CN113295945A - 一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统 - Google Patents

一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于，包括：电源模块、交流采集模块、MCU模块、输入模块、存储模块、告警指示模块、继电输出模块、GPRS模块和液晶模块，交流信号采集模块主要用于总负荷线路的电压、电流的信号接入，其电流信号主要通过主负荷回路的霍尔电流互感器输出到采集模块，电压信号则直接从主回路零火线引入到采集模块；本发明的有益效果：本系统基于电源模块、交流采集模块、MCU模块、输入模块、存储模块、告警指示模块、继电输出模块、GPRS模块和液晶模块，设计一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，以达到解决了原有的工程造价和安装实现上投入过多的设备和劳动力的问题。

Description

一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统
技术领域
本发明涉及配电监测领域，更具体地说，属于一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统。
背景技术
配电负荷监测系统是当前和未来电力系统突破地域、网域、时空限制最有效的管理和生产工具，是对电网配电设备实现最佳的配电网控制和信息管理的最佳解决手段，该系统可以实现对配电设备运行进行实时综合监测，解决了供电部门所关心的电网配电设备运行状况问题，为计算供电可靠性、供电质量等提供了最基本的资料，为配电网的改造、设备的增容提供了可靠的保证。
传统的非侵入式负荷监测配电系统，通过在总负荷线路端采集电压和电流信息，并通过子负荷特征计算法和比对来识别子负荷的投切，并对子负荷用电信息进行在监测，在一定程度上实现总负荷回路负载的精细化管理，但是在工程造价和安装实现上投入过多的设备和劳动力，因此需要为用户提供一种新的解决方案。
发明内容
针对现有应用及技术存在的不足，本发明提供了一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统。该系统能够很好地解决传统系统中投入过多的设备和劳动力等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，包括：电源模块、交流采集模块、MCU模块、输入模块、存储模块、告警指示模块、继电输出模块、GPRS 模块和液晶模块，交流信号采集模块主要用于总负荷线路的电压、电流的信号接入，其电流信号主要通过主负荷回路的霍尔电流互感器输出到采集模块，电压信号则直接从主回路零火线引入到采集模块；采集模块中有降压电路、板载电流互感器、滤波电路等，板载电流互感器将主回路霍尔电流互感器输出的转换电流，按一定的比例转换为小电流模拟信号，该小电流模拟信号经过线性转换变成微电压型号输入到MCU模块的模拟引脚；主负荷回路的电压则直接通过降压电路输入到MCU的模拟引脚。
进一步的，MCU模块是系统的核心部件，通过ADC控制器将交流采集模块的信号进行数字化，通过计算、分析、特征提取、负荷比对来实现总负荷电量的采集和子负荷的识别。
进一步的，MCU模块GPIO口之一经放大电路与继电开出模块中的继电器连接，继电器的触点可与主回路的分合开关连接，微处理器可发送设定的信号控制继电器的通断状态，进而控制主负荷回路通断状态。
进一步的，GPRS模块与MCU模块通过uart连接，MCU将电路状态参数如总负荷电流、电压、有功电能、无功电能，子负荷电流、电压、有功电能、无功电能，故障信息等数据通过uart发送至GPRS模块，再由其发送到远程控制终端或者通讯服务终端。
进一步的，存储模块中与MCU模块通过SPI串口通讯，MCU模块可从存储模块中读取子负荷特征信息、配置参数等，子负荷特征信息包括子负荷的电流、有功功率、无功功率、谐波电流等四个ID，配置参数包括但不限于过压阈值，欠压阈值，过流阈值，采样频率等，当MCU需要识别子负荷时，首先在总负荷电流、有功功率、无功功率、谐波电流中提取子负荷瞬时特征值，然后在读取存储模块中的特征信息进行比对，若满足要求，则表示负荷识别成功，若不满足要求，则记录为新的子负荷，将特征信息存放在存储模块中。
进一步的，告警指示模块中的LED指示灯的正极与MCU模块的GPIO口连接，负极接公共地，用于指示当前运行状态及其故障告警。
进一步的，液晶模块通过FSMC与MCU模块的连接，主要用于总负荷电量及其子负荷电量显示，另外还与按键输入模块一起可完成参数输入和查询。
进一步的，按键输入模块通过GPIO口与MCU模块连接，MCU通过检测按键来完成液晶模块显示控制，可方便实现与用户交互。
进一步的，电源模块可将AC220V转换为DC3.3V/5V，为液晶模块、MCU模块和继电开出模块、GPRS模块提供工作电源。
本发明的有益效果：
本发明通过一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统解决了原有的工程造价和安装实现上投入过多的设备和劳动力问题：
本系统基于电源模块、交流采集模块、MCU模块、输入模块、存储模块、告警指示模块、继电输出模块、GPRS模块和液晶模块，设计一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，以达到解决了原有的工程造价和安装实现上投入过多的设备和劳动力的问题。
(三)附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的技术流程图。
(四)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。
如附图1所示的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统通过MCU 强大和快速的数据处理能力来采集总负荷回路中的电压、电流、有功功率、无功功率、谐波电流等瞬态信息，并通过子负荷投入瞬间，总负荷回路的电参量变化信息来计算子负荷的特征量，然后通过MCU读取存储模块中的子负荷库的特征量ID信息，通过比对方法来确定负荷类型，从而实现子负荷识别和在线监测。
优选的，为了方便快速地实现负荷识别，首先需要建立子负荷特征库，子负荷特征库的数据主要包括了各种负荷的特征量ID，特征量包括电流、有功功率、功率因素、谐波电流；如照明用的LED其特征量ID为(CH1、I1、P1、Q1、 Ir1)，其中CH1代表照明LED类的子负荷，I1代表该负荷投入时额定电流特征值(有效值表示)，P1代表该负荷投入时额定有功功率，Q1代表该负荷投入额定无功功率，Ir1代表该负荷投入时谐波分量，Ir1由2-13次谐波分量组成。子负荷特征库的建立可通过两种方法实现，一种离线方法，一种是在线方法；离线方法主要通过子负荷出厂信息来确定，由于电气负荷在出厂过程中一般很少涉及谐波等信息，因此，在实际建库中可以通过测量子负荷谐波来确定子负荷谐波ID值；在线方法主要通过系统自动测量的方法来实现子负荷特征库建立，但必须保证系统挂载总负荷回路时，当启动建库后，总回路在同一时间有且只有单一类负荷投入，系统在测量到该单一负荷的特征量ID值后会通过MCU模块自动写入存储模块中，子负荷特征库的数据在存储模块中以矩阵形式存储：
CH1＝I1、P1、Q1、Ir1
CH2＝I2、P2、Q2、Ir2
CH3＝I3、P3、Q3、Ir3
………………………………
CHn＝In、Pn、Qn、Irn (1)
优选的，建立子负荷特征库后，MCU模块通过实时监测总负荷回路的电量变化信息来提取投入负荷的特征量的ID值。设T为周期时间窗，Tk时刻，MCU根据当前时刻前一周期间隔内的总负荷电压U、电流I瞬时值样本，以电压向量为参考，利用快速傅里叶算法可计算出Tk时刻总负荷电流有效值Ik,有功功率值 Pk,无功功率Qk,谐波值Irk，用状态标志FLAGk＝(Ik,Pk,Qk,Irk)来表示，其中 Ik和Irk为电流向量，其参考相位以电压为准，Pk,Qk为标量，Qk区分正负，负数表示容性负荷，正数表示感性负荷；同样在Tk+1，Tk+2，Tk+3等时刻用FLAGk+1＝(Ik+1,Pk+1,Qk+1,Irk+1)，FLAGk+2＝(Ik+2,Pk+2,Qk+2,Irk+2)， FLAGk+3＝(Ik+3,Pk+3,Qk+3,Irk+3)来表示，若假设在Tk+1时刻子负荷投入，并且经过一个周期间隔T在Tk+2时刻达到稳定状态，则子负荷的特征量ID值表示为如下：
CHx＝FLAGk+2-FLAGk+1
＝(Ik+2,Pk+2,Qk+2,Irk+2)-(Ik+1,Pk+1,Qk+1,Irk+1)
＝(ΔIk+1,ΔPk+1,ΔQk+1,ΔIrk+1) (2)
优选的，上式中ΔIk+1，ΔIrk+1表示电流向量之差，ΔPk+1,ΔQk+1,表示有功和无功标量之差，由于负荷投入前后线路电压几乎无变化，因此向量作差时以电压向量作为参考。
优选的，通常情况下，负荷投入时刻是随机的、不确定的，MCU在计算子负荷特征量ID过程中，需要准确计算出负荷投入时刻来能以此时间点来计算总负荷回路状态标志FLAG，由于在负荷投入瞬间，变化最明显的一般是负荷电流的变化，因此以负荷电流突变量和有功功率突变量来判断子负荷投入时刻，MCU模块中整个计算过程如下：
第一步：Tk时刻MCU模块通过读取电压和电流ADC采样通道值记录为样本 ik(Φ)uk(Φ)，为方便计算T的值通常为工频正弦波的整数周期，即最低可到20ms，ik(Φ)，uk(Φ)表示在T周期内，电压和电流采样样本，样本容量可根据MCU的ADC采样周期来确定；
第二步：MCU模块采用快速傅里叶算法来计算Tk时刻电压向量Uk、电流向量Ik，谐波向量Irk，并依据电压电流向量来计算有功功率值Pk,无功功率值Qk，将计算得到的值进行保存记为FLAGk＝(Ik,Pk,Qk,Irk)；
第三步：Tk+1时刻MCU重复计算第一步和第二步得到FLAGk+1＝(Ik+1, Pk+1,Qk+1,Irk+1)；
第四步：MCU计算Ik+1和Ik有效值之差Δ|Ik+1|＝|Ik+1|-|Ik|,并设定突变因子Ω，当满足：Δ|Ik+1|>Ω则认为有负荷投入继续进行第五步，若不满足则认为没有负荷投入则重复第一至四步；
第五步：MCU根据(2)式计算CHx值；
第六步：Tk+2时刻MCU重复计算Ik+2和Ik有效值之差Δ|Ik+2|＝|Ik+2|-|Ik|，若仍然满足Δ|Ik+2|>Ω，则CHx记为子负荷特征值，若不满足则认为是负荷波动，CHx不记为子负荷特征值，MCU继续从第一步计算；
MCU模块在获取到子负荷特征值后，接下来主要将此特征值用于比对子负荷特征库中的特征值ID，从而确定投入子负荷的类型：
第七步：MCU模块读取存储模块中的子负荷特征库ID值，并将计算的CHx 与子负荷特征库ID值进行比对，具体比对通过找到整数对(α1,α2,α3,…, αn),满足下式：
CHx＝α1 CH1+α2 CH2+α3 CH3+…+ αn CHn (3)
由于CH包含了电流特征值、有功特征值、无功特征值、谐波电流值等四个方面内容，其中电流特征值、有功特征值、无功特征值为单个量，谐波电流值包含多次谐波分量，将(1)和(2)代入(3)式，经过整理后可以得出方程组信息如下：
ΔIk+1＝α1 I1+α2 I2+α3 I3+…+ αn In (4)
ΔPk+1＝α1 P1+α2 P2+α3 P3+…+αn Pn (5)
ΔQk+1＝α1 Q1+α2 Q2+α3 Q3+…+αn Qn (6)
ΔIrk+1＝α1 Ir1+α2 Ir2+α3 Ir3+…+ αn Irn (7)
上述方程组中，第四项Ir中由于包含了多次谐波信息，当n大于4时由于方程组中未知量大于方程组个数，为方便计算，需要将Ir的谐波分量再拆开，增加方程组个数，由于Ir代表各次谐波电路含量，因此可以根据n值大小来灵活设置Ir中谐波分量比对个数，如当n取10时，表示子负荷特征库中有10种不同子负荷类型，此时紧紧依靠(4)、(5)、(6)三式难以计算出(α1,α2,α 3,…,αn)值，可将(7)式按2-8次谐波特征量来分解，可分解出另外七个方程式，从而可方便计算出(α1,α2,α3,…,αn)值。
若无法比对出满足要求(α1,α2,α3,…,αn)，则MCU将CHx记为新子负荷，并将特征值写入存储模块中，MCU重新到第一步运行。
若比对出满足要求的(α1,α2,α3,…,αn)，则MCU继续下一步。
第八步：MCU模块比对出子负荷特征信息后将子负荷运行信息存入存储模块，并通过GPRS模块将信息发送到用户端，控制液晶模块将子负荷信息显示出来， MCU重复进入第一步运行。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于，包括：电源模块、交流采集模块、MCU模块、输入模块、存储模块、告警指示模块、继电输出模块、GPRS模块和液晶模块，交流信号采集模块主要用于总负荷线路的电压、电流的信号接入，其电流信号主要通过主负荷回路的霍尔电流互感器输出到采集模块，电压信号则直接从主回路零火线引入到采集模块；
采集模块中有降压电路、板载电流互感器、滤波电路等，板载电流互感器将主回路霍尔电流互感器输出的转换电流，按一定的比例转换为小电流模拟信号，该小电流模拟信号经过线性转换变成微电压型号输入到MCU模块的模拟引脚；主负荷回路的电压则直接通过降压电路输入到MCU的模拟引脚。
2.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：MCU模块是系统的核心部件，通过ADC控制器将交流采集模块的信号进行数字化，通过计算、分析、特征提取、负荷比对来实现总负荷电量的采集和子负荷的识别。
3.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：MCU模块GPIO口之一经放大电路与继电开出模块中的继电器连接，继电器的触点可与主回路的分合开关连接，微处理器可发送设定的信号控制继电器的通断状态，进而控制主负荷回路通断状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：GPRS模块与MCU模块通过uart连接，MCU将电路状态参数如总负荷电流、电压、有功电能、无功电能，子负荷电流、电压、有功电能、无功电能，故障信息等数据通过uart发送至GPRS模块，再由其发送到远程控制终端或者通讯服务终端。
5.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：存储模块中与MCU模块通过SPI串口通讯，MCU模块可从存储模块中读取子负荷特征信息、配置参数等，子负荷特征信息包括子负荷的电流、有功功率、无功功率、谐波电流等四个ID，配置参数包括但不限于过压阈值，欠压阈值，过流阈值，采样频率等，当MCU需要识别子负荷时，首先在总负荷电流、有功功率、无功功率、谐波电流中提取子负荷瞬时特征值，然后在读取存储模块中的特征信息进行比对，若满足要求，则表示负荷识别成功，若不满足要求，则记录为新的子负荷，将特征信息存放在存储模块中。
6.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：告警指示模块中的LED指示灯的正极与MCU模块的GPIO口连接，负极接公共地，用于指示当前运行状态及其故障告警。
7.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：液晶模块通过FSMC与MCU模块的连接，主要用于总负荷电量及其子负荷电量显示，另外还与按键输入模块一起可完成参数输入和查询。
8.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：按键输入模块通过GPIO口与MCU模块连接，MCU通过检测按键来完成液晶模块显示控制，可方便实现与用户交互。
9.根据权利要求1所述的一种基于非侵入式负荷监测技术的配电监测系统，其特征在于：电源模块可将AC220V转换为DC3.3V/5V，为液晶模块、MCU模块和继电开出模块、GPRS模块提供工作电源。
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