一种无线路灯微基站电能计量装置
技术领域
本实用新型涉及物联网、道路照明领域,具体为一种无线路灯微基站电能计量装置。
背景技术
由于路灯灯杆具有城市密度和供电方便的特性,在物联网领域和道路照明领域,已经有厂家开始利用灯杆供电的便利在路灯灯杆上挂载空气传感器、摄像头、显示屏等各种物联网组件,这些物联网组件全部采用简单的接线方式从灯杆线路上取电,不考虑灯杆供电线路的负载能力,导致灯杆供电线路负载过重造成线路烧毁的问题时有发生。
有部分厂家为了保证路灯灯杆上挂载的用电设备加装断路器和开关控制器,但是这些装置都是独立工作,在灯杆回路供电过程中,所有设备同时上电启动,造成启动电流过大造成供电线路故障问题。
由于路灯照明属于社会公共资源,路灯照明电费由政府财政根据路灯控制柜中的电表计量数据进行统一支付,但是在路灯灯杆上挂载的设备消耗的用电量能够达到路灯用电量的40%之多,无法对这些额外的用电消耗进行有效的计量统计,导致公共社会资源的严重浪费。
上述提到的这些缺陷已经成为了急需解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型设计了一种无线路灯微基站电能计量装置。
本实用新型采用了如下技术方案:
一种电能计量装置,该电能计量装置包括电能输入接口、设备用电接口、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口、无线通信天线,其特征在于:电能输入接口,用于供电的交流输入,所述电能输入接口,具有L、E、N三个引脚分别接供电输入的火线、保护地、零线;设备用电接口,用于给被管理的设备进行供电和电能计量,所述设备用电接口,具有L、E、N三个引脚,分别给被管理设备提供火线、保护地、零线的接入;回路供电输出/外置电流采样功能复用接口,用于内置级联式连接方法中的回路供电输出,以及用于外接互感器式连接方法中的外置电流互感器的连接。
进一步的,所述电能计量装置还包括AC/DC电源模块、电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2、电能计量芯片、电能计量校准端子、设备供电开关、电流采样模式选择装置、CPU处理器、无线通信模块。
进一步的,所述回路供电输出/外置电流采样复用功能接口具有L/S+、E/S-、N三个引脚,作为回路供电输出功能时,分别给下一级管理装置提供火线、保护地、零线的接入,作为外置电流采样功能时,用于连接外置电流互感器的S+、S-。
进一步的,所述电流采样模式选择装置有1、2、3共3个短接端子组成,通过如下方法连接实现电流采样模式的选择;连接1,电能输入接口的火线L引脚和选择装置1号端子相连接;连接2,选择装置2号端子通过电流采样电路2和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的L/S+连接;连接3,电能输入接口的保护地E引脚和选择装置3号端子相连接,同时和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的E/S-连接;连接4,电能输入接口的零线N引脚和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的N连接。
进一步的,所述内置级联式连接方法中的电流采样方式包括:1)选择装置短接1、2号端子;2)电能输入的火线L和选择装置1号端子连接,通过2点端子后经过电流采样电路2给设备供电输出接口的火线引脚L连接,给下级供电装置进行供电输入,下级供电装置的供电经过负载后通过零线N和回路供电输出接口的零线N引脚相连接,回路供电输出接口零线N和电能输入零线N连接,形成给下级供电装置供电的回路;3)通过电流采样电路2对供电回路进行电流转换,然后输入给电能计量芯片进行电能计量。
进一步的,外接互感器式连接方法中的电流采样方式包括:1)选择装置短接2、3号端子;2)外置交流互感器检测到外置电缆上的大电流后,将外置电流互感器的S+和外置电流采样接口的S+引脚相连接,然后经过电流采样电路2和选择装置的2号端子进行连接,通过选择装置的3号端子和外置电流采样接口的S-引脚相连接,并通过外置电流采样S-引脚和外置交流互感器的S-连接,形成外置电流检测回路;3)通过电流采样电路2对电流检测回路进行电流转换,然后输入给电能计量芯片进行电能计量。
进一步的,所述回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时,外置交流互感器S-通过外置电流采样接口的S-/E引脚和电能输入接口的保护地E引脚相连接。
进一步的,所述电流采样电路1,用于将设备用电接口连接的负载设备的电流信号进行信号转换,采用1毫欧高精度采样电阻,将电流信号转换成电压信号输入到RN8209D电能采样芯片进行电流信号的采集;所述电流采样电路2,在内置级联式连接方法中,用于将回路供电输出接口连接的后续供电负载的电流信号进行信号转换,在外接互感器式连接方法中,用于将外置的电流互感器的电流信号进行信号转换,将转换的电流信号输入给电能计量芯片进行电流采样;所述电流采样电路2,采用高精度电流互感器TA1005-1M进行电流隔离采样,然后输入到RN8209D电能采样芯片进行电流信号的采集。
进一步的,所述电压采样电路,将供电输入的交流电压进行信号转换,所述电压采样电路,采用0.1%的高精度电阻对采样电压进行分压,然后输入到RN8209D电能采样芯片进行电压信号的采集。
进一步的,所述CPU处理器,通过与电能计量芯片进行通信完成设备用电接口和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的电能计量,并将计量的电能数据进行统计和阀值判断,若超过预设阀值,则通过IO控制引脚切断用电设备的供电;所述CPU处理器,采用STM32F103RC ARM处理器完成装置的电流、电压、电能的采集和统计。
进一步的,所述电能计量芯片,通过对电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2输入的电压电流信号进行采样,完成用电设备接口和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的电能计量;所述电能计量芯片,采用RN8209D芯片,通过双通道电能计量功能完成设备用电接口和回路供电输出/外置电流采样复用功能接口输入的电能计量。
进一步的,所述无线通信模块,根据CPU处理器的指令,通过无线通信模块将电能计量装置的电流、电压、消耗的电能数据通过无线通信天线传输给管理部门;所述无线通信模块,采用SX1278无线数据传输模块完成与其他电能计量装置或者管理主机的通信。
一种电能计量装置的内置级联式连接方法,该内置级联式连接用于将多级电能计量装置连接起来,其特征在于,该连接方法包括:1)供电输入连接第一电能计量装置的电能输入接口,完成第一电能计量装置的供电输入;2)第一电能计量装置的设备供电接口连接第一用电设备,完成第一用电设备的供电管理;3)回路供电输出/外置电流采样复用接口在内置级联式连接方法中作为回路供电输出接口使用,第一电能计量装置的回路供电输出接口连接第二电能计量装置的电能输入接口,给第二电能计量装置进行供电输入;第二电能计量装置的设备供电接口连接第二用电设备,用于完成第二用电设备的电能计量统计;4)第二电能计量装置的回路供电输出接口连接第三电能计量装置的电能输入接口,给第三电能计量装置进行供电输入;以此类推,完成第N电能计量装置和第N用电设备的电能计量统计。
进一步的,所述电能计量装置在第一用电设备应用中,所述设备供电开关采用默认常闭的模式,使得被管理的第一用电设备默认处于供电状态,通过CPU处理器接收无线指令或者CPU处理器内部的定时指令进行第一用电设备的开关控制。
进一步的,所述电能计量装置在进行第二至第N用电设备的电能计量管理时,设备供电开关采用默认常开的模式,使得被管理的用电设备在电缆供电时处于断开状态,只有CPU处理器接收到无线指令或者CPU处理器内部的定时器指令,才开启对用电设备供电并进行电能计量。
本实用新型的有益效果是:该电能计量装置和连接方法除了能够对路灯上的每一盏路灯的负载和用电量进行管理外,还能够对挂载在路灯灯杆上的各类设备进行有效的负载和用电管理。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1是电能计量装置的结构框图;
图2是内置级联式连接的示意图;
图3是外接互感器式连接的示意图;
图4是电能计量装置的电路结构示意图;
图5是电流采样模式选择装置的结构示意图;
图6是内置级联电流采样的结构示意图;
图7是外置互感器电流采样的结构示意图;
图8是外置互感器电流采样保护地的结构示意图;
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述:
本实用新型对灯杆上挂载的设备进行管理由一个无线路灯微基站电能计量装置完成,本实用新型为了描述方便,将无线路灯微基站供电管理装置简称为电能计量装置。
图1是电能计量装置的结构框图。该电能计量装置包括:电能输入接口、设备用电接口、回路供电输出/外置电流采样复用接口、无线通信天线共4个部分组成。
本实用新型由多个装置完成对路灯灯杆上挂载的设备进行电能计量,根据管理的用电设备的负载总电流大小不同,电能计量装置的供电连接方法分为:1)内置级联式连接;2)外接互感器式连接,共2种连接方法。
本实用新型的回路供电输出/外置电流采样复用接口为一个多功能复用接口;在总负载功率≤1KW时,采用内置级联式连接方法,回路供电输出/外置电流采样复用接口作为回路供电输出功能,用来完成路灯灯杆上挂载设备的供电管理;在总负载功率>1KW时,采用外接互感器式连接方法,回路供电输出/外置电流采样复用接口作为外置电流采样功能,外接外置电流采样互感器实现大功率用电设备的电能计量。
图2是内置级联式连接的示意图。该内置级联式连接用于将多级电能计量装置连接起来,具体包括:
1)供电输入连接第一电能计量装置的电能输入接口,完成第一电能计量装置的供电输入;
2)第一电能计量装置的设备供电接口连接第一用电设备,例如路灯照明灯具(如图所示),完成路灯照明灯具的供电管理,实现路灯基础照明电能计量;
3)回路供电输出/外置电流采样复用接口在内置级联式连接方法中作为回路供电输出接口使用,第一电能计量装置的回路供电输出接口连接第二电能计量装置的电能输入接口,给第二电能计量装置进行供电输入;第二电能计量装置的设备供电接口连接第二用电设备,例如路灯灯杆上挂载的用电设备A(如图所示),用于完成第二用电设备的电能计量统计;
4)第二电能计量装置的回路供电输出接口连接第三电能计量装置的电能输入接口,给第三电能计量装置进行供电输入;
以此类推,完成第N电能计量装置和第N用电设备的电能计量统计。
本实用新型的内置级联式连接方法中,电能计量装置的设备供电接口管理一个用电设备,第一个电能计量装置完成路灯照明灯具的电能计量统计;回路供电输出接口完成后面级联的所有电能计量装置和用电设备的电能计量统计。
图3是外接互感器式连接的示意图。该外接互感器式连接方法用于供电回路中设备负载功率超过1KW的电能计量统计的应用场景,具体包括:
1)第一电能计量装置的交流输入接口挂接在供电电缆上,通过供电电缆给第一电能计量装置供电;
2)第一电能计量装置的设备用电接口连接第一用电设备,例如路灯照明灯具(如图所示),用于完成路灯照明灯具的供电管理,实现路灯基础照明电能计量统计;
3)在供电电缆上的第一电能计量装置的供电线路接头后面接入一个第一电流互感器,用于检测电缆后续供电负载电流并计量消耗的电能;
4)回路供电输出/外置电流采样复用接口在外接互感器式连接方法中作为外置电流采样接口使用,第一电能计量装置的外置电流采样接口连接第一电流互感器,用于检测第一电流互感器处的电流大小;
5)第二电能计量装置的交流输入接口挂接在第一电流互感器后面、第二电流互感器前面的的供电电缆上;
6)第二电能计量装置的设备用电接口连接第二用电设备,例如用户设备A(如图所示),用于管理用电设备A消耗的电能;
7)第二电流互感器检测安装在第二电能计量装置的供电线接头后面,用于检测第二电能计量装置后面的用电设备的负载电流和消耗的电能;
以此类推,第三电能计量装置至第N电能计量装置分别用于管理第三用电设备至第N用电设备的电能计量,第三电流互感器至第N电流互感器用于检测其后的负载电流和电能计量。
(以下表述是否准确)本实用新型的外接互感器式连接方法中,正常情况时第一电流互感器采集的电流和电能=第一用电设备的电流和电能+第二电流互感器采集的电流和电能。如果供电电缆上出现未被计量的偷电负载或者出现漏电电能消耗时,正常情况时第一电流互感器采集的电流和电能=第一用电设备的电流和电能+第二电流互感器采集的电流和电能+偷电负载设备消耗的电流和电能。
本实用新型通过判断第一电流互感器采集的电流和电能 > 第一用电设备的电流和电能+第二电流互感器采集的电流和电能时,即可以判断第一电流互感器和第二电流互感器2之间的供电电缆出现偷电或者漏电问题出现。
本实用新型的外接互感器式连接方法中,每个电能计量装置完成设备用电接口接入的用电设备的电能计量和统计,电流互感器管理的是其后所有用电设备负载的电能计量和统计。
图4是电能计量装置的电路结构示意图。该电能计量装置包括电能输入接口、设备用电接口、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口、AC/DC电源模块、电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2、电能计量芯片、电能计量校准端子、设备供电开关、电流采样模式选择装置、CPU处理器、无线通信模块、无线通信天线。其中:
1、电能输入接口,用于供电的交流输入,所述电能输入接口,具有L、E、N三个引脚分别接供电输入的火线、保护地、零线;
2、设备用电接口,用于给被管理的设备进行供电和电能计量,所述设备用电接口,具有L、E、N三个引脚,分别给被管理设备提供火线、保护地、零线的接入;
3、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口,用于内置级联式连接方法中的回路供电输出,以及用于外接互感器式连接方法中的外置电流互感器的连接;所述回路供电输出/外置电流采样复用功能接口,具有L/S+、E/S-、N三个引脚,作为回路供电输出功能时,分别给下一级管理装置提供火线、保护地、零线的接入,作为外置电流采样功能时,用于连接外置电流互感器的S+、S-;
4、AC/DC电源模块,用于将交流电源转换为直流电源,给电能计量装置中的其他电路和模块提供工作电源;
5、电压采样电路,将供电输入的交流电压进行信号转换,以便于电能计量芯片进行电压采样,所述电压采样电路,采用0.1%的高精度电阻对采样电压进行分压,然后输入到RN8209D电能采样芯片进行电压信号的采集;
6、电流采样电路1,用于将设备用电接口连接的负载设备的电流信号进行信号转换,以便于电能计量芯片进行电流采样;
所述电流采样电路1,采用1毫欧高精度采样电阻,将电流信号转换成电压信号输入到RN8209D电能采样芯片进行电流信号的采集;
7、电流采样电路2,在内置级联式连接方法中,用于将回路供电输出接口连接的后续供电负载的电流信号进行信号转换,以便于电能计量芯片进行电流采样,在外接互感器式连接方法中,用于将外置的电流互感器的电流信号进行信号转换,将转换的电流信号输入给电能计量芯片进行电流采样;
所述电流采样电路2,采用高精度电流互感器TA1005-1M进行电流隔离采样,然后输入到RN8209D电能采样芯片进行电流信号的采集;
8、电能计量芯片,通过对电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2输入的电压电流信号进行采样,完成用电设备接口和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的电能计量;
所述电能计量芯片,采用RN8209D芯片,通过双通道电能计量功能完成设备用电接口和回路供电输出/外置电流采样复用功能接口输入的电能计量;
9、电能计量校准端子,在电能计量装置生产过程中,通过向该端子输出标准的电能校准信号进行电能计量装置的计量精度的校准;
10、设备供电开关,通过CPU处理器IO控制信号管理设备用电接口的供电开关;
所述设备供电开关,采用HF152F继电器进行供电控制,完成不超过5A电流设备的供电管理。
11、电流采样模式选择装置,用于内置级联式连接方法和外接互感器式连接方法中电流采样模式的选择;
12、CPU处理器,通过与电能计量芯片进行通信完成设备用电接口和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的电能计量,并将计量的电能数据进行统计和阀值判断,若超过预设阀值,则通过IO控制引脚切断用电设备的供电;
所述CPU处理器,采用STM32F103RC ARM处理器完成装置的电流、电压、电能的采集和统计;
13、无线通信模块,根据CPU处理器的指令,通过无线通信模块将电能计量装置的电流、电压、消耗的电能数据通过无线通信天线传输给管理部门;
所述无线通信模块,采用SX1278无线数据传输模块完成与其他电能计量装置或者管理主机的通信;
14、无线通信天线,用于无线信号的发射和接收。
本实用新型的电能计量装置在第一级进行路灯照明电能计量管理时,设备供电开关采用默认常闭的模式,使得被管理的照明灯具默认处于供电状态,通过CPU处理器接收无线指令或者CPU处理器内部的定时指令进行照明灯具的开关控制。
本实用新型的电能计量装置在进行其他用电设备的电能计量管理时,设备供电开关采用默认常开的模式,使得被管理的用电设备在电缆供电时处于断开状态,只有CPU处理器接收到无线指令或者CPU处理器内部的定时器指令,才开启对用电负载设备供电并进行电能计量。
本实用新型的每个电能计量装置对用电负载设备的开启供电采用分时控制,避免同时对用电负载设备进行开启供电,导致供电回路启动电流过大而烧毁供电线路的问题出现;当用电负载设备的消耗的电能过大,或者消耗的电能超过了CPU处理器中设定的阀值时,CPU处理器通过控制信号线控制负载设备供电开关,断开对用电负载设备的供电。
图5是电流采样模式选择装置的结构示意图。本实用新型的电能计量装置中的电流采样模式选择装置有1、2、3共3个短接端子组成,通过如下连接方式实现电流采样模式的选择,连接方式为:1)电能输入接口的火线L引脚和选择装置1号端子相连接;2)选择装置2号端子通过电流采样电路2和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的L/S+连接;3)电能输入接口的保护地E引脚和选择装置3号端子相连接,同时和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的E/S-连接;4)电能输入接口的零线N引脚和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的N连接。
本实用新型的电能计量装置中回路供电输出/外置电流采样功能复用接口做为两种功能复用:1)做为回路供电输出功能时,具有火线L、保护地E、零线N三个引脚;2)做为外置电流采样功能时,具有外置互感器S+、S-两个引脚;本实用新型将回路供电输出功能时的火线L和外置电流采样功能时互感器S+复用到一个引脚上,将回路供电输出功能时的保护地E和外置电流采样功能时互感器S-复用到一个引脚上。
图6是内置级联电流采样的结构示意图。本实用新型的电能计量装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为回路供电输出功能时电流采样方式为:1、选择装置短接1、2号端子;2、电能输入的火线L和选择装置1号端子连接,通过2点端子后经过电流采样电路2给设备供电输出接口的火线引脚L连接,给下级供电装置进行供电输入,下级供电装置的供电经过负载后通过零线N和回路供电输出接口的零线N引脚相连接,回路供电输出接口零线N和电能输入零线N连接,形成给下级供电装置供电的回路;3、通过电流采样电路2对供电回路进行电流转换,然后输入给电能计量芯片进行电能计量。
图7是外置互感器电流采样的结构示意图。本实用新型的电能计量装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时电流采样方式为:1、选择装置短接2、3号端子;2、外置交流互感器检测到外置电缆上的大电流后,将外置电流互感器的S+和外置电流采样接口的S+引脚相连接,然后经过电流采样电路2和选择装置的2号端子进行连接,通过选择装置的3号端子和外置电流采样接口的S-引脚相连接,并通过外置电流采样S-引脚和外置交流互感器的S-连接,形成外置电流检测回路;3、通过电流采样电路2对电流检测回路进行电流转换,然后输入给电能计量芯片进行电能计量。
图8是外置互感器电流采样保护地的结构示意图。本实用新型的电能计量装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时,外置交流互感器S-通过外置电流采样接口的S-/E引脚和电能输入接口的保护地E引脚相连接,避免外置交流互感器高压脉冲信号的出现,避免导致人身和设备的安全事故发生。
本实用新型的外接互感器式连接方法在检测到供电电缆中的负载电流和负载功率超过电缆负载容量或者预设电流阀值时,首先关闭电能计量装置设备用电接口的用电设备的供电,以保护供电电缆的供电安全,然后通过无线通信天线将负载电流和负载功率超限告警发送到其他装置中,通知其他装置切断自身的设备用电接口的用电设备的供电,以保证供电电缆的供电安全。
本实用新型的电能计量装置在第一级进行路灯照明电能计量管理时,设备供电开关采用默认常闭的模式,使得被管理的照明灯具默认处于供电状态,通过CPU处理器接收无线指令或者CPU处理器内部的定时指令进行照明灯具的开关控制。
本实用新型的电能计量装置在进行其他用电设备的电能计量管理时,设备供电开关采用默认常开的模式,使得被管理的用电设备在电缆供电时处于断开状态,只有CPU处理器接收到无线指令或者CPU处理器内部的定时器指令,才开启对用电负载设备供电并进行电能计量
本实用新型的每个电能计量装置对用电负载设备的开启供电采用分时控制,避免同时对用电负载设备进行开启供电,导致供电回路启动电流过大而烧毁供电线路的问题出现;当用电负载设备的消耗的电能过大,或者消耗的电能超过了CPU处理器中设定的阀值时,CPU处理器通过控制信号线控制负载设备供电开关,断开对用电负载设备的供电。
以上所述,仅为本实用新型较佳的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。