CN110274630A - 一种低压配电线路分路监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压配电线路分路监测装置及其监测方法，该监测装置包括上盖和下盖，所述上盖通过转动轴与下盖连接，且上盖可沿该转动轴打开和闭合，在所述上盖和下盖的位槽内分别安装有取电线圈和电流测量线圈，所述取电线圈和电流测量线圈上均设置有用于电压检测的弹性铜片，所述下盖内还设置有主控电路板，所述主控电路板包括主控MCU以及与主控MCU电连接的取电管理电路和电压检测电路连接，所述主控MCU通过AD端口与取电线圈和电流测量线圈电连接。本发明具备结构简单，采用非接触式集感应取电、电流、电压、温度检测于一体的监测装置，不需要从配电线路接入线路或外供电，保护监测人员的安全的同时，安装快捷，操作简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及电力物联网应用技术领域，具体为一种低压配电线路分路监测装置及其监测方法。
背景技术
智能低压分路监测装置主要安装于开闭所、环网柜、配变低压小室的低压配电线缆上，适用于400V线路的电量监测和故障检测，可采集低压线路的运行电流、电压、电缆表皮温度等信息，计算线路有功、无功功率，当线路故障时，可以检测线路故障电流，并故障报警，实现低压电网信息化管理与主动抢修服务。
目前低压分路监测装置是通过电源模块从配电线路的380V或220V转换成低压直流电压给监测单元工作供电或外接直流供电。电压检测则需要从配电线路接入监测单元，再通过电阻电容分压或者变压器将信号变小再进行模数转换检测。供电和电压检测均需要接入配电线路，需要配电线路线缆有裸露点或接线端子，大大降低人工操作的安全性，增加不可靠性，安装不够方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压配电线路分路监测装置及其监测方法，具备结构简单，采用非接触式的集感应取电及电流、电压、温度检测于一体的监测装置，不需要从配电线路接入线路或外供电，而且安装快捷，操作安全，降低成本的优点，解决了上述技术背景所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低压配电线路分路监测装置，包括上盖和下盖，所述上盖由左上盖和右上盖组成，所述下盖由左下盖和右下盖构成，所述上盖通过转动轴与下盖连接，且上盖可沿该转动轴打开和闭合，所述左上盖、右上盖、左下盖和右下盖上均开设有一个半圆形的位槽，在所述左上盖和左下盖的位槽内安装有取电线圈，在所述右上盖和右下盖的位槽内安装有电流测量线圈，所述取电线圈和电流测量线圈上均设置有用于电压检测用的弹性铜片，所述下盖内还设置有主控电路板，所述主控电路板包括主控MCU以及与主控MCU电连接的取电管理电路和电压检测电路，所述主控MCU通过AD端口与所述取电线圈和所述电流测量线圈连接，所述主控MCU为STM32L053MCU单片机。
优选的，所述上盖正前方设置有挂钩，所述下盖上设置有与挂钩相适配的搭扣。
优选的，所述取电线圈和电流测量线圈间隔设置，且取电线圈和电流测量线圈之间还设有红外温度传感器，所述红外温度传感器与主控电路板电连接。
优选的，所述电流测量线圈为纳米晶材质的开口式电流互感器。
优选的，所述取电管理电路包括取电线圈输入端子P1、由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器、升压电源管理芯片U1和比较器U3，所述取电线圈输入端子P1与取电线圈连接，且取电线圈输入端子P1背离取电线圈一端与桥式整流器的两个交流输入端连接，桥式整流器的直流输出端分别与N沟道MOS管Q2、电阻R2连接，电阻R2另一端与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，控制超级电容C1的充放电；升压电源管理芯片U1的1号引脚经P沟道MOS管Q3、三极管Q4、电阻R7后与N沟道MOS管Q2的4号引脚连接，并控制N沟道MOS管Q2的导通与关闭；比较器U3的1号端口经电阻R8、电阻R9后与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，比较器U3的7号引脚与P沟道MOS管Q3连接，通过比较器U3设定P沟道MOS管Q1和P沟道MOS管Q3导通的电压阈值。
优选的，所述电压检测电路包括寄生电容接入端P2,所述寄生电容接入端P2一端与线缆和弹性铜片之间存在的寄生电容连接，另一端分别经过电容C13和电阻R23/R21组成CC和CRR滤波电路，后分别经过运算放大器U11和U5输入到仪表放大器U7和U6放大，再经过RC低通滤波器输入到主控MCU的AD端口进行AD转换。
一种低压配电线路分路监测装置的监测方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：打开上盖，将待测线缆放入用于夹取线缆的弹性铜片内，闭合上盖，并将搭扣与挂钩锁合，使取电线圈和电流测量线圈开始工作；
步骤二：取电线圈取电，取电线圈将感应的交流电经取电管理电路整流滤波，并将电压降到3.6V给主控MCU和后级电路供电；
步骤三：电流测量线圈测量电流，主控MCU通过AD端口对电流信号进行检测并对数据解析，并以数字的形式存储下来；
步骤四：红外温度传感器与线缆外表贴合，并实时检测线缆的皮表温度；
步骤五：电压检测电路检测线缆电压值，线缆与弹性铜片之间存在寄生电容，电压检测电路的寄生电容接入端P2与寄生电容连接，通过寄生电容值进一步的获取线缆的电压值。
优选的，所述步骤五中的寄生电容随着线缆大小，弹性铜片大小及环境的影响变化，根据寄生电容的特性需要在不同的应用条件下利用算法计算寄生电容值，该寄生电容值采用下述方式计算：
在拓扑1，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va1为已知值。其传递函数如下：
在拓扑2，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va2为已知值。其传递函数如下：
公式1和公式2存在两个未知数Cp和Vin,通过算法可求出寄生电容Cp值，可以利用公式1计算出线缆电压Vin的值。
优选的，所述方法还包括步骤六：主控MCU根据检测的电流值、电压值及温度值计算有用功率，无用功率，功率因数，并判断线路是否存在故障，主控MCU的储存模块保存数据，并通过RS485端口或无线通信模块将数据上传到与低压配电线路分路监测装置相适配的主机。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过设置取电线圈、电流测量线圈、弹性铜片以及红外温度传感器，该取电线圈、电流测量线圈、弹性铜片以及红外温度传感器均与主控MCU连接，达到无需从配电线路接入线路或外供电，便可实现无接触智能监测线缆的电流值、电压值及线缆皮表温度，并计算有用功率，无用功率，功率因数等，来判断线路故障，方便实用，安全性好。
2、本发明通过上盖正前方设置有挂钩，在下盖上设置有与挂钩相适配的搭扣，搭扣与挂钩配合使用，在对线缆监测时，安装快捷，操作安全，且降低成本。
3、本发明通过设置用于夹取线缆的弹性铜片，该弹性铜片适合与不同外径的线缆，且能让弹性铜片有效的与线缆表皮相贴合，弹性铜片贴合线缆能提高电压检测的寄生电容值，以提高电压检测的精度，增加抗干扰能力。
4、本发明利用寄生电容基本原理，通过不同的拓扑或拓扑变换进行非接触式电压检测，主控MCU通过AD端口检测电压信号并通过算法计算出线缆电压，实现真正意义上的无接触。
5、本发明通过设置取电管理电路，该取电管理电路将取电线圈获取的交流电整合成直流，并将电压降压供主控MCU和后级电路使用，保护低压配电线路分路监测装置不被高压损坏。
附图说明
图1为本发明一种低压配电线路分路监测装置的爆炸图；
图2为本发明一种低压配电线路分路监测装置的结构图之一；
图3为本发明一种低压配电线路分路监测装置的结构图之二；
图4为本发明一种低压配电线路分路监测装置的主控MCU的原理框图；
图5为本发明一种低压配电线路分路监测装置的取电管理电路的电路图；
图6为本发明一种低压配电线路分路监测装置的电压检测示意图；
图7为本发明一种低压配电线路分路监测装置的电压检测电路的电路图；
图8为本发明一种低压配电线路分路监测装置电压检测的一种拓扑电路示意图；
图9为本发明图8中一种拓扑电路的电路图。
图中的附图标记及名称如下：
1、上盖；11、左上盖；12、右上盖；2、下盖；21、左下盖；22、右下盖；3、转动轴；4、挂钩；5、搭扣；6、位槽；7、取电线圈；8、电流测量线圈；9、弹性铜片；10、主控电路板；13、红外温度传感器；14、主控MCU；15、取电管理电路；16、电压检测电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5以及图7，本发明提供的一种实施例：一种低压配电线路分路监测装置，包括上盖1和下盖2，所述上盖1由左上盖11和右上盖12组成，所述下盖2由左下盖21和右下盖22构成，所述上盖1通过转动轴3与下盖2连接，且上盖1可沿该转动轴3打开和闭合，所述左上盖11、右上盖12、左下盖21和右下盖22上均开设有一个半圆形的位槽6，在所述左上盖11和左下盖21的位槽6内安装有取电线圈7，在所述右上盖12和右下盖22的位槽6内安装有电流测量线圈8，所述取电线圈7和电流测量线圈8上均设置有用于电压检测用的弹性铜片9，所述取电线圈7和电流测量线圈8均为开合式，采用高磁导率铁芯，在装配时，在不带线圈的部分的壳体内装配弹片，将开合的取电线圈7和电流测量线圈8往外顶，使两对铁芯切面能够很好地贴合，以免装配问题使铁芯切面不能够很好贴合，使磁导率降低较多，从而影响取电功率和测量精度，所述下盖2内还设置有主控电路板10，所述主控电路板10包括主控MCU 14以及与主控MCU 14电连接的取电管理电路15和电压检测电路16，所述主控MCU 14通过AD端口与所述取电线圈7和所述电流测量线圈8连接，所述主控MCU 14为STM32L053MCU单片机。
具体的，所述上盖1正前方设置有挂钩4，所述下盖2上设置有与挂钩4相适配的搭扣5，搭扣5与挂钩4配合使用，在对线缆监测时，安装快捷，操作安全，且成本低。
具体的，所述取电线圈7和电流测量线圈8间隔设置，且取电线圈7和电流测量线圈8之间还设有红外温度传感器13，所述红外温度传感器13与主控电路板10电连接，红外温度传感器13实施监测线缆皮表温度，并将检测到的温度值传输给主控MCU 14进行解析，本实施例中的红外温度传感器13为非接触式红外温度探头，其温度的测量范围为-40℃-300℃。
具体的，所述电流测量线圈8为纳米晶材质的开口式电流互感器。
具体的，所述取电管理电路15包括取电线圈输入端子P1、由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器、升压电源管理芯片U1和比较器U3，所述取电线圈输入端子P1与取电线圈7连接，且取电线圈输入端子P1背离取电线圈7一端与桥式整流器的两个交流输入端连接，桥式整流器的直流输出端分别与N沟道MOS管Q2、电阻R2连接，电阻R2另一端与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，控制超级电容C1的充放电；升压电源管理芯片U1的1号引脚经P沟道MOS管Q3、三极管Q4、电阻R7后与N沟道MOS管Q2的4号引脚连接，并控制N沟道MOS管Q2的导通与关闭；比较器U3的1号端口经电阻R8、电阻R9后与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，比较器U3的7号引脚与P沟道MOS管Q3连接，通过比较器U3设定P沟道MOS管Q1和P沟道MOS管Q3导通的电压阈值。
具体的，所述电压检测电路16包括寄生电容接入端P2,所述寄生电容接入端P2一端与线缆和弹性铜片9之间存在的寄生电容连接，另一端分别经过电容C13和电阻R23/R21组成CC和CRR滤波电路，后分别经过运算放大器U11和U5输入到仪表放大器U7和U6放大，再经过RC低通滤波器输入到主控MCU14的AD端口进行AD转换。
一种低压配电线路分路监测装置的监测方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：打开上盖1，将待测线缆放入用于夹取线缆的弹性铜片9内，闭合上盖1，并将搭扣5与挂钩4锁合，使取电线圈7和电流测量线圈8开始工作；
步骤二：取电线圈7取电，取电线圈7将取出的交流电经取电管理电路15整流滤波，并将整流后电压稳定到3.6V给主控MCU14和后级电路供电；
步骤三：电流测量线圈8测量电流，电流测量线圈8将测量数据传输给主控MCU 14，主控MCU 14对数据解析，并以数字的形式显示在主机上；
步骤四：红外温度传感器13与线缆外表贴合，并实时检测线缆的皮表温度；
步骤五：电压检测电路16检测线缆电压值，线缆与弹性铜片9之间存在寄生电容，电压检测电路16的寄生电容接入端P2与寄生电容连接，通过寄生电容值进一步的获取线缆的电压值。
具体的，所述步骤五中的寄生电容随着线缆大小，弹性铜片9大小及环境的影响变化，根据寄生电容的特性需要在不同的应用条件下利用算法计算寄生电容值，该寄生电容值采用下述方式计算：
算法一：如图6所示，在拓扑1，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va1为已知值。其传递函数如下：
在拓扑2，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va2为已知值。其传递函数如下：
公式1和公式2存在两个未知数Cp和Vin,通过算法可求出寄生电容Cp值，可以利用公式1计算出线缆电压Vin的值。
算法二：如图8所示，图中为电压检测的另一种拓扑电路，其中SW1为模拟开关或继电器，通过控制SW1导通，电容C短路，电路的传递函数如公式1：
SW1断开，电容C串入回路，电路的传递函数如公式2：
公式1和公式2存在两个未知数Vin和Cp,通过算法可求出寄生电容Cp值，可以利用公式1计算出线缆电压Vin的值。
请参阅图9，图9为算法二的实现电路，具体如下：
弹性铜片9与电缆间的寄生电容从端子P2接入电路，Vcontrol为继电器RELAY1的控制信号，当高电平时，继电器3和5引脚导通，电容C6短路，当低电平时，继电器3和5脚断开，电容C6接入电路，信号经过运算放大器C11放大后经过由R29和C20组成的RC滤波器通入单片机的AD检测端口，基准电压VREF经过电阻R31和R30分压后，由运算放大器U11同相放大后输入到U11的3脚，以增加驱动能力，使运放U11的输出1脚保持在正电压以便于AD检测。
上述的算法一和算法二只是众多算法中的两种，可以通过变换拓扑电路得到不同的计算公式，本领域里的技术人员通过该种方式得到的寄存电容值均属于本发明保护的范畴。
具体的，所述方法还包括步骤六：主控MCU 14根据检测的电流值、电压值及温度值计算有用功率，无用功率，功率因数，并判断线路是否存在故障，主控MCU 14的储存模块保存数据，并通过RS485端口或无线通信模块将数据上传到与低压配电线路分路监测装置相适配的主机。
综上，采用上述的技术方案制作的低压配电线路分路检监测装置具备结构简单，采用非接触式的集感应取电及电流、电压、温度检测于一体，不需要从配电线路接入线路或外供电，安全性好，而且安装快捷，操作安全，降低成本，值得推广运用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种低压配电线路分路监测装置，包括上盖(1)和下盖(2)，其特征在于：所述上盖(1)由左上盖(11)和右上盖(12)组成，所述下盖(2)由左下盖(21)和右下盖(22)构成，所述上盖(1)通过转动轴(3)与下盖(2)连接，且上盖(1)可沿该转动轴(3)打开和闭合，所述左上盖(11)、右上盖(12)、左下盖(21)和右下盖(22)上均开设有一个半圆形的位槽(6)，在所述左上盖(11)和左下盖(21)的位槽(6)内安装有取电线圈(7)，在所述右上盖(12)和右下盖(22)的位槽(6)内安装有电流测量线圈(8)，所述取电线圈(7)和电流测量线圈(8)上均设置有用于电压检测用的弹性铜片(9)，所述下盖(2)内还设置有主控电路板(10)，所述主控电路板(10)包括主控MCU(14)以及与主控MCU(14)电连接的取电管理电路(15)和电压检测电路(16)，所述主控MCU(14)通过AD端口与所述取电线圈(7)和电流测量线圈(8)连接，所述主控MCU(14)为STM32L053 MCU单片机。
2.根据权利要求1所述的低压配电线路分路监测装置，其特征在于：所述上盖(1)正前方设置有挂钩(4)，所述下盖(2)上设置有与挂钩(4)相适配的搭扣(5)。
3.根据权利要求1所述的低压配电线路分路监测装置，其特征在于：所述取电线圈(7)和电流测量线圈(8)间隔设置，且取电线圈(7)和电流测量线圈(8)之间还设有红外温度传感器(13)，所述红外温度传感器(13)与主控电路板(10)电连接。
4.根据权利要求1所述的低压配电线路分路监测装置，其特征在于：所述电流测量线圈(8)为纳米晶材质的开口式电流互感器。
5.根据权利要求1所述的低压配电线路分路监测装置，其特征在于：所述取电管理电路(15)包括取电线圈输入端子P1、由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器、升压电源管理芯片U1和比较器U3，所述取电线圈输入端子P1与取电线圈(7)连接，且取电线圈输入端子P1背离取电线圈(7)一端与桥式整流器的两个交流输入端连接，桥式整流器的直流输出端分别与N沟道MOS管Q2、电阻R2连接，电阻R2另一端与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，控制超级电容C1的充放电；升压电源管理芯片U1的1号引脚经P沟道MOS管Q3、三极管Q4、电阻R7后与N沟道MOS管Q2的4号引脚连接，并控制N沟道MOS管Q2的导通与关闭；比较器U3的1号端口经电阻R8、电阻R9后与P沟道MOS管Q1的1号引脚连接，比较器U3的7号引脚与P沟道MOS管Q3连接，通过比较器U3设定P沟道MOS管Q1和P沟道MOS管Q3导通的电压阈值。
6.根据权利要求1所述的低压配电线路分路监测装置，其特征在于：所述电压检测电路(16)包括寄生电容接入端P2,所述寄生电容接入端P2一端与线缆和弹性铜片(9)之间存在的寄生电容连接，另一端分别经过电容C13和电阻R23/R21组成CC和CRR滤波电路，后分别经过运算放大器U11和U5输入到仪表放大器U7和U6放大，再经过RC低通滤波器输入到主控MCU(14)的AD端口进行AD转换。
7.一种低压配电线路分路监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：打开上盖(1)，将待测线缆放入用于夹取线缆的弹性铜片(9)内，闭合上盖(1)，并将搭扣(5)与挂钩(4)锁合，使取电线圈(7)和电流测量线圈(8)开始工作；
步骤二：取电线圈(7)取电，取电线圈(7)将感应的交流电经取电管理电路(15)整流滤波，并将电压降到3.6V给主控MCU(14)和后级电路供电；
步骤三：电流测量线圈(8)测量电流，电流测量线圈(8)将测量数据传输给主控MCU(14)，主控MCU(14)对数据解析，并以数字的形式显示在主机上；
步骤四：红外温度传感器(13)与线缆外表贴合，并实时检测线缆的皮表温度；
步骤五：电压检测电路(16)检测线缆电压值，线缆与弹性铜片(9)之间存在寄生电容，电压检测电路(16)的寄生电容接入端P2与寄生电容连接，通过寄生电容值进一步的获取线缆的电压值，并将获取的电压值传输给主控MCU(14)进行解析。
8.根据权利要求7所述的低压配电线路分路监测装置的监测方法，其特征在于：所述步骤五中的寄生电容随着线缆大小，弹性铜片(9)大小及环境的影响变化，根据寄生电容的特性需要在不同的应用条件下利用算法计算寄生电容值，该寄生电容值采用下述方式计算：
在拓扑1，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va1为已知值。其传递函数如下：
在拓扑2，线缆电压Vin为待检测值，寄生电容Cp为未知值，AD采样Va2为已知值。其传递函数如下：
公式1和公式2存在两个未知数Cp和Vin,通过算法可求出寄生电容Cp值，可以利用公式1计算出线缆电压Vin的值。
9.根据权利要求7所述的低压配电线路分路监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法还包括步骤六：主控MCU(14)根据检测的电流值、电压值及温度值计算有用功率，无用功率，功率因数，并判断线路是否存在故障，主控MCU(14)的储存模块保存数据，并通过RS485端口或无线通信模块将数据上传到与低压配电线路分路监测装置相适配的主机。
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