CN111756112B - 一种智能低压配电变压器终端检测装置 - Google Patents

一种智能低压配电变压器终端检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明为一种智能低压配电变压器终端检测装置。该装置组成包括HMI人机界面、MCU、遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块、三相电输入端口和电源模块；该装置通过电源模块中的变压器隔离DC‑DC模块、电能计量模块、通信模块等模块的改进和应用，实现了低压配电变压器终端检测的功能，该装置还通过遥信模块中的光电耦合器，滤波电路和施密特触发器相结合组成的硬件防抖电路，解决了由于继电器触点老化、氧化造成继电器触点误抖动，提高了遥信信号的正确率。

Description

一种智能低压配电变压器终端检测装置
技术领域：
本发明涉及智能电网监控领域，特别是涉及一种低压配电变压器数字化检测智能终端。
背景技术：
配电变压器终端是配电自动化系统中负责采集配电变压器运行数据的装置。配电变压器的位置处于比较分散的状态，因此就导致其当前的状态信息无法及时获取到，配电变压器又长期处于过负荷的运行中，再加上配电变压器的负荷种类十分众多繁杂，这些都使得配电网电能的质量受到了极大的影响。配电变压器终端在配电自动化系统中的应用有助于进行电力需求侧的管理与控制，电力部门可通过它对远端现场实施管理与控制，在电力需求侧扮演着重要的角色。配电变压器终端主要是由数据采集，数据处理，数据通讯，既可以为上位机提供配电变压器运行状况的数据，也可作为下位机执行上主站下达的操作指令。
现有的配电变压器检测装置只对电气量进行了数据采集测量，并未检测变压器出现故障前变压器温度、油温以及电气量异常做及时上传，可提前检测并提前维修。在这种工作模式下，当发现电气量异常、保护动作时，配电变压器己经发生了故障，造成了非计划停电损失，目前检测装置采集测量的数据分析和精度不够，只是简单的电压电流有效值以及功率的展示。另外对变压器继电器开闭合状态量产生的遥信信号检测回路只做简单的光电隔离和软件上延时，未做硬件遥信信号的调理及硬件防抖电路设计，导致遥信误发和拒发问题。另外类似装置目前采用单一的通信方式。此种情况下制约了变压器终端检测装置大规模普及，不利于配电自动化的发展。
当前技术中，针对干扰和抖动信号对遥信信号的影响，是通过硬件加软件方式；硬件只使用光耦进行简单的光电隔离并不能真正的做到抗干扰和抖动，采用软件去抖滤波方法即采用延时法。延时法明显的缺点就是系统时间的延迟，在检测遥信信号时形成的SOE(事件顺序记录)将由于延时存在导致记录不准确。
发明内容：
本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种智能低压配电变压器终端检测装置。该装置通过电源模块中的变压器隔离DC-DC模块、电能计量模块、遥信模块等模块的改进和应用，实现了低压配电变压器终端检测的功能，该装置还通过遥信模块中的光电耦合器，滤波电路和施密特触发器相结合组成的硬件防抖电路，解决了由于继电器触点老化、氧化造成继电器触点误抖动，提高了遥信信号的正确率；
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的:
一种低压配电变压器终端检测装置，该装置组成包括HMI人机界面、MCU、遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块、三相电输入端口和电源模块；其中，HMI人机界面和MCU相连，MCU分别和遥信模块、遥控模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块相连；电源模块与三相电输入端口相连，电源模块再分别与遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块和MCU相连；三相电输入端口还和电能计量模块相连；
所述的为电源模块所示包括选通器、AC-DC模块、DC-DC模块和变压器隔离DC-DC模块；其中选通器、AC-DC模块和DC-DC模块依次相连，AC-DC模块输出再与变压器隔离DC-DC模块连接；
选通器由三路继电器组成；
所述的变压器隔离DC-DC模块的电路组成包括：UC2845PWM控制芯片U7，一个反并联二极管DTO1，两个二极管DT2、DT4，一个MOSFET Q1，一个1:1隔离变压器T1A，4个电容C9、C10(104)、C11(104)、C13(103)，1个电解电容E1，6个电阻R22、R23、R24(7.5R)、R25(10K)、R26(10K)、R27(750R)；具体连接为：控制芯片U7的1引脚与反并联二极管DTO1的1引脚相连，二极管DTO1的3引脚分别与电阻R23、电容C11相连，电阻R23的另一端分别与二极管DTO1的2引脚、电容C10相连，电容C10的另一端和电容C11的另一端相连并与地相连；二极管DTO1的2引脚再与控制芯片U7的8引脚相连，8引脚经过电阻R27与芯片U7的4引脚相连，4引脚经过电容C13与地相连；芯片U7的3引脚经过电阻R26与地相连；芯片U7的2引脚与地相连；控制芯片U7的6引脚经过电阻R24与MOSFET Q1的栅极相连，Q1的栅极再经过R25与地相连，Q1的源级与地相连，MOSFET Q1的漏级分别与二极管DT4和隔离变压器T1A的2引脚相连，二极管DT4的另一端分别与电阻R22、电容C9相连，电阻R22、电容C9的另一端和隔离变压器T1A的4引脚连接至24V；变压器T1A的副边7引脚与地相连，6引脚经过二极管DT2与电解电容E1连接，电解电容E1的另一端与地相连；二极管DT2的另一端产生隔离电压24VQ；
所述的遥信模块包括4路信号采集电路、施密特触发器SN1A和集成或门U6A；4路信号采集电路的输出分别连接至施密特触发器SN1A，SN1A的四路输出分别连接至MCU的GPIO引脚和集成或门U6A，或门U6A的两路输出连接至MCU的外部中断；每路信号采集电路包括8个电阻R17(2K)、R18(510R)、R20(10K)、R21、R53(15K)、R54(15K)、R55(15K)、R56(2K)，3个电容C18(201)、C19(101)、C20，一个运放U11A和一个光耦U5；遥信信号经过电阻R18与光耦U5的1引脚相连，光耦U5的1引脚经过R20与U5的2引脚相连，U5的2引脚再经过电阻R21与地相连；U5的3引脚直接与地相连，U5的4引脚经过电阻R17与3.3V相连；4引脚依次经过电阻R54、电阻R55与运放U11A的负端相连，R54的另一端再经过电容C19与地相连，U11A的正端直接与地相连；U11A的输出分别与电阻R53、电容C18相连；R53的另一端与C19相连，C18的另一端与运放U11A的负端相连；U11A的输出再经过电阻R56与施密特触发器特性的反相器SN1A的端口相连，端口再经过电容C20与地相连；反相器SN1A的输出Y1、Y2端分别和或门U6A的1、2引脚相连，Y端输出的遥信信号连接至MCU，或门U6A的输出引脚3连接至MCU外部中断。
所述的电能计量模块包括电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11和AD7616芯片，电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11分别和AD7616芯片相连；
电压采集调理电路U10包括：14个电阻R28、R29(3K)、R30(30K)、R31(30K)、R32(30K)、R33(30K)、R34(30K)、R35(2.5K)、R36(10K)、R37(2.5K)、R38(10K)、R39、R40(3K)、R41、R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63，电流型电压互感器T2(ZMPT107)、电压霍尔传感器H2(LV25-P),运算放大器U8A,电容CY1、CY2、C2、C6、C12、C21、C22、C23、C24；其中，三相电输入端口的A相依次经过电阻R30、R31、R32、R33、R34与电压互感器T2的1脚相连，电压互感器T2的2脚与220市电的零线N直接相连，T2的3脚分别与电阻R28、R35相连，R35的另一端经过电子R37与T2的4脚相连，R35的另一端和电阻R37相连再与地连接；R28的另一端分别与电阻R36、电容CY1相连；电容CY1的另一端分别与地和电容CY2相连，T2的4脚经过电阻R41分别与电容CY2、电阻R38连接；电阻R36的另一端直接与运算放大器U8A的负端相连；电阻R38的另一端直接与运算放大器U8A的正端相连；U8A的输出分别连接电阻R29、电容C2，R29和C2的另一端都与U8A的负端相连；运算放大器U8A的正端分别与电阻R40、电容C12连接，R40和C12的另一端与地连接；U8A的输出经过电阻R39连接到AD7616芯片；电阻R39的另一端经过电容C6与地相连；电阻R34另一端再与电压霍尔互感器H2的1脚相连，H2的2脚再与220市电的零线N直接相连，H2的M脚经过电阻R57、R60直接与运算放大器U12A的负端相连；H2的M脚再经过电阻R58与地连接；R57的另一端经过电容C21与地连接；运算放大器U12A的正端分别与电阻R61、电阻R63、电容C24连接，R61、R63、C24并联后，另一端再与地连接；U12A的输出分别连接电阻R59、电容C22，R59和C22的另一端都与U12A的负端相连；U12A的输出经过电阻R62连接到AD7616芯片；电阻R62的另一端经过电容C23与地相连；
所述的电能计量模块的电流采集调理电路U11包括：电流互感器H1(ZMCT103)、9个电阻R42、R43(3K)、R44(1K)、R45(10K)、R46(1K)、R47(10K)、R48、R49、R50(10K)；电容CY3、CY4、C14、C15、C16,运算放大器U9A；其中，电流互感器H1的1引脚分别与电阻R44、R42连接，R44的另一端经过电阻R46与电流互感器H1的2引脚相连，R44的另一端和R46连接后再与地连接；R42的另一端分别连接电容CY3和电阻R45；电容CY3的另一端分别与地和电容CY4相连；H1的2引脚经过电阻R49分别与电容CY4、电阻R47相连；电阻R45的另一端直接与运算放大器U9A的负端相连，运算放大器U9A的输出分别连接电阻R43、电容C14；R43、C14的另一端都与U9A的负端相连，电阻R47的另一端直接与运算放大器U9A的正端相连，U9A的正端分别经过电容C16、R50连接至地；U9A的输出经过电阻R48连接到AD7616芯片；电阻R48的另一端经过电容C15与地相连。
本发明的实质性特点为：
本发明的主要针对电源模块中的变压器隔离DC-DC模块、电能计量模块和遥信模块进行了改进，其中，遥信模块增加了遥信信号调理和硬件防抖电路；变压器隔离DC-DC模块设计了产生隔离电压的电路，为系统提供隔离电压；电能计量模块使用电压、电流互感器及其调理电路和外置AD7616芯片所组成的电能计量模块和新的软件计算方法实现功能。
本发明的有益效果：
装置功能上实现了CAN、RS485、无线通信、以太网和4G DTU通信，多种通信方式增加了装置的通信能力，从而满足了用户的多样化需求和冗错能力。
装置实现了多路智能电表耗电量脉冲输出捕获能力，可检测多台电表耗电情况。
装置工作时HMI人机界面具有触屏功能，可增加装置的友好性和操作性。
本装置的隔离DC-DC模块产生24V隔离电压是通过定频、定占空比的PWM控制芯片控制MOSFET和1:1变压器方式实现的。该方式产生的隔离电压方式结构简单，输出电压稳定，有效的降低了装置所需的隔离电压开发的难度和系统成本。
本装置的遥信模块实现电路中，通过使用光耦、滤波器、施密特触发器的方式有效减少外部干扰和触点抖动造成的误报错报，提高装置的抗干扰能力和正确率。通过使用或门电路，用外部中的方式检测连接MCU的遥信信号状态，从而减少MCU程序轮询检测各个GPIO的状态所用时间。提高系统实时性。
本装置由于采用环境温湿度、变压器油温和变压器油液位的多种检测传感器，全面的检测、监控变压器的运行状态，具有异常时报警上传故障信息供主站，显著提高变压器的寿命和降低变压器故障和配电区域停电率。变压器油温检测采用PT100温度传感器，温度检测时为增加输入到PT100电压的稳定性提高采集温度的精度，使用可控精密稳压源TLP521稳定电压。温度传感器采用三线制和稳定输入电压相结合的方式提高了装置检测的精度。
在测量配电变压器低压侧的电能、计算有功功率、无功功率、频谱分析等数据时，通过电压电流互感器和调理电路以及AD7616模块，实现对电压电流的同步采样，提高了由于AD测量误差造成功率计算错误，独立的高速AD模块可有效避免采样过程的频谱混叠，灵活的实现对采集到的电网数据进行分析计算。该终端能将所需的分析数据如实的保存到存储器中，需要时可以将保存的数据准确的读取出来或显示在HMI人机界面上。
本发明装置用于解决当前配电变压器的保护、监测、协调控制和配电地区自动化程度低、运行状况无法远程监测的问题；装置同时具备多种通讯功能，可以通过通信模块将运行和分析数据传送给上一级。良好的保护和隔离使该装置能适应不同地理位置和恶劣现场环境，因此保证了装置工作的可靠性和稳定性。采用高性能MCU使系统集成度更高在一定程度上缩小了体积小。
附图说明：
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
图1是本发明装置系统功能结构图。
图2是电源模块结构示意图。
图3是传感器采集模块结构示意图。
图4是时间脉冲测定模块结构示意图。
图5是电源模块中变压器隔离DC-DC模块电路结构示意图。
图6是遥控模块结构示意图。
图7是遥信模块结构示意图。
图8是传感器采集模块中变压器油温检测模块电路结构示意图。
图9是电能计量模块的电压采集调理电路结构示意图。
图10是电能计量模块的电流采集调理电路结构示意图。
具体实施方法:
本发明参照附图详细说明如下，但仅作说明而不是限制本发明。
本发明为低压配电变压器终端检测装置，实现控制继电器投切的遥控功能、和继电开闭合的状态信号检测的遥信功能。并通过MCU自带脉冲捕获功能计算智能电表电能。还通过电压电流互感器和调理电路以及AD7616模块，实现对电压电流的同步采样，可分析计算电能数据。对变压器运行状态和电网电能实时监控，并上传主站。
该装置组成如图1所示包括HMI人机界面、MCU、遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块、三相电输入端口和电源模块；其中，HMI人机界面和MCU相连，MCU分别和遥信模块、遥控模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块相连；电源模块与三相电输入端口相连，电源模块再分别与遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块和MCU相连；三相电输入端口还和电能计量模块相连。
本装置使用的MCU是STM32F429IGT6芯片。
为装置提供电能的电源模块如图2所示包括选通器、AC-DC模块、DC-DC模块和变压器隔离DC-DC模块；其中选通器、AC-DC模块和DC-DC模块依次相连，AC-DC模块输出再与变压器隔离DC-DC模块连接；DC-DC模块产生3.3V、5V、±12V、24V非隔离电压，变压器隔离DC-DC模块产生隔离电压24VQ。
选通器由三路继电器组成，可选择A、B、C任一路为电源模块提供电能。
所述的AC-DC模块、DC-DC模块均为公知器件，其中，DC-DC模块产生3.3V、5V、±12V、24V非隔离电压，所用芯片为LM1117、XL4005、MAX765，24V直接由AC-DC模块产生。
所述的变压器隔离DC-DC模块的电路组成如图5所示，包括：UC2845PWM控制芯片U7，一个反并联二极管DTO1，两个二极管DT2、DT4，一个MOSFET Q1，一个1:1隔离变压器T1A，4个电容C9、C10(104)、C11(104)、C13(103)，1个电解电容E1，6个电阻R22、R23、R24(7.5R)、R25(10K)、R26(10K)、R27(750R)；具体连接为：控制芯片U7的1引脚与反并联二极管DTO1的1引脚相连，二极管DTO1的3引脚分别与电阻R23、电容C11相连，电阻R23的另一端分别与二极管DTO1的2引脚、电容C10相连，电容C10的另一端和电容C11的另一端相连并与地相连；二极管DTO1的2引脚再与控制芯片U7的8引脚相连，8引脚经过电阻R27与芯片U7的4引脚相连，4引脚经过电容C13与地相连；芯片U7的3引脚经过电阻R26与地相连；芯片U7的2引脚与地相连；控制芯片U7的6引脚经过电阻R24与MOSFET Q1的栅极相连，Q1的栅极再经过R25与地相连，Q1的源级与地相连，MOSFET Q1的漏级分别与二极管DT4和隔离变压器T1A的2引脚相连，二极管DT4的另一端分别与电阻R22、电容C9相连，电阻R22、电容C9的另一端和隔离变压器T1A的4引脚连接至24V；变压器T1A的副边7引脚与地相连，6引脚经过二极管DT2与电解电容E1连接，电解电容E1的另一端与地相连；二极管DT2的另一端产生隔离电压24VQ。
图5所示变压器隔离DC-DC模块为装置提供隔离电压，对UC2845芯片U7的外围电路和控制方法上进行了改进，具体的：变压器隔离DC-DC产生隔离电压的控制方法为：PWM发生模块由UC2845芯片U7的6引脚产生，产生定占空比和定频率的PWM方波去控制MOSFET Q1导通闭合。隔离变压器原边通过方波控制的MOS管导通闭合从而在隔离变压器副边产生隔离电压。U7的外围电路由R23、R26、R27、C10、C11、C13和二极管DTO1如图5连接。这样简化了芯片的设计，在控制方式上产生隔离电压降低了装置所需的隔离电压开发的难度和系统成本。二极管DT4、电阻22、C9组成缓冲电路降低MOSFET Q1在闭合瞬间对Q1的冲击,变压器4和6引脚为同名端,变压器的副边经过二极管DT2电容E1稳压产生24VQ隔离电压。
所述的遥信模块结构示意图如图7所示。包括虚框所示的4路信号采集电路、施密特触发器SN1A和集成或门U6A；4路信号采集电路的输出分别连接至施密特触发器SN1A，SN1A的四路输出分别连接至MCU的GPIO引脚和集成或门U6A，或门U6A的两路输出连接至MCU的外部中断；下面以第二路为例说明本装置对遥信信号调理和硬件防抖电路做出的改进。信号采集电路的第二路包括8个电阻R17(2K)、R18(510R)、R20(10K)、R21、R53(15K)、R54(15K)、R55(15K)、R56(2K)，3个电容C18(201)、C19(101)、C20，一个运放U11A和一个光耦U5；遥信信号经过电阻R18与光耦U5的1引脚相连，光耦U5的1引脚经过R20与U5的2引脚相连，U5的2引脚再经过电阻R21与地相连；U5的3引脚直接与地相连，U5的4引脚经过电阻R17与3.3V相连；4引脚依次经过电阻R54、电阻R55与运放U11A的负端相连，R54的另一端再经过电容C19与地相连，U11A的正端直接与地相连；U11A的输出分别与电阻R53、电容C18相连；R53的另一端与C19相连，C18的另一端与运放U11A的负端相连；U11A的输出再经过电阻R56与施密特触发器特性的反相器SN1A的A2端口相连，A2端口再经过电容C20与地相连；反相器SN1A的输出Y1、Y2端分别和或门U6A的1、2引脚相连，Y端输出的遥信信号连接至MCU，或门U6A的输出引脚3连接至MCU外部中断。
图7所示遥信模块的工作原理：配电变压器继电器开闭合状态量产生的遥信信号经过限流电阻R18、R20、R21，光耦导通，光耦可实现输入端与输出端完全实现了电气隔离，但外接输入的遥信信号依然有高频干扰信号，本装置使用的遥信信号调理电路由电阻R53、R54、R55、R56，电容C18、C19、C20和运算放大器U11A组成的有源巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器电路组成简便便于实现且通频带的频率响应曲线平滑有效衰减高频信号。光耦的输出经过遥信信号调理滤波后连接施密特触发器特性的反相器SN1A。该装置的硬件防抖电路由反相器SN1A组成。因为施密特触发器特性是当输入电压高于正向阈值电压，输出为低；当输入电压低于负向阈值电压，输出为高；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变。只有当输入电压发生足够大的变化时，输出才会变化。利用此特性当遥信信号由于外部信号干扰造成的抖动将被屏蔽掉。
经过光电隔离和滤波后的遥信信号连接至SN1A，SN1A的输出连接至MCU和或门U6A，或门U6A的输出当为高电平产生外部中断，在中断函数中处理连接到MCU的GPIO引脚的状态并获取当前时间形成SOE。
电能计量模块包括电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11和AD7616芯片，电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11分别和AD7616芯片相连。
电压采集调理电路U10结构如图9所示。包括：14个电阻R28、R29(3K)、R30(30K)、R31(30K)、R32(30K)、R33(30K)、R34(30K)、R35(2.5K)、R36(10K)、R37(2.5K)、R38(10K)、R39、R40(3K)、R41、R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63，电流型电压互感器T2(ZMPT107)、电压霍尔传感器H2(LV25-P),运算放大器U8A,电容CY1、CY2、C2、C6、C12、C21、C22、C23、C24；其中，三相电输入端口的A相依次经过电阻R30、R31、R32、R33、R34与电压互感器T2的1脚相连，电压互感器T2的2脚与220市电的零线N直接相连，T2的3脚分别与电阻R28、R35相连，R35的另一端经过电子R37与T2的4脚相连，R35的另一端和电阻R37相连再与地连接；R28的另一端分别与电阻R36、电容CY1相连；电容CY1的另一端分别与地和电容CY2相连，T2的4脚经过电阻R41分别与电容CY2、电阻R38连接；电阻R36的另一端直接与运算放大器U8A的负端相连；电阻R38的另一端直接与运算放大器U8A的正端相连；U8A的输出分别连接电阻R29、电容C2，R29和C2的另一端都与U8A的负端相连；运算放大器U8A的正端分别与电阻R40、电容C12连接，R40和C12的另一端与地连接；U8A的输出经过电阻R39连接到AD7616芯片；电阻R39的另一端经过电容C6与地相连；电阻R34另一端再与电压霍尔互感器H2的1脚相连，H2的2脚再与220市电的零线N直接相连，H2的M脚经过电阻R57、R60直接与运算放大器U12A的负端相连；H2的M脚再经过电阻R58与地连接；R57的另一端经过电容C21与地连接；运算放大器U12A的正端分别与电阻R61、电阻R63、电容C24连接，R61、R63、C24并联后，另一端再与地连接；U12A的输出分别连接电阻R59、电容C22，R59和C22的另一端都与U12A的负端相连；U12A的输出经过电阻R62连接到AD7616芯片；电阻R62的另一端经过电容C23与地相连；
交流电压采集使用电流型电压互感器(ZMPT107 2mA:2mA),输入时满足
输出测T2的3、4引脚与电阻R35、R37并联，将电流信号转成电压信号。电阻R28、R41，电容CY1、CY2组成滤波电路，此连接方式为差分方式输出，再经过电阻R36、R38、R29、R40，电容C12、C2和运算放大器U8A组成差分放大电路，U8A的输出经过R39、C6组成的RC滤波后连接至AD7616芯片进行采样。同样的使用电压霍尔互感器H2，H2的M输出引脚，再经过电阻R60、R61、R59、R63，电容C22、C24和运算放大器U12A组成差分放大电路，U12A的输出经过R62、C23组成的RC滤波后连接至AD7616芯片进行采样。与电压互感器采集的电压值进行自校正。
所述的电能计量模块的电流采集调理电路U11结构如图10所示。包括：电流互感器H1(ZMCT103)、9个电阻R42、R43(3K)、R44(1K)、R45(10K)、R46(1K)、R47(10K)、R48、R49、R50(10K)；电容CY3、CY4、C14、C15、C16,运算放大器U9A；其中，电流互感器H1的1引脚分别与电阻R44、R42连接，R44的另一端经过电阻R46与电流互感器H1的2引脚相连，R44的另一端和R46连接后再与地连接；R42的另一端分别连接电容CY3和电阻R45；电容CY3的另一端分别与地和电容CY4相连；H1的2引脚经过电阻R49分别与电容CY4、电阻R47相连；电阻R45的另一端直接与运算放大器U9A的负端相连，运算放大器U9A的输出分别连接电阻R43、电容C14；R43、C14的另一端都与U9A的负端相连，电阻R47的另一端直接与运算放大器U9A的正端相连，U9A的正端分别经过电容C16、R50连接至地；U9A的输出经过电阻R48连接到AD7616芯片；电阻R48的另一端经过电容C15与地相连。
交流电流采集使用电流互感器。输出测H1的1、2引脚与电阻R44、R46并联，将电流信号转成电压信号。电阻R42、R49，电容CY3、CY4组成滤波电路，此连接方式为差分方式输出，再经过电阻R45、R47、R43、R50，电容C14、C16和运算放大器U9A组成差分放大电路，U9A的输出经过R48、C15组成的RC滤波后连接至AD7616芯片进行采样。
电能计量模块的工作原理：采用同步采样的AD7616芯片，对市电进行采样，常用的处理算法是FFT(快速傅里叶变换)，它是DFT(离散傅里叶变换)的优化算法，原理和DFT相同。
终端监测装置通过电能计量模块的电压、电流采集调理电路，同步的采集电压电流参数。具体过程为从电压、电流信号中每周期采样N点，采样得到的电压、电流序列分别为:
(1)电压序列u(n)(n＝1,2…,N-1)
(2)电流序列i(n)(n＝1,2…,N-1)
为了提高运算效率，电压序列作为实部和电流序列虚部各为一组实序列：
z(n)＝u(n)+ji(n)
将z(n)进行傅里叶变换可得Z(K)＝FFT[z(n)]，U(K)、I(K)的傅里叶变换可从Z(K)分解得到:
U(K)为电压序列u(n)的傅里叶变换，I(K)为电压序列i(n)的傅里叶变换。Z(K)为电压序列和电流序列组成的复数的傅里叶变换。在MCU中进行傅里叶变换后每一项Z(K)都表示一个频率，这样可进行电压电流的频谱分析。
U(K)和I(K)是电压电流经过傅里叶变换后的值，每一个值都是复数形式的。
电压电流的幅值公式为：
电压电流的相位角为：
其中Ur(k)、Ir(k)是K次傅里叶变换后电压电流的实部，Ui(k)、Ii(k)是K次傅里叶变换后电压电流的实部。
根据上文分析公式可得：
假设采样频率为FS,为了避免频谱泄露要求采样频率FS是基波频率的整数倍,傅里叶变换频率分辨率为
当K＝0为采样交流信号的直流分量，直流分量/>
当K≠0时：第K项对应的频率为
则采集到的电压时域函数为：
某一频率下的电流时域函数与电压计算类似：
同频率下电压电流相位差为:Φ＝ΦU(k)-ΦI(k)；
功率计算
1)电压有效值：
2)电流有效值：
3)视在功率：S＝UI
4)有功功率：P＝S*cosΦ
5)无功功率：Q＝S*sinΦ
这样在实际测量系统中AD7616芯片为同步采集，在MCU中可以通过离散傅立叶变换求得电压、电流信号的各次谐波幅值以及同次谐波电压、电流之间的相角等。由于离散傅立叶变换的计算量非常大该装置采用快速傅里叶计算并可得到相应的幅值、相位角、功率、谐波分析等衍生参数。
图3所示传感器采集模块包括环境温湿度检测模块、油位检测模块、变压器油温检测模块。环境温湿度检测模块、油位检测模块和变压器油温检测模块分别与MCU相连。工作原理为：环境温湿度检测模块其特征在于采用SHT31环境温湿度传感器通过I2C与MCU通信。油位检测模块采用投入式压力式液位传感器，液位传感器的变送器产生4-20mA标准电流信号在经过调理电路连接至MCU自带的ADC模块中采样。
变压器油温检测模块如图8所示，采用铂热电阻PT100，电路组成包括11个电阻R1、R2(3K)、R4、R5、R6(300K)、R7(5K)、R8(1K)、R10、R11(1K)、R14(300K)、R15(100R)，一个可控精密稳压源TLP521U1，三个电容C3、C4、C7，一个运算放大器U3A和铂热电阻PT100安装接口U4。5V经过电阻R1分别与TLP521U1的2引脚、电阻R2、R4、R5相连，电阻R2的另一端分别与U1的1引脚、电阻R7连接，U1的1引脚再经过电容C3和U1的3引脚与地相连。电阻R4的另一端分别与电阻R8和安装接口U4的1端口连接，电阻R5的另一端分别与电阻R15、R11连接，电阻R15的另一端与U4的2端口连接，U4的3端口与地连接。电阻R8的另一端直接与运算放大器U3A的负端相连，运算放大器U3A的输出分别连接电阻R6、电容C1。R6和C1的另一端都与U3A的负端相连，R11的另一端与U3A的正端连接。U3A的正端再分别经过电容C7、R14连接至地。U3A的输出经过电阻R10输出到MCU的ADC。电阻R10的另一端经过电容C4与地连。
变压器油温检测模块测温的工作原理是：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。电路采用TL431为电路提供稳定的电压，TL431的输出为Vout＝2.5(1+R2/R7)(V)。采用R4、R5、R15、PT100安装接口U4构成测量电桥(其中R4＝R5，R15为100Ω精密电阻)，当Pt100的电阻值和R15的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放U3A和电阻R8、R11、R6、R14、C7、C1组成差分放大电路，输出经过R10、C4组成RC滤波后信号直接送至MCU自带的ADC模块中采样。
遥控模块结构示意图如图6所示。模块的电路组成包括：两个三极管V1、V2、一个光耦U2、一个继电器K1、一个二极管DT1、5个电阻R3、R9、R12、R13、R16，一个电容C5。MCU的控制IO经过电阻R12与三极管V2的B端相连，三极管V2的B端经过电阻R16与地相连，三极管V2的E端直接与地相连，V2的C端与光耦U2的2引脚直接相连。光耦U2的1引脚经过电阻R3与电源模块输出3.3V相连；光耦U2的4引脚直接与隔离电压24VQ连接，光耦U2的3引脚经过电阻R9与三极管V1的B端相连。V1的B端分别与电阻R13、电容C5相连，电阻R13、电容C5的另一端与地相连，V1的E端直接与地相连。V1的C端分别与继电器K1的4引脚和二极管DT1相连，二极管DT1的另一端和继电器K1的3引脚相连再与隔离电压24VQ相连。继电器K1的1、2引脚分别作为遥控输出端口正负。
图6所示遥控模块的工作原理：本装置产生4路遥控信号，分别由MCU的4个GPIO控制，电路图相同。只叙述一路原理其他不再赘述。MCU的IO高低电平可控制三极管V2的导通闭合，光耦另一侧接入隔离电压24VQ实现电气隔离，当MCU的IO输出高电平，三极管V2的导通光耦隔离侧输出高电平，三极管V1导通，从而使继电器K1闭合，产生控制变压器继电器的信号。
时间脉冲测定模块结构图4所示。上拉电阻R51(3.3K)。脉冲信号经过R52(2K)、C17(104)组成的RC滤波电路输出到MCU的输入捕获单元。电能计量原理：DDZY395单相费控智能电表为例(1200imp/KWh)。每消耗一度电产生1200个脉冲。捕获1s±1ms的低电平脉冲并累加，即可得出消耗的电能。
存储模块使用SD卡和U盘等移动设备结合的方法，MCU内部自带的SDIO接口和SD卡传输数据，MCU支持USB HOST方式与U盘等移动设备通信传输存储数据。
通信模块包括无线通信和远程通信，无线通信采用NRF2401无线通信模块，无线通信模块采用SPI方式与MCU通信。远程通信采用以太网和4G DTU模块。以太网通信采用LAN8720芯片；4G DTU模块采用ATK-M750模块，该模块采用串口与MCU通信。
本发明涉及的软件或协议均为公知技术。
本发明提供了一种低压配电变压器终端检测装置。该装置能够对配电变压器的低压侧电气量、配电变压器的内部油温及油液位状态量进行采集，通过无线远程通信模块方式对配电变压器的采集数据进行传输。通过人机界面实现了作为上位机显示检测装置的运行状态又通过通信模块接收主站、地面维修人员下达命令。配电变压器继电器开闭合状态量产生的遥信信号使用光耦、有源巴特沃斯滤波器、施密特触发器的方式提高遥信信号准确率。本发明结合配电变压器的低压侧电气量及内部温度状态量信息对配电变压器的运行状态进行分析判断。预防由于配电变压器故障及非计划停电造成的经济损失。
本发明采用高性能STM32F429作为装置的MCU，低压侧负荷计算分析时需要快速傅里叶计算，计算结果再进行相应运算得出幅值、相位角、功率、谐波等衍生参数。MCU内部具有DSP指令集，以1024点的快速傅里叶变化在不使用DSP指令集时需要300ms,使用DSP指令集只需要0.6ms极大的提高了数据的运算能力。该装置采用开源的实时操作系FreeRTOS提高系统的实时性。高性能的MCU使用克服了类似装置由于MCU由于自身运算性能的问题而采用DSP+MCU方式从而降低了系统电路的空间和成本。本发明采用模块化设计为系统供电的电源模块、通信模块、电能计量模块都使用独立的PCB电路板，方便系统的调试与安装。
对智能低压配电变压器终端检测装置测试以下基本功能，主要包括遥信信号状态、遥信SOE分辨率、遥控执行、电能表电能脉冲捕获、24V隔离电压、通信功能、油温检测、电能计量模块测试模拟电压电流。
表1基本功能测试
序号 检验项目 检验要求 测试结果
1 遥信信号状态 遥信信号变化20次 全部正确
2 遥信SOE分辨率 ≤10ms 5ms
3 遥控执行 遥控执行继电器动作200次 全部执行
4 电能表电能脉冲捕获 捕获1000次负脉冲 全部捕获
5 24V隔离电压 电压纹波<5％ 2％
6 通信功能 以太网、CAN、RS485、4G DTU 通信功能正常
油温检测：
由于变压器油温变化大，采用一般的数字温度计无法满足要求，采用水银温度计和本装置采用的PT100做实验对比，其温度量程为0-100℃。在实验室通过热水壶将水加热，同时将水银温度计和PT100传感器放入其中，待水银温度计稳定后，记录水银温度计和PT100测得温度计。在相同条件连续记录4次，测试结果如表2所示。
表2油温检测
电能计量模块测试模拟电压电流：
使用STM32F4开发板中两路DAC模块，使用定时器和DMA模拟两路电压电流波形，使用电能计量模块中AD7616采集模拟电压电流信号。电压电流信号的频率为50HZ。幅值为0-3.3V。
表3-1模拟电压电流FFT(30°)
表3-2模拟电压电流FFT(45°)
从表1、表2的测试数据我们可以看出，本发明较好的解决了当前配电变压器的保护、监测、协调控制和配电地区自动化程度低、运行状况无法远程监测的问题；明显的提高了装置检测的精度，同时具备多种通讯功能，可以通过通信模块将运行和分析数据传送给上一级。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (3)

1.一种智能低压配电变压器终端检测装置，其特征为该装置组成包括HMI人机界面、MCU、遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块、三相电输入端口和电源模块；其中，HMI人机界面和MCU相连，MCU分别和遥信模块、遥控模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块相连；电源模块与三相电输入端口相连，电源模块再分别与遥控模块、遥信模块、存储模块、通信模块、传感器采集模块、时间脉冲测定模块、电能计量模块和MCU相连；三相电输入端口还和电能计量模块相连；
所述的电源模块所示包括选通器、AC-DC模块、DC-DC模块和变压器隔离DC-DC模块；其中选通器、AC-DC模块和DC-DC模块依次相连，AC-DC模块输出再与变压器隔离DC-DC模块连接；
所述的变压器隔离DC-DC模块的电路组成包括：UC2845 PWM控制芯片U7，一个反并联二极管DTO1，两个二极管DT2、DT4，一个MOSFET Q1，一个1:1隔离变压器T1A，4个电容C9、C10、C11、C13，1个电解电容E1，6个电阻R22、R23、R24、R25、R26、R27；具体连接为：控制芯片U7的1引脚与反并联二极管DTO1的1引脚相连，二极管DTO1的3引脚分别与电阻R23、电容C11相连，电阻R23的另一端分别与二极管DTO1的2引脚、电容C10相连，电容C10的另一端和电容C11的另一端相连并与地相连；二极管DTO1的2引脚再与控制芯片U7的8引脚相连，8引脚经过电阻R27与芯片U7的4引脚相连，4引脚经过电容C13与地相连；芯片U7的3引脚经过电阻R26与地相连；芯片U7的2引脚与地相连；控制芯片U7的6引脚经过电阻R24与MOSFET Q1的栅极相连，Q1的栅极再经过R25与地相连，Q1的源级与地相连，MOSFET Q1的漏级分别与二极管DT4和隔离变压器T1A的2引脚相连，二极管DT4的另一端分别与电阻R22、电容C9相连，电阻R22、电容C9的另一端和隔离变压器T1A的4引脚连接至24V；变压器T1A的副边7引脚与地相连，6引脚经过二极管DT2与电解电容E1连接，电解电容E1的另一端与地相连；二极管DT2的另一端产生隔离电压24VQ；
所述的电能计量模块包括电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11和AD7616芯片，电压采集调理电路U10、电流采集调理电路U11分别和AD7616芯片相连。
2.如权利要求1所述的智能低压配电变压器终端检测装置，其特征为电压采集调理电路U10包括：14个电阻R28、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63，电流型电压互感器T2、电压霍尔传感器H2,运算放大器U8A,电容CY1、CY2、C2、C6、C12、C21、C22、C23、C24；其中，三相电输入端口的A相依次经过电阻R30、R31、R32、R33、R34与电压互感器T2的1脚相连，电压互感器T2的2脚与220市电的零线N直接相连，T2的3脚分别与电阻R28、R35相连，R35的另一端经过电子R37与T2的4脚相连，R35的另一端和电阻R37相连再与地连接；R28的另一端分别与电阻R36、电容CY1相连；电容CY1的另一端分别与地和电容CY2相连，T2的4脚经过电阻R41分别与电容CY2、电阻R38连接；电阻R36的另一端直接与运算放大器U8A的负端相连；电阻R38的另一端直接与运算放大器U8A的正端相连；U8A的输出分别连接电阻R29、电容C2，R29和C2的另一端都与U8A的负端相连；运算放大器U8A的正端分别与电阻R40、电容C12连接，R40和C12的另一端与地连接；U8A的输出经过电阻R39连接到AD7616芯片；电阻R39的另一端经过电容C6与地相连；电阻R34另一端再与电压霍尔互感器H2的1脚相连，H2的2脚再与220市电的零线N直接相连，H2的M脚经过电阻R57、R60直接与运算放大器U12A的负端相连；H2的M脚再经过电阻R58与地连接；R57的另一端经过电容C21与地连接；运算放大器U12A的正端分别与电阻R61、电阻R63、电容C24连接， R61、R63、C24并联后，另一端再与地连接；U12A的输出分别连接电阻R59、电容C22，R59和C22的另一端都与U12A的负端相连； U12A的输出经过电阻R62连接到AD7616芯片；电阻R62的另一端经过电容C23与地相连；
所述的电能计量模块的电流采集调理电路U11包括：电流互感器H1、9个电阻R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50；电容CY3、CY4、C14、C15、C16,运算放大器U9A；其中，电流互感器H1的1引脚分别与电阻R44、R42连接，R44的另一端经过电阻R46与电流互感器H1的2引脚相连，R44的另一端和R46连接后再与地连接；R42的另一端分别连接电容CY3和电阻R45；电容CY3的另一端分别与地和电容CY4相连；H1的2引脚经过电阻R49分别与电容CY4、电阻R47相连；电阻R45的另一端直接与运算放大器U9A的负端相连，运算放大器U9A的输出分别连接电阻R43、电容C14；R43、C14的另一端都与U9A的负端相连，电阻R47的另一端直接与运算放大器U9A的正端相连，U9A的正端分别经过电容C16、R50连接至地；U9A的输出经过电阻R48连接到AD7616芯片；电阻R48的另一端经过电容C15与地相连。
3.如权利要求1所述的智能低压配电变压器终端检测装置，其特征为所述的遥信模块包括4路信号采集电路、施密特触发器SN1A和集成或门U6A；4路信号采集电路的输出分别连接至施密特触发器SN1A，SN1A的四路输出分别连接至MCU的GPIO引脚和集成或门U6A，或门U6A的两路输出连接至MCU的外部中断；每路信号采集电路包括8个电阻R17、R18、R20、R21、R53、R54、R55、R56，3个电容C18、C19、C20，一个运放U11A和一个光耦U5；遥信信号经过电阻R18与光耦U5的1引脚相连，光耦U5的1引脚经过R20与U5的2引脚相连，U5的2引脚再经过电阻R21与地相连；U5的3引脚直接与地相连，U5的4引脚经过电阻R17与3.3V相连；4引脚依次经过电阻R54、电阻R55与运放U11A的负端相连，R54的另一端再经过电容C19与地相连，U11A的正端直接与地相连；U11A的输出分别与电阻R53、电容C18相连；R53的另一端与C19相连，C18的另一端与运放U11A的负端相连；U11A的输出再经过电阻R56与施密特触发器特性的反相器SN1A的端口相连，端口再经过电容C20与地相连；反相器SN1A的输出Y1、Y2端分别和或门U6A的1、2引脚相连，Y端输出的遥信信号连接至MCU，或门U6A的输出引脚3连接至MCU外部中断。
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