CN104460459A - 一种智能农排表 - Google Patents

Abstract

一种智能农排表，涉及自动化控制领域，特别涉及农业灌溉中电力抄表及自动化控制装置，用于电力部门的用电信息采集与管理。结构中包括CPU，与CPU连接的数据采集单元、远程通信单元、显示单元、存储单元、磁场检测单元、费控单元、电池，所述远程通信单元中设置移动公网通信模块或电力载波通信模块，所述磁场检测单元设置三个，结构中还包括继电器检测单元。采用此方案，可以解决边远地区农排表的通信问题、窃电问题及电机的保护和电池的优化使用。

Description

一种智能农排表

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及农业灌溉中电力抄表及自动化控制装置。 

背景技术

农业灌溉现场机井的位置比较分散且大多数机井所处位置交通不便利，同时农业排灌设备通常在环境复杂的地区安装与使用，这给电力部门的用电信息采集与管理带来很大的困难。目前，主要存在以下问题： 

1、通信问题。随着移动通信网络的发展，使用移动公网进行信息传递的手段已经被广泛使用。农业灌溉的现场机井位置有些处于边远地区，公网覆盖不到，因此采用该手段不能解决所有现场机井的通信问题，抄表只能采用人工手持采集设备到现场逐个采集数据，再集中录入的方式，人工采集随着用户数量迅速地增加而面临诸多困难，增加大量的人工成本和管理成本，不能满足国家电网公司对于用电信息采集系统提出的“全覆盖、全采集、全预付费”的建设目标。同时混乱的现场用电情况及相应的线损分析耗费人力物力巨大，并且实时性严重滞后、准确性严重不足。并且，即使公网可以覆盖的地区，使用公网必然会涉及到通信费用问题。

使用电力线的载波通信也是目前广泛采用的技术手段。农排用电线路用电负载多为三相三线式平衡负载电动机，为降低成本和减少施工难度，在边远地区，大多数供电为3*380V三相三线制，三相三线中没有N线，普通的载波通信无法进行过零检测，不能实现载波通信。

2、窃电问题。社会上窃电问题变得越来越突出，据保守估算，全国每年因电能被盗损失达200亿元，这不单困扰供电企业的发展，也严重影响了国家的经济建设和社会的稳定。目前，电能表一般安装在专用计量箱内，采用电缆经管道进、出线方式，计量箱用加锁。近来出现一种用强磁铁吸附在计量箱上靠近电能表的位置进行窃电的现象，方法隐蔽，易于撤除，且有蔓延趋势。其原理是：电表内部的负荷开关采用磁保持继电器，由于磁保持继电器为磁场敏感器件，通过外加磁场，来改变继电器的开合状态，可影响继电器的开合动作，达到窃电的目的。另外，电能表供电多为工频变压器，强磁场可以降低工频变压器的效率，使电能表功耗变大，变压器无法提供足够的电压供电能表工作，造成电能表无法启动，不能计量。

目前，防强磁窃电的手段主要包括：

采用屏蔽方式：在电表外部加装金属屏蔽壳，以及在计量箱内部将电能表抬高，使电能表距计量箱各方向都有一段距离。采用该方式，可承受300mT的恒定磁场攻击，保证状态不受影响。如果持续加大磁场强度，超过上限值后，屏蔽壳作用失效。

采用主动断电方式：加装磁性触点开关，当感应到强磁时，切断供电回路。该技术在中国专利《CN 103149429 A》、《CN 203385773 U》均有描述。

采用继电器状态检测方式：现有的继电器检测方式一般为：继电器通过内部的同步机构，输出开关状态节点，连接到处理器端口进行检测。这种检测方式，检测的并不是真实的电路通断状态，如果继电器同步机构出现问题，将无法正确检测继电器状态。

上述保护方式功能单一、效果有限，可靠性较差，不能及时发现窃电行为，不能满足防窃电的要求。

3、电能表电源故障检测问题。电能表供电多为工频变压器，强磁场可以降低工频变压器的效率，使电能表功耗变大，变压器无法提供足够的电压供电能表工作，造成电能表无法启动，不能计量。如果电能表不能及时检测到此类故障，将会造成巨大的电费损失。现有的电能表电源故障检测方式一般为：系统掉电后，通过备用电池给系统供电，处理器打开计量芯片开关，初始化计量芯片，从存储器中读取计量参数并下发到计量芯片中，等计量芯片正常运行后，再读取计量芯片内的交流电压值，来判断外部供电是否正常。此过程需要计量芯片和存储器上电工作，功耗较大且需要时间较长，对电池电量带来很大消耗。

4、电池钝化问题。电能表时钟电池采用锂亚电池，锂亚电池虽然容量大，但使用时存在钝化问题。电池钝化后短时间无法输出足够的电压，造成电能表工作不正常，尤其会造成电能表时钟失准，严重影响电能表的功能。

现有电池防钝化的技术主要有以下几种：

一、  电能储能法：

将电池与超级电容并联，在静置阶段电池对超级电容缓慢充电，待需要大电流脉冲时直接由超级电容供电。这个方法的弊端主要是成本和自放电的问题，超级电容的价格接近甚至超过电池本身的价格，大大提高了成本，另外超级电容存在较大的漏电流，增加了自放电率，电池的使用寿命减短。不能满足电能表寿命10年，电池供电5年的要求。

二、  平衡电流法

让电池始终保持一个较为合理的放电电流，这个电流的大小刚好能够及时均匀的消除生产的钝化层。电池钝化速度受温度的影响，电能表的运行温度范围为-40到70度，采用固定的平衡电流无法根据现场的温度进行调节，若电流过小不足以消除钝化，若电流过大会减小电池寿命。

三、  定时激活法

定时将电池进行一次较大电池的脉冲放电，将刚刚生成的钝化膜击穿。由于无法确定电池钝化的程度，同样存在激活不足或激活过量的问题。

当前技术虽然在一定程度上都可以起到防止电池钝化的作用，但对于电能表来说，寿命时间长，温度范围大，且在室外运行，以上特点决定了电能表不适合采用上述开环方式来防止电池钝化。

5、电机的保护问题。在边远地区，大多数供电为3*380V三相三线制，如果继电器因为本身故障或其他的原因造成继电器的三相开关状态不一致，会造成缺相故障。农业排灌用电最主要的设备为三相电动机，缺相故障将会对农排用电设备造成严重影响，甚至直接烧毁电动机。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种智能农排表以解决现有技术的上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种智能农排表，结构中包括CPU，与CPU连接的数据采集单元、远程通信单元、显示单元、存储单元、磁场检测单元、电池，关键在于：所述远程通信单元中设置移动公网通信模块或电力载波通信模块，所述磁场检测单元设置三组，结构中还包括继电器检测单元。

优选方案：所述的电力载波通信模块在强电接口处，将B相接至N相接线柱，原B相接线柱悬空。

优选方案：所述的继电器检测单元设置三组，分别连接ABC三相；继电器检测单元包括分压电路，控制开关电路，强弱电隔离电路，上拉电阻和脉冲检测电路。

进一步地，还包括电池防钝化单元。

采用本申请提出的技术方案：

1、可以根据现场情况使用公网通信模块或电力载波通信模块进行与远端的通信，解决了远程通信及通信手段单一的问题，特别是采用基于三相三线的电力载波通信方式，克服了边远地区现场条件恶劣，无法进行通信的问题。

2、通过检测三相线路上继电器的实际开关状态，可以在发生窃电时及时发现并上报，减少损失，同时也可以据此判断电源故障，保证电表正常运行。

3、通过电池防钝化单元，可以准确检测电池钝化程度，并根据钝化程度采取不用的放电方式，及时消除电池钝化膜，有效地防止了在消除钝化的过程中电池放电不足或放电过量的情况。

4、农排表继电器检测电路还可对各相电压进行监测，如检测到供电线路出现缺相故障，继电器断开保护电机。农排表通过计量芯片，实时检测电压电流功率功率因数等参数，当电压不平衡、电流不平衡、功率超限、功率因数激增等情况时，及时断开继电器，保护用户电机，并向主站进行报警，主站向农排用户发送通知，排除故障后方可正常运行，保护农排用户的固定资产免受损失。 

附图说明

图1是农排表工作原理及组成示意图，

图2是继电器检测单元功能框图，

图3是继电器检测单元原理图，

图4是电池防钝化单元功能框图，

图5是电池防钝化单元原理图，

图6磁场检测单元在农排表中的安装位置示意图，

图7是磁场检测单元的电压选择电路原理图，

图8是线性霍尔传感器安装布局示意图。

图7中，1是农排表，2是磁场检测单元安装位置示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参看图1，一种智能农排表结构中包括CPU，与CPU连接的数据采集单元、远程通信单元、显示单元、存储单元、磁场检测单元、费控单元、电池防钝化单元、电池、继电器检测单元以及电源及管理模块等。

农业排灌表的现场应用环境复杂，电力载波通信模块受距离及高频干扰影响，无线公网模块受基站信号强弱影响。本发明中，远程通信单元中设置移动公网通信模块或电力载波通信模块，实际应用中，工作人员根据现场情况选择更适合的通信方式。

传统的载波通信模块都是在三相四线制的基础上应用，对应有四个接线柱，分别接A相、B相、C相和N相。农排用电线路用电负载多为三相三线式平衡负载电动机，为降低成本和减少施工难度，大多数供电为3*380V三相三线制，三相三线中没有N线，普通的载波通信方式无法进行过零检测，不能进行载波通信。

本发明针对载波通信的过零检测电路设计了三相三线的收发电路，可在没有零线的线路中实现载波通信。以B相为参考，A、C相的波形频率仍为50Hz，在载波模块的强电接口处，将B相接至N相的位置，原B相位置悬空，用AB间和CB间的波形变化来进行过零检测，实现三相三线电力线载波的通信。本实施例中，采用鼎信载波模块。

参看图2，继电器检测单元包括分压电路，控制开关电路，强弱电隔离电路，上拉电阻和脉冲检测电路。该单元设置三个，分别连接ABC三相的继电器。

参看图2和图3，CPU与每个继电器检测单元通过两个控制信号连接：CTRL和TEST。电路输入为交流电压，电路工作时，CPU通过CTRL端口，打开电路，经电阻分压后，电压降至光耦和二极管工作电压范围内，使光耦周期性导通，光耦导通时，TEST端口为低电平；光耦截止时，TEST端口被电阻上拉为高电平，所以CPU在TEST端口可检测到脉冲信号，若交流输入端无电压信号，则TEST端口为持续高电平。

通过一个检测电路，同时实现了继电器状态检测和电源故障检测功能，并提高了检测的速度和准确性。

继电器状态检测原理：CTRL端输出高电平，继电器闭合时，光耦周期性导通，TEST端输出脉冲信号到CPU，频率为50Hz；继电器断开时，光耦不导通，TEST端为持续高电平。CPU通过检测TEST端的电平状态可判断继电器的通断状态。电路中使用晶闸管来控制初级电路的通断，只在检测时打开晶闸管，降低了电路的功耗。电能表通过电压检测电路，实时检测继电器的开合状态，当发现继电器实际状态与命令状态不一致，电能表重新发送命令，若三次以后状态仍然不一致，则判断发生继电器误动作，电表记录事件，并通过通信模块传输到后台主站。

通过继电器检测单元还可以检测电源故障：电能表发生掉电后，电表运行在低功耗状态下，通过备用电池，打开电源检测电路，CTRL端输出高电平，CPU检测TEST端电平的状态，判断供电端是否有电压，若供电端有电压，但电能表无法正常启动，则判断发生电源故障，电表记录事件，并通信模块通过后备电池将事件传输到后台主站，提醒后台工作人员及时处理。在继电器断开的状态下，由于农排表无法输出电压，即使发生强磁干扰电表电源事件，也不会造成窃电的后果。

农排表为户外安装产品，农排灌用电环境复杂，窃电现象时有发生，此电路可以有效地监测用电现场对农排表继电器和电源的攻击，快速准确地检测故障，并实时上报给用电管理部门，方便管理人员及时处理，规范了农业排灌用电秩序。

参看图4和图5，电池防钝化单元包括连接电池的等效负载电阻和连接到CPU的检测开关组成的电池钝化检测电路、连接电池的脉冲放电电阻和连接到CPU的脉冲放电开关组成的脉冲放电电路以及连接电池的两个电阻串联组成微电流平衡电路。

电池钝化检测电路包括由电阻R3和R4组成的等效负载电阻和检测开关K1，R3、R4、K1之间串联，K1连接到CPU，R3连接到电池， CPU的A/D检测端连接在两个电阻R3、R4之间；

农排表一般安装使用的环境比较恶劣，高温高湿都可以加快电池的钝化速度。当电池严重钝化时，常规的电池放电已经不足以击穿钝化膜，因此需要对电池进行大电流放电。为达到此目的，采用脉冲放电电路，该电路产生电池可耐受的大电流，通过精确控制放电时间，达到击穿钝化膜的目的。

脉冲放电电路中，脉冲放电电阻R5连接电池,并与脉冲放电开关K2连接，K2连接到CPU；

微电流平衡电路由连接电池的电阻R1和R2串联组成，为达到微电流放电目的，R1和R2采用大阻值，

各电路工作过程如下：

电池钝化检测电路：在外部电源工作时，K1关闭，A/D检测电压为电池开路电压，开路电压不受钝化影响，如果开路电压不足3.0V，说明电池已欠压，电表记录电池欠压事件。如果开路电压在3.0V以上，处理器每小时打开K1开关，打开时间至少为1000ms，通过等效电阻对电池放电，此时A/D转换通道检测到的电压为电池带载时的电压，如果带载电压在3.0V以上，则关闭K1，等待下一个小时检测；如果电压大于2.8V且小于3.0V，则保持K1打开，对电池进行放电，保持10秒钟，并连续读取A/D检测电压，如果电压不变或者变小，则关闭K1。如果电压上升，则判断电池发生钝化，保持K1为打开状态，直到电池电压不再上升，钝化消除，关闭K1。

脉冲放电电路：当检测到电池有可能处于深度钝化时(电池带载电压小于2.8V)，打开K2开关，通过R5对电池进行脉冲放电，放电电流约为50mA,每秒钟放电一次，每次持续100ms，并检测电池电压，直到电压不再上升，关闭K1、K2。如果电池电压没有上升，说明电池没有钝化，电池电量已经不足，此时，关闭K1、K2，并记录电池欠压时间。

微电流平衡电路中R1、R2采用大阻值电阻，在电能表不需要电池供电时，使电池保持1uA左右的放电电流，既不会影响电池的使用寿命，又可以让电池在常温下不产生钝化膜，减小了钝化检测电路和脉冲放电电路开启的次数，减小了电池放电的次数。

采用电池钝化检测电路，根据钝化程度采取不用的放电方式，及时消除电池钝化膜，有效地防止了在消除钝化的过程中电池放电不足或放电过量的情况。

现场安装的电能表易受磁场干扰的方向为左右两侧和正面上侧，下侧为电线接线位置无法用强磁靠近，参看图6，新型智能农排表1中设置三组磁场检测单元，分别安装在农排表1内部正面的左右两侧和上侧，如2所指示。每组磁场检测单元使用三个线性霍尔器件，三个线性霍尔器件的表面相互垂直，可检测X、Y、Z三个轴向的磁场强度，其在电路板上的设置如图8所示，三组检测单元的检测范围可覆盖整个电能表可能受到的磁场干扰范围。

磁场传感器为线性霍尔器件，场强为矢量，单颗霍尔器件只能采集一个轴向的信号，每组磁场检测单元采用三颗分立线性霍尔传感器组成三轴磁传感器。线性霍尔传感器输出为模拟量，需要通过AD转换来获得磁场的强度。如果为每个传感器分配一个AD通道，每只电能表使用3个检测单元，需要9个AD转换通道，占用巨大的系统资源。本发明设计了电压选择电路，每个检测单元只需要一个通道，即可检测到传感器所处位置的磁场强度。

参看图7，电压选择电路包括比较放大器、异或门电路和模拟开关，CPU的I/O端口作为电平控制，连接异或门的输入端，异或门电路的输出控制模拟开关。

电路工作时，X轴传感器信号与Y轴传感器信号进行比较放大，输出的信号与处理器的电平控制信号做异或运算，运算结果控制模拟开关的输出，电平控制信号为高时，电路选出XY轴信号中电压较高的一个并与Z轴信号做比较，就可以选出3个方向上电压最高的信号；电平控制信号为低时，可以选出3个方向上电压最低的信号。霍尔器件供电电压为5V，在无磁场环境下，输出电压为2.5V,当检测到N\S极磁场分别靠近时，电压分别向0V和5V变化，处理器分时改变电平控制端口，即可选出最强的磁场信号。

将选出的信号进行滤波后，进入处理器AD转换电路，可计算出场强的大小，并可确定是哪一个单元产生的磁场干扰。

农排灌用电环境复杂，窃电现象时有发生。此电路可以根据现场实际安装环境，设置检测阈值，CPU根据检测结果，将A/D转换后的值与检测阈值比较，超出阈值范围，即产生了大于某一强度的磁场。通过更改阈值，就可以改变磁场报警的强度。将检测到的数据进行存储并向后台上报，方便用电管理单位及时处理，规范了农业排灌用电秩序。

本发明在石家庄、秦皇岛等地区安装运行，实现了自动远抄功能，预购电功能，极大地提高了电力局工作效率，实现了线损的实时监控监测功能，具有完善的功能和良好的性能，得到了用户的一致好评。 

Claims (9)

1.一种智能农排表，结构中包括CPU、与CPU连接的数据采集单元、远程通信单元、显示单元、存储单元、磁场检测单元、费控单元、电池，其特征在于：所述远程通信单元中设置移动公网通信模块或电力载波通信模块，所述磁场检测单元设置三个，结构中还包括继电器检测单元。

2.根据权利要求1所述的一种智能农排表，其特征在于：所述的电力载波通信模块在强电接口处，将B相接至N相接线柱，原B相接线柱悬空。

3.根据权利要求1所述的一种智能农排表，其特征在于：所述的继电器检测单元设置三个，分别连接ABC三相的继电器；继电器检测单元包括分压电路，控制开关电路，强弱电隔离电路，上拉电阻和脉冲检测电路。

4.根据权利要求3所述的一种智能农排表，其特征在于：CPU连接控制开关电路，脉冲检测电路的输出连接CPU。

5.根据权利要求1所述的一种智能农排表，其特征在于：所述的三组磁场检测单元安装在农排表内部正面的左右两侧和上侧；每组磁场检测单元采用三颗分立线性霍尔传感器，三个线性霍尔器件的表面相互垂直，组成三轴磁传感器。

6.根据权利要求5所述的一种智能农排表，其特征在于：三颗分立线性霍尔传感器的输出，经电压选择电路，将其中最大或最小的电压值送给CPU的A/D检测端口；电压选择电路包括两个比较放大器、两个异或门电路、两个模拟开关；

第一个比较放大器的输入端连接两个线性霍尔传感器的输出，第一个异或门电路的输入端连接第一个比较放大器的输出和CPU的I/O端口，第一个模拟开关的输入端连接两个线性霍尔传感器的输出，第一个模拟开关的控制端连接第一个异或门电路的输出；

第二个比较放大器的输入端连接第三个线性霍尔传感器的输出和第一个模拟开关的输出，第二个异或门电路的输入端连接第二个比较放大器的输出和CPU的I/O端口，第二个模拟开关的输入端连接第三个线性霍尔传感器的输出和第一个模拟开关的输出，第二个模拟开关的控制端连接第二个异或门电路的输出；

第二个模拟开关的输出连接CPU的A/D检测端口。

7.根据权利要求1所述的一种智能农排表，其特征在于：结构中还包括电池防钝化单元，电池防钝化单元包括连接电池的等效负载电阻（R3，R4）和连接到CPU的检测开关（K1）组成的电池钝化检测电路、连接电池的脉冲放电电阻（R5）和连接到CPU的脉冲放电开关（K2）组成的脉冲放电电路以及连接电池的两个电阻（R1,R2）串联组成微电流平衡电路。

8.根据权利要求7所述的一种智能农排表，其特征在于：CPU每小时通过电池防钝化单元对电池进行检测和放电，包括以下步骤：

A、检测电池的开路电压，如果开路电压不足3.0V，记录电池欠压事件，等待下一次检测；如果开路电压大于3.0V，打开检测开关（K1）；

B、检测带载电压，

B1、如果带载电压在3.0V以上，则关闭检测开关（K1），等待下一次检测；

B2、如果带载电压大于2.8V且小于3.0V，则保持检测开关（K1）打开，对电池进行放电，保持10秒钟，并连续检测电压，如果电压不变或者变小，则关闭检测开关（K1），等待下一次检测；如果电压上升，保持检测开关（K1）为打开状态，直到电池电压不再上升，关闭检测开关（K1），等待下一次检测；

B3、如果带载电压小于2.8V，每秒打开脉冲放电开关（K2）一次，每次持续100ms，并检测电池电压，直到电压不再上升，关闭检测开关（K1）、脉冲放电开关（K2），等待下一次检测；如果电池电压没有上升，关闭检测开关（K1）、脉冲放电开关（K2），并记录电池欠压事件，等待下一次检测。

9.根据权利要求8所述的一种智能农排表，其特征在于：在步骤A中，检测开关（K1）打开的时间至少为1000ms。