CN111611755A - 一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法 - Google Patents

一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法 Download PDF

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张亚南
张东升
陶文磊
狄克松
董永波
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20Instruments transformers
    • H01F38/22Instruments transformers for single phase ac
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    • H01F38/22Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/28Current transformers
    • H01F38/32Circuit arrangements

Abstract

本发明公开了一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,主要包括以下步骤,步骤一,对PT采集模块取能方式进行低功耗设计;步骤二,对CT采集模块取能方式进行低功耗设计;步骤三,考虑到模块后续电路的功耗,同时保证采样精度的要求,对后续电路中的主要元器件MCU和射频芯片进行选型;步骤四,在保证正常工作的同时,软件上进行低功耗设计,以达到尽量降低整机功耗的效果,为了实现此效果,软件上的设计主要体现在模式切换、数据辅助更新、功能控制和低功耗保持四个方面。本发明通过将采集的两路线圈输出的电压、电流的幅值和相位上传到主站进行对比,判断是否存在用电异常,能够从根源上解决窃电问题。同时对智能互感器从软硬件两方面进行了低功耗设计,减小采集模块对互感器的影响,提高了互感器的性能。

Description

一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法
技术领域
本发明涉及配电网自动化系统领域,涉及一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法。
背景技术
近些年,窃电违法行为越来越严重,给国家造成巨大的经济损失,严重影响经济建设和社会的发展。并且随着科学技术的发展,目前的窃电作案手段正向隐蔽化、高科技化等方向发展,除了普通型窃电手法,即采取私拉乱接、无表用电等手段窃电以及比较原始的绕表窃电、私自开启电能表计量封印等窃电方法外,出现了诸多技术含量较高的新型窃电手段,如加装遥控装置短接电流互感器(Current Transformer,CT),二次回路出线进电表的电流回路,改变CT变比,更换互感器,改变铭牌。
2014年3月,国家电网公司营销部向中国电力科学研究院下达防窃电重点工作任务单,其中包括互感器二次回路防窃电技术。国家电网的下属单位国电南瑞针对此项任务做了大量的调研和研究工作,经过一年多的努力研制出了回路状态巡检仪,其可以对互感器二次侧的运行状态进行监测。回路巡检仪将填补计量体系中二次回路状态数据的空白,也会是继智能电能表,采集变终端后另一个有重要意义的装置。市场上针对互感器且具备防窃电功能的产品主要有回路状态巡检仪、高压电能表、电子式互感器,但是这些设备仍然存在着一些问题,回路巡检仪属于二次设备,可能会被人为更换掉,没有从根源上解决窃电的问题;高压电能表精度较低,可靠性较差,使用寿命较短,还会涉及到一二次设备融合的问题;电子式互感器测量精度较低,多数热稳定性较差,若是有源电子式互感器,当互感器的采集器和供电模块出现了一定的运行异常之后或者是检修更换的过程中,需要一次系统停电处理,长期大功率的激光供能会影响光器件的使用寿命。
近年来随着嵌入式技术的快速发展,嵌入式设备在人们的日程生活中应用的越来越广泛。而这些设备对系统功耗具有较高的要求,因为过高的系统功耗会导致很多的问题。对于电池供电的系统,如果功耗过大,设备运行时间过短,在现实中没有实际应用价值。对于用市电供电的设备,如果功耗太大,产生的热量过多,设备散热也是一个很大的问题,会影响设备的运行。这些传统的互感器都没有进行低功耗设计,导致采集模块对互感器影响比较大,影响互感器的性能。
而智能互感器是一个全新的产品,主要应用于10kV用户工程的高压计量,是对传统电磁式互感器的改进。智能互感器通过将采集的两路线圈输出的电压、电流的幅值和相位上传到主站进行对比,判断是否存在用电异常,能够从根源上解决窃电问题。同时对智能互感器从软硬件两方面进行了低功耗设计,提高了互感器的性能。
发明内容
本发明针对上述问题,克服现有技术的不足,提出一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,智能互感器是一种全新的产品,主要由通信终端、电压互感器(Potential Transformer,PT)采集模块和CT采集模块组成。在互感器内部嵌入采集模块,可以实现互感器一次侧和二次测电压、电流、相位差、频率、温度信息的实时采集,然后通过无线方式实时传送给通信终端,最终上传至主站。通过将采集的两路线圈输出的电压、电流的幅值和相位进行比对,判断是否存在用电异常,能够从根源上解决问题,测量精度高,可靠性好。同时对智能互感器进行低功耗工作方式的设计,降低功耗,减小采集模块对互感器的影响,提高智能互感器的性能。
本发明通过智能互感器内部嵌入智能模块,可以实现互感器一次侧和二次测电压、电流的实时采集、比对、无线传输功能,从而对互感器进行实时监测,同时对电流互感器和电压互感器采集模块的取能方式以及工作方式进行低功耗设计,保证采样精度的同时,降低功耗。
为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,包括以下步骤,
步骤一,对PT采集模块取能方式进行低功耗设计。
步骤二,对CT采集模块取能方式进行低功耗设计。
步骤三,考虑到模块后续电路的功耗,同时保证采样精度的要求,对后续电路中的主要元器件MCU和射频芯片进行选型。
步骤四,在保证正常工作的同时,软件上进行低功耗设计,以达到尽量降低整机功耗的效果。为了实现此效果,软件上的设计主要体现在模式切换、数据辅助更新、功能控制和低功耗保持四个方面。
步骤一中的对PT采集模块取能方式进行的低功耗设计为,在互感器内部嵌入一路线圈,用于取能,同时用这路线圈对电压进行采样。
步骤二中的对CT采集模块取能方式进行的低功耗设计为,在互感器内部嵌入三路线圈,其中一个为取能线圈,另外两个线圈为相同的线圈,其中一个经过模块二次侧采样通道接到互感器外作为二次侧输出,另一个接到模块的一次侧通道用于一次侧数据采样。
步骤三中的对后续主要元器件MCU和射频芯片的选型为,在保证精度的前提下,选取具有低功耗工作方式的MCU和射频芯片。
步骤四中的软件上的设计主要体现在模式切换、数据辅助更新、功能控制和低功耗保持四个方面分别为,模式切换时,MCU主要是在正常模式和软件待机模式之间切换,射频芯片需要在普通接收模式、LDC(Low Duty Cycle,Auto RX Wake-up)模式和发送模式之间切换。低功耗状态下,MCU工作在软件待机模式,射频芯片处于LDC接收模式。MCU在正常模式下执行WAIT指令就可以进入软件待机模式,WAIT指令为MCU自带的进入低功耗的指令接口。设计方案中采用外部管脚中断的唤醒方式。硬件上射频芯片有一个外部中断管脚,此外部中断管脚触发条件配置为:收到数据和发送完成,即当射频芯片收到通信终端的数据或者本机发送完成一包数据后,都拉低这个管脚,触发MCU外部管脚中断,结合MCU软件待机模式的唤醒方式,选择此管脚的外部中断信号作为唤醒MCU的方式。正常模式下,这个外部中断管脚的中断处理绑定到射频芯片的数据处理函数上,而唤醒后需要一个唤醒中断处理函数做一些处理工作,首先启动系统时钟模块,启动24位的DSAD,启动温度传感器,并重新绑定射频芯片数据处理到外部管脚中断上,所以在执行WAIT指令前,需要先解绑射频芯片数据处理函数,然后绑定唤醒中断处理函数。所以一旦向采集模块发送数据就会触发中断,然后执行唤醒中断处理函数,完成必要模块的开启后重新绑定中断处理到射频芯片数据处理上。正常模式下,调用进入软件待机模式接口,会先做进入软件待机模式前的准备工作,首先关闭系统时钟模块、24位的DSAD,停止交采通道数据采集,然后关闭温度传感器,解除绑定到中断处理上的射频芯片的数据处理函数,绑定中断到唤醒中断处理函数,最后执行WAIT指令进入软件待机模式。在软件待机模式下时,射频芯片收到数据就会拉低中断管脚触发MCU外部中断,唤醒MCU后需要重新打开进入软件待机前停止的模块,首先启动系统时钟模块,启动24位的DSAD,启动温度传感器,并重新绑定射频芯片数据处理到外部管脚中断上,因为触发了外部中断说明射频芯片收到数据,所以需要将收到的数据从射频芯片中读取出来,保证不遗漏数据。
数据辅助更新时,由于采集模块的低功耗工作方式采用被动唤醒方式,为保证数据的实效性,加入辅助更新技术,通信终端通过数据冻结报文唤醒采集模块,采集模块解析到冻结命令后,保持唤醒状态2s,在唤醒状态下,一切恢复正常运行状态,完成一次温度采集和交采数据处理,更新关键数据,2s后重新进入软件待机模式,以低功耗方式运行。
功能控制时,为方便本地维护,加入采集模块的低功耗手动开关功能,可以利用配套的PC本地维护软件,手动控制工作模式,同时加入对射频芯片接收模式的控制,方便软件维护。
低功耗保持时,当射频芯片收到数据模块会被唤醒,需要先对收到的数据进行过滤解析,判断是否为有效报文。对于无效报文,继续保持低功耗模式,对于有效报文,采集模块退出低功耗模式进入正常状态,任务完成后,会重新进入低功耗工作方式。
本发明的有益效果是:发明一种智能互感器及其低功耗工作方式设计方法,互感器内部嵌入采集模块,可以实现互感器一次侧和二次测电压、电流的实时采集、比对、无线上报功能,从而为状态检修提供数据支持、为窃电防控提供数据支撑,同时对其进行低功耗工作方式设计,降低功耗,减少采集模块对互感器的影响。
附图说明
图1为本发明电压互感器采集模块在电压互感器中的安装示意图。
图2为本发明电流互感器采集模块在电流互感器中的安装示意图。
图3为本发明模式切换流程示意图。
图4为本发明模式切换时进入软件待机模式前的准备工作流程示意图。
图5为本发明模式切换时唤醒后的处理工作流程示意图。
图6为本发明智能互感器及其低功耗工作方式的整体设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明,以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,包括以下步骤,
步骤一,对PT采集模块取能方式进行低功耗设计,如图1所示,在互感器内部嵌入一路线圈,用于取能,同时用这路线圈对电压进行采样。
步骤二,对CT采集模块取能方式进行低功耗设计,如图2所示,在互感器内部嵌入三路线圈,其中一个为取能线圈,另外两个线圈为相同的线圈,其中一个经过模块二次侧采样通道接到互感器外作为二次侧输出,另一个接到模块的一次侧通道用于一次侧数据采样。
步骤三,考虑到模块后续电路的功耗,同时保证采样精度的要求,对后续电路中的主要元器件MCU和射频芯片进行选型。MCU选择为瑞萨的RX21A,这款芯片除了24位的DSAD外,更重要的是具有需要的低功耗工作方式。根据数据手册中RX21A芯片的各种工作模式下外设的工作情况对照表,选择软件待机模式作为模块工作时的主要低功耗工作方式,经试验验证处于软件待机模式下的RX21A功耗为百微安培级别。无线通讯采用433MHz小无线,射频芯片选择为silicon lab的Si4460。采用Si4460提供的一种LDC工作模式,LDC工作方式下,处于待机模式的芯片会定时唤醒到普通接收模式扫描空中数据,保证数据的正常接收。可以配置唤醒周期WUT_Period和每个周期内的唤醒时间LDC,LDC、WUT_Period可以作为配置的LDC模式与正常接收模式的功耗比例。
步骤四,整机低功耗工作方式由MCU进行主导控制,射频芯片是MCU的一个SPI外设,MCU通过相应软件接口可以控制射频芯片的模式切换,保证正常数据通讯的同时保证采集模块的低功耗运行。模块上电,2s后会进入低功耗工作状态,当收到通信终端的数据冻结报文时会退出低功耗模式,定时2s后重新进入低功耗模式,在这两秒内会完成数据采样,保存待召测数据。当收到上层设备的数据召测报文后,返回最新的有效数据,从而保证在低功耗的工作方式下,进行正常的数据采样和与上层设备间的正常交互。
模式切换时,如图3所示,RX21A主要是在正常模式和软件待机模式之间切换,而Si4460需要在普通接收模式、LDC接收模式和发送模式之间切换。低功耗状态下,RX21A工作在软件待机模式,Si4460处于LDC接收模式。RX21A在正常模式下执行WAIT指令就可以进入软件待机模式,唤醒RX21A的方式采用外部管脚中断唤醒方式。硬件Si4460有一个外部中断管脚,这个外部中断管脚触发条件配置为:收到数据和发送完成,即当Si4460收到通信终端的数据或者本机发送完成一包数据后,都拉低这个管脚,触发RX21A外部管脚中断,结合RX21A软件待机模式的唤醒方式,所以选择此管脚的外部中断信号作为唤醒RX21A的方式。正常模式下,这个外部中断管脚的中断处理绑定到Si4460的数据处理函数上,而唤醒后需要另外一个中断处理函数lowPowerExitHandler做一些处理工作,如图5所示,所以在执行WAIT指令前,需要先解绑Si4460数据处理函数,然后绑定lowPowerExitHandler。所以一旦向采集模块发送数据就会触发中断,然后执行唤醒中断处理函数lowPowerExitHandler,完成必要模块的开启后重新绑定中断处理到Si4460数据处理上。正常模式下,调用enterStandByMode接口,会先做进入软件待机模式前的准备工作,如图4所示,首先关闭systick模块、24位的DSAD,停止交采通道数据采集,然后关闭温度传感器,解除绑定到中断处理上的Si4460的数据处理函数,绑定中断到lowPowerExitHandler,最后执行WAIT指令进入软件待机模式。在软件待机模式下时,Si4460收到数据就会拉低中断管脚触发RX21A外部中断,唤醒RX21A后需要重新打开进入软件待机前停止的模块,如图5所示,首先启动系统时钟模块,启动24位的DSAD,启动温度传感器,并重新绑定Si4460数据处理到外部管脚中断上,因为触发了外部中断说明射频芯片收到数据,所以需要将收到的数据从射频芯片中读取出来,保证不遗漏数据。
数据辅助更新时,由于采集模块的低功耗工作方式采用被动唤醒形式,为了保证数据的实效性,加入辅助更新技术。通信终端通过数据冻结报文唤醒采集模块,采集模块解析到冻结命令后,保持唤醒状态2s,在唤醒状态下,一切恢复正常运行状态,完成一次温度采集和交采数据处理,更新关键数据,2s后重新进入软件待机模式,以低功耗方式运行。
功能控制时,为方便本地维护,加入采集模块的低功耗手动开关功能,可以利用配套的PC本地维护软件,手动控制工作模式,同时加入对Si4460接受模式的控制,方便软件维护。
低功耗保持时,当Si4460收到数据模块会被唤醒,需要先对收到的数据进行过滤解析,判断是否为有效报文。当运行在软件待机模式下时,除了广播和本机地址报文,其他报文均为无效,对于无效报文会立马进入软件待机模式,从而保证低功耗状态的保持,对于有效报文进行相应的处理,任务完成后,就会自动重新进入低功耗工作方式。
综上所述,本发明一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其整体的设计流程如图6所示,互感器内部嵌入智能模块,可以实现互感器一次侧和二次测电压、电流的实时采集、比对、无线上报功能,从而为状态检修提供数据支持、为窃电防控提供数据支撑,同时也可以采集模块的环境温度,实现温度补偿和高温预警等功能,另外,此种互感器比较隐蔽,有档案信息,能够对互感器进行监控;对于采集模块的低功耗设计,能够保证在电流较低的情况下,采集模块也能够正常采集数据。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案,因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤一,对PT采集模块取能方式进行低功耗设计。
步骤二,对CT采集模块取能方式进行低功耗设计。
步骤三,考虑到模块后续电路的功耗,同时保证采样精度的要求,对后续电路中的主要元器件MCU和射频芯片进行选型。
步骤四,在保证正常工作的同时,软件上进行低功耗设计,以达到尽量降低整机功耗的效果。为了实现此效果,软件上的设计主要体现在模式切换、数据辅助更新、功能控制和低功耗保持四个方面。
2.根据权利要求1所述的一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其特征在于:步骤一中对PT采集模块取能方式进行低功耗设计为,在互感器内部嵌入一路线圈,用于取能,同时用这路线圈对电压进行采样。
3.根据权利要求1所述的一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其特征在于:步骤二中对CT采集模块取能方式进行低功耗设计为,在互感器内部嵌入三路线圈,其中一个为取能线圈,另外两个线圈为相同的线圈,其中一个经过模块二次侧采样通道接到互感器外作为二次侧输出,另一个接到模块的一次侧通道用于一次侧数据采样。
4.根据权利要求1所述的一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其特征在于:步骤三中对后续电路中的主要元器件MCU和射频芯片进行选型为,在保证精度的前提下,选取具有低功耗工作方式的MCU和射频芯片。
5.根据权利要求1所述的一种智能互感器及其低功耗工作方式的设计方法,其特征在于:步骤四中软件上的设计主要体现在模式切换、数据辅助更新、功能控制和低功耗保持四个方面分别为,模式切换时,正常模式下,调用进入软件待机模式接口,会先做进入软件待机模式前的准备工作,首先关闭系统时钟模块、24位的DSAD,停止交采通道数据采集,然后关闭温度传感器,解除绑定到中断处理上的射频芯片的数据处理函数,绑定中断到唤醒中断处理函数,最后执行WAIT指令进入软件待机模式。在软件待机模式下时,射频芯片收到数据就会拉低中断管脚触发MCU外部中断,唤醒MCU后需要重新打开进入软件待机前停止的模块,首先启动系统时钟模块,启动24位的DSAD,启动温度传感器,并重新绑定射频芯片数据处理到外部管脚中断上,因为触发了外部中断说明射频芯片收到数据,所以需要将收到的数据从射频芯片中读取出来,保证不遗漏数据。
数据辅助更新时,由于采集模块的低功耗工作方式采用被动唤醒方式,为保证数据的实效性,加入辅助更新技术,通信终端通过数据冻结报文唤醒采集模块,采集模块解析到冻结命令后,保持唤醒状态2s,在唤醒状态下,一切恢复正常运行状态,2s后重新进入软件待机模式,以低功耗方式运行。
功能控制时,为方便本地维护,加入采集模块的低功耗手动开关功能,可以利用配套的PC本地维护软件,手动控制工作模式,同时加入对射频芯片接收模式的控制,方便软件维护。低功耗保持时,当射频芯片收到数据时模块会被唤醒,需要先对收到的数据进行过滤解析,判断是否为有效报文。对于无效报文,继续保持低功耗模式,对于有效报文,采集模块退出低功耗模式进入正常状态,任务完成后,会重新进入低功耗工作方式。
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CN112152326A (zh) * 2020-09-23 2020-12-29 青岛鼎信通讯股份有限公司 一种10kV架空线路高压侧低功耗无源电流监测设备

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