CN107064722B - 低压用户串户及共零检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压用户串户及共零检测装置，包括有超低频信号发射机和接收机两部分，本发明通过采用发射机给供电线路加载超低频信号于供电线缆中，使用无线接收机在线缆沿途和线缆入户处，接收到发射机发送的经过编码的信号，由接收机解调出有效信号。完成确定发射机与接收机一一对应的线缆关系，从而达到快速准确判定串户与共零现象是否存在，和发生串户的具体位置。

Description

低压用户串户及共零检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，特别是一种低压用户串户及共零检测装置。

背景技术

近年来，为履行对社会服务承诺，构建高质量的供电网络，供电部门对低压部分的接户线、表箱、表计、低压线路等低压系统的改造工作不断深入开展，改造的数量相当庞大，在改造工作任务进行管理过程中，发现了一些涉及工程质量及工程安全生产的问题，如：

1.1用户表计“串户”，引起计量出错，用户投诉，引发社会矛盾；

1.2老旧小区因原零线共用无法排查，致使无法按智能表箱配置进行两相接入，而还是单相火线接入，引起供电稳定及现场操作安全问题，年度内也曾发生一起因小区零线共用回电而引起的操作人员触电的案例，此类隐患引起的供电风险和操作风险极大，必须消除。

如何对老旧小区的“共零”或“串户”排查？传统的解决方法是，拆除智能表箱内所有用户空开下端出线，然后再去各家各户家中解除上端进线空开，在然后用万用表、试验灯泡或低压线路载波分析方式再来一一对应。这种方法能直接测试出导线首末关系，但因现实生活中，供电部门想随时进入各家各户且要各家各户留在家中配合施工或检测，几乎是不可能的，而且这种方法效率低下，需花费大量时间去进行户表对应。故传统方法理论上行得通，但现实生产中却做不到。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种一种基于无线发送接收，不用入户就能准确定位表计“串户”或户表对应关系的低压用户串户及共零检测装置。

一种低压用户串户及共零检测装置，包括有超低频信号发射机和接收机两部分，所述的超低频信号发射机包括有人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器、输出保护电路、电源和天线，电源给人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器及输出保护电路供电，人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器、输出保护电路及天线依次连接，用户通过人机接口设置分频控制，微控制器通过预先编制好的协议，从人机接口接收到设定值，然后把数据编好码，送到乘法器的一个输入端，与载波信号相乘，再控制功放的输出；

所述的接收机包括有天线、前置放大器、带通滤波器、超低频放大器、解码器、显示器及电源，天线接收发射机发送的信号，信号经前置放大放大，带通滤波器将输入音频信号中的设定超低频载波信号滤波出来，超低频放大器。将带通滤波器输出信号进行放大到CPU的AD能采样的信号，微控制器对超低频放大器的输出进行采样，然后计算信号强度，并且实现解码，显示器显示。

本发明通过采用发射机给供电线路加载超低频信号于供电线缆中，使用无线接收机在线缆沿途和线缆入户处，接收到发射机发送的经过编码的信号，由接收机解调出有效信号。完成确定发射机与接收机一一对应的线缆关系，从而达到快速准确判定串户与共零现象是否存在，和发生串户的具体位置。

输出保护在本装置中是非常重要的一环，现场试用环境复杂，在不正常的接线方式条件下，如果不加以保护，将直接导致装置的损坏。装置设置了输出检测电路，一旦检测到异常，立即启动输出保护，并且在设定的周期内，检测到异常消失，装置又能自动启动正常信号的输出。

发射机从输入设备接收到信息，对信源数据进行编码和对输出通道进行编码，为实现多通道同时检测，发射机预留下多通道数据调制发送。同时控制信号的频率、信道、工作时间、间隙时间等

接收机通过线圈接收空间无线电信号，经过第一级放大后，接入一个8阶带通滤波器，然后再进入低频信号放大器，由计算机AD进行采样，解调出有效信号，还原出发射机的编码，并在显示器上显示出信号强度，并预留出信道编号。

所述的功率放大器工作在D类状态。

调制完的信号送入功率放大器，放大器工作在D类状态。在所有功放形式中，D类效率最高，非常适合电池供电系统。

所述的发射机的天线采用电力线缆。

所述的发射机包含有初始化模块、数据接收解析模块、编码模块及定时模块，用于负责设置ARM各外设功能模块的初始值，装置在上电后的默认状态；数据接收解析模块由CPU根据接收到的设置参数进行解析，按照装置工作方式进行解析，确定载波中心频率，调制信号，工作、间歇时间参数；所述的编码模块负责将读取的数据进行适当的编码；所述的定时模块根据设定的参数，确定装置工作与间歇时间。

所述的接收机的天线采用特高频天线。

所述的接收机的前置放大器使用的载波频率在超低频频段，前置放大器带宽选择在直流～20KHz之间。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

采用本发明的低压用户串户及共零检测装置，将有效防范低压用户的“串户”事件的发生，减少用户投诉，缓和供用电社会矛盾，提升供电部门的社会服务质量8.2施工改造建设中，可在送电前先行进行运行验收或自检，做到一次改造成功，避免了因各类接线出错而引起施工班组重复进场，耗时耗人工且危险，降低工程建设成本。同时解决老旧小区低压用户的历史“共零”问题，户表关系能对应，首先能提高用户抢修的工作效率，节约公司抢修成本，第二能提高运行维护或抢修人员的操作安全，人身安全方面，其经济效益无法估量。且能防止因某处“零线”断线，而造成下一级零、火线升高为线电压，而引起的下一级所有用户家用电器烧毁的恶性社会事件，其经济损失更是巨大。

附图说明

图1是本发明的发射机的原理框图。

图2是本发明的发射机的控制系统图。

图3是本发明的发射机流程图。

图4本发明的发射机的硬件框图。

图5是接收机的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

一种低压用户串户及共零检测装置，包括有超低频信号发射机和接收机两部分：

所述的发射机包括有

1)一个人机接口，用来设置发射机工作的频率、信道。

2)微控制器输出经过编码的调制信号。

3)高稳的石英晶体振荡器、分频器构成超低频载波信号。

4)功率放大器。

5)输出保护。

6)电源。

发射机硬件电路总的说来分为数字电路模块，和模拟电路模块。

数字电路模块按照经典的Nano102小型系统来设计，设计简洁，性能稳定，误码率低，符合整机设计要求。

模拟电路模块又分为，将编码信号于载波信号相乘调制电路；D类功率放大器；电源；保护电路和天线。

编码信号由ARM直接输出，载波信号由石英晶体振荡器经分频器产生，分频控制由用户通过人机接口设置，CPU解析，GPIO控制。

调制完的信号送入功率放大器，放大器工作在D类状体。在所有功放形式中，D类效率最高，非常适合电池供电系统。

输出保护在本装置中也是非常重要的一环，现场试用环境复杂，在不正常的接线方式条件下，如果不加以保护，将直接导致装置的损坏。装置设置了输出检测电路，一旦检测到异常，立即启动输出保护，并且在设定的周期内，检测到异常消失，装置又能自动启动正常信号的输出。

电源。发射装置电源采用14Ah锂离子电池，充电器外界，采用标准的miniUSB接口，可以跟普通手机充电器呼唤。标准品，维修更换简单。逆变器为自行设计，并带有充放电保护。

天线。装置天线采用电力线缆，长度范围1米～5000米。

图3的发射机的工作流程为(补充描述下流程图)

接收机包括：

1)天线。

2)前置放大器。

3)带通滤波器。

4)超低频放大器。

5)解码器(ARM实现的数字解调)。

6)显示器。

7)电源。

1)天线。无法按照常规超长波接收天线的尺寸去设计制作，但因为接收机距离天线非常接近，所以用特高频天线也能接收到超低频电磁信号。

2)前置放大器。我们所使用的载波频率在超低频频段，前置放大器带宽选择在直流～20KHz之间，也就是选用音频放大器就能满足设计要求。

3)带通滤波器采用集成8阶巴特沃兹10倍频程的芯片，带宽±3Hz，将输入音频信号中的设定超低频载波信号滤波出来。

4)超低频放大器。将带通滤波器输出信号进行放大，放大到CPU的AD能采样的信号。

5)微控制器。CPU采用发射机相同的nuvoton公司的专门针对电池供电系统的M0型ARM—Nano102.接收机中的CPU接收频道、信道，通过GPIO控制带通滤波器中心频率，对超低频放大器的输出进行采样，然后计算信号强度，并且实现解码，显示器显示。

6)显示器。显示信号强度。

7)电源。采用14Ah锂离子电池，充电器外界，采用标准的miniUSB接口，可以跟普通手机充电器呼唤。标准品，维修更换简单。逆变器为自行设计，并带有充放电保护。

本项目的天线是一个有磁芯的螺线管线圈。我们可以把它视为一个在轴向无限长度的线圈，即磁偶极子，当频率f＝625～5KHz，磁偶极子的辐射公式，我们可以知道发射机在一个波长之外的发射功率为零。由于我们的研究范围比较小，所以我们接下来研究发射机附近的情况。

根据天线的理论知识，我们利用关系式：

求得偶极子产生的磁场为：

H_φ＝0

式中：S为等效电流环的面积，I为电流环的电流，k为传播常数。

又因为求得电流环产生的电场为：

E_r＝E_φ＝0

由此可见，电流环产生的磁场为TE的波。又因为，r*k＜＜1，所以

可以简化为：

H_φ＝0

如果以Sav表示平均波印廷矢量的模，则Sav可用下式计算：

由上可知，在磁偶极子附近，平均波印廷矢量Sav＝0。这一结果标明，从电磁场、电磁波的观点来看，目前研究的超低频发射机，由于频率特别低，可以近似地认为，发射机不往外发射能量，所以超低频发射机的功率不能按无线电辐射功率的计算方法来进行计算。发射机与接收机之间的联系是它们共同所在的、发射机通过电力线缆产生的空间电磁场。这正像一个空气间隙特别大的变压器的原边和付边线圈，是共同的电磁场把两者联系起来，传递信号。从这样的机理出发，设计接收天线。

超低频天线线圈的磁场分析

一般总是可以把有磁芯的、有一定轴向长度、径向有一定厚度的多层螺线管简化成一个无长度、无厚度的平面线圈，即磁偶极子。如：由前面磁偶极子磁场分布关系式可得：

因为r*k＜＜1,所以磁场矢量可以用下式计算：

式中：

I为电流的有效值

De为线圈的等效直径

S为线圈的等小面积

K为传播常数

Er为r方向单位向量

eθ为θ方向单位向量

作为电磁能量转换用的电感元件，在电路中经常使用，特别是在不同的电子电路中更是常见。为了缩小电感元件的体积，增加电感量，还在电感元件中装入磁芯，由于磁性材料的非线性，给具有磁芯的螺线管电感量的计算带来困难。至今还没有一个稳妥的、准确的通用计算公式。

实践证明，空心线圈的电感量的计算公式不能用于含有磁芯的螺线管电感量的计算。因此必须从实际出发，探讨当前比较符合实际的计算方法。

为了得到较为实用的公式，特作如下假定：

1)螺线管磁芯的相对导磁率ur足够大，一般在。磁芯磁阻损失为零，即磁芯螺线管的导线视为一个磁偶极子。

2)空心螺线管按等效磁矩算得的等小直径为：

3)螺线管的同一个横截面是一个等磁位面。空心螺线管插入磁芯后，其直径都增大一个磁芯的直径。如果磁芯直径为D0，空心时螺线管直径也为D0(紧配合)，外径为D1，有了磁芯，则其可等效外径为D1+D0，和内径为2D0的空心多层螺线管。

4)根据第三条假设，先对有磁芯的螺线管进行尺寸等效，然后计算等效螺线管的磁矩的等效直径：

于是我们可以求得磁芯螺线管的磁通和电感量：

磁通

电感量

根据磁通、电感量、等效直径，磁场强度就能计算出来：

接收机的天线置于发射机通过线缆产生的电磁场中，从天线上感应的电动势：

用有效值表示：

式中：N为接收天线的匝数

S为磁芯截面面积

B为磁芯中的感应强度

从天线中感应到的电磁场信号，送入前置放大器。前置放大器只是需要工作在音频范围，对放大器本身的要求不高，但对输入阻抗要求尽可能高，我们选择了JFET输入型运放，NE5532。开环放大倍数10000倍。

带通滤波器：

带通滤波器的功能是，将重心频率意外的分量全部滤除，只保留载波频率所含有的频率分量。中心频率只提供几种固定频率可选，625、1k、3k、5k等几种。以1khz为例，要求滤波器的传递函数：

其频率特性为：

其幅频特性：

从而得到增益特性的表达式：

带通滤波器要求的增益频率特性：

在带宽范围内，H(s)增益接近1，在带宽范围外，应迅速衰减为零。

同时还应该看到，增益特性与品质因数有关，应尽可能选择品质因数高的滤波器。

我们在接收机中选择的带宽滤波器为集成的8阶10倍频程巴特沃兹滤波器LTC1164-8.效果比较理想。

微控制器所选用的芯片与发射机一致，在此不再赘述。

不同之处在于接收机还需要用AD，对输入信号进行采样，根据采样结果，计算电磁场强度，同时对输入信号进行解码。并驱动显示器显示测量与分析结果。

电源。与发射机相同，不再赘述。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (5)

1.一种低压用户串户及共零检测装置，其特征在于：包括有超低频信号发射机和接收机两部分，所述的超低频信号发射机包括有人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器、输出保护电路、电源和天线，电源给人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器及输出保护电路供电，人机接口、微控制器、载波信号发生器、功率放大器、输出保护电路及天线依次连接，用户通过人机接口设置分频控制，微控制器通过预先编制好的协议，从人机接口接收到设定值，然后把数据编好码，送到乘法器的一个输入端，与载波信号相乘，再控制功放的输出；

所述的接收机包括有天线、前置放大器、带通滤波器、超低频放大器、解码器、显示器及电源，天线接收发射机发送的信号，信号经前置放大器放大，带通滤波器将输入音频信号中的设定超低频载波信号滤波出来，超低频放大器将带通滤波器输出信号进行放大到 CPU的AD能采样的信号，微控制器对超低频放大器的输出进行采样，然后计算信号强度，并且实现解码，显示器显示；

所述的发射机包含有初始化模块、数据接收解析模块、编码模块及定时模块，用于负责设置ARM各外设功能模块的初始值，装置在上电后的默认状态；数据接收解析模块由 CPU根据接收到的设置参数进行解析，按照装置工作方式进行解析，确定载波中心频率，调制信号，工作、间歇时间参数；所述的编码模块负责将读取的数据进行适当的编码；所述的定时模块根据设定的参数，确定装置工作与间歇时间。

2.根据权利要求 1所述的低压用户串户及共零检测装置，其特征在于：所述的功率放大器工作在 D类状态。

3.根据权利要求 2所述的低压用户串户及共零检测装置，其特征在于：所述的发射机的天线采用电力线缆。

4.根据权利要求 3所述的低压用户串户及共零检测装置，其特征在于：所述的接收机的天线采用特高频天线。

5.根据权利要求 1-4任何一项所述的低压用户串户及共零检测装置，其特征在于：所述的接收机的前置放大器使用的载波频率在超低频频段，前置放大器带宽选择在直流~20KHz之间。