CN201681120U - 电力无线数字传感器 - Google Patents

Abstract

一种电力无线数字传感器，包括有低功耗微处理器，通过采样控制开关连接到低功耗微处理器的AD转换器上进行电压AD转换的电容式电压感应器电路；与低功耗微处理器的AD转换器相连用于进行电流AD转换的电流测量感应线圈电路；通过电流突增检测和充电电路连接到低功耗微处理器的充电及电流突增感应线圈，所述的电流突增检测和充电电路还通过储能电容连接锂电池；所述的低功耗微处理器还连接有无线收发器。本实用新型使用通用元器件，电路结构简单，成本低廉，电压测量采用非接触式电容传感器，安装使用方便，电流测量采用电流感应线圈。并采用电压电流同步采样技术，可以实时计算电压和电流的相位差，用微处理器进行波形分析和计算，提高了测量精度。

Description

电力无线数字传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，特别是涉及一种用于电力系统的多功能线路参数采集和传输的电力无线数字传感器。

背景技术

电力行业是一切经济活动的支柱，随着国家经济的快速发展，能源需求的大幅度增长，国家对电力建设投资的力度也逐年加大。目前用于电力输电线路的电压测量都是利用电压电流互感器。其存在着如下的问题：

1、安装困难，工程实施复杂，成本高；

2、不利于架空线上的分节点安装；

3、没有无线传输单元，需要线缆连接或者接触式测量；

4、没有单片机控制电路，控制不灵活。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够使电压测量采用非接触式电容传感器，电流测量采样电流感应线圈的电力无线数字传感器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种电力无线数字传感器，包括有低功耗微处理器，通过采样控制开关连接到低功耗微处理器的AD转换器上进行电压AD转换的电容式电压感应器电路；与低功耗微处理器的AD转换器相连用于进行电流AD转换的电流测量感应线圈电路；通过电流突增检测和充电电路连接到低功耗微处理器的充电及电流突增感应线圈，所述的电流突增检测和充电电路还通过储能电容连接锂电池；所述的低功耗微处理器还连接有无线收发器。

所述的电容式电压感应器电路，包括有电容式电压感应器，所述的电容式电压感应器通过插座接入电路，经过相串联的两个顺态抑制二极管保护、相串联的电阻和电位器调整以后，进入场效应管的栅极，并从场效应管的漏极进入低功耗微处理器进行AD转换。

所述的采样控制开关包括有第一三极管，第一电阻和第二电阻，所述的低功耗微处理器通过第一电阻对第一三极管进行开关控制，利用第一三极管的导通和截止通过第二电阻至场效应管的漏极来控制场效应管的输出。

所述的电流测量感应线圈电路，包括有电流感应线圈，所述的电流感应线圈连接由第四电阻和第三电阻组成分压电路分压后，再经电容、顺态抑制二极管和二极管进行滤波和保护以后输出电流信号ADC_I至测试点，所述的电流信号ADC_I信号连接到低功耗微处理器进行AD转换。

所述的电流突增检测和充电电路，包括有对构成充电及电流突增感应线圈的电流突增感应线圈的电流进行整流的由第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和第三电容构成的倍压整流电路，整流后的信号经压敏电阻进行限幅保护，再经限流电阻和第三二极管进入由两个储能电容和一个起过压保护作用的压敏电阻相并联而构成的储能电路，再经过单向保护二极管输出充电信号BATT为锂电池充电；所述的倍压整流电路输出的信号同时通过第一稳压二极管进行突增门限，经过第四二极管钳位和第四电容滤除干扰后进入由第五电阻、第五电容和第六电阻组成的微分电路把电流突增转化为窄脉冲信号，所述的窄脉冲信号经过第二稳压二极管进行二次门限滤除交流分量和干扰信号，最后经过第二三极管整形为方波输出到WAKEUP，通过插座连接到低功耗微处理器。

本实用新型的电力无线数字传感器，结构简单，成本低廉，电压测量采用非接触式电容传感器，电流测量采样电流感应线圈。具有如下特点：

1、使用通用元器件，电路简单、成本低廉、元器件供货稳定，有利于推广；

2、电压信号采集使用非接触式电容传感器，安装使用方便；

3、使用了超低功耗元器件，并且可以从线路上感应取电，延长了电池寿命；

4、采用电压电流同步采样技术，可以实时计算电压和电流的相位差；

5、通过双向无线通信传输测量参数，并且支持无线组网；

6、用微处理器进行波形分析和计算，提高了测量精度；

7、支持无线远程更新程序和参数修改。

附图说明

图1是本实用新型的整体框图；

图2是本实用新型的电容式电压感应器电路的电路原理图；

图3是本实用新型的电流测量感应线圈电路的电路原理图；

图4是本实用新型的电流突增检测和充电电路的电路原理图；

图5本实用新型的低功耗微处理器的外部电路原理图。

其中：

1：电容式电压感应器电路      2：采样控制开关

3：电流测量感应线圈电路      4：充电及电流突增感应线圈

5：电流突增检测和充电电路    6：储能电容

7：锂电池                    8：低功耗微处理器

9：无线收发器

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本实用新型的电力无线数字传感器是如何实现的。

本实用新型的电力无线数字传感器，通过低功耗低成本的微处理器控制电压和电流信号的同步采样，然后进入微处理器内部的AD转换器变成数字信号，通过采用波形分析算法、线性修正和温度补偿等处理过程精确的计算出线路上电压，电流，相位差等参数。并通过低功耗低成本的2.4G频段无线收发器发送到接收设备。采用电流感应线圈从线路上取电并存储在储能电容中，同时通过充电电路为锂电池充电。

如图1所示，本实用新型的电力无线数字传感器，具体包括有低功耗微处理器8，通过采样控制开关2连接到低功耗微处理器8的AD转换器上进行电压AD转换的电容式电压感应器电路1，所述的电容式电压感应器电路1提供线路的电压，同时，低功耗微处理器8还为采样控制开关2提供开关控制信号；与低功耗微处理器8的AD转换器相连用于进行电流AD转换的电流测量感应线圈电路3；通过电流突增检测和充电电路5连接到低功耗微处理器8的充电及电流突增感应线圈4，所述的电流突增检测和充电电路5还通过储能电容6连接锂电池7；所述的低功耗微处理器8还连接有无线收发器9。本实用新型所述的低功耗微处理器8采用新型ARM Cotrex结构的STM3210x系列MCU。

电容式电压感应器电路中的电容式电压感应器用于感应线路上的电压，电容式电压感应器的输出信号经过采样控制开关后进入低功耗微处理器进行AD转换变为数字信号，其中采样控制开关通过控制线受到低功耗微处理器I/O口控制，用于打开和停止对电压的采样。电流测量感应线圈电路3中的电流测量感应线圈用于感应线路的电流，电流测量感应线圈的输出信号进入低功耗微处理器进行AD转换数字信号。充电及电流突增感应线圈用于检测电流的突然增大同时也负责从线路上取电，充电及电流突增感应线圈的输出信号进入电流突增检测和充电电路，电流突增检测采用微分电路检测信号突增并且把突增信号送入低功耗微处理器，该突增信号用于唤醒低功耗微处理器进行紧急处理，充电电路采用倍压整流和限幅器把感应的信号调整到适于为本机供电的电压，并存储在储能电容中，该电压通过储能电容后还为锂电池充电。

如图2所示，所述的电容式电压感应器电路1，是用于测试电压的，包括有电容式电压感应器TP1，所述的电容式电压感应器TP1通过插座接入电路，经过相串联的两个顺态抑制二极管D6、D11保护、相串联的电阻R1和电位器R6调整以后，进入N沟道场效应管Q5的栅极，并从场效应管Q5的漏极即输出ADC_V进入低功耗微处理器8进行AD转换。

所述的采样控制开关2包括有第一三极管Q6、第一电阻R3和第二电阻R4，所述的低功耗微处理器8的ADC_V_CTRL管脚通过第一电阻R3对第一三极管Q6进行开关控制，利用第一三极管Q6的导通和截止通过第二电阻R4至场效应管Q5的漏极来控制场效应管Q5的输出。

如图3所示，所述的电流测量感应线圈电路3，是用于检测电流的，包括有电流感应线圈L2，所述的电流感应线圈L2连接由第四电阻R5和第三电阻R7组成分压电路分压后，再经电容C3、顺态抑制二极管D9和二极管D1进行滤波和保护以后输出电流信号ADC_I至测试点TP5，所述的电流信号ADC_I信号连接到低功耗微处理器8进行AD转换。其中的顺态抑制二极管D9和二极管D1用于吸收瞬间的干扰脉冲，电容C3用于滤除不必要高频分量。

如图4所示，所述的电流突增检测和充电电路5，包括有对构成充电及电流突增感应线圈4的电流突增感应线圈L的电流进行整流的由第一二极管D3、第二二极管D13、第一电容C21、第二电容C22和第三电容C23构成的倍压整流电路，整流后的信号经压敏电阻R23进行限幅保护，再经限流电阻R10和第三二极管D16进入由两个储能电容C14、C27和一个起过压保护作用的5.1V压敏电阻D8相并联而构成的储能电路3，再经过单向保护二极管D19输出充电信号BATT为锂电池7充电；所述的倍压整流电路输出的信号同时进入电流突增检测电路部分，通过第一稳压二极管D4进行突增门限，经过第四二极管D7钳位和第四电容C2滤除干扰后进入由第五电阻R25、第五电容C24和第六电阻R30组成的微分电路把电流突增转化为窄脉冲信号，所述的窄脉冲信号经过第二稳压二极管D5进行二次门限滤除交流分量和干扰信号，最后经过第二三极管Q7整形为方波输出到WAKEUP，通过插座TP4连接到低功耗微处理器8的唤醒管脚，用于唤醒微处理器立即处理电流突增事件。

如图5所示，本实用新型中的核心器件低功耗微处理器8选用了意法半导体生产的单片机STM32F101C8T6作为核心控制元件，该芯片在休眠模式下功耗仅15微安，非常适合野外电池供电的产品，强抗静电强抗干扰，能够工作于电力系统恶劣的电磁环境。无线收发器9通过控制线连接到低功耗微处理器，选用了低成本的2.4G频段数据收发器A7105，该芯片属于高速数据收发器，传输速率非常快，所以收发时间短耗电少。收发时功耗很低而且在休眠模式下几乎不耗电。

为了降低功耗微处理器大部分时间处于休眠状态，它利用内部的AD转换器的多通道同步采样功能，按照一定间隔对电压和电流进行同步采样，低功耗微处理器中的嵌入式软件进行电压电流综合波形处理和分析得到线路运行的各种参数，并按照一定时间间隔通过无线收发器把电压电流相位差等参数发送到接收设备，采样完毕以后再进入休眠状态。采用间隔采样可以省电但是丧失了实时性。为了处理紧急突发事件，例如：线路发生短路和接地的情况。当线路中电流发生突增的时候电流突增检测点路会输出电流突增信号到低功耗微处理器的WAKEUP管脚，并触发外部中断立即唤醒低功耗微处理器，低功耗微处理器立即启动电压和电流的同步采样并进行分析，如果发生异常低功耗微处理器就通过无线收发器发送报警信号到接收设备。低功耗微处理器内部集成了温度传感器，可以随时采集温度并对电压电流值进行温度补偿和修正。

本实用新型的电力无线数字传感器，非接触式参数测量，即直接悬挂在架空线或电缆上，无需任何外部供电和布线，它可以实时采集电力输电线路中的电压，电流，相位差，温度等参数，并通过低功耗无线通信发送到接收设备。具有非常低的功耗并且通过感应线圈利用线路上的电流为本机供电同时也为备用的锂电池充电。可广泛应用于智能化电网的线路参数测量。线路状态监视，线路故障指示等多种场合。

Claims (5)

1.一种电力无线数字传感器，其特征在于，包括有低功耗微处理器(8)，通过采样控制开关(2)连接到低功耗微处理器(8)的AD转换器上进行电压AD转换的电容式电压感应器电路(1)；与低功耗微处理器(8)的AD转换器相连用于进行电流AD转换的电流测量感应线圈电路(3)；通过电流突增检测和充电电路(5)连接到低功耗微处理器(8)的充电及电流突增感应线圈(4)，所述的电流突增检测和充电电路(5)还通过储能电容(6)连接锂电池(7)；所述的低功耗微处理器(8)还连接有无线收发器(9)。

2.根据权利要求1所述的电力无线数字传感器，其特征在于，所述的电容式电压感应器电路(1)，包括有电容式电压感应器(TP1)，所述的电容式电压感应器(TP1)通过插座接入电路，经过相串联的两个顺态抑制二极管(D6、D11)保护、相串联的电阻(R1)和电位器(R6)调整以后，进入场效应管(Q5)的栅极，并从场效应管(Q5)的漏极进入低功耗微处理器(8)进行AD转换。

3.根据权利要求1所述的电力无线数字传感器，其特征在于，所述的采样控制开关(2)包括有第一三极管(Q6)、第一电阻(R3)和第二电阻(R4)，所述的低功耗微处理器(8)通过第一电阻(R3)对第一三极管(Q6)进行开关控制，利用第一三极管(Q6)的导通和截止通过第二电阻(R4)至场效应管(Q5)的漏极来控制场效应管(Q5)的输出。

4.根据权利要求1所述的电力无线数字传感器，其特征在于，所述的电流测量感应线圈电路(3)，包括有电流感应线圈(L2)，所述的电流感应线圈(L2)连接由第四电阻(R5)和第三电阻(R7)组成分压电路分压后，再经电容(C3)、顺态抑制二极管(D9)和二极管(D1)进行滤波和保护以后输出电流信号ADC_I至测试点(TP5)，所述的电流信号ADC_I信号连接到低功耗微处理器(8)进行AD转换。

5.根据权利要求1所述的电力无线数字传感器，其特征在于，所述的电流突增检测和充电电路(5)，包括有对构成充电及电流突增感应线圈(4)的电流突增感应线圈(L)的电流进行整流的由第一二极管(D3)、第二二极管(D13)、第一电容(C21)、第二电容(C22)和第三电容(C23)构成的倍压整流电路，整流后的信号经压敏电阻(R23)进行限幅保护，再经限流电阻R10和第三二极管(D16)进入由两个储能电容(C14、C27)和一个起过压保护作用的压敏电阻(D8)相并联而构成的储能电路(3)，再经过单向保护二极管(D19)输出充电信号BATT为锂电池(7)充电；所述的倍压整流电路输出的信号同时通过第一稳压二极管(D4)进行突增门限，经过第四二极管(D7)钳位和第四电容(C2)滤除干扰后进入由第五电阻(R25)、第五电容(C24)和第六电阻(R30)组成的微分电路把电流突增转化为窄脉冲信号，所述的窄脉冲信号经过第二稳压二极管(D5)进行二次门限滤除交流分量和干扰信号，最后经过第二三极管(Q7)整形为方波输出到WAKEUP，通过插座(TP4)连接到低功耗微处理器(8)。

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