CN104730385A - 基于北斗导航系统的电力采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航系统的电力采集系统，由通讯耦合的用户层和北斗通讯传输层组成，其中用户层设有用户公用能耗负载和与之连接的采集终端，北斗通讯传输层设有：定位设备，用于定位所述采集终端；用户指挥机，其具有与所述采集终端进行双向通讯的专用协议处理芯片；以及监控设备，连接所述用户指挥机进行电力采集数据监控，其中所述定位设备选用北斗卫星，通过北斗短报文通信方式与所述用户指挥机连接。

Description

基于北斗导航系统的电力采集系统

技术领域

本发明涉及电力系统电力采集技术，更特定言之，本发明实施例涉及一种基于北斗卫星导航技术实现的电力采集系统。

背景技术

随着近年来国家对用电信息采集系统的大力建设，无线GPRS通信网络在电力行业得到广泛应用。而在一些偏远山区，无线GPRS网络尚未覆盖，因此这些地区的用电数据目前还无法采集到计算机系统，因此需要做出改进。

发明内容

本发明的技术方案解决前述缺陷，设计一种基于北斗导航技术的电力信息采集系统，尤其是基于北斗卫星导航技术的电力信息采集系统，能够通过北斗导航系统技术对一定目标地理区域内的电力采集终端进行精确定位来实现电力信息的有效采集。

为了实现此目的，本发明技术方案的一方面为：基于北斗导航系统的电力采集系统，由通讯耦合的用户层和北斗通讯传输层组成，其中用户层设有用户公用能耗负载和与之连接的采集终端，北斗通讯传输层设有：定位设备，用于定位所述采集终端；用户指挥机，其具有与所述采集终端进行双向通讯的专用协议处理芯片；以及监控设备，连接所述用户指挥机进行电力采集数据监控，其中所述定位设备选用北斗卫星，通过北斗短报文通信方式与所述用户指挥机连接。作为对所述基于北斗导航技术的电力信息采集系统的改进，对每一采集终端，尤其是电力采集终端设计一种检测电路，能够对采集终端内的采集端的输出功率和采集效率进行有效控制和计算。在一方面，设置多个传感检测信号来判断采集端的采集效率，若这多个传感信号之间的关系满足或超出预设范围，则通过后级控制电路进行有效限制。在另一方面，对这些传感信号所在的电路给予多次增益信号，以激励这些电路按照(例如)时序或控制关系上的顺序对采集端的功率输出进行判断和控制。例如，在功率过大时进行限制以及在功率不足时根据限制所得的多余功率进行补偿，以确保采集端电路的功率输出稳定。

为了实现此改进目的，本发明技术方案的另一方面为：每一采集终端包括：采集端，用于连接外部电流模拟信号源以获取电流信号；检测电路，耦合于所述采集端并且接出至负载电路，用于根据控制信号输出一个调制电压，其中所述检测电路进一步设置有：第一传感电路，连接所述采集端且用于根据采集端输出的电流信号来获取一个第一控制电压信号；第二传感电路，连接所述采集端且用于根据采集端输出的电流信号来获取一个第二控制电压信号；以及功率控制电路，连接于所述第一、第二传感电路之间且用于将控制电压信号限定在一个预设值范围内。

进一步地，所述检测电路设计用以：获取和检测第一、第二控制电压信号；根据一个第一控制状态电压来控制所述采集端输出一个第一调整电压；又根据一个第二控制状态电压(或者暂态改变所述采集端的输出电压)来控制所述采集端输出一个第二调整电压。在另一个实施例中，所述检测电路设计用以：根据所述第一调整电压和第二调整电压来判断两者间的差值，以此来获得一个第三控制电压，此电压是根据所述采集端与负载电路之间的电压幅值比例来决定的。在一个实施例中，所述检测电路设计用以：根据第一、第二控制电压信号，利用所得到的第三控制电压来获得一个补偿电压。

根据前述实施例，在所述负载旁路上设置电容器，以使得在所述采集端在第一控制电压与第二控制电压状态下进行工作状态转换时作为一个低阻抗器件，且使得所述第一调整电压与第二调整电压之间的差值仅由采集端与负载电路之间的电气元件的阻抗来判定。

作为改进，进一步设置一个连接所述采集端与功率控制电路之间的切换开关，根据固态状态机的控制状态增益信号来周期性地对功率控制电路输出控制信号，其中所述切换开关通过引线接触至一个反馈运放，从而控制采集端的占空比以保持输入至反馈放大器中的输入电压恒定。

作为改进，所述功率控制电路进一步包括差分放大器，将所述采集端与负载电路回路上的电压放大，通过状态机输出第一控制状态增益，所述的差分放大器输出一个表示负载电路的第一调整电压。

作为改进，所述功率控制电路进一步包括减法器，接收第一、第二调整电压产生第三调整电压，以及第一、第二控制电压信号产生两者间之差值，将此差值与第三调整电压通过一个放大器产生所述的补偿电压。根据前述实施例，所述检测电路进一步包括一个次级检测电路，用以暂存第一控制电压值并控制所述采集端改变其输出电压以输出一个第二调整电压。或者，所述检测电路进一步包括一个比例调整电路，用于将所述的电压幅值比例调整成一个与负载电路的全压降成一定比例的电压值。在另一个较佳例子中，所述检测电路进一步包括一个硬件状态机，用于控制所述检测电路在第一与第二控制电压信号之间的工作状态的切换。

本发明实施例的技术效果是显而易见的，一方面，可通过定位设备基于北斗导航系统的精确定位技术将某些施工和维护较为困难，或通讯连接信号较弱的预选地理区域内的电力采集终端进行定位和有效的无线通讯连接，从而高效地读取这些采集终端的数据。另一方面，通过测试采集端与负载之间回路上的阻抗来测试两个电压值，计算出电压增益的幅值比例来进行补偿电压的反馈，经过精确计算的电压能够对这个原本的总负载电压进行完全补偿，以避免采集端中的损耗和电压波动，并通过功率控制电路来限定电压上限。同时，本发明电路可以作为一个芯片加以集成，其中的电路原理亦可通过芯片的内部布线来实现小型化，成本较低，因此值得推广。

附图说明

本发明详尽技术方案将通过参照附图的方式加以详尽描述，其中：

图1为本发明电力采集系统的主要结构功能原理框图；

图2为基于北斗导航的电力采集系统的主要结构功能原理图；

图3为本发明电力采集系统功率输出控制电路的主要功能结构电气图。

具体实施方式

参照图1，本发明电力采集系统的较佳实施例是用于自设置在不同的地理区域位置I、II内的采集终端600获取公用商品能耗信息，并将这些信息通过程式化表单或地图形式在一个监控设备603上加以可视化显示，其中所述地理区域位置包括已知地理区域801和未知地理区域802，其中包括：应用数据设备601，接收来自所述已知地理区域801内的采集终端600的公用商品能耗信息；定位设备602，根据应用数据设备601获取的公用商品能耗信息来确定在未知地理区域802内的采集终端以对其加以定位，其中所述定位设备602根据应用数据设备601的一个最大信号值来确定与所述应用数据设备601最接近的采集终端的定位信息，并反馈给应用数据设备601；监控设备603，连接于所述定位设备602并将所述公用商品能耗信息与各自相应的采集终端之间建立关联。所述关联是将公用商品能耗信息与采集终端的(例如)设备代码进行对应，从而将所述采集终端的地理位置信息和设备终端进一步建立对应关系，因此可以根据对采集终端的定位信息作为对其能耗数据进行获取的依据。

在一个实施例中，所述应用数据设备601是一个可移动设备，例如手持PDA或移动电话机，电力系统运维人员可以携带设备601沿着预定轨迹W向A方向跨过已知地理位置区域801，从而根据无线方式，例如GPRS或ZIGBEE读取与之邻近的可读范围内的采集终端600的能耗采集数据。而对于某些不确定区域内的采集终端600，由于某些实际原因，例如地理位置行驶上的障碍或未列入电力管理部门中的有效用户列表内的用能单元，可通过已知区域801内的采集终端600向未知区域802内的采集设备发送读取请求信号，若接收到反馈信号，则告知便携式数据设备601，从而便于进一步直接通过设备601与之通信。在另一个实施例中，监控设备603进一步包括输出界面，用于根据所述关联进行可视化显示，其中所述未知地理区域802内的关联是根据与这个最大信号值最接近的已知地理区域801内的关联加以判断。

进一步参照图1，电力采集系统进一步包括发电装置604，通过所述地理区域位置801、802内的电网电力线PL获取工作电力，并通过逆变器605向所述的公用商品馈送电能；连接所述发电装置604的公用商品储能装置606，用于收集公用商品，其中所述采集终端600分别连接所述逆变器605和公用商品储能装置606。在所述公用商品储能装置606与采集终端600之间设置电能分配装置607，包括主断路器617，连接所述公用商品储能装置606并控制公用商品的供给；表箱627，用于装设和封围多个采集终端600，其中这些采集终端受控于所述主断路器617；采集器637，连接所述的多个采集终端600以读取公用商品能耗信息，其中每一采集终端600连接一路发电装置604。在一个实施例中，采集器637进一步连接至前述监控设备603以发送系统的总用能数据信息，采集器637与监控设备603，以及与采集终端600之间可通过无线M-BUS方式连接。

在一个实施例中，所述发电装置604为光伏电池板，通过获取光能(例如太阳能)转换为电能对电网内用户用能设备进行供电。在一个较佳例子中，所述采集器637为电表,通过所述电表采集其他类型公用商品能耗信息，将所采集到的其他类型公用商品能耗信息集成至此电表所采集的电力能耗信息中加以发送，其中通过公用商品储能装置向采集其他类型公用商品能耗信息的采集终端提供工作电力。所述公用商品包括电能、水能、热能或天然气中的一个或组合，即采集终端600相应地可以是电表、水表、热表或气表中的一种或其等组合。

实施例1：参照图2，基于北斗导航系统的电力采集系统是由通讯耦合的用户层100和北斗通讯传输层200组成，其中用户层100设有用户公用能耗负载3和与之连接的采集终端600，北斗通讯传输层200设有：定位设备602，用于定位所述采集终端600；用户指挥机608，其具有与所述采集终端600进行双向通讯的专用协议处理芯片；以及监控设备603，连接所述用户指挥机608进行电力采集数据监控，其中所述定位设备602选用北斗卫星，通过北斗短报文通信方式与所述用户指挥机608连接。

参照图3，作为实施例1的改进，采集终端600包括采集端2，用于连接外部电流模拟信号源以获取电流信号；检测电路1，耦合于所述采集端2且接出至负载电路3，用于根据控制信号输出一个调制电压，其中，检测电路1进一步设置有：第一传感电路，连接所述采集端2且用于根据采集端2输出的电流信号I来获取一个第一控制电压信号V₁；第二传感电路，连接所述采集端且用于根据采集端2输出的电流信号I来获取一个第二控制电压信号V₂，在本发明一般方面，第一、第二控制电压信号V₁、V₂可以选择为自电网电力线AC电压/电流采集的交流电信号；功率控制电路，连接于所述第一、第二传感电路之间且用于将控制电压信号限定在一个预设值范围内。

在一个实施例中，所述检测电路设计用以：获取和检测第一、第二控制电压或阻抗信号(例如通过检测负载3回路上的阻抗损耗R_SENSE或R_LINE来检测控制电压信号)；根据一个第一控制状态增益GAIN1来控制所述采集端2输出一个第一调整电压V_OUT1；又根据一个第二控制状态增益GAIN2(或者暂态改变所述采集端的输出电压)来控制所述采集端2输出一个第二调整电压V_OUT2；根据所述第一调整电压V_OUT1和第二调整电压V_OUT2来判断两者间的差值，以此来获得一个第三控制电压V_DROP，此电压是根据所述采集端2与负载电路3之间的电压幅值比例(例如10％的增益比例，可以预设)来决定的；以及根据第一控制电压信号V1，利用所得到的第三控制电压V_DROP来获得一个补偿电压。根据此压降幅值，可以进一步判断从采集端1输出至负载3的功率是否发生变化，例如增大或减小情形的产生。

作为在此基础上进一步改进，所述检测电路1进一步包括一个功率控制电路(如图中的采样保持电路50、52、82、92、93)，用以暂存第一控制电压值V₁、第二控制电压值V₂并控制所述采集端2改变其输出电压以输出第一、第二调整电压V_OUT1、V_OUT2。

根据前述实施例，所述检测电路1进一步包括一个比例调整电路，用于将所述的电压幅值比例调整成一个与负载电路3的全压降成一定比例的电压值。

较佳地，检测电路1进一步包括一个硬件状态机4，用于产生增益来控制所述检测电路1在第一与第二控制电压信号之间的工作状态的切换。

以图3的电路为例来描述实施例1的技术意图。首先设定切换开关S1，这样就可以实现在第一、第二传感电路之间的切换，在本发明中，第一、第二传感电路并没有具体的标记或数字字母代号，而是通过若干个元器件、芯片或交替组合使用的方式实现了输出不同电压/电流，而在本发明中，将具体描述如下：使用一个切换开关S1，根据状态机4(例如一个DSP单片机设备)的激励增益信号来周期性地对功率控制电路输出控制信号，例如使用功率调制信号(PWM)波形，在T₁时间周期内，连接在一个正常采集状态，此刻采集端2的采集电流和电压逐渐升高至稳态，以提供一个电压V₁给负载3(即提供一个完全的负载电流给负载3)，图3中的实施例提供一个反馈回路，在此状态下，采集端2采用这个输出回路中的实际恒定输出电压产生一个反馈电压来实现调整。此时开关S1通过引线22接触至反馈运放46，从而控制采集端2的占空比以保持输入至反馈放大器46中的输入电压恒定。例如，可在引线22上接出一个电容器(未绘示出)以及接地端导引线来作为基准源。

在T₁这个正常状态下，差分放大器80将采集端2与负载3回路上的电压加以放大，为了采集这个电压，使用一个低值电阻器R_SENSE，通过状态机4输出一个增益激励源GAIN1，放大器80输出一个表示负载3的电压V_OUT1。

在回路14、15上的电流I_LOAD达到稳态电流I₁后，状态机4控制采样保持电路82来存储这个V_OUT1的数值(例如通过寄存器)。因此可以得知，V_OUT1＝GAIN1·I₁·R_SENSE。同样地，当回路14、15上的电压达到稳态电压V₁后，状态机4控制另一个采样保持电路50来存储这个电压V₁，此时可以判断出V₁＝V_LOAD+(I₁·R_LINE)，其中V_LOAD为负载3两端的电压，而R_LINE为引线14、15上的总电阻值。

当以上情况都满足以后，状态机4初始化电路，将投切开关S1接触至差分放大器88，且状态机4输出一个更大的激励源GAIN2给差分放大器80，使得放大器80产生一个输出电压V_OUT2，从而这个反馈回路控制采集端2以使得差分放大器88端输入的电压不变，即V_OUT1＝V_OUT2。在I_LOAD降低至一个等于I₁·(GAIN1/GAIN2)的值时，方能够实现不变。此输出电流的降低导致输出电压V2的降低，从而V₂＝V_LOAD+(I₂·R_LINE)＝V_LOAD+I₁·(GAIN1/GAIN2)·R_LINE。当输出电压V₂达到稳态电压时，输出电压V₂存储于采样保持电路52中，此时采集端不输出一个调整电压，而输出一个偏置电压。

通过减法器68(例如比较电路)产生V_OUT1-V_OUT2，并通过减法器69产生V₁-V₂，将此电压传输给采样保持电路92、93加以暂存。这个V_OUT1-V_OUT2作为一个小幅电压差(按照前述，本发明的技术方案的一部分组成是通过将这个由于回路14、15上的小幅电流变化而产生的小幅电压差对采集电路加以补偿以实现采集端的输出稳定)，从而采样保持电路92可产生一个激励源GAIN3，它满足V_DROP/(V_OUT1-V_OUT2)＝GAIN2/(GAIN2-GAIN1)(即前述中的调整比例)，用以完全补偿回路14、15上的实际电压。

负载回路上的电压V_DROP与V₁-V₂通过放大器75后产生一个补偿基准源V_REF2，这个补偿基准源与采集端2的输出电压随后输出给反馈运放46。此刻，状态机4又控制投切开关S1连接运放46的输出端，采集端2处于工作状态以保证输出电压符合V_REF2，以补偿引线14、15上的总电压。

如图3所示的，在负载3的两端增加电容器42，以保障负载3上的负载电流呈现平滑的坡度变化。根据前述实施例，在所述负载旁路上设置电容器42，以使得在所述采集端2在第一控制电压V₁与第二控制电压V₂状态下进行工作状态转换时作为一个低阻抗器件，且使得所述第一调整电压V_OUT1与第二调整电压V_OUT2之间的差值仅由采集端2与负载电路3之间的电气元件的阻抗R_LINE或R_LOAD来判定。

采集端2可特定地包括设置于线路两极间的功率控制电路，较佳为一个双向晶体管，或者可控硅等光电器件，以限定采集端2的输入电压不高于0.7V。

本发明的具体保护范围是通过所附权利要求加以限定的，应当了解，在前述实施例的基础上应该有很多的变化方式，皆应涵盖于此限定范围内。

Claims (9)

1.基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：由通讯耦合的用户层和北斗通讯传输层组成，其中用户层设有用户公用能耗负载和与之连接的采集终端，北斗通讯传输层设有：定位设备，用于定位所述采集终端；用户指挥机，其具有与所述采集终端进行双向通讯的专用协议处理芯片；以及监控设备，连接所述用户指挥机进行电力采集数据监控，其中所述定位设备选用北斗卫星，通过北斗短报文通信方式与所述用户指挥机连接。

2.根据权利要求1所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于每一采集终端包括：采集端，用于连接外部电流模拟信号源以获取电流信号；检测电路，耦合于所述采集端并且接出至负载电路，用于根据控制信号输出一个调制电压，其中所述检测电路进一步设置有：

第一传感电路，连接所述采集端且用于根据采集端输出的电流信号来获取一个第一电压信号；第二传感电路，连接所述采集端且用于根据采集端输出的电流信号来获取一个第二电压信号；以及功率控制电路，连接于所述第一、第二传感电路之间且用于将电压信号限定在一个预设值范围内。

3.根据权利要求2所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于所述检测电路被配置用以：获取和检测第一、第二电压信号；根据一个第一控制状态增益来控制所述采集端输出一个第一调整电压；又根据一个第二控制状态增益或者暂态改变所述采集端的输出电压来控制所述采集端输出一个第二调整电压；根据所述第一调整电压和第二调整电压来判断两者间的差值，以此获得一个第三电压，其中此第三电压是根据所述采集端与负载电路之间的电压幅值比例来决定的；以及根据第一、第二电压信号，利用所得到的第三电压来获得一个补偿电压。

4.根据权利要求3所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：在所述负载电路设置旁路电容器，以使得在所述采集端在此第一电压与第二电压状态下进行工作状态转换时作为一个低阻抗器件，且使得所述第一调整电压与第二调整电压之间的差值仅由采集端与负载电路之间的电气元件的阻抗来判定。

5.根据权利要求3所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：所述检测电路进一步包括一个比例调整电路，用于将所述的电压幅值比例调整成一个与负载电路的全压降成一定比例的电压值。

6.根据权利要求2所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：所述检测电路进一步包括一个固态状态机，用于产生增益以控制所述检测电路在第一与第二电压信号之间的工作状态的切换。

7.根据权利要求6所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：进一步设置一个连接所述采集端与功率控制电路之间的切换开关，根据固态状态机的控制状态增益信号来周期性地对功率控制电路输出控制信号，其中所述切换开关通过引线接触至一个反馈运放，从而控制采集端的占空比以保持输入至反馈放大器中的输入电压恒定。

8.根据权利要求3所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：所述功率控制电路进一步包括差分放大器，将所述采集端与负载电路回路上的电压放大，通过状态机输出第一控制状态增益，所述的差分放大器输出一个表示负载电路的第一调整电压。

9.根据权利要求3所述的基于北斗导航系统的电力采集系统，其特征在于：所述功率控制电路进一步包括减法器，接收第一、第二调整电压产生第三调整电压，以及第一、第二电压信号产生两者间之差值，将此差值与第三调整电压通过一个放大器产生所述的补偿电压。