CN203658496U - 一种电力网络监控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种电力网络监控装置，至少包括：CPU模块，用于控制模数转换模块、数据处理模块和ZigBee模块工作；数据采集模块，用于采集电压信号和电流信号；模数转换模块，用于将采集的电压信号转换为数字电压信号，将采集的电流信号转换为数字电流信号；数据处理模块，用于根据数字电压信号和数字电流信号计算电参量；ZigBee模块，用于将计算得到的电参量通过ZigBee网络发送给上位机；晶振模块，用于提供时钟信号。本实用新型利用ZigBee无线通信技术具有组网方式灵活、节点数量多、和实现成本低廉的优点，采用ZigBee模块实现无线通信。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee的电力网络监控装置。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业控制和日常生活中的应用越来越广泛。这些非线性负荷设备大量涌入电力系统，导致电网中的谐波分量大大增加，电网波形畸变日趋严重，对电力系统中的发变电设备、继电保护装置、通信设备和测量仪器等造成了不同程度的危害。因此，实时可靠地监测和分析电网及非线性用电设备的谐波，将有利于电能质量的评估，为谐波污染的治理提供依据。
目前，电力网络监控装置均采用有线通信的方式将电参量发送给上位机，这种方法由于节点数量较多，布线较复杂，实现成本高，并且不适用于环境恶劣的地区。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种电力网络监控装置，基于ZigBee网络，能够实现无线通信。
为了达到上述目的，本发明提出了一种电力网络监控装置，至少包括：
CPU模块，用于控制模数转换模块、数据处理模块和ZigBee模块工作；
数据采集模块，用于采集电压信号和电流信号；
模数转换模块，用于将采集的电压信号转换为数字电压信号，将采集的电流信号转换为数字电流信号；
数据处理模块，用于根据数字电压信号和数字电流信号计算电参量；
ZigBee模块，用于将计算得到的电参量通过ZigBee网络发送给上位机；
晶振模块，用于为CPU模块提供时钟信号。
优选地，所述CPU模块和所述ZigBee模块采用上拉电阻和下拉电阻相连。
优选地，所述CPU模块的主机输入/从机输出数据线MISO管脚、主机输出/从机输入数据线MOSI管脚、串行移位时钟线SCK管脚、从机选择信号线SSEL管脚与VCC之间均分别串接一个上拉电阻；所述ZigBee模块的MISO管脚、MOSI管脚、SCK管脚、SSEL管脚与接地线之间均分别串接一个下拉电阻。
优选地，所述上拉电阻为10千欧kΩ，所述下拉电阻为1千欧kΩ。
优选地，还包括：
基准电压模块，用于为所述模数转换模块提供稳定的电压源。
优选地，还包括：
显示模块，用于显示计算得到的电参量。
与现有技术相比，本发明包括：CPU模块，用于控制模数转换模块、数据处理模块和ZigBee模块工作；数据采集模块，用于采集电压信号和电流信号；模数转换模块，用于将采集的电压信号转换为数字电压信号，将采集的电流信号转换为数字电流信号；数据处理模块，用于根据数字电压信号和数字电流信号计算电参量；ZigBee模块，用于将计算得到的电参量通过ZigBee网络发送给上位机；晶振模块，用于提供时钟信号。通过本发明的技术方案，利用ZigBee无线通信技术具有组网方式灵活、节点数量多、和实现成本低廉的优点，采用ZigBee模块实现无线通信。
同时ZigBee模块与CPU模块采用上拉电阻和下拉电阻相连，使得在CPU模块在没有输出的时候将输出的电平钳制在一个电位，从而提高了电力网络监控装置的可靠性。
附图说明
下面对本实用新型实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本实用新型的进一步理解，与说明书一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限制。
图1为本实用新型提出的电力网络监控装置的结构组成图；
图2（a）为本实用新型中电流转换电路的示意图；
图2（b）为本实用新型中电压转换电路的示意图；
图3为本实用新型中A/D转换芯片与CPU模块的连接示意图；
图4为本实用新型中基准电压芯片与A/D转换芯片的连接示意图；
图5为本实用新型中CPU模块与ZigBee模块的连接示意图；
图6为本实用新型中晶振电路的示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本实用新型作进一步的描述，并不能用来限制本实用新型的保护范围。
参见图1，本发明提出了一种电力网络监控装置，至少包括：
CPU模块，用于控制模数转换模块、数据处理模块和ZigBee模块工作；
数据采集模块，用于采集电压信号和电流信号；
模数转换模块，用于将采集的电压信号转换为数字电压信号，将采集的电流信号转换为数字电流信号；
数据处理模块，用于根据数字电压信号和数字电流信号计算电参量，比如相电压、相电流、线电压、线电流、功率、电能、相位等，具体计算方法属于本领域技术人员的惯用技术手段，并不用于限定本实用新型的保护范围，这里不再赘述；
ZigBee模块，用于将计算得到的电参量通过ZigBee网络发送给上位机；
晶振模块，用于为CPU模块提供时钟信号。
其中，CPU模块可以采用如ARM内核微处理器LPC2138实现。
数据采集模块将电网信号，即电压信号和电流信号，通过电阻网络和电流互感器进行实时采集，将采集的电压信号和电流信号发送给模数转换模块。
参见图2，采集模块包括电压转换电路（图2（b））和电流转换电路（图2（a））。电压转换电路是一个电阻网络，最大输入范围为±250伏特V，采用分压电阻的方法，把三相即A相、B相、C相三相电压信号转换成三个最大值为400毫伏mV的电压信号，经过阻容滤波后发送给模数转换模块。图2（b）中，电阻R101（如1兆欧MΩ）为A相电压信号的分压电阻，电阻R107（如1千欧kΩ）、电阻R105（如800欧姆Ω）和电容C100（如300纳法nF）构成A相电压信号的阻容滤波电路；电阻R102（如1MΩ）为B相电压信号的分压电阻，电阻R108（如1kΩ）、电阻R106（如800Ω）和电容C102（如300nF）构成B相电压信号的阻容滤波电路；电阻R104（如1MΩ）为C相电压信号的分压电阻，电阻R109（如1kΩ）、电阻R103（如800Ω）和电容C107（如300nF）构成C相电压信号的阻容滤波电路。UGND为接地线。电阻值和电容值可以采用图2（b）中标出的值。
电流转换电路是通过电流互感器，把0～5安培A的三相即A相、B相、C相三相电流信号转化成三个最大值为2.5毫安mA的电流信号，经过阻容滤波后发送给模数转换模块。图2（a）中，A相电流经过电流互感器CT1变为最大值为2.5mA的电流信号，电流信号经过电阻R10（如80欧姆Ω）、R11（如80Ω）变为电压信号，电阻R14（如1kΩ）和电容C3（如33皮法pF）、电阻R12（如1kΩ）和电容C4（如33pF）构成A相电流信号的阻容滤波电路；B相电流经过电流互感器CT2变为最大值为2.5mA的电流信号，电流信号经过电阻R19（如80Ω）、R20（如80Ω）变为电压信号，电阻R13（如1kΩ）和电容C10（如33pF）、电阻R23（如1kΩ）和电容C9（如33pF）构成B相电流信号的阻容滤波电路；C相电流经过电流互感器CT3变为最大值为2.5mA的电流信号，电流信号经过电阻R21（如80Ω）、R22（如80Ω）变为电压信号，电阻R24（如1kΩ)和电容C12（如33pF）、电阻R27（如1kΩ）和电容C11（如33pF）构成A相电流信号的阻容滤波电路。△为模拟接地线。电阻值和电容值可以但不限于采用图2（a）中标出的值。
模数转换模块的主要功能是把输入的六通道电压电流信号转化成数字信号输出。所采用A/D转换芯片的采样速度越快则获取的信号同待测信号越一致，系统进行信号处理的能力也就越强。A/D转换芯片的选择也要同CPU的选择相一致，根据所选用的CPU的性能选择合适的A/D转换芯片与之配套，这样才能使整个系统的功能得到最大限度的挖掘。
模数转换模块可以但不限于采用高精度6通道双极性16位的A/D转换芯片CS5451A实现。CS5451A是Cirrus Logic公司设计的一款高度集成的模数转换芯片，在一个硅片上集成了6个Δ-∑A/D转换器（包括3个电压测量通道、3个电流测量通道），6个数字滤波器和一个与微控制器或DSP相联接的串行接口。
图3为CS5451A芯片与LPC2138芯片的连接示意图。CS5451A芯片与LPC2138芯片通过串行外设接口（SPI，Serial Peripheral Interface）接口相连，SPI是全双工四线制（SCK、SSEL、MISO、MOSI）的同步串行接口。图中，CS5451A芯片的SCK管脚与LPC2138芯片的SCK0管脚相连，CS5451A芯片的SSEL管脚与LPC2138芯片的SSEL0管脚相连，CS5451A芯片的MISO管脚与LPC2138芯片的MISO0管脚相连，CS5451A芯片的MOSI管脚与LPC2138芯片的MOSI0管脚相连。其中，SCK管脚或SCK0管脚为SPI串行移位时钟线，SSEL管脚或SSEL0管脚为SPI从机选择信号线，MISO管脚或MISO0管脚为SPI主机输入/从机输出数据线，MOSI管脚或MOSI0管脚为SPI主机输出/从机输入数据线。
本实用新型中，采用基准电压模块给模数转换模块提供稳定的电压源。基准电压模块可以采用基准电压芯片AX5621或X1117实现。图4为基准电压芯片AX5621/X1117和A/D转换芯片CS5451A的连接示意图。基准电压芯片的VIN管脚与VCC相连，GND管脚接地，VOUT管脚（VOUT管脚的输出为1.2V）与A/D转换芯片的VREFIN管脚相连，VCC通过电容C1接地，基准电压芯片的VOUT管脚通过电容C2接地，起到滤波作用，A/D转换芯片的VREFOUT管脚直接接地。图中，表示数字接地。基准电压芯片的VIN管脚为电压输入端，VOUT管脚为电压输出端，A/D转换芯片的VREFIN管脚和VREFOUT管脚为参考电压的输入端，VCC为5V电压。
基准电压芯片的VOUT管脚为A/D转换芯片的VREFIN管脚和VREFOUT管脚提供一个基准电压。
图中，与基准电压芯片AX5621的VIN管脚相连的电容为10微法μF，与VOUT管脚相连的电容为22μF。与基准电压芯片X1117的VIN管脚相连的电容为10μF，与VOUT管脚相连的电容为33μF。
参见图5，CPU模块和ZigBee模块可以采用上拉电阻（即与VCC相连的电阻如R1、R2、R3、R4）和下拉电阻（即与地相连的电阻如R5、R6、R7、R8）相连，使得在CPU模块没有输出时将输出电平钳制在一个电位，提高电力网络监控装置的可靠性。图中，CPU模块和ZigBee模块通过SPI接口相连，CPU（LPC2138）的MISO1管脚与ZigBee模块的MISO管脚相连，MOSI1管脚与ZigBee模块的MOSI管脚相连，SCK1管脚与ZigBee模块的SCK管脚相连，SSEL1管脚与ZigBee模块的SSEL管脚相连。MISO1或MISO管脚为SPI主机输入/从机输出数据线，MOSI1或MOSI管脚为SPI主机输出/从机输入数据线，SCK1或SCK管脚为SPI串行移位时钟线，SSEL1或SSEL管脚为SPI从机选择信号线。图中，CPU的MISO1管脚和VCC之间串接一个上拉电阻R1，CPU的MOSI1管脚和VCC之间串接一个上拉电阻R2，CPU的SCLK1管脚和VCC之间串接一个上拉电阻R3，CPU的SSEL1管脚和VCC之间串接一个上拉电阻R4，ZigBee模块的MISO管脚和接地线之间串接一个下拉电阻，ZigBee模块的SCK管脚和接地线之间串接一个下拉电阻，ZigBee模块的MOSI管脚和接地线之间串接一个下拉电阻，ZigBee模块的SSEL管脚和接地线之间串接一个下拉电阻。本实用新型中，上拉电阻可以采用10kΩ的电阻，下拉电阻可以采用1kΩ的电阻。
图6为晶振模块采用锁相环（PLL，Phase-lock Loop）电路实现的示意图，11.0592MHz的晶振JZ1通过内部PLL倍频后最高可达60MHz，PLL电路不仅有倍频作用，还能起到降噪作用。晶振模块的两个输出端XTAL1与LPC2138芯片的XTAL1管脚相连，XTAL2与LPC2138芯片的XTAL2管脚相连。图中电容C33、电容C34的一端接地，另一端分别与晶振JZ1相连。电容值、电阻值可以采用图上标出的值。
上述基于ZigBee的电力网络监控仪表，还包括：
显示模块，用于显示计算得到的电参量。
显示模块可以采用液晶显示器实现。
本发明利用ZigBee无线通信技术具有组网方式灵活、节点数量多、和实现成本低廉的优点，采用ZigBee模块实现无线通信。同时ZigBee模块与CPU模块采用上拉电阻和下拉电阻相连，提高了电力网络监控装置的可靠性。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的实用新型构思的前提下，本领域技术人员对本实用新型所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电力网络监控装置，其特征在于，至少包括：
CPU模块，用于控制模数转换模块、数据处理模块和ZigBee模块工作；
数据采集模块，用于采集电压信号和电流信号；
模数转换模块，用于将采集的电压信号转换为数字电压信号，将采集的电流信号转换为数字电流信号；
数据处理模块，用于根据数字电压信号和数字电流信号计算电参量；
ZigBee模块，用于将计算得到的电参量通过ZigBee网络发送给上位机；
晶振模块，用于为CPU模块提供时钟信号。
2.根据权利要求1所述的电力网络监控装置，其特征在于，所述CPU模块和所述ZigBee模块采用上拉电阻和下拉电阻相连。
3.根据权利要求2所述的电力网络监控装置，所述CPU模块的主机输入/从机输出数据线MISO管脚、主机输出/从机输入数据线MOSI管脚、串行移位时钟线SCK管脚、从机选择信号线SSEL管脚与VCC之间均分别串接一个上拉电阻；所述ZigBee模块的MISO管脚、MOSI管脚、SCK管脚、SSEL管脚与接地线之间均分别串接一个下拉电阻。
4.根据权利要求2或3所述的电力网络监控装置，所述上拉电阻为10千欧kΩ，所述下拉电阻为1千欧kΩ。
5.根据权利要求2或3所述的电力网络监控装置，还包括：
基准电压模块，用于为所述模数转换模块提供稳定的电压源。
6.根据权利要求5所述的电力网络监控装置，还包括：
显示模块，用于显示计算得到的电参量。
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2013
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Cited By (2)
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