CN108548971B - 一种用电器在线监测设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用电器在线监测设备及系统。所述设备包括cs5460电量检测模块、电压电流互感模块、电源、量程切换电路、无线传输装置。所述系统则包括设备及单片机本发明能够实时对电器进行在线监测，配合外部的单片机，特别是在0.005A‑20A的超大量程上的应用，填补了国内电器状态检测及负荷分析于一体的空白。在此基础上，本发明能够为电力规划和调度人员提供了关键信息，实现智能化节电；同时用户可根据数据及时的了解电器安全隐患，在出现故障后可以准确的定位，在一定范围内也避免了电器长时间不必要开启，节约了电能。

Description

一种用电器在线监测设备及系统

技术领域

本发明涉及电器监测技术领域，更具体地，涉及一种用电器在线监测设备及系统。

背景技术

随着用电量的不断增长，电力系统和用电设备的稳定、安全运行越来越受到关注，电器的运行的状态也在一定程度上关乎着我们的生命安全，一些无人区域的电器的运行对资源也是一种极大的浪费，从以时间为周期的计划检修应当逐渐过渡到更合理的基于电器状态检测的检修机制。而目前除了对一些重要设备的检测（如变压器），在其他电器上的检测几乎还处于空白。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用电器在线监测设备及系统。

所述设备包括cs5460电量检测模块、电压电流互感模块、电源、量程切换电路、无线传输装置。

所述CS5460电量检测模块由CS5460外接晶振，所述CS5460电量检测模块连接电流电压互感模块；所述CS5460电量检测模块外设单片机控制端口，所述单片机控制接口与所述单片机连接；量程切换电路连接电流电压互感器模块、cs5460电量检测模块，电流互感器模块、无线传输模块连接cs5460电量检测模块。

所述量程切换电路包括比较器子电路，电力切换子电路。

比较器子电路包括第三精密电阻，第一滑动变阻器，第一比较器，第二精密电阻，第九非极性电容；各个零部件的连接关系为：第一比较器同相端接第九非极性电容一端及监视电压端口，第九非极性电容另一端接地，第一比较器反相端接第一滑动变阻器公共端；第一滑动变阻器一端接地，另一端接第三精密电阻一端，第三精密电阻另一端接负电,第一比较器输出端接外置的单片机。

电力切换子电路包括第一精密电阻，第一三极管，第一继电器，第二二极管。各个零部件的连接关系为：第一电阻一端与比较器子电路第一比较器输出端相连，第一电阻另一端接第一三极管基极，第一三极管发射极接地，第一三极管集电极接第二二极管与第一继电器后连接到正电，第一继电器公共端接CS5460电量检测模块。

电压电流互感器模块分为电压互感器子电路、第一电流互感器子电路、第二电流互感器子电路。

电压互感器子电路包括电压互感器、第三滑动变阻器、第六电阻、第四精密电阻、第七精密电阻、第十五电容、第十七非极性电容、第十六非极性电容；各个零部件的连接关系为：第三滑动变阻器一端连接电压互感器三端口和第四电阻一端；第六电阻一端连接电压互感器的第四端口和第七电阻一端；第三滑动变阻器另一端与第六滑动变阻器另一端连接。第四电阻另一端和第七电阻另一端连接，且连接点接地。第四精密未接地端接第十五非极性电容一端，第七精密电阻未接地端接第十七非极性电容一端，第十五非极性电容另一端与第十七非极性电容另一端连接；第十五非极性电容与第十七非极性电容的串联支路与第十六非极性电容并联，构成滤波电路，且滤波电路的两个并联点与CS5460电量检测模块的两个输出端连接。

第一电流互感器子电路包括第一电流互感器、第一电感，第二十六非极性电容，第一运算放大器。各个零部件的连接关系为：第一电流互感器的一个输出端接第一运算放大器的二引脚，第一电流互感器的另一个输出端接第一运算放大器的三引脚；第一运算放大器的八引脚接第一电感一端，第一电感另一端与第二十六非极性电容相接后接地。第一电感与第二十六非极性电容构成一阶无源滤波；第一电感与第二十六非极性电容公共端接到小量程通道，第二十六电容与第一电感的连接点接到第一继电器长开端。

第二电流互感器子电路包括第二电流互感器，第二滑动变阻器，第十五电阻，第十四精密电阻，第十六精密电阻，第二十七非极性电容，第四十一非极性电容，第二十六非极性电容；各个零部件的连接关系为：第二滑动变阻器一端与第十五精密电阻一端连接，第二滑动变阻器另一端与第二电流互感器的一个输出端及第十四精密电阻一端连接，第十五精密电阻的另一端与第二电流互感器的另一个输出端及第十六精密电阻一端连接；第十六精密电阻另一端与第十四精密端子另一端连接，且连接点接地；第二十七非极性电容与第四十一非极性电容串联后与第二十八非极性电容并联，且两个并联点分别连接到第十四电阻未接地端、第十六电阻未接地端。并联电路构成滤波电路。 且两个并联点还分别连接到第一继电器长闭端。

进一步的，所述无线传输模块采用的是ESP8266型wifi模块。

进一步的，所述第一比较器为LM311型比较器。

一种用电器在线监测系统，包括前述的用电器在线监测设备、单片机，所述单片机的工作方法包括如下步骤：

步骤一：对CS5460芯片进行校准操作；

步骤二：单片机启动，对CS5460芯片进行刷新读写操作，更新当前插座上所连接的用电器信息；

步骤三：实时检测是否有新的用电器接入，如果有，则每接入一个用电器，单片机会将监测到的各类参数与此前的值进行差值运算，并进行对CS5460进行刷新读写操作。

进一步的，步骤二、步骤三中，对CS5460芯片进行刷新读写操作的具体方法为：当有用电器接入插座时，监测的各类参数将会发生变化，单片机将这些参数与CS5460芯片内存储的信息进行匹配。如果没存有这些参数数据，则进行标志位写入，并存储这些参数数据。

进一步的，步骤三中，当接入多个用电器的时候，在进行用电器匹配时，首先匹配电流，在电流匹配的情况下判断有功功率，有功功率匹配的情况下，判断启动时间与启动脉冲含量，当所有数据都处于允许的误差范围内时，则认为接入的用电器是之前接入的用电器。

本发明的有益效果是：

本发明能够实时对电器进行在线监测，配合外部的单片机，特别是在0.005A-20A的超大量程上的应用，填补了国内电器状态检测及负荷分析于一体的空白。在此基础上，本发明能够为电力规划和调度人员提供了关键信息，实现智能化节电；同时用户可根据数据及时的了解电器安全隐患，在出现故障后可以准确的定位，在一定范围内也避免了电器长时间不必要开启，节约了电能。

附图说明

图1是在线监测设备电路结构示意图。

图2为CS5460芯片及其外围电路示意图。

图3为量程切换电路示意图。

具体实施方式

在本申请中，以下描述的各个零部件与图中零部件一一对应，如第一电容对应C1,第二电容对应C2，第三电容对应C3......；第一电阻对应R1，第二电阻对应R2.......以此类推。

如图1所示，本发明所述设备包括cs5460电量检测模块、电压电流互感模块、电源、量程切换电路、无线传输装置。下面分别予以介绍。

1. CS5460电量检测模块

所述CS5460电量检测模块由CS5460外接晶振，所述CS5460电量检测模块连接电流电压互感模块。所述CS5460电量检测模块外设单片机控制端口。单片机控制端口与外接的、用于控制整个装置的单片机连接。

如图2所示，所述CS5460芯片 是一个包含两个模-数转换器、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS 。通过外置晶振和一些简单滤波电路即可实现电参数测量。通过内置的8个寄存器通道对测量参数进行记录，STM32型单片机对其寄存器进行读取，取一段时间平均值可得稳定的电气参数，除有功功率、无功功率、电流、功率因素等特征参数外，还可以对启动时间、启动脉冲含量等瞬态参数进行检测，通过对每次插入电器的变化量测量，与记忆数据库比对，可识别出电器。

2.电流电压互感模块

所述电流电压互感模块包括电压互感器子电路、第一电流互感器子电路、第二电流互感器子电路。

电压互感器子电路包括电压互感器，第三滑动变阻器，第六电阻，第四精密电阻，第七精密电阻，第十五电容，第十七非极性电容，第十六非极性电容。各个零部件的连接关系为：第三滑动变阻器一端连接电压互感器三端口和第四电阻一端；第六电阻一端连接电压互感器的第四端口和第七电阻一端；第三滑动变阻器另一端与第六滑动变阻器另一端连接。第四电阻另一端和第七电阻另一端连接，且连接点接地。第四精密未接地端接第十五非极性电容一端，第七精密电阻未接地的一端接第十七非极性电容一端，第十五非极性电容另一端与第十七非极性电容另一端连接。第十五非极性电容与第十七非极性电容组成的串联支路与第十六非极性电容并联，构成滤波电路。滤波电路的两个并联点与CS5460电量检测模块的两个输出端连接。

第一电流互感器子电路包括第一电流互感器、第一电感，第二十六非极性电容，第一运算放大器。各个零部件的连接关系为：第一电流互感器的一个输出端接第一运算放大器的二引脚，第一电流互感器的另一个输出端接第一运算放大器的三引脚。第一运算放大器的八引脚接第一电感一端，第一电感另一端与第二十六非极性电容相接后接地。第一电感与第二十六非极性电容构成一阶无源滤波。第二十六电容与第一电感的连接点接到第一继电器长开端。

第二电流互感器子电路包括第二电流互感器，第二滑动变阻器，第十五电阻，第十四精密电阻，第十六精密电阻，第二十七非极性电容，第四十一非极性电容，第二十六非极性电容。各个零部件的连接关系为：第二滑动变阻器一端与第十五精密电阻一端连接，第二滑动变阻器另一端与第二电流互感器的一个输出端及第十四精密电阻一端连接，第十五精密电阻的另一端与第二电流互感器的另一个输出端及第十六精密电阻一端连接。第十六精密电阻另一端与第十四精密端子另一端连接，且连接点接地。第二十七非极性电容与第四十一非极性电容串联后与第二十八非极性电容并联，且两个并联点分别连接到第十四电阻未接地端、第十六电阻未接地端。并联电路构成滤波电路。 且两个并联点还分别连接到第一继电器长闭端。

2.量程切换电路

如图3所示，量程切换模块包括比较器子电路，电力切换子电路。

比较器子电路包括第三精密电阻，第一滑动变阻器，第一比较器，第二精密电阻，第九非极性电容。各个零部件的连接关系为：第一比较器同相端接第九非极性电容一端与监视电压端口，第九非极性电容另一端接地，第一比较器反相端接第一滑动变阻器公共端；第一滑动变阻器一端接地，另一端接第三精密电阻一端，第三精密电阻另一端接负电（-12V）。第一比较器输出端接外置的、用于控制整个装置的单片机。单片机采用STM32型。

电力切换子电路包括第一精密电阻，第一三极管，第一继电器，第二二极管。各个零部件的连接关系为：第一电阻一端与比较器子电路第一比较器输出端相连，第一电阻另一端接第一三极管基极，第一三极管发射极接地，第一三极管集电极接第二二极管与第一继电器后连接到正电（12V），第一继电器公共端接CS5460电量检测模块，长开端接小量程通道即P22，长闭端接大量程通道即P15。

第一比较器为LM311型比较器，第一三极管为s9014型三极管。

3.无线传输模块

本实例采用的是ESP8266型wifi模块。

本发明主要模块的工作原理为：

量程切换模块：

首先根据实际情况设置一个监视电压，若当采集电流较大时，则推动比较强输出高电平，使得三极管导通，驱动继电器下拉，则cs5460的处理由小量程切换到大量程。cs5460内部存在集成电容，故仅需要在引脚1与引脚24外接晶振即可，电压与电流输入通道分别为引脚9，10，15，16，分别外界电阻R8,R10,R9,R11,既对输入新成限流作用，又与下方的电容c21，c22，c24，c25构成低通滤波器，同时对输入有相位补偿的作用，参考电压必须精准为2.5v，将引脚11与引脚12相连接以使用转换器内部的2.5v电压，切必须使用电容滤波。除此自外，将引脚6，7，8，23，19与stm32单片机相连接，以实现对cs5460寄存器的读取与写入，模式的转换，复位等等。

电压电流互感模块：

分为电压互感器与电流互感器，电压互感器内部匝数比为1：1，输入接一个限流电阻，输出接多个并联采样电阻以分散热量，所得电压值为采样电阻与限流电阻的比值乘以输入电压即为输出电压，送给cs5460线路中并联多个滤波电容。电流互感器分为小量程和大量程，大量程使用op07型精密运放对电流精确采集，小量程直接使用精密电阻采集，本设计中大、小量程的匝数比皆为2000：1，电器的电流除以匝数比乘以采样电阻的值即为通过采样电阻所得的电压值远远大于op07所采，因此为小量程通道。

本设计的整体工作流程为：电压电流互感器对电器参数采集，送给CS5460对数据采样，储存，其中可对电器功率进行识别以切换量程通道，提高本设计识别精度。所述CS5460可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS 。通过外置晶振和一些简单滤波电路即可实现电参数测量。通过内置的8个寄存器通道对测量参数进行记录，最后通过外置的stm32型单片机对数据进行处理。

本设备可通过cs5460模块取一段时间平均值可得稳定的电气参数，除有功功率、无功功率、电流、功率因素等特征参数外，还可以对启动时间、启动脉冲含量等瞬态参数进行检测，通过对每次插入电器的变化量测量，与记忆数据库比对，可识别出电器。

下面对系统所包含的单片机的工作流程进行说明。本单片机为STM 32。

单片机的主要功能是与CS5460进行串行通信，完成数据交流，储存，运算，发送。并给量程切换电路提供一个基准电平，此基准决定了在电流超过多少安培的时候，监测装置才会由小量程通道切换至大量程通道。

下面对STM32单片机的工作流程进行说明。

步骤一：对CS5460芯片进行校准操作。

校准操作是为了防止检测装置本身的功耗及功率因素对整个检测系统造成误差对。

具体方法为：单片机先发送命令以停止AD转换，再进行偏移校准：将CS5460内部的电流电压偏移寄存器置0，切断所有用电器，启动CS5460芯片外围的高通滤波器电路，并发出偏移校准命令0xdd。校准完成后继续进行增益校准：保证芯片工作在连续转换模式下，将电流电压增益寄存器置1，输入满量程的电流电压，并发送交流增益校准命令0xde。校准后，标称最大线电压Urms与最大线电流Irms的有效值均为0.6。

步骤二：单片机启动，对CS5460进行刷新读写操作，更新此时插座上的用电器信息。当有用电器接入时，监测的各类参数将会发生变化，此时，单片机将这些参数与CS5460芯片内存储的信息（利用flash扇区进行存储）进行匹配。如果没存有这些数据，则在特定位进行标志位写入，（特定位是一个数据地址，可自己设定，标志位就是在这个特定地址记录了数据的一个标志），并存储这些参数数据储存，以便在下一次单片机启动时，通过对该特定位读取是否存在标志位来判断flash中的信息是否完备；若存有，则会通过标志位将与之匹配用电设备的信息通过STM32在显示屏上显示出来。

步骤三：实时检测是否有新的用电器接入，如果有，则每接入一个用电器，单片机会将监测到的各类参数与此前的值进行差值运算，并对CS5460进行刷新读写操作。由于用电器的功率有可能是十分接近的，如果有容性负载与感性负载接入时，电流的变化量并不会是此用电器单独接入时的准确电流。因此在接入多个用电器的时候，在用电器匹配时，需要设立多个判据，首先匹配的是电流，在电流匹配的情况下判断有功功率，有功功率匹配的情况下，判断启动时间与启动脉冲含量，只有当所有数据都完全处于误差范围内时，单片机才会认为此接入的用电器是之前接入的用电器。这样当接入新用电器时，所有数据将会被记忆，当接入已被录入信息的用电器时，将会被识别。

下面对单片机提取各类参数的处理流程进行进一步说明：

CS5460芯片对用电设备进行监测时，因为CS5460芯片的采样频率为4000HZ，则每秒对每个参数的采集有4000次，对拟定每100个电流参数为一个周期，计算出每个周期的标准差和平均值，则可以反映电流在一个周期内的离散程度的变异系数等于标准差除以平均值，当变异系数小于5%时，认为此刻电流是相对稳定的，当连续多个周期变异系数皆小于5%时，认定用电器启动完毕，即计算出此时与初周期的时间差可得到启动时间，变异系数大于15%的周期视为非常不稳定的，这些周期的总数除以启动时间，记为启动脉冲含量。在读出用电设备的有功功率、无功功率、电流、等特征参数时，需要滤除启动时间之前的参数，因为此时用电器并未正常工作，CS5460芯片采的这些值后放在寄存器中，因为电流、有功功率，有功功率和无功功率是可以直接读取的参数，故对一段时间内的数据取平均值即可，用有功功率除以有功功率与无功功率之和可得功率因素。

Claims (4)

1.一种用电器在线监测设备，其特征在于，包括CS5460电量检测模块、电流电压互感模块、电源、量程切换电路、无线传输模块；

所述CS5460电量检测模块由CS5460芯片外接晶振，所述CS5460电量检测模块连接电流电压互感模块；所述CS5460电量检测模块外设单片机控制端口，所述单片机控制端口与单片机连接；量程切换电路连接电流电压互感模块、CS5460电量检测模块，电流互感器模块、无线传输模块连接CS5460电量检测模块；

所述量程切换电路包括比较器子电路，电力切换子电路；

比较器子电路包括第三精密电阻，第一滑动变阻器，第一比较器，第二精密电阻，第九非极性电容；各个零部件的连接关系为：第一比较器同相端接第九非极性电容一端及监视电压端口，第九非极性电容另一端接地，第一比较器反相端接第一滑动变阻器公共端；第一滑动变阻器一端接地，另一端接第三精密电阻一端，第三精密电阻另一端接负电,第一比较器输出端接外置的单片机;

电力切换子电路包括第一精密电阻，第一三极管，第一继电器，第二二极管；各个零部件的连接关系为：第一电阻一端与比较器子电路第一比较器输出端相连，第一电阻另一端接第一三极管基极，第一三极管发射极接地，第一三极管集电极接第二二极管与第一继电器后连接到正电，第一继电器公共端接CS5460电量检测模块;

电流电压互感模块分为电压互感器子电路、第一电流互感器子电路、第二电流互感器子电路；

电压互感器子电路包括电压互感器、第三滑动变阻器、第六电阻、第四精密电阻、第七精密电阻、第十五电容、第十七非极性电容、第十六非极性电容；各个零部件的连接关系为：第三滑动变阻器一端连接电压互感器三端口和第四电阻一端；第六电阻一端连接电压互感器的第四端口和第七电阻一端；第三滑动变阻器另一端与第六滑动变阻器另一端连接；第四电阻另一端和第七电阻另一端连接，且连接点接地；第四精密电阻未接地端接第十五非极性电容一端，第七精密电阻未接地端接第十七非极性电容一端，第十五非极性电容另一端与第十七非极性电容另一端连接；第十五非极性电容与第十七非极性电容的串联支路与第十六非极性电容并联，构成滤波电路，且滤波电路的两个并联点与CS5460电量检测模块的两个输出端连接；

第一电流互感器子电路包括第一电流互感器、第一电感，第二十六非极性电容，第一运算放大器；各个零部件的连接关系为：第一电流互感器的一个输出端接第一运算放大器的二引脚，第一电流互感器的另一个输出端接第一运算放大器的三引脚；第一运算放大器的八引脚接第一电感一端，第一电感另一端与第二十六非极性电容相接后接地；第一电感与第二十六非极性电容构成一阶无源滤波；第一电感与第二十六非极性电容公共端接到小量程通道，第二十六电容与第一电感的连接点接到第一继电器常开端；

第二电流互感器子电路包括第二电流互感器，第二滑动变阻器，第十五电阻，第十四精密电阻，第十六精密电阻，第二十七非极性电容，第四十一非极性电容，第二十八非极性电容；各个零部件的连接关系为：第二滑动变阻器一端与第十五精密电阻一端连接，第二滑动变阻器另一端与第二电流互感器的一个输出端及第十四精密电阻一端连接，第十五精密电阻的另一端与第二电流互感器的另一个输出端及第十六精密电阻一端连接；第十六精密电阻另一端与第十四精密电阻另一端连接，且连接点接地；第二十七非极性电容与第四十一非极性电容串联后与第二十八非极性电容并联，且两个并联点分别连接到第十四电阻未接地端、第十六电阻未接地端；并联电路构成滤波电路；且两个并联点还分别连接到第一继电器常闭端；

电压互感器内部匝数比为1：1，输入接一个限流电阻，输出接多个并联采样电阻以分散热量，所得电压值为采样电阻与限流电阻的比值乘以输入电压即为输出电压，送给CS5460线路中并联多个滤波电容；电流互感器分为小量程和大量程，大量程使用op07型精密运放对电流精确采集，小量程直接使用精密电阻采集，大、小量程的匝数比皆为2000：1，电器的电流除以匝数比乘以采样电阻的值即为通过采样电阻所得的电压值；

所述无线传输模块采用的是 ESP8266型wifi模块；所述第一比较器为LM311型比较器，第一三极管为s9014型三极管。

2.一种用电器在线监测系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的用电器在线监测设备、单片机，所述单片机的工作方法包括如下步骤：

步骤一：对CS5460芯片进行校准操作；

步骤二：单片机启动，对CS5460芯片进行刷新读写操作，更新当前插座上所连接的用电器信息；

步骤三：实时检测是否有新的用电器接入，如果有，则每接入一个用电器，单片机会将监测到的各类参数与此前的值进行差值运算，并进行对CS5460芯片进行刷新读写操作。

3.如权利要求2所述的用电器在线监测系统，其特征在于，步骤二、步骤三中，对CS5460芯片进行刷新读写操作的具体方法为：当有用电器接入插座时，监测的各类参数将会发生变化，单片机将这些参数与CS5460芯片内存储的信息进行匹配；如果没存有这些参数数据，则进行标志位写入，并存储这些参数数据。

4.如权利要求2所述的用电器在线监测系统，其特征在于，步骤三中，当接入多个用电器的时候，在进行用电器匹配时，首先匹配电流，在电流匹配的情况下判断有功功率，有功功率匹配的情况下，判断启动时间与启动脉冲含量，当所有数据都处于允许的误差范围内时，则认为接入的用电器是之前接入的用电器。