CN204228833U - 一种基于gps超远程核相检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及其一种基于GPS超远程核相检测装置，其结构至少由甲乙两套子系统组成，甲乙两套子系统各有一个MCU控制器，所述甲套子系统包括与其MCU控制器相连接的X接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与X接收端无线连接的X发射端；所述乙套子系统包括与MCU控制器相连接的Y接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与Y接收端无线连接的Y发射端；甲乙两套子系统通过之间架设的一个固定IP的服务器及各自的GSM/GPRS模块进行通信连接。本实用新型通过参考GPS秒脉冲，实现一种超远距离核相功能，解决异地现场实时核相功能。

Description

一种基于GPS超远程核相检测装置

技术领域

本实用新型涉及电气测试设备领域，尤其涉及一种进行超远距离相位检测的核相仪装置。

背景技术

传统远程相位实时检测模式采用ASK调制解调模块实现相位信息的远程实时传输功能，但由于无线通信被越来越广泛运用，特别市场上最为常用的315MHz和433MHz频点模块，传统的直接调制ASK通信模块，虽然简单易用，但越来越受到环境的影响，导致使用中的数据不稳定，容易受到外界影响，同时由于该模块频点调整不变，特别是在当多套核相仪系统处在同一现场下互相干扰导致无法正常使用，以及通信距离近等诸多问题。另外还需要一种对于两所变电站之间核相时，距离都在几十公里以上，两边现场人员无法直接沟通却均需要能够实时看到核相仪显示的装置。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型采用目前主流的大量普通的数字无线芯片，通过MCU控制器对其工作模式的配置，使其通过数据包方式实现相位信息的远距离传输检测，除此之外,通过参考GPS秒脉冲，实现一种超远距离核相功能，解决异地现场实时核相功能，具体技术方案如下：

一种基于GPS超远程核相检测装置，至少由甲乙两套子系统组成，甲乙两套子系统各有一个MCU控制器，所述甲套子系统包括与其MCU控制器相连接的X接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与X接收端无线连接的X发射端；所述乙套子系统包括与MCU控制器相连接的Y接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与Y接收端无线连接的Y发射端；甲乙两套子系统通过之间架设的一个固定IP的服务器及各自的GSM/GPRS模块进行通信连接。

优选的，所述的X接收端及Y接收端用于监测空间同频载波信号，经过内部解调处理完成，触发MCU控制器，通过GPS接收机在GPS秒脉冲的上升沿处开始测量X/Y发射端感应信号转换为方波后的第一个脉冲上升沿的到来时间，通过 MCU控制器将该测量时间通过GSM/GPRS模块与对方通过服务器相互发送，根据各自测量时间和对方时间做差，通过公式φxy＝360*T*fx求出相对相位差，其中，fx为感应信号频率，T为X/Y感应信号之间的时间差。

所述的X接收端及Y接收端可采用SI4432无线模块。 

优选的，所述的GSM/GPRS模块采用SIM900A模块通过GPRS模式，利用现有的移动网络，在MCU控制器控制下，实现异地远程核相时的数据传输功能。

所述的X/Y发射端包括接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制单元、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元，所述的保护电路与接触电极、半波整流触发电路、滤波电路相连接，所述的半波整流触发电路还与电源管理单元相连接，所述的电源管理单元由充电单元电路供电，与滤波电路、过零比较电路、MCU控制器单元、X/Y无线发射单元、指示单元连接，给整个电路供电，所述的滤波电路还与过零比较电路相连接，过零比较电路还与MCU控制器单元连接，MCU控制器单元还分别与X/Y无线发射单元及指示单元相连接。

所述的接触电极用于接收原始感应信号，经过保护电路的感应信号在半波整流触发电路中转为直流量，当感应信号大于设置阈值时触发并使能电源管理单元，所述电源管理单元用于给滤波电路、过零比较电路、MCU控制器单元、X/Y无线发射单元及指示单元上电，所述的MCU控制器单元用于上电后初始化X/Y无线发射单元，所述的滤波电路用于在X/Y无线发射单元工作后滤除感应信号中0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，所述的过零比较电路用于完成感应信号正弦波到方波的转换，所述的MCU控制器单元用于在过零点触发信号上升沿脉冲未到达前预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到X/Y无线发射单元无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器单元，MCU控制器单元接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能X/Y无线发射单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务。

所述的GPS接收机还设有2M晶振，所述的2M晶振与GPS接收机分频器相连，所述的2M晶振是一种高精度温补晶振，实时监测GPS秒脉冲信号，实现实时秒脉冲的实时修正，保证秒脉冲的同步性。

所述的显示器模块可采用3.2寸320*240彩色液晶屏。

附图说明

图1为本实用新型系统框图；

图2为本实用新型工作原理示意图；

图3为本实用新型X/Y发射端示意图；

图4为支持本实用新型GPS连接后首次失连下最大支持30分钟远程实时核相结构图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例一： 

本实施例中的基于GPS超远程核相检测装置，至少由甲乙两套子系统组成，如图1所示，甲乙两套子系统各有一个MCU控制器，甲套子系统包括与其MCU控制器相连接的X接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与X接收端无线连接的X发射端；乙套子系统包括与MCU控制器相连接的Y接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与Y接收端无线连接的Y发射端；甲乙两套子系统通过之间架设的一个固定IP的服务器及各自的GSM/GPRS模块进行通信连接。

通过GPS秒脉冲同步测量原理，虽然甲乙两地相距较远，但两地的GPS秒脉冲是依然同步，所以可以通过在GPS秒脉冲的上升沿处开始测量发射端感应信号转换为方波后的第一个脉冲上升沿的到来时间，通过MCU控制器将该测量时间通过GSM/GPRS方式与对方相互发送，根据各自测量时间和对方时间做差即可求出相对相位差，如图所示异地X、Y感应信号时间差为T＝▕T2-T1▏，其原理图如图2所示。

由于采集GPRS传输方式，考虑到该方法中GSM/GPRS网络传输下需要其中一方为固定IP，否则无法传输，但GPRS移动网的特性无法满足于此，即本文采用中间架设一个固定IP服务器方式，当任意两套设备间需要相互传输数据时，相应设备通过开启GPRS模式，通过心跳包保持和服务器实时链接状态，服务器根据设备请求，实现甲乙双方数据的实时交互链接功能；具体是，服务器端运行一套基于XP系统的上位机软件，当设备需要通过GPRS模式相互配合测量时，打开相应设备的GPRS工作模式，服务器实时接收现场设备上报测量数据包，当甲乙 两套设备要相互核相时，在各自设备中输入对方号码即作为相互识别的ID号，工作后甲乙两套设备按照规定的协议格式定时上报测量数据包(数据包格式如图所示)，服务器端根据接收到的数据包，通过分析数据包中的目的ID号(即对方手机号)，通过网络发送到相应设备中。

帧头

目标ID号

本机ID号

数据包长度

数据内容

CRC-16

帧尾

因数据通过网络传输存在数据延迟等问题，本文采用UDP通信协议，减小数据包传输延时问题，但UDP协议减小数据的延迟对该系统而言，根据GPS脉冲是秒脉冲，所以依然无法保证数据经过网络延时＜1S，即本文通过采用时间定位方式，即每一个测量参数都具备一个标准时间，双方都连续采样6个相位时间参数，再打包相互发送，即可达到满足最大允许6S钟的网络延时，为了保证双方时间统一，顾统一采用GPS接收内部收到的卫星时钟，在收到对方数据后，先通过查表比对方式判断是否为同一时刻测量值，一致则进行做差运算相位关系，否则放弃该值，进行下一个参数比较，最终根据运算后的相位参数实时显示，即实现异地相位实时测量。

任意一个测量参数格式：

如甲方数据内容格式为：

本实用新型装置中：

X/Y接收端：主要完成系统核相时的，相位、频率、幅度检测参数的实时接收，并实时转换给主控制器，通过SI4432专用无线数据模块，配合前文中的方法实现。

GPS接收机：实时接收卫星信号，给主控制器通过实时同步秒脉冲信号，提供异地实时同步参数时钟，完成异地下远程核相，通过给系统通过统一卫星时间。GSM/GPRS模块：本文采用SIM900A模块通过GPRS模式，利用现有的移动网络，在MCU控制控制下，实现异地远程核相时的数据传输功能。

显示器模块：采用3.2寸320*240彩色液晶屏，实现核相时候的相位、波形、电压等级、频率、实时显示功能，便于直观的观察实时测量结果。

按键：采集用过按键，实现不同界面、不同功能的切换，以及相应参数的选择配置功能。

服务器：根据本系统方案的，以及SIM900A采用GPRS的网络特性，异地下均无固定IP时无法完成数据相互传输问题，采用架设一个固定服务器，并开发一套软件，完成异地下双方数据通过服务器端上运行的应用软件完成数据的转发功能。

X/Y发射端：主要完成系统核相时的待测电网相线电压幅度、相位、频率的采集，X/Y发射器通过感应方式，获得幅度、相位、频率的采集，并通过数据包方式实现数据参数的传输。

X/Y发射端主要由接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制器单元、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元组成。

当发射端靠近或挂载到220V-500kV电网线路中，发射器接触电极感应到一定强度感应信号，经过保护电路，在发射器未开启状态下，滤波电路不工作，信号经过电阻、二极管组成的半波整流，转为直流量，通过电容滤波后与设置阀值开启电压比较，当感应信号大于该值时，超低功耗比较器工作，输出高电平，触发并使能电源管理单元电路，使其工作从锂电池经过一路LDO稳压芯片输出一路稳定的电源电压，使整个电路开始工作，MCU控制器单元上电后首先初始化X/Y无线发射单元，感应信号在发射器工作后，经过滤波电路，滤除0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，保证过零比较电路准确检测电网信号的过零点，过零点触发信号上升沿脉冲未到达前，MCU控制器单元预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器单元，MCU控制器单元接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能无线单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务。其中：

接触电极：通过电磁感应原理采用金属探头方式完成原始信号的接收。

保护电路：由于电网电压等级不同，周围所处电场不同，感应强度变换较大，为了保证感动信号过大造成接收电路损坏，采用低结电容参数的瞬态抑制二极管完成对前端感应信号幅度的限制，起到在不影响信号相位参数下对后端电路的保护作用。

滤波电路：根据实际电网情况，感应信号的不稳定和电网波动以及电网谐波拉弧等现象，都会造成相位检测的准确性和稳定性问题，本文采用有源低通滤波器，运放和RC实现，滤除0.5KHz以上频率信号，防止电网中的各种谐波信号对过零比较电路影响。

过零比较电路：主要完成对感应信号的过零检测功能，电路采用低功耗集成运放实现迟滞比较器，完成感应信号正弦波到方波的转换任务。

MCU控制器单元：采用C8051F330单片机完成对SI4432无线模块的通信模式的配置功能。

X/Y无线发射单元：为了保证检测到的感应信号相位信息实时传输到接收端，并实时还原出原始信号，确保两者间的相位误差最小，本文采用SI4432无线模块，通过MCU控制初始化为FSK调制下的OOK直通模式，感应信号经过滤波转换为方波信号后，直接输入到无线模块直通脚，实时感应信号实时调制实时传输。

指示单元：通过共阳LED实现充电和正常工作提示，完成上电提示，电量过低提示。

半波整流触发电路：使用整流二极管实现半波整流，经过电容滤波和电阻分压后，与参考电压比较，超过阀值后比较器输出高电平，触发使能电源管理单元，根据感应信号完成自动开机和关机功能。

充电单元电路：采用专用锂电池充电芯片TP4057实现，完成充电功能。

电源管理单元：由P沟道型的开关MOS管，和专用LDO电源稳压芯片TLV70033，通过对MOS管的控制实现电源启动关闭，同时经过LDO电源稳压芯片实现稳定3.3V稳压输出，提供给整个电路。

此外，本系统远程核相采用GPS秒脉冲同步机制实现，由于GPS秒脉冲信号由无线电波传输，不可避免会受到各种干扰，以及室内情况，所以远程核相利用GPS秒脉冲作为远程核相同步时钟源，必须考虑GPS秒脉冲的稳定性和时效性，本核相系统采用一种高精度温补晶振，实时监测GPS秒脉冲信号，实现实时秒脉冲的实时修正，保证秒脉冲的同步性，其结构如图4所示。

如图4所示：本功能主要由GPS接收模块、上升沿触发单元、2M外部有源恒温振荡器、分频器、秒脉冲计数器、脉冲定时器、同步脉冲控制输出组成。

工作原理： 

当系统上电后，GPS接收机工作，启动一定时间后，系统处在室外空旷位置，GPS接收到三颗以上同步卫星信号后，GPS接收机，即可实时输出秒脉冲信号，由于该系统远程核相采用此秒脉冲作为同步脉冲信号采集相位参数，正常下通过脉冲信号输出正常，2M晶振不起作用，但，GPS接收机由于干扰和环境变化等因素引起GPS失连，导致无秒脉冲，此时2M晶振要能立即工作，保证秒脉冲正常，保持一定工作时间。

当秒脉冲正常输出时候，秒脉冲计数器，通过分频后的晶振时钟，实时计数连续两个秒脉冲信号上升沿间，计数脉冲个数，并实时装载到脉冲定时器中，脉冲定时器，在GPS秒脉冲的上升沿同步开始工作，根据装载秒脉冲是GPS秒脉冲连续两个上升沿所测得个数，即脉冲定时器，在开始定时，下一个GPS秒脉冲上升沿处，正好定时结束；如果由于工作过程中导致GPS秒脉冲失效在时间内未能到达时，由于脉冲定时器实时工作，即会立即补上输出一个模拟GPS秒脉冲同步信号，保持同步脉冲正常输出，当采用晶振模拟同步脉冲时，由于非同一个参数时钟源，频率必然存在一定的偏差和，随着时间增加，误差会累积增加，最后导致模拟GPS秒脉冲的同步信号无法使用，本文选用0.5ppm的高精度的温补时钟源，满足30分钟内模拟同步脉冲信号下引起测量误差≤5％，即满足电网相位检测判断要求。

Claims (8)

1.一种基于GPS超远程核相检测装置，至少由甲乙两套子系统组成，其特征在于，甲乙两套子系统各有一个MCU控制器，所述甲套子系统包括与其MCU控制器相连接的X接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与X接收端无线连接的X发射端；所述乙套子系统包括与MCU控制器相连接的Y接收端、GPS接收机、GSM/GPRS模块、显示器模块、按键，以及与Y接收端无线连接的Y发射端；甲乙两套子系统通过之间架设的一个固定IP的服务器及各自的GSM/GPRS模块进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的X接收端及Y接收端用于监测空间同频载波信号，经过内部解调处理完成，触发MCU控制器，通过GPS接收机在GPS秒脉冲的上升沿处开始测量X/Y发射端感应信号转换为方波后的第一个脉冲上升沿的到来时间，通过MCU控制器将该测量时间通过GSM/GPRS模块与对方通过服务器相互发送，根据各自测量时间和对方时间做差，通过公式φxy＝360*T*fx求出相对相位差，其中，fx为感应信号频率，T为X/Y感应信号之间的时间差。

3.根据权利要求2所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的X接收端及Y接收端采用SI4432无线模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的GSM/GPRS模块采用SIM900A模块通过GPRS模式，利用现有的移动网络，在MCU控制器控制下，实现异地远程核相时的数据传输功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的X/Y发射端包括接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制单元、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元，所述的保护电路与接触电极、半波整流触发电路、滤波电路相连接，所述的半波整流触发电路还与电源管理单元相连接，所述的电源管理单元由充电单元电路供电，与滤波电路、过零比较电路、MCU控制器单元、X/Y无线发射单元、指示单元连接，给整个电路供电，所述的滤波电路还与过零比较电路相连接，过零比较电路还与MCU控制器单元连接，MCU控制器单元还分别与X/Y无线发射单元及指示单元相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的接触电极用于接收原始感应信号，经过保护电路的感应信号在半波整流触发电路中转为直流量，当感应信号大于设置阈值时触发并使能电源管理单元，所述电源管理单元用于给滤波电路、过零比较电路、MCU控制器单元、X/Y无线发射单元及指示单元上电，所述的MCU控制器单元用于上电后初始化X/Y无线发射单元，所述的滤波电路用于在X/Y无线发射单元工作后滤除感应信号中0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，所述的过零比较电路用于完成感应信号正弦波到方波的转换，所述的MCU控制器单元用于在过零点触发信号上升沿脉冲未到达前预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到X/Y无线发射单元无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器单元，MCU控制器单元接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能X/Y无线发射单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务。

7.根据权利要求1所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的GPS接收机还设有2M晶振，所述的2M晶振与GPS接收机分频器相连。

8.根据权利要求1所述的一种基于GPS超远程核相检测装置，其特征在于，所述的显示器模块采用3.2寸320*240彩色液晶屏。