CN201845037U - 一种电力参数无线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力参数无线测量装置，包括互联网、监控中心、服务器/集中器与多个监控终端，其中：所述监控中心通过互联网，与服务器/集中器连接；所述服务器/集中器与多个监控终端连接。本实用新型所述电力参数无线测量装置，可以克服现有技术中人工劳动量大、误差大、测量速度慢与精度低等缺陷，以实现人工劳动量小、误差小、测量速度快与精度高的优点。

Description

一种电力参数无线测量装置

技术领域

本实用新型涉及电工测量仪表，具体地，涉及一种电力参数无线测量装置。

背景技术

长期以来，电力系统对供电网络的监测一直沿用传统的指针式仪表和万用电表结合的测量方式，为了对电力系统的各项指标进行完全的测试，往往需要用数台不同的仪表进行联合监测，然后对所测各种数据综合分析，来确定故障类型，这种方式工作强度大，故障类型需要人工分析，因而出现的误差也较大。

后来出现了双钳相位伏安表，但测量速度慢，精度不高。为了适应现场测量大量电力计量参数，检测电力故障，同时，根据电力部门反馈的意见，要求检测设备携带方便、测量快速准确、显示直观、操作方便；可见，进行研发手持式三钳相位伏安表成为当前的迫切需要，将有利于改善供电部门电力参数测试手段、提高测试精度提供了保证，具有很好的推广应用价值和经济、社会效益。

综上所述，在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：

(1)人工劳动量大：采用数台不同的仪表进行联合监测，再对所测各种数据综合分析，来确定故障类型，这种方式工作强度大，故障类型需要人工分析；

(2)误差大：人工分析故障类型，误差较大；

(3)测量速度慢：采用双钳相位伏安表，测量速度慢；

(4)精度低：采用双钳相位伏安表，精度不高。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种电力参数无线测量装置，以实现人工劳动量小、误差小、测量速度快与精度高的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电力参数无线测量装置，包括互联网、监控中心、服务器/集中器与多个监控终端，其中：所述监控中心通过互联网，与服务器/集中器连接；所述服务器/集中器与多个监控终端连接。

进一步地，所述服务器/集中器包括计算机或手持通信设备。

进一步地，在所述多个监控终端中，每个监控终端包括型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片、型号为C8051F340的单片机、XBeeRF模块与日历时钟，其中：所述型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片，接三相电源，并通过SPI串行接口与型号为C8051F340的单片机连接；所述XBee RF模块与日历时钟，分别与型号为C8051F340的单片机连接。

本实用新型各实施例的电力参数无线测量装置，由于包括互联网、监控中心、服务器/集中器与多个监控终端，其中：监控中心通过互联网，与服务器/集中器连接；服务器/集中器与多个监控终端连接；可以检测单相、三相三线、三相四线配电系统的电压、电流、相位、相序、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参量；从而可以克服现有技术中人工劳动量大、误差大、测量速度慢与精度低的缺陷，以实现人工劳动量小、误差小、测量速度快与精度高的优点。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

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

图1为根据本实用新型电力参数无线测量装置的工作原理示意图；

图2为根据本实用新型电力参数无线测量装置中的ZigBee通信网络节点的结构示意图；

图3、图4为根据本实用新型电力参数无线测量装置中监控终端的工作原理示意图；

图5a-图5i为根据本实用新型电力参数无线测量装置中手持通信设备的电路原理示意图；

图6a-图6h为根据本实用新型电力参数无线测量装置中型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片的电路原理示意图；

图7a-图7h为根据本实用新型电力参数无线测量装置中监控终端的电路原理示意图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

1-互联网；2-监控中心；3-服务器/集中器；41-第一监控终端；42-第二监控终端；43-第三监控终端。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

根据本实用新型实施例，提供了一种电力参数无线测量装置。如图1-图7h所示，本实施例包括互联网1、监控中心2、服务器/集中器3与多个监控终端，其中：监控中心2通过互联网1，与服务器/集中器3连接；服务器/集中器3与多个监控终端连接，多个监控终端如第一监控终端41、第二监控终端42与第三监控终端43。

在上述实施例中，上述电力参数无线测量装置，主要用于检测单相、三相三线、三相四线配电系统的电压、电流、相位、相序、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参量，是一种全数字、多功能、高精度、智能化检测单相、三相三线、三相四线配电系统的电压、电流、相位、相序、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参量的三钳相位伏安表。    

进一步地，在上述实施例中，上述服务器/集中器3包括计算机或手持通信设备。

进一步地，在上述实施例中，在上述多个监控终端中，每个监控终端包括型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片、型号为C8051F340的单片机、XBee RF模块与日历时钟，其中：型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片，接三相电源，并通过SPI串行接口与型号为C8051F340的单片机连接；XBee RF模块与日历时钟，分别与型号为C8051F340的单片机连接。

具体地，上述实施例采用ZigBee/802.15.4协议下的智能无线传感局域网络系统构架，由SPI智能监控终端、ZigBee通信网络和协调器构成，具体可参见图1。

结合电力系统对变配电站和用户的监控要求，出于对低成本、低功耗、安装方便的要求，研究了采用单片机和SPI智能终端，利用ZigBee/802.15.4智能无线传感局域网络，实现对电力参数无线监控一种方法。可以节省耗费巨大的导线材料和人工费用，而且免除了日常检修和维护费用，同时，具有高可靠性、扩展性和抗干扰性，具有实现实时采集、实时控制、实时故障信息报警和实时负荷监测功能。

作为一种新兴的短距离、低功耗标准无线网络协议，ZigBee协议栈是建立在IEEE802.15.4标准之上，并且增加了网络层和应用层规范的完整的一种协议栈，在智能无线传感网络领域中得到了广泛关注和应用。本方案中，核心器件采用Maxstream公司生产的与ZigBee兼容的以FreescaleMC1319x芯片组为核心的XBee/XBee Pro RF模块，工作频率2.4GHz。发送功率1mw，接收灵敏度-92dBm，室内传输距离40m/100m，室外传输距离I20m/1600m，RF数据传输速率为250000bps，在网络性能方面，具有DSS(直接序列扩频技术)功能，可以组成对等网、点对点及点对多点网络，12个软件可选的直接序列信道，每个信道具有65000个可用网络地址。具有自动路由、自我诊断、网状网络容错等特点。ZigBee通信网络节点类型如下：

(1)、终端节点：安装在用户电表进线位置或者嵌入在配变监控装置，或者根据需要临时部署在一些要监控的位置，实时采样电力参数，并将数据传送给路由节点或者协调器；    

(2)、路由节点：起到一个网络延伸拓展的作用，完成监控终端与协调器之间的信息交换。可根据需要固定地或临时地部署在监控场地；

(3)、协调器：用于对周边路由节点或监控终端的数据采集、同步、信息传输和控制。可以是一台笔记本电脑或者手持设备，可通过内置的GPRS网络将采集的数据发送到更高一级的监控中心，让用户足不出户了解远方变配电站或用户的电力运行状况。当出现报警信息，可及时处理，有效监管电网运行的可靠性和安全性。

ZigBee网络由一个协调器，一个或多个路由器或终端组成；路由器与终端使用的多少视实际监控要求而定；当协调器选择一个信道和PAN ID并启动时，便建立了一个ZigBee局域网(PAN)，一旦协调器启动，便可允许路由器和终端设备节点加入PAN。路由器和终端设备加入PAN时，将在多条信道上向已经加入PAN的路由器和协调器发出一个802.15.4信标请求命令，并从返回的信标中找到有效的PAN，一旦成功加入到PAN，它就能与PAN网络上的其他设备通讯，路由器可作为父设备允许新的设备(路由器或终端)加入进来；终端设备作为子设备只能与其加入的父设备直接通讯，并通过父设备代为其完成与PAN网络上其他设备进行的数据传送，可参见图2。

在上述实施例中，监控终端由参数同步采集模块ATT7022B、单片机和XBee RF模块三部分构成，可参见图3和图4。这里，监控终端主要以单片机C8051F340为控制核心。三相电压电流通过PT和CT转换后，接入三相专用电能芯片ATT7022B实时采集电力参数，单片机通过SPI口接收采集的各种参数，同时单片机通过串口与XBee Series2模块建立通信，将电力参数上传到服务器，还可以根据采集的数据情况控制进行相应的控制，如投切电容器进行无功补偿，或防窃电或跳闸限电等。这里，型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片的电路原理参见图6a-图6h，监控终端的电路原理参见图7a-图7h。

具体地，图6a所示，为终端控制电路的电源原理图，通过对外部接入的A相220V电压用变压器TR3降压为9V左右，再通过整流滤波，用三端稳压器MC7805输出5V电压，作为控制电路及采样芯片ATT7022B  的电源电压，单片机的电压是通过将5V电压经SPX1117稳压成3.3V来提供的；图6b所示，TL7660为+5V转-5V的电压转换芯片，为采样电路方便的提供-5V电压。

图6c所示，为电流采样输入信号的前期处理电路，该电路的前一级是电流互感器，采样电流采用电流互感器输入，将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。电流采样信号经Ra9～Rn9转换成电压信号，后经REFO(基准电压)偏移，将交流信号叠加在2.4V的直流偏置上，输入到采样芯片ATT7022B，进行采样与处理。

图6d所示，为电压采样信号的处理与变换电路，电网电压信号经电阻Ra0～Rc0转换成电流信号，再通过电流互感器将电流转换成电压的方式，将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。后经REFO(基准电压)偏移，将交流信号叠加在2.4V的直流偏置上，输入到采样芯片ATT7022B，进行采样与处理。该信号又经TLC2254组成的转换电路进行变换处理，将交流信号变换成单极性信号，经后续电路整形处理，变成方波，作为单片机的中断信号，从而实现电压波形的相位测量。这里，以A相为例，变换公式：Va＝(1+Ra8/Ra7)*(V2p-V2n)。

图6e所示，采样芯片ATT7022B的典型接线图；图6f所示，采样终端中，单片机与采样芯片ATT7022B的接线端子连线图；图6g所示，采样终端中，交流电网输入到采样终端的接线端子连线图；图6h所示，采样终端中，采样板中的电压信号和电源信号连接到单片机板的接线端子连接图；图7a所示，单片机调试端口接线图。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试；图7b所示，将Vcc(+5V)转换成3.3V，供给单片机及无线传输模块。

图7c所示，采样芯片的电能输出信号，用于校表。其中，CF1：其频率反映合相平均有功功率的大小；CF2：其频率反映合相平均无功功率的大小；CF3：其频率反映基波的合相平均有功功率的大小；CF4：其频率反映基波的合相平均无功功率的大小；这四个信号都经光电隔离输出，提高抗干扰性能。

图7d所示，单片机和液晶显示屏的接线图；图7e所示，接线方式控制，MSEL为高电平时，为三相三线制，MSEL为低电平时，为三相四线制；图7f所示，无线传输模块的典型接线图；图7g所示，和图6h对应。采样终端中，采样板中的电压信号和电源信号连接到单片机板的接线端子连接图；图7h所示，电压信号经模拟开关CD14052根据需要选择不同的输入信号进行整形变换成方波后作为单片机的中断输入，进行电压之间的相位检测。

采用SPI串行接口设计的监控终端，简化了系统初期的开发过程，节省了开发费用，能够高速、高效传输数据，并且便于日后对监控终端进行功能扩充。ZigBee传输与其他无线标准监控通信相比，可靠性高、传输能力强、链路接通快、可扩充性强、费用低廉，有其优越性。它符合配电变压器实时监控的要求，对于监控设备分散的铁路、油田、农村等电网更有实用意义。

在上述实施例中，服务器/集中器也可以是协调器，如台式电脑或掌上手持设备，参见图5a-图5i。系统管理分析软件的开发平台是Windows XP，可视化界面以数据库为依据，使用VC.NET开发。主要功能是：给基于单片机和ATT7022B的终端(电力参数采样)发送命令和接收来自终端的电力参数，并负责参数的处理、显示、存储、查看、和与监控中心的GPRS通讯。

图5a中D-，D+，Vusb为USB接口芯片CH375与单片机的信号连线，工作于串口方式；图5b所示，为电源(电池)复位及掉电(低电压)检测芯片，当电池电压Vin*84K/(100K+84K)≤1.25V时，/PFO输出低电平，表示电池低电压，由单片机检测到后处理；图5c所示，SPX1117为低压差三端稳压器，来给单片机系统及无线模块XBee提供稳定的3.3V电压。

图5d所示，单片机控制接线图，单片机采用的是silabs公司的C8051F340。是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。

图5e所示，为MaxStream公司的无线模块XBee Series 2 OEM RF的典型接线图。该模块是符合ZigBee标准协议的低成本、低功耗射频模块，可以方便的建立无线传感网络，为远程设备之间提供了可靠的数据传输；图5f所示，CAT24WC256是支持I2C总线接口的32K非易失EEPROM，SD2401是一种具有内置晶振、支持I2C总线接口的高精度实时时钟芯片。

图5g所示，是CH375工作在串行通讯方式下和单片机的接线图。其中，CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-SEVICE/SLAVE设备方式。CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。

图5h所示，是单片机和清达液晶AHT-240160的连接图。RP1可用于手动调节液晶显示的亮度；图5i所示，是单片机通过软件控制AHT-240160液晶显示亮度的接线原理图。X9511W为xcon公司的数字电位器，为单片机代替手工控制液晶亮度提供了控制接口，负电压有LM317H产生。

例如，在上述实施例中，可以采用微型型笔记本电脑+电压电流采样电路+射频模块，实时测量并显示系统向量图，汉字与图形显示方式；电池供电，无需外接电源，并具有电池电压检测功能；三相三线48种常见错误接线检查；可通过微型笔记本电脑操作查阅已保存的数据组及向量图，配USB接口，可通过无线传输将仪表测量数据成组上传到电脑中，实现测试结果的浏览、查询、报表和打印等功能；采用软件校准技术，操作简单，数据可靠，长期稳定性好；外壳轻巧美观，便于携带。

在上述实施例中，采用全新数字技术，直接交流采样每相电压、电流，原理图中主要包括三相电压电流的模拟输入通道(含电压电流互感器输入、量程转换、U-U与I-I间相位采集、通道转换)、单片机数字电路、时钟与存储器电路、键盘输入与LCD显示电路、RS232接口电路及电池供电电路等，可以检测单相、三相三线、三相四线配电系统的电压、电流、相位、相序、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参量，可直接在大屏幕液晶屏上显示三相被测电压和电流的幅值，并且以向量图的方式显示其相位之间的关系，操作人员可在不打开被测回路接线的情况下，迅速准确，安全可靠地检测判断出二次回路运行状况和故障，便于检查错误接线；使用方便；体积小，重量轻，便于携带。

综上所述，本实用新型各实施例的电力参数无线测量装置，由于包括互联网、监控中心、服务器/集中器与多个监控终端，其中：监控中心通过互联网，与服务器/集中器连接；服务器/集中器与多个监控终端连接；可以检测单相、三相三线、三相四线配电系统的电压、电流、相位、相序、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参量；从而可以克服现有技术中人工劳动量大、误差大、测量速度慢与精度低的缺陷，以实现人工劳动量小、误差小、测量速度快与精度高的优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电力参数无线测量装置，其特征在于，包括互联网、监控中心、服务器/集中器与多个监控终端，其中：所述监控中心通过互联网，与服务器/集中器连接；所述服务器/集中器与多个监控终端连接。

2.根据权利要求1所述的电力参数无线测量装置，其特征在于，所述服务器/集中器包括计算机或手持通信设备。

3.根据权利要求1或2所述的电力参数无线测量装置，其特征在于，在所述多个监控终端中，每个监控终端包括型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片、型号为C8051F340的单片机、XBee RF模块与日历时钟，其中：

所述型号为ATT7022B的三相电力专用计量芯片，接三相电源，并通过SPI串行接口与型号为C8051F340的单片机连接；所述XBee RF模块与日历时钟，分别与型号为C8051F340的单片机连接。

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