CN110912265B - 一种模块化的负荷用电信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化的负荷用电信息采集装置，涉及电能计量领域，采用模块化单元设计包括：总线单元、负荷分析单元及通信单元，通过总线单元采集配电线路的三相功率总线的电压数据；负荷分析单元接收所述电压数据和采集配电线路的三相功率总线的电流数据，并进行处理，处理结果通过总线单元传送至通信单元，并由通信单元传送至主站。负荷分析单元最多能够采集和分析3条支路的单相或1条支路三相功率总线上的负荷；同时4个负荷分析单元通过结合通信单元、总线单元组成12条支路单相或者4条支路三相功率总线的多路采集装置，从而解决了仅支持单个功率总线的监测和采集的缺点。

Description

一种模块化的负荷用电信息采集装置

技术领域

本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种模块化的负荷用电信息采集装置。

背景技术

在电力系统中，整个用电网络包括发电、输电、配电、用电需要合理的网络构架和资源配置方案，电源的布局、输配电的安装、设备的类型等都与负荷用电信息的变化与发展息息相关，所以掌握负荷用电信息的规律和发展趋势，是电能量计量领域的一个重要研究方向，传统的用电信息采集系统采集频率低，采集数据项种类单一，无法统计分项负荷用电信息。当前，分项负荷用电信息采集主要依靠多功能电表或者智能插座方式，对所要采集的回路或者负荷进行单独部署安装，该种方法数据采集精确，但安装、维护成本较大，不利于大面积推广。而另外一种方式，则是依靠非侵入式技术只在功率线总口处安装采集装置，通过高频采集和负荷分解算法，对分项负荷的用电信息进行估算，该方法安装方便、综合成本低、效果接近分项负荷独立监测方法。但该方法对某些运行特性复杂、功率较小但运行时间较长的负荷估算效果不理想，另外，该类装置目前支持单个功率总线的监测和采集，在多个功率总线集中的场景下，仍要安装多个装置，由于单个装置数据传输量较大，多个装置集中安装方式对安装环境、网络带宽、集中与转发装置的稳定性都有严格的要求，在实际运行过程中会产生数据质量和成本控制之间的矛盾问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化的负荷用电信息采集装置，从而克服了现有分项负荷用电信息采集依靠非侵入式技术只在功率线总口处安装采集装置仅支持单个功率总线的监测和采集的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种模块化的负荷用电信息采集装置，包括：总线单元，包括：电源总线、电压采集总线、板间通信总线、第一电源模块及电压采集模块；电源总线、电压采集总线及板间通信总线三条总线相互独立；所述第一电源模块分别与配电线路的三相功率总线和电源总线连接，所述电压采集模块分别与配电线路的三相功率总线和电压采集总线连接，所述电压采集模块采集配电线路的三相功率总线的电压数据；

负荷分析单元，其分别与所述配电线路的三相功率总线、电压采集总线及板间通信总线连接，用于通过电压采集总线接收所述电压数据和采集配电线路的三相功率总线的电流数据，并进行处理，处理结果通过板间通信总线进行传输；以及

通信单元，其与所述板间通信总线连接，用于通过所述板间通信总线接收所述处理结果，并传送至主站。

进一步的，三条所述总线均为单相总线，且数据正向传输。

进一步的，还包括接口单元，三条所述总线均通过所述接口单元接入与负荷分析单元、通信单元及第一电源模块。

进一步的，每个所述负荷分析单元均能够进行内嵌非侵入式核心算法。

进一步的，所述接口类型分为三类：电压传输接口、通信数据接口及电源接口。

进一步的，所述接口单元为兼容9线制或15线制的接口。

进一步的，所述通信单元包括：通信CPU、RJ45模块、4G模块、SIM卡接口、第二电源模块、时钟模块、存储模块及看门狗模块；所述RJ45模块、4G模块、第二电源模块、时钟模块、存储模块及看门狗模块分别与通信CPU连接，所述SIM卡接口与4G模块连接。

进一步的，所述负荷分析单元最多能够采集和分析3条支路的单相或1条支路三相功率总线上的负荷。

进一步的，所述负荷分析单元包括相连接的电压电流采集模块和负荷分析CPU，电压电流采集模块与所述配电线路的三相功率总线连接，所述负荷分析CPU分别与电压采集总线及板间通信总线连接，所述负荷分析CPU用于将电压电流采集模块采集的数据和电压采集总线传送的电压数据进行处理，并通过板间通信总线传输。

进一步的，所述电压电流采集模块支持6个采集通道。

进一步的，采用4个所述负荷分析单元。

进一步的，所述总线单元、接口单元、负荷分析单元及通信单元集成在箱体中，所述总线单元、负荷分析单元及通信单元的相应接口设置在箱体的正面。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的模块化的负荷用电信息采集装置，采用模块化单元设计包括：总线单元、负荷分析单元及通信单元，通过总线单元采集配电线路的三相功率总线的电压数据；负荷分析单元接收所述电压数据和采集配电线路的三相功率总线的电流数据，并进行处理，处理结果通过总线单元传送至通信单元，并由通信单元传送至主站。负荷分析单元最多能够采集和分析3条支路的单相或1条支路三相功率总线上的负荷；同时4个负荷分析单元通过结合通信单元、总线单元组成12条支路单相或者4条支路三相功率总线的多路采集装置，从而解决了仅支持单个功率总线的监测和采集的缺点。

2、本发明所提供的每个负荷分析单元能够进行内嵌非侵入式核心算法，使得负荷分析单元同时支持高频负荷直接采集方式和非侵入式负荷分解方式，在实际应用时通过参数配置，可以按需切换采集方式。因此，模块化的负荷用电信息采集装置对运行特性复杂且单独配线的负荷采用直接采集的方式，对功率总线上有较多负荷的情况则采用非侵入式负荷分解方式，将两种方式结合，发挥了两种方式的优势。

3、本发明提供的每个负荷分析单元通过板间高速总线稳定可靠的将所有单元的采集数据、分解数据全部通过通信单元高速通信接口将数据上传到主站，模块化的负荷用电信息采集装置整体以模块化结构，将通信、接口、采集功能集成，避免了多个单独非侵入式装置集成安装时，引起安装空间、网络配置、数据转发的一系列问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种模块化的负荷用电信息采集装置的结构示意图；

图2是本发明负荷分析单元的结构示意图；

图3是本发明接口单元的结构示意图；

图4是本发明通信单元的结构示意图；

图5是本发明包含时钟电路的负荷分析CPU的电路图；

图6是本发明电压电流采集模块的电路图；

图7是本发明负荷分析CPU的电源电路图；

图8是本发明负荷分析CPU的数据存储电路图；

图9是本发明包括CPU、RJ45模块、时钟模块、第二电源模块的通信单元主电路图；

图10是本发明通信单元的SIM卡接口电路图；

图11是本发明通信单元的4G模块电路图；

图12是本发明通信单元的看门狗电路图；

图13是本发明通信单元的数据存储电路图；

其中，101-配电线路的三相，102-电压采集模块，103-配电线路的三相，104-总线单元，105-接口单元，106-负荷分析单元，107-通信单元，108-第一电源模块，109-电源总线，110-电压采集总线，111-板间通信总线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明所提供的模块化的负荷用电信息采集装置采用模块化单元设计，包括：总线单元104、接口单元105、负荷分析单元106及通信单元107。

总线单元104包括：电源总线109、电压采集总线110、板间通信总线111、第一电源模块108及电压采集模块102。第一电源模块108分别与电源总线109和配电线路的三相101连接，电压采集模块102分别与配电线路的三相101和电压采集总线110连接；电源总线109、电压采集总线110及板间通信总线111三条总线均为单相总线，且数据正向传输。三条总线独立部署，并配置了隔离和去耦元件，保证了总线数据互不干扰。三条总线通过接口单元105接入其他单元(通信单元107和负荷分析单元106)。板间通信总线111用于各分立模块或单元之间的实时数据通信交互。负荷分析单元106分别通过不同的接口单元105与配电线路的三相103、电压采集总线110及板间通信总线111连接；通信单元107通过接口单元105与板间通信总线111连接，用于通过板间通信总线111接收负荷分析单元106处理的结果，并传送至主站。

考虑到装置的整体供电，因此在总线单元104中设置独立的第一电源模块108，对等电位采样点进行取电，并通过电源总线109为模块化的负荷用电信息采集装置提供可靠电源，其他功能模块均能通过电源总线109连接电源，具体接线不再进行描述。此处第一电源模块108的设计考虑到配电线路会出现缺相的问题，因此要对配电线路的三相101同时取电，在供电回路中设计逻辑判断电路，会在三相缺两相的情况下保证装置正常稳定运行。本实施例的第一电源模块108采用的型号为；电压采集模块102采用的型号为TA52BQE。

电压采集模块102分别与配电线路的三相101和电压采集总线110连接，由于所有同相电压均为同一变压器出线，因此在配线距离在一定范围内，可以忽略线路压降，因此可以通过电压采样模块对于多个单元/线的电压取样，即电压采集模块102用于将电压采集模块102采集配电线路的三相101的电压数据通过电压采集总线110进行传送到不同的负荷分析单元106。

如图2所示，负荷分析单元106分别通过不同的接口单元105分别与配电线路的三相103(即三相支路)、电压采集总线110及板间通信总线111连接，每个负荷分析单元106最多能够采集和分析3条支路的单相或1条支路三相功率总线上的负荷；负荷分析单元106用于通过接口单元105接收电压采集模块102采集的电压数据和采集配电线路的三相103的电流数据，并进行处理，将处理的结果通过板间通信总线111传送至通信单元107。

负荷分析单元106包括电压电流采集模块、负荷分析CPU、RJ45端口和采集端子，负荷分析CPU分别与电压电流采集模块、电压采集总线110及板间通信总线111连接，电压电流采集模块分别与RJ45端口和采集端子连接，电压电流采集模块通过采集端子与配电线路的三相103的功率总线连接；电压电流采集模块采用的型号为MAX125ACAX(如图6所示)，负荷分析CPU采用的型号为TMCS320VC5509PGE；电压电流采集模块支持6个通道(即：3个通道电流，3个通道电压)模拟量采集，采集的数据经电压电流采集模块的高精度计量芯片转换为有效值数据，通过电压电流采集模块传输到负荷分析CPU中。如图5所示，负荷分析CPU搭配供电电源(如图7所示)、时钟(图5右上角的两个回路)、数据存储(如图8所示)等外围电路，通过在负荷分析CPU内嵌非侵入式核心算法，实现负荷识别、分项计量、数据加密、远程维护等功能。本实施例的负荷分析单元106为长方体，电压电流采集模块、负荷分析CPU集成在长方体中，该长方体的一端固定连接RJ45端口和采集端子，长方体相对的另一端固定连接接口单元105。

当负荷分析单元106作为多路装置的一个模块配合整体装置运行时，实时电压采样数据由总线单元104通过板间通信总线111传输到负荷分析单元106，同时，负荷分析单元106(电压电流采集模块)进行支路电流的实时采集，两种实时采集数据经过离散化同时进入负荷分析模块，得到结果数据，最终通过板间负荷分析单元106传输到通信单元107进行数据汇总和上传到主站。

当负荷分析单元106作为单独的一个装置运行时，通过负荷分析单元106自带的采集回路(电压电流采集模块)直接采集电压、电流值，经过负荷分析模块得到结果数据，并通过独立网络的通信接口直接上传到主站。

另外，每个负荷分析单元106同时支持高频负荷直接采集方式和非侵入式负荷分解方式，在实际应用时通过参数配置，能够按需切换采集方式。因此，模块化的负荷用电信息采集装置对运行特性复杂且单独配线的负荷采用直接采集的方式，对功率总线上有较多负荷的情况则采用非侵入式负荷分解方式，将两种方式结合，发挥了两种方式的优势。

如图3所示，接口单元105为兼容9线制或15线制的接口。其中，本实施例采用的接口单元105采用9线制接口，接口的类型分为三类，第一类为电压传输接口，用于高速并行数据总线(电压采集总线110)完成总线单元104和负荷分析单元106之间的电压采样值的传输；第二类为通信数据接口，用于高速串行SPI总线(板间通信总线111)完成负荷分析单元106和通信单元107之间的高速通信数据的双向交互；第三类为电源接口，用于隔离和去耦元件保证电源纯净和可靠性。

如图4和图9所示，通信单元107包括：通信CPU、RJ45模块、4G模块(如图11)、SIM卡接口(如图10)、第二电源模块、时钟模块、存储模块(如图13)及看门狗模块(如图12)；RJ45模块、4G模块、第二电源模块、时钟模块、存储模块及看门狗模块分别与通信CPU连接，SIM卡接口与4G模块连接。通信单元107通过接口单元105与板间通信总线111连接，板间通信总线111将负荷分析单元106的负荷用电信息结果数据传输到通信单元107，通信单元107按照时序和通信协议要求，将多个负荷分析单元106的结果数据统一封包、加密，并通过有线网络或4G网络上传到主站。本实施例的通信单元107为长方体，通信CPU、4G模块、第二电源模块、时钟模块、存储模块、及看门狗模块集成在长方体中，长方体的一端固定连接RJ45端口和SIM卡接口，该长方体的另一端固定连接接口单元105。

总线单元104、接口单元105、负荷分析单元106及通信单元107集成在箱体中，总线单元104、负荷分析单元106及通信单元107的相应接口设置在箱体的正面，本实施例的箱体的长为240-260cm，宽为170-200cm，高为80-100cm，并不局限与实施例的尺寸，可以根据需要进行设置。在安装和维护方面，集成了非侵入式方法的总口安装方式，同时通信方面，每个负荷分析单元106通过板间通信总线111，稳定可靠的将所有单元的采集数据、分解数据全部通过通信单元107的通信接口(RJ45模块、4G模块)将数据上传到主站，模块化的负荷用电信息采集装置整体以模块化结构，将通信、接口、采集功能集成，避免了多个单独非侵入式装置集成安装时，引起安装空间、网络配置、数据转发的一系列问题。

对本发明模块化的负荷用电信息采集装置的操作方法进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：

本实施例采用4个负荷分析单元106结合通信单元107、总线单元104、接口单元105组成12条支路单相或者4条支路三相功率总线的多路采集装置。如图1为模块化的负荷用电信息采集装置的硬件原理架构图，该架构图展示了典型的多支路功率总线的负荷采集场景，该环境为某楼层功率总线配线图，其中楼层总线中分支出4支路功率总线，其中1支路三相功率总线，3支路单相功率总线。

步骤101、在楼层的功率总线处取电压等电位点与模块化的负荷用电信息采集装置的电压采样模块连接。

步骤102、通过电压采集模块102对配电线路的三相101的功率总线的电位电压点进行采集，同时第一电源模块108通过电源总线109取电为模块化的负荷用电信息采集装置提供电源。

步骤103、通过负荷分析单元106的采集端子对不同的总线支路进行电流采样。

步骤104、通过总线单元104将电压采集模块102采集的电压采样值通过电压采集总线110实时传输到接口单元105。

步骤105、通过接口单元105将电压采样值分别实时传输到不同负荷分析单元106，结合步骤103获得的实时电流值，共同计算功率、谐波等相关电器参数。

步骤106、根据电压、电流采样值计算非侵入式算法所需要的输入参数，同时启动非侵入式算法相关的软件，得到实时分项负荷用电信息，包括分项负荷电量及运行轨迹。同时，对于直接采集的独立负荷回路，利用采集结果计算电量并得到运行轨迹。

步骤107、将步骤106计算结果，通过板间通信总线111传输到通信单元107，通信单元107接收所有负荷分析单元106的结果数据后，统一通过通信接口上传到主站。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：包括：

总线单元，包括：电源总线、电压采集总线、板间通信总线、第一电源模块及电压采集模块；电源总线、电压采集总线及板间通信总线三条总线相互独立；所述第一电源模块分别与配电线路的三相功率总线和电源总线连接，所述电压采集模块分别与配电线路的三相功率总线和电压采集总线连接，所述电压采集模块采集配电线路的三相功率总线的电压数据；

负荷分析单元，每个所述负荷分析单元分别与所述配电线路的三相功率总线、电压采集总线及板间通信总线连接，用于通过电压采集总线接收所述电压数据和采集配电线路的三相功率总线的电流数据，并进行处理，处理结果通过板间通信总线进行传输；以及

通信单元，其与所述板间通信总线连接，用于通过所述板间通信总线接收所述处理结果，并传送至主站；

所述三条总线配有隔离和去耦元件；

每个所述负荷分析单元均能够进行内嵌非侵入式核心算法；模块化的负荷用电信息采集装置对运行特性复杂且单独配线的负荷采用直接采集的方式，对功率总线上多负荷的情况则采用非侵入式负荷分解方式；

当所述负荷分析单元作为多路装置的一个模块配合整体装置运行时，实时电压采样数据由总线单元通过板间通信总线传输到负荷分析单元，同时，负荷分析单元进行支路电流的实时采集，两种实时采集数据经过离散化同时进入负荷分析模块，得到结果数据，最终通过板间负荷分析单元传输到通信单元进行数据汇总和上传到主站；

当所述负荷分析单元作为单独的一个装置运行时，通过负荷分析单元自带的采集回路直接采集电压、电流值，经过负荷分析模块得到结果数据，并通过独立网络的通信接口直接上传到主站；

所述负荷分析单元最多能够采集和分析3条支路的单相或1条支路三相功率总线上的负荷。

2.根据权利要求1所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：三条所述总线均为单相总线，且数据正向传输。

3.根据权利要求1所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：还包括接口单元，三条所述总线均通过所述接口单元接入负荷分析单元、通信单元及第一电源模块。

4.根据权利要求3所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：所述接口单元为兼容9线制或15线制的接口。

5.根据权利要求1所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：所述通信单元包括：通信CPU、RJ45模块、4G模块、SIM卡接口、第二电源模块、时钟模块、存储模块及看门狗模块；所述RJ45模块、4G模块、第二电源模块、时钟模块、存储模块及看门狗模块分别与通信CPU连接，所述SIM卡接口与4G模块连接。

6.根据权利要求1所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：所述负荷分析单元包括相连接的电压电流采集模块和负荷分析CPU，所述电压电流采集模块与配电线路的三相功率总线连接，所述负荷分析CPU分别与电压采集总线及板间通信总线连接，所述负荷分析CPU用于将电压电流采集模块采集的数据和电压采集总线传送的电压数据进行处理，并通过板间通信总线传输。

7.根据权利要求6所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：所述电压电流采集模块支持6个采集通道。

8.根据权利要求1所述的模块化的负荷用电信息采集装置，其特征在于：采用4个所述负荷分析单元。

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