CN113866497A - 基于电力营销数据的采集装置 - Google Patents

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马建宁
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李洁
王世青
卢秋郁
史晓蕾
刘沙
谢鹏
王炯程
李凯
杨冰
王聪
达塔娜
王杜涛
叶倩倩
阿依古丽·木沙
田红
黄佳敏
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Abstract

本发明公开基于电力营销数据的采集装置，包括：采集模块，设置于电气设备用于采集电气设备的电压电流信息；交流差分放大电路，对采集的电压电流信息进行差分放大得到放大后电压电流信息；模拟乘法器，对放大后的电压电流信息进行处理，获得功率信号；低通滤波电路，对放大后的电压电流信息及功率信号进行滤波得到滤波信号；A/D转换电路，用于将滤波信号的模拟信号转换为数字信号；控制模块，接收数字信号并进行分析处理，得到电压、电流数据及波形图信息；显示模块，用于显示电压、电流数据及波形图信息。本发明先进行信号放大环节，再经过滤波环节，降低失真效果，实现了信号精准传输，提高信号的传输稳定性。

Description

基于电力营销数据的采集装置
技术领域
本发明涉及电力营销技术领域,具体涉及基于电力营销数据的采集装置。
背景技术
随着社会的快速发展，人们生活和工作中信息数量爆炸式增长，采集设备也需要对大量数据进行存储、计算、加工、输出等工作，这导致对采集设备的存储能力、计算速度以及传输速度提出了更高的要求。
电力营销设备采集的信号以微弱信号为主，以往对微弱信号检测技术，往往先滤波再放大，如果先滤波再放大，则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时可能使信号产生一定的畸变失真，这就相当于加入更多噪声，由于输入输出检测信号和噪声幅度都很小。这此情况下，要尽可能多的保存信号的信息，减小微弱信号的丢失，现有的对于微弱信号是先滤波再放大，则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时可能使信号产生一定的畸变失真，这就相当于加入更多噪声，导致电力营销数据不准确，抗干扰程度不强，信号传输质量不佳。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供基于电力营销数据的采集装置。把微弱信号放大的一种采集装置采集模块，实现信号稳定高效快速传输，尤其对于地下室或者信号较差的地方，可以稳定传输数据，从而达到信息的全采集和全覆盖的优点，有利于解决特殊偏僻地方传输信号差的特点。
本发明采用的技术方案是：
基于电力营销数据的采集装置，包括：
采集模块，设置于电气设备用于采集电气设备的电压电流信息；
交流差分放大电路，对采集的电压电流信息进行差分放大得到放大后电压电流信息；
模拟乘法器，对放大后的电压电流信息进行处理，获得功率信号；
低通滤波电路，对放大后的电压电流信息及功率信号进行滤波得到滤波信号；
A/D转换电路，用于将滤波信号的模拟信号转换为数字信号；
控制模块，接收数字信号并进行分析处理，得到电压、电流数据及波形图信息；
显示模块，用于显示电压、电流数据及波形图信息；
所述采集模块的输出端连接交流差分放大电路，所述交流差分放大电路的输出端连接模拟乘法器，所述模拟乘法器的输出端连接低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端连接A/D转换电路，所述A/D转换电路的输出端连接控制模块，所述控制模块的输出端连接显示模块。
作为本发明的进一步技术方案为，所述交流差分放大电路包括：第一运算放大器和第二预算放大器，所述第一运算放大器的输出端通过第十六电阻与第二运算放大器的负极输入端连接，所述第二预算放大器的正极输入端通过第十八电阻接地，所述第二运算放大器的输出端通过第十七电阻和第八电容接地；
所述第一运算放大器的负极输入端通过第十三电阻和第三电容与电压正极连接，所述第一运算放大器的负极输入端通过第五电容接地，所述第一运算放大器的正极输入端通过第十四电阻和第四电容与电压负极连接，所述第一运算放大器的正极输入端通过第七电容接地，所述第一运算放大器的负极输入端和第一运算放大器的正极输入端连接第六电容。
作为本发明的进一步技术方案为，所述低通滤波电路采用二阶巴特沃斯带通滤波器，其中放大器采用LM358P型号的放大器。
作为本发明的进一步技术方案为，所述A/D转换电路包括V/F转换电路、可编程计数器和终端计时器，所述中断计时器的输出端连接可编程计数器，所述V/F转换电路的输出端连接可编程计数器，所述可编程计数器的输出端连接控制模块。
作为本发明的进一步技术方案为，还包括模拟多路转换开关，所述模拟多路转换开关的输入端与低通滤波电路连接，所述模拟多路转换开关的输出端连接A/D转换电路。
作为本发明的进一步技术方案为，所述控制模块为W78E516B型号的单片机。
作为本发明的进一步技术方案为，所述低通滤波电路采用MAX275滤波器。
作为本发明的进一步技术方案为，所述模拟乘法器采用MC1496型号的模拟乘法器。
本发明的有益效果：
本发明针对电力系统微弱信号进行采集，由于输入输出检测信号和噪声幅度都很小，这此情况下，要尽可能多的保存信号的信息，减小微弱信号的丢失，需要先进行信号放大环节，再经过滤波环节，放大不会导致饱和输出，最大程度上保存了原始信号，降低失真效果，实现了信号精准传输，这样高精度的微弱信号，无论在检测技术上、测量方法上还是在电路设计环节上都能够完整的保留有效信号，并且在信号放大和滤波电路中可靠地除去工频信号干扰和周围电路的波纹干扰信号等扰动，确保检测信号的精确度在有效范围内，尤其适用于一些偏僻地方如信号较差的地下配电室、车库以及偏远地方，能够提高信号的传输稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的基于电力营销数据的采集方案结构示意图；
图2为本发明提出的电路两级AD放大路设计原理图；
图3为本发明提出的OrCAD软件对滤波器参数的仿真图；
图4为本发明提出的低通滤波电路结构图；
图5a为MAXIM Pilter Design Software滤波前电压波形图；
图5b为MAXIM Pilter Design Software滤波前FFT频谱分析图；
图5c为MAXIM Pilter Design Software滤波后电压波形图；
图5d为MAXIM Pilter Design Software滤波后FFT频谱分析图；
图6为本发明提出的VFC型A/D转换的结构图；
图7为本发明提出的用A/D和单片机W78E516B连接实现A/D转换电路原理图；
图8为本发明提出的中断服务程序框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明针对电力系统微弱信号进行采集，由于输入输出检测信号和噪声幅度都很小，这此情况下，要尽可能多的保存信号的信息，减小微弱信号的丢失，需要先进行信号放大环节，再经过滤波环节。放大不会导致饱和输出，最大程度上保存了原始信号，降低失真效果。
参见图1，本发明提供的基于电力营销数据的采集装置，包括：
采集模块10，设置于电气设备用于采集电气设备的电压电流信息；
交流差分放大电路20，对采集的电压电流信息进行差分放大得到放大后电压电流信息；
模拟乘法器30，对放大后的电压电流信息进行处理，获得功率信号；
低通滤波电路40，对放大后的电压电流信息及功率信号进行滤波得到滤波信号；
A/D转换电路50，用于将滤波信号的模拟信号转换为数字信号；
控制模块60，接收数字信号并进行分析处理，得到电压、电流数据及波形图信息；
显示模块70，用于显示电压、电流数据及波形图信息；
所述采集模块10的输出端连接交流差分放大电路20，所述交流差分放大电路20的输出端连接模拟乘法器30，所述模拟乘法器30的输出端连接低通滤波电路40，所述低通滤波电路40的输出端连接A/D转换电路50，所述A/D转换电路50的输出端连接控制模块60，所述控制模块60的输出端连接显示模块70。
本发明以电力营销数据为大数据，依托电力营销系统和用电信息采集系统为平台，基于采集模块为末端数据上传抓手，提供一套电力营销数据服务体系。其中采集模块是整个电力营销数据服务体系的基础，构成大数据体系的每个数据抓取的基础触角，对于采集模块的精准快速在传输电力信号数据起到了至关重要作用。采集模块用于对电力设备的微弱电压电流进行采集，通过交流差分放大电路对采集的微弱信号进行放大，通过模拟乘法器获取功率信号，低通滤波电路对交流差分放大电路和模拟乘法器输出的放大电流、电压、功率信息进行滤波，去除干扰，消除噪声，然后通过A/D转换电路对滤波后的信号进行模数转换，输送给控制模块进行分析处理，通过显示模块对处理后的电压、电流、功率计波形图进行显示。
本发明基于信号稳定传输设计为整体方案，其中包括放大电路和滤波电路分析与设计，选择采用运算放大器、AD差分放大电路环节，对AD的抑制共模比(CMR)、闭环增益与频率的关系作出分析，在滤波电路模块中选用MAX275滤波器，作出1kHz带通频率特性，模拟乘法器的选用与设计，A/D转换电路和W78E516B单片机的配合使用实现。
本发明提供的电力营销数据的采集装置采集的高精度微弱信号，无论在检测技术上、测量方法上还是在电路设计环节上都能够完整的保留有效信号，并且在信号放大和滤波电路中可靠地除去工频信号干扰和周围电路的波纹干扰信号等扰动，确保检测信号的精确度在有效范围内。
对于电气设备端检测，给予一定的电压信号进行放大处理是极其重要环节，对于放大电路模块来说，其主要的任务是把噪声环境中的共模噪声除掉，留下需要检测的微小信号，本发明采用两级放大方式。交流差分放大电路20包括：第一运算放大器和第二预算放大器，所述第一运算放大器的输出端通过第十六电阻与第二运算放大器的负极输入端连接，所述第二预算放大器的正极输入端通过第十八电阻接地，所述第二运算放大器的输出端通过第十七电阻和第八电容接地；
所述第一运算放大器的负极输入端通过第十三电阻和第三电容与电压正极连接，所述第一运算放大器的负极输入端通过第五电容接地，所述第一运算放大器的正极输入端通过第十四电阻和第四电容与电压负极连接，所述第一运算放大器的正极输入端通过第七电容接地，所述第一运算放大器的负极输入端和第一运算放大器的正极输入端连接第六电容。
如图2所示，其中A1,A2是两个相同功能的集成运算放大器，构成差分放大，能有效抑制共模信号C3,C4(耐压值480V,容值2.2uf)的隔直电容，RC电路由C5,C7,C12,C14组建而成。(可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流)具有低失调电压(最大50uV)和低失调漂移(最大0.6uV/C)特性，根据它放大倍数公式G＝(R1+R2)/Rg+1得到G＝100.使得检测电压。信号达到mV级，实验证明，通过前置、后置两级放大处理，满足预测达到检测精度标准。
通过前置、后置两级放大设计的运算放大器，能够抑制的噪声共模干扰信号的共模抑制比范围在160dB～10dB，是一款高精度、成本低的具有理想效果的放大器，特别适合检测电气设备的微弱信号。
本发明实施例中，低通滤波电路40采用二阶巴特沃斯带通滤波器，其中放大器采用LM358P。参见图3，滤波电路对于采集精度在毫伏级的电压比较困难，由于干扰信号成分复杂，需要把采样信号范围以外的干扰叠加信号全部排除，包括噪声干扰信号，电路纹波干扰信号等，以至于不影响到后级采集精度。本发明实施例中，在信号差分放大电路后搭配设计低通滤波电路，其中低通滤波电路由一路二阶滤波器电路外加四个电阻构成的二阶巴特沃斯带通滤波器，其中二阶巴特沃斯带通滤波器可以对电压交流信号处理，由四个电阻大小来调控二阶带通滤波器的带宽(BW)、品质因数(Q)、中心频率(F0)、带通滤波增益Hopp的改变。
本发明使用OrCAD软件对低通滤波器参数进行仿真，选出带通范围在1kHz左右，其频率特性如图4所示，当增益为-3dB时，对应的频率为914Hz和1094Hz。通带很窄，可以有效滤除噪声信号，得到1kHz的有用信号。利用MAXIM Pilter Design Software进行计算，与波形要求相符，滤波波形如图5a-5d所示所示。
本发明实施例中，A/D转换电路50包括V/F转换电路、可编程计数器和终端计时器，所述中断计时器的输出端连接可编程计数器，所述V/F转换电路的输出端连接可编程计数器，所述可编程计数器的输出端连接控制模块。
在获得的信号输入到单片机的时候，将模拟信号转换成数字信号使单片机能够识别判断，这就需要A/D数模转换为其搭建桥梁，首先将输入的模拟信号转换成为频率信号，再将频率信号通过计数器转换成为数字信号。
如图6所示，为A/D转换器的结构示意图，其中，Vi表示的是输入电压信号；F0表示的是经过V/F转换后得到的频率输出信号。它的模拟输入放大器的输入端输入的是范围为(0～0.25)mA的电流信号。输入电压范围可以通过改变输入电阻大小进行调节。
由于采集模块电路不仅仅是采集一路信号，可能涉及多路采集信号，本发明还设置模拟多路转换开关80，所述模拟多路转换开关80的输入端与低通滤波电路40连接，所述模拟多路转换开关80的输出端连接A/D转换电路。
输入信号经模拟多路转换开关4051选择后，连接到跟随器，这样能够有效抑制放大器的漂移和噪声。采用TD650型号的电压频率(VF)和频率电压(FV)转换器。
如图7所示，本发明实施例中，通过A/D转换器和单片机W78E516B配合，设置W78E516B单片机的T0端口工作方式为16位计数器工作方式，T1端口工作方式为16位定时器工作方式。调节偏置电位器W2，使的输入电压为0V时V/F转换频率为20kHz，对V信号计数时，设定T0的计数时间为0.1s；对mV信号计数时，设定T0的计数时间为1s。因定时器的定时时间达不到1s。所以要实现1s的定时需要采用软件累计T1中断次数的方法来实现。设定T1的定时中断时间为0.01s，采样V信号时，V/F转换结果就是当T1定时器中断10次后读取的T0计数器的数值，转换结果为200个转换码/V，采样mV信号时，A/D转换结果就是当T1定时器中断，100次后读取的T0计数器的数值，转换结果为2个转换码/mV。也可通过调节电位器W1、W2，或者改变定时器T1的中断次数来调节输入电压范围，只要转换精度满足并且计数器T0不溢出即可。
本发明基于微弱信号放大并采集得装置，该装置首先由AD采集模块获取互感器输入信号，并将模拟采样信号转换为数字采样信号，并输出数字信号。
从检测信号源端开始，到把信号精准快速传输给上层主站系统这样一整条传输过程，通过交流差分放大电路对其检测微弱信号进行放大，对激励信号和差分放大信号模拟相乘运算后，通过滤波电路的去除干扰信号，由保留下来的有效模拟信号经过A/D数模转换采样，将采集和分析得到的数据传输到上层主站系统(用电信息采集系统和电力营销系统)。
中断服务程序框图如图8所示。打开开关后需要等待0.01s再对V/F进行计数，这是因为模拟模拟多路转换开关有建立时间。模拟模拟多路转换开关采用CD4501,用于将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换，以便控制模块对多路被测信号进行处理。将4051的X0、X1端口接地来消除零点漂移X0端口作为伏信号零点，X1端口作为毫伏信号零点。模拟模拟多路转换开关的输出端连接A/D转换器，通过控制线与控制模块连接，控制模块的输出端连接计算机显示模块和通信模块，通过通讯模块与上位机连接实现数据的远程监控和传输。
本发明基于电力系统微弱信号精准采集模块，实现了信号精准传输，这样高精度的微弱信号，无论在检测技术上、测量方法上还是在电路设计环节上都能够完整的保留有效信号，并且在信号放大和滤波电路中可靠地除去工频信号干扰和周围电路的波纹干扰信号等扰动，确保检测信号的精确度在有效范围内，尤其适用于一些偏僻地方如信号较差的地下配电室、车库以及偏远地方，能够提高信号的传输稳定性。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，包括：
采集模块，设置于电气设备用于采集电气设备的电压电流信息；
交流差分放大电路，对采集的电压电流信息进行差分放大得到放大后电压电流信息；
模拟乘法器，对放大后的电压电流信息进行处理，获得功率信号；
低通滤波电路，对放大后的电压电流信息及功率信号进行滤波得到滤波信号；
A/D转换电路，用于将滤波信号的模拟信号转换为数字信号；
控制模块，接收数字信号并进行分析处理，得到电压、电流数据及波形图信息；
显示模块，用于显示电压、电流数据及波形图信息；
所述采集模块的输出端连接交流差分放大电路，所述交流差分放大电路的输出端连接模拟乘法器，所述模拟乘法器的输出端连接低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端连接A/D转换电路，所述A/D转换电路的输出端连接控制模块，所述控制模块的输出端连接显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述交流差分放大电路包括：第一运算放大器和第二预算放大器，所述第一运算放大器的输出端通过第十六电阻与第二运算放大器的负极输入端连接，所述第二预算放大器的正极输入端通过第十八电阻接地，所述第二运算放大器的输出端通过第十七电阻和第八电容接地；
所述第一运算放大器的负极输入端通过第十三电阻和第三电容与电压正极连接，所述第一运算放大器的负极输入端通过第五电容接地，所述第一运算放大器的正极输入端通过第十四电阻和第四电容与电压负极连接，所述第一运算放大器的正极输入端通过第七电容接地，所述第一运算放大器的负极输入端和第一运算放大器的正极输入端连接第六电容。
3.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述低通滤波电路采用二阶巴特沃斯带通滤波器，其中放大器采用LM358P的放大器。
4.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述A/D转换电路包括V/F转换电路、可编程计数器和终端计时器，所述中断计时器的输出端连接可编程计数器，所述V/F转换电路的输出端连接可编程计数器，所述可编程计数器的输出端连接控制模块。
5.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，还包括模拟多路转换开关，所述模拟多路转换开关的输入端与低通滤波电路连接，所述模拟多路转换开关的输出端连接A/D转换电路。
6.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述控制模块为W78E516B型号的单片机。
7.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述低通滤波电路采用MAX275滤波器。
8.根据权利要求1所述的基于电力营销数据的采集装置，其特征在于，所述模拟乘法器采用MC1496型号的模拟乘法器。
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