CN112486056B - 一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法，属于配电网自动化数据通信技术领域，该一种小区双电源运行方式检测装置包括电源电路、载波接口电路、窄带载波通讯模块、RS232通讯接口电路、RS485通讯接口电路、信息控制MCU电路、控制MCU的电源电路、通道指示电路和控制MCU下载运行模式选择电路等电路部分；本发明通过电容耦合的方式将信号耦合到110kV高压线内，避免了电子设备接入高压电时，容易烧毁设备的问题，同时也避免了给高压线带来安全隐患。采用载波方式进行信号传输，不改变原来的组网线路结构，采用现有的高架线作为通信媒介，降低了成本，操作简单方便，具有很高的推广价值。

Description

一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法

技术领域

本发明属于发明配电网自动化数据通信技术领域，具体涉及一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法。

背景技术

对于双电源供电小区的供电系统，由于两路电源来自不同的供电线路，可能会出现大量小区同时使用某一路线路供电，造成该供电线路具有较大的供电负荷压力，而另一路供电线路使用者较少，负荷量较低，这就造成了供电负荷不均衡。因此随时监控小区供电系统的运行线路以及该条线路的电压负荷情况就显得非常必要。及时了解各条运行线路上都有哪些用户，以及各用户的实际电压电量负荷情况，对于优化供电线路，合理调度各条线路之间的用电负荷都有着重要的意义。

信号的远距离传输，可分为有线传输和无线传输两种模式，采用无线方式无法对变压器的具体线路进行判断，需要对运行线路经过的所有开关状态进行采集，每个配电柜内网络均不同，开关众多，逻辑复杂，工作量大；有线方式当中的双绞线、光纤、地埋电缆方式都需要开挖路面进行线路铺设，工程量大，成本昂贵。10Kv高压线路为高电压、高电流、强磁场线路，带电情况下任何带电设备均不允许接入高压线内，常用的无线设备会因为强磁场的严重干扰而失去作用。

因此我们提供一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法，主要解决两方面的问题，其一是判断双电源是否存在倒电现象，即用户实际到底是运行在哪条线路上；其二是判断线路的电压电量负荷情况，即该运行线路上三相的电压负荷情况。装置的最终目的是为了监控所辖范围内的所有线路的实际供电情况，为供电部门合理调度用电量、优化电网供电结构提供依据。

发明内容

为了解决上述既要检测双电源的运行方式，查看各线路的运行状态及各线路的电量负荷等参数，又要降低成本，不对现有的运行网络及配电网自动化数据通信网络造成干扰的问题，本发明提供一种无需更改现有的网络通信方式，采用原有的架空电缆进行通信数据传输的方式，安装操作简单，成本较小的一种小区双电源运行方式检测装置及其工作方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种小区双电源运行方式检测装置，包括电源电路、载波接口电路、窄带载波通讯模块、RS232通讯接口电路、RS485通讯接口电路、信息控制MCU电路、控制MCU的电源电路、通道指示电路和控制MCU下载运行模式选择电路等电路部分。

作为本发明一种优选的方案，所述窄带载波通讯模块内部主要由数字板和模拟板组成，所述数字板主要是前端MCU部分，所述前端MCU主要完成信道的编译码、OFDM调制解调等物理层功能，以及控制物理层数据的收发、多址接入方式的选择、流量控制、快速组网策略等协议处理；所述模拟板部分主要功能是在模拟前端负责模拟信号的转换、信号滤波以及信号放大功能。

作为本发明一种优选的方案，所述小区双电源运行检测装置使用时采用信号感应法，所述信号感应法通过信号发生器采用DSP数字信号处理技术和FPGA大规模可编程逻辑器件，产生电流强度可调的高频交流信号，采用锁相环频率合成技术，将压控振荡器的VCO的输出频率锁定在所需的频率之上。

作为本发明一种优选的方案，所述信号发生器的输出端信号连接有多个信号接收器。

作为本发明一种优选的方案，多个所述信号接收器的输出端信号连接有高频信号发生器，所述高频信号发生器的输出端信号连接有信号接收装置，该信号接收装置同时采集I、II两路进入该小区的高压线路的信息，所述信号接收装置的输出端信号连接有云服务器端。

作为本发明一种优选的方案，所述信号接收器内还具有监控电压负荷模块和监控电量信息模块。

一种小区双电源运行方式检测装置的工作方法，分为信号发送模块和信号接收模块，所述MCU信号接收模块的主程序的工作方法包括如下步骤：

步骤一、工作开始，MCU初始化，各系统模块初始化；

步骤二、开各功能模块中断，信号发送模块定时发送带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，并持续监测接收模块的反馈信号，如果在一定时间内没有接收到接收模块的反馈信号，则认为信号没有发送成功，发送模块会重新进行信号发送；如果接收到反馈信号，经校验后信号正确，则进入步骤三；

步骤三、检测信号是由信号发送模块通过载波通信的方式发送的带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，接收模块对接收到的载波信号进行CRC校验，如果校验正确，则对信号进行下一步的解码，并还原显示出信号所携带的信息；

步骤四、先检测载波模块发送信号校验码是否正确，如果正确则解析信号信息，如果不正确，则返回所述步骤三重新接收信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在本发明中，在某一待监控的高压线源头一侧安装大功率的信号发生器，在小区内的变压器10Kv入口电缆处安装信号接收器，即一个信号发生器对应多个信号接收器。每个信号接收器可接受多路信号。在10Kv高压开关站一侧安装高频信号发生器，发出的信号里面包含线路名、站号等信息，信号通过电压电流感应互感器加载到高压线上；在小区配电室变压器10Kv入口侧安装信号接收装置，该信号装置通过接收端的电压电流互感器感应接收高压线里的信号信息；信号接收装置同时采集I、II两路进入该小区的高压线路的信息，当采集到I路的信号时，证明进入该小区的电源来自I线路，则装置上的I信号指示灯亮，同时将该小区的电源标记为I线路的名称，并通过无线信号发送至云服务器；同理，当装置采集到II线路的信号，则证明该小区使用的为II线路的电源，同样将信息发送至云服务器端。如果装置起初接收到I线路的信号，某一时间变为II线路的信号，则表示与该装置相连的母联开关发生了倒电现象。

2、载波信号调制解调原理，数字频率调制是基于调节器输入的数字信号调制方式。数字频率调制现对于数字相位调制在抗干扰方面要好得多。常见的频率调制方式有二进制频移键控（BFSK）、最小频移键控（MSK）、高斯滤波的最小频移键控（GMSK）等。本发明采用的是二进制频移键控（2FSK）的调制原理。由于频率选择法产生的2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（0→1 或1→0）时刻，2FSK 信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱；旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK 信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内；产生连续的二进制频移键控信号的方法是通过同一个振荡器产生一定频率的信号，再根据数据比特0 或1 经过二分频和四分频产生相应的信号，在这两个信号之间做通断切换。

3、系统采用RS-232串行总线、RS-485总线、中压载波线三种通信方式对外授时，接口资源丰富，可适用于大多数中低压环境，应用范围广泛；系统主程序主要用来对STM32单片机进行系统初始化工作，包括相关功能模块的工作模式选择，中断设置等；不断检测中断程序返回的中断标志，并根据这些中断标志做出相应的中断反应；通过电容耦合的方式将信号耦合到110kV高压线内，避免了电子设备接入高压电时，容易烧毁设备的问题，同时也避免了给高压线带来安全隐患。采用载波方式进行信号传输，不改变原来的组网线路结构，采用现有的高架线作为通信媒介，降低了成本，操作简单方便，具有很高的推广价值。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的一种小区双电源运行方式检测装置的外观示意图；

图2为本发明提供的一种小区双电源运行方式检测装置的结构示意图；

图3为本发明中的控制部分电路原理图；

图4为本发明中的载波通信部分电路原理图。

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。

实施例1

请参阅图1-4，本发明提供以下技术方案：

一种小区双电源运行方式检测装置，包括电源电路、载波接口电路、窄带载波通讯模块、RS232通讯接口电路、RS485通讯接口电路、信息控制MCU电路、控制MCU的电源电路、通道指示电路和控制MCU下载运行模式选择电路等电路部分。

在本发明具体的实施例中，在本套小区双电源运行检测装置采用信号感应法；信号发生器采用DSP数字信号处理技术和FPGA大规模可编程逻辑器件，产生电流强度可调的高频交流信号，采用锁相环频率合成技术，将压控振荡器的VCO的输出频率锁定在所需的频率之上，具有较好窄带跟踪性，信号发送稳定。通过主控芯片DSP和数模转换芯片相结合，使用七阶椭圆低通滤波器作为信号调理电路的总体硬件电路设计，软件上采用函数式生成函数波形数据和上位机采样生成任意波形数据，能够产生至少30 kHz的标准函数波形以及最高频率1kHz的复杂任意波形，信号接收器利用CT电流互感器接收到信号发生器发送的电流信号，利用DSP数字处理技术和模数转换信号，解析出信号内的报文信息，判断该电缆线的名称标号，在接收器上用信号指示灯显示出该线路的运行线路，同时还可以实时监测线路的电压负荷、电量等信息，通过433MHz无线通信发送至小区的集成网关，通过网关的4G信号发送至云服务器，用户可通过手机端或电脑等设备查看所监测区域的用户用电情况。

优选的，信号发送端中需要借助电流钳，将信号发生器产生的不同电流大小和频率的交流信号注入10Kv电缆内，依据电流的磁效应，变化的电流产生变化的磁场，再依据法拉第电磁感应定律，变化的磁场产生变化的电流。信号接收器通过感应触头，通过内部计算，判断出所在的线路信息。

具体的，信号发生器安装在某一待监控的高压线源头一侧，在小区内的变压器10Kv入口电缆处安装信号接收器，即一个信号发生器对应多个信号接收器。每个信号接收器可接受多路信号。例如对于双电源系统，信号接收器01接受到线路I的信号，系统处于正常状态，如果某一时间变为接收到线路II的信号，则表示与信号接收器01相连的母联开关发生了倒电现象。

具体的，在10Kv高压开关站一侧安装高频信号发生器，发出的信号里面包含线路名、站号等信息，信号通过电压电流感应互感器加载到高压线上；在小区配电室变压器10Kv入口侧安装信号接收装置，该信号装置通过接收端的电压电流互感器感应接收高压线里的信号信息。

优选的，信号接收装置同时采集I、II两路进入该小区的高压线路的信息，当采集到I路的信号时，证明进入该小区的电源来自I线路，则装置上的I信号指示灯亮，同时将该小区的电源标记为I线路的名称，并通过无线信号发送至云服务器；同理，当装置采集到II线路的信号，则证明该小区使用的为II线路的电源，同样将信息发送至云服务器端。如果装置起初接收到I线路的信号，某一时间变为II线路的信号，则表示与该装置相连的母联开关发生了倒电现象。

优选的，该信号接收器还具有监控电压负荷、电量等信息的功能，在小区总线的入口端和各变压器的入口端的A、B、C三相端皆安装信号接收器，随时监控各项的电量负荷情况，便于电量调度人员随时了解各个所辖小区内的电量使用情况，为电量的分配和调度提供依据。信号接收器具有无线传输功能，可将采集到的线路信息、电压负荷、电量、负荷率等等信息通过4G网络发送至云服务器，监控人员通过手机app或者电脑接收信息，用图形化的界面，随时查看被监控区域的线路和用电信息，同时也可以对信号发生器和信号接收器的地址、名称、代号等信息进行修改。信号发生器和信号接收器的信息都可以进行需要进行修改。

窄带载波通讯模块为设备的核心模块，它通过UART串口通讯与外部MCU的相连，将外部MCU的控制信息调制成可在电力线传输的载波信号，模块采用了具有自适应的功率放大器、增强型自适应模拟前端技术和可移动中技术，先进的数字信号处理技术和通用标准通信协议，能够在有强噪声干扰的中压配电线上实现稳定的数据传输。

窄带载波通讯模块内部主要由数字板和模拟板组成。数字板主要是前端MCU部分，主要完成信道的编译码、OFDM调制解调等物理层功能，以及控制物理层数据的收发、多址接入方式的选择、流量控制、快速组网策略等协议处理。模拟板部分主要功能是在模拟前端负责模拟信号的转换、信号滤波以及信号放大功能。

载波信号经过初步滤波进入模块后，首先经过AGC检波器和高通滤波器，选择出所需要频段的信号波形，经过LPC线性预测编码电路，将信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参数，并将其变换成数字代码进行传输。然后经过ADC转换电路，将模拟信号转换为MCU所能处理的数字信号。应用MCU接收到数字化的载波信号后，对其进行计算，完成完成信道的编译码、OFDM调制解调等功能，使其转化为标准的UART串口信号，供外部MCU或PC及其他设备读取。调制原理过程同理，应用MCU将外部MCU输入的信息发送至ADC转化电路，转化为模拟信号，LPC电路对信号进行译码，将收到的数字序列经变换恢复特征参量，再根据特征参量重建载波模拟信号，经发送单元发送至载波口，然后耦合到电力线上。

载波模块MCU控制部分主要负责需要发送具体信息的处理及状态显示部分的控制，包括发送接收具体编码内容，如变压器编号信息、双电源的电源进线编号信息、小区编码信息等，状态显示主要是控制装置的指示灯部分，接收到第一路电源线路发送的信号，红色指示灯亮，接收到第二路线路发送的信号，绿色指示灯亮。

本发明提供的一种小区双电源运行方式检测装置的工作方法，分为信号发送模块和信号接收模块，MCU信号接收模块的主程序的工作方法包括如下步骤：

步骤一、工作开始，MCU初始化，各系统模块初始化；

步骤二、开各功能模块中断，信号发送模块定时发送带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，并持续监测接收模块的反馈信号，如果在一定时间内没有接收到接收模块的反馈信号，则认为信号没有发送成功，发送模块会重新进行信号发送；如果接收到反馈信号，经校验后信号正确，则进入步骤三；

步骤三、检测信号是由信号发送模块通过载波通信的方式发送的带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，接收模块对接收到的载波信号进行CRC校验，如果校验正确，则对信号进行下一步的解码，并还原显示出信号所携带的信息；

步骤四、先检测载波模块发送信号校验码是否正确，如果正确则解析信号信息，如果不正确，则返回步骤三重新接收信息。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种小区双电源运行方式检测装置，其特征在于：包括电源电路、载波接口电路、窄带载波通讯模块、RS232通讯接口电路、RS485通讯接口电路、信息控制MCU电路、控制MCU的电源电路、通道指示电路和控制MCU下载运行模式选择电路，所述小区双电源运行方式检测装置使用时采用信号感应法，所述信号感应法通过信号发生器采用DSP数字信号处理技术和FPGA大规模可编程逻辑器件，产生电流强度可调的高频交流信号，采用锁相环频率合成技术，将压控振荡器的VCO的输出频率锁定在所需的频率之上，所述信号发生器的输出端信号连接有多个信号接收器，多个所述信号接收器的输出端信号连接有高频信号发生器，所述高频信号发生器的输出端信号连接有信号接收装置，该信号接收装置同时采集I、II两路进入该小区的高压线路的信息，所述信号接收装置的输出端信号连接有云服务器端；以及

该小区双电源运行方式检测装置在10Kv高压开关站一侧安装高频信号发生器，发出的信号里面包含线路名、站号信息，信号通过电压电流感应互感器加载到高压线上，在小区配电室变压器10Kv入口侧与信号接收装置信号连接，信号装置通过接收端的电压电流互感器感应接收高压线里的信号信息，所述信号接收装置同时采集I、II两路进入该小区的高压线路的信息，当采集到I路的信号时，证明进入该小区的电源来自I线路，则装置上的I信号指示灯亮，同时将该小区的电源标记为I线路的名称，并通过无线信号发送至云服务器，同理，当装置采集到II线路的信号，则证明该小区使用的为II线路的电源，同样将信息发送至云服务器端，如果装置起初接收到I线路的信号，某一时间变为II线路的信号，则表示与该装置相连的母联开关发生了倒电现象。

2.根据权利要求1所述的一种小区双电源运行方式检测装置，其特征在于：所述窄带载波通讯模块内部包括数字板和模拟板，所述数字板包括前端MCU部分，所述前端MCU包括完成信道的编译码、OFDM调制解调物理层功能，以及控制物理层数据的收发、多址接入方式的选择、流量控制、快速组网策略协议处理；所述模拟板部分包括在模拟前端负责模拟信号的转换、信号滤波以及信号放大功能。

3.根据权利要求2所述的一种小区双电源运行方式检测装置，其特征在于：所述信号接收器内还具有监控电压负荷模块和监控电量信息模块。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种小区双电源运行方式检测装置的工作方法，其特征在于：分为信号发送模块和信号接收模块，MCU信号接收模块的主程序的工作方法包括如下步骤：

步骤一、工作开始，MCU初始化，各系统模块初始化；

步骤二、开各功能模块中断，信号发送模块定时发送带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，并持续监测接收模块的反馈信号，如果在一定时间内没有接收到接收模块的反馈信号，则认为信号没有发送成功，发送模块会重新进行信号发送；如果接收到反馈信号，经校验后信号正确，则进入步骤三；

步骤三、检测信号是由信号发送模块通过载波通信的方式发送的带有小区变压器及所在运行线路信息的载波信号，接收模块对接收到的载波信号进行CRC校验，如果校验正确，则对信号进行下一步的解码，并还原显示出信号所携带的信息；

步骤四、先检测载波模块发送信号校验码是否正确，如果正确则解析信号信息，如果不正确，则返回所述步骤三重新接收信息。

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