波滤波、环境监测和本地对用户无线通信的功能。

2.如权利要求1所述节点信息处理器，具有计算处理关联支路、节点配电信息的功能，其特征是：

①    全面采集所连接各支路的电压、电流、相位角数据，电压采集精度mV，量程达KV；电流采集精度mA，量程达KA；

②    在常规电流、电压、相位差、有功功率、无功功率、有功电度量、无功电度量统计之余，很注重对各支路漏电流、电压降的计算；

③    特别注重本级节点相对于所有出线连接的上、下级节点的数据分析：分析节点各支路电流和的平衡，发现不明耗电、分析用电合理性；分析本级节点相对于所有下级节点分别的电压降，计算线损、发现超降超损故障。

3.如权利要求1所述，节点信息处理器具有通信传送功能，其特征是：基于配网电缆与上、下级节点传送数据，将本级汇总的电气数据发送到上级节点处理器，同时接受上级有关控制指令和校时；也接收下级节点处理器上述汇总电气数据，还对下级节点管理器给出必要的控制指令和校时。

4.所述节点信息处理器对所连各支路同步采集数据，其特征是：按工频50HZ周期计数同步采集数据，同步点是工频周期的上升过零时刻；采集的数据与采集时的周期数编码进入同一链路数据帧。

5.所述节点信息处理器具有对采集数据压缩的功能，其特征是：节点对采集的各支路电流数据按8T一次进行256点频谱分析，获取基波及直到16的各次谐波数据，只对有影响的波次数据向上级传送，使通信数据量至少降低到1/16。

6.本发明的节点信息处理器具有管理直连用电设备用电品质的功能，其特征是：自动测算该设备的功率因数，在发现其功率因数偏低时，自动控制对该设备无功补偿，提高其用电品质，减少用电损耗；功率因数补偿范围达到至少0.96；无功补偿控制精度按15级。

7.本发明的节点信息处理器具有对采集电压数据谐波分析的功能，其特征是：自动测算直连用电设备谐波状况，控制滤除有影响的谐波，改善该谐波对配电网上其他设备用电品质的影响，使改善用电环保，实现配网安全绿色用电。

8.本发明的节点处理器具有本地无线通信功能，其特征是：利用无线模块将在线用电信息和异常报警信息发送至本地电力用户，让各级用户明白当前用电状态，即时发现漏电和不正常耗电，激发其采取节约用电措施；节点可同时接收由该无线用户设置有关用电参数。

9.如权利要求3所述，节点信息处理器具有基于就地配网电缆传送信息的功能，其特征是：使用单频窄带方式对数据调制与解调，单节点对多支路可控同时收发数据，节点处有效隔离多条支路数据同时收发使避免互相干扰。