CN209894879U - 智慧用电测控终端 - Google Patents

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严海峰
沈鑫
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Abstract

本实用新型公开了一种智慧用电测控终端，包括电压采样装置、电流采样装置和单片机；电压采样装置和电流采样装置分别与电网连接，用于分别接收电网中的三相电压和电流并分别转换成电压采样信号和电流采样信号输出；电压采样装置和电流采样装置还分别与单片机连接，单片机与智慧用电监控系统连接，单片机用于对接收的电压采样信号和电流采样信号进行模数转换后输出功率因数信息给智慧用电监控系统。本实用新型的智慧用电测控终端与智慧用电监控系统连接，将功率因数信息发送给智慧用电监控系统，智慧用电监控系统会以短信告知客户，客户通过这些消息提醒，调整设备的用电情况和状态，从而达到合理用电，降低用电支出的目的。

Description

智慧用电测控终端
技术领域
本实用新型属于智慧用电测控装置技术领域，尤其涉及一种智慧用电测控终端。
背景技术
现阶段使用的智慧用电监控终端，可以对电压，电流，线温，剩余电流这些用电信息进行测量。当出现用电信息异常时，通过短信和电话的形式提醒维护人员进行处理，杜绝用电过程中的电气火灾隐患。
然而，现有常规的方案，无法对功率因数进行测试，导致无法指导客户进行合理用电。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：除了对常规的用电信息进行测量，还增加功率因数的测量，可以指导客户合理用电，避免功率因数低需要支付额外的费用。
针对上述目的，本实用新型的技术方案为：
一种智慧用电测控终端，包括电压采样装置、电流采样装置和单片机；所述电压采样装置和电流采样装置分别与电网连接，用于分别接收电网中的三相电压和电流并分别转换成电压采样信号和电流采样信号输出；所述电压采样装置和电流采样装置还分别与所述单片机连接，单片机与智慧用电监控系统连接，所述单片机用于对接收的电压采样信号和电流采样信号进行模数转换后输出功率因数信息给智慧用电监控系统。
优选的，所述的智慧用电监控系统设有门限值，所述智慧用电监控系统对监测到的用电量达到门限值时，通过以短信、电话、或客户端的app信息提醒模式通知客户端。
优选的，所述电压采样装置与电网以如下方式连接：电阻Rin与电网的输入端连接，用于对电网进行分压，电阻Rout并联在分压后的线路中，作为电压采样信号输出端输出，所述电阻Rin由电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5和电阻RM6相互串联组成。
优选的，所述电流采样装置采用锰铜RSHUNT进行电流采样，所述锰铜RSHUNT连接电网的输入端，用于对电网的交流电流输入信号IIN进行采样，并输出小交流电流信号VOUT，所述锰铜RSHUNT还与偏置网络与噪声滤波器连接，所述偏置网络与噪声滤波器用于对小交流电流信号VOUT进行模拟采样后输送电流采样信号到单片机采样端。
优选的，所述电流采样装置采用高精度电流互感器CT进行电流采样，电网的交流电流 IIN为电流互感器CT的一次测输入信号，所述交流电流IIN通过电流互感器CT进行处理后输出二次测低的交流电流输出信号IOUT，该电流输出信号IOUT通过与电流互感器CT采样匹配的电阻RBURDEN进行处理后输出交流电压信号VOUT，该交流电压信号VOUT再通过偏置网络与噪声滤波器进行模拟采样处理输出电流采样信号到单片机采样端。
优选的，所述的单片机型号为MKM34Z128CLL5。
优选的，所述电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5、电阻RM6以及电阻R60采用高精度电阻。
优选的，所述的电流互感器CT为高精度电流互感器，其采用申科公司生产的。
本实用新型的基本构思：在信号采样上，电流采样，通过高精度电流互感器，在保证比差误差的同时，不丢失角差信号；电压采样上，通过高精度电阻分压方式，也保证获得的采样信号与原信号，在比差和角差上有很高的精度，然后通过芯片(即单片机)的计量算法，对电压和电流采样信号进行模数转换，获取电压和电流信号之间的角度信息，最终以功率因数的形式体现。
本实用新型中智慧用电终端监测的功率因数信息，会和电压，电流，温度，剩余电流这些用电信息上传到智慧用电监控系统，客户通过对应的APP可以看到这些实时的用电信息，同时对这些用电信息设置门限值，当对应的用电量达到门限值时，智慧用电监控系统会以短信，电话，和app上信息提醒三种方式告知客户，客户通过这些消息提醒，调整设备的用电情况和状态，从而达到合理用电，降低用电支出的目的。
整体实施方案如图1所示。
本设计采用型号为MKM34CZ128CLL5的32位ARM微处理器，实现核心采样和计量。其型号以MKM34CZ128CLL5做为核心采样及计量方案，并实现一些基本的辅助功能，芯片封装为100pin的TQFP封装。电流采样使用24bit的ΣΔADC采样端口，电压采样使用通用16位ADC采样方式，获取到数据后通过FFT算法得到电压、电流、功率因数、电量等数据，这里所使用的FFT算法为原飞思卡尔官方提供的计量代码库，通过合理的软件配置近而得到相应的数据。
本实用新型主要改进及发明部分：
1、电压和电流采样部分，如图3所示：
电压采样电路原理：
采用电阻分压的方式，把大交流信号转换成小交流信号，以适应MKM34CZ128CLL5的采样幅值要求(我们按照1.9Un来设计)。如下所示，Vin为高压交流信号输入，Rin为 RM1,RM2,RM3,RM4,RM5,RM6,R60电阻之和，Rout为R60，VP为进单片机 MKM34CZ128CLL5前的小交流信号。
如图4所示，电组分压采样原理示意图
a)电压采样电路主要参数：1)功率
原则上选用的电压采样电阻功率要有至少10倍以上的裕量。例如：Un＝220V，1.9Un＝220V*1.9＝418V；200K*6＝1200K；P＝I2R＝(220V/1200K)2*200K＝0.0067W。我们选用的1206封装的贴片电阻功率是0.25W，功率裕量足够。
2)精度
原则上Cl.1，Cl.2，Cl.0.5S级表选用的电压采样电阻精度≤1％。
3)温度系数
原则上选用的电压采样电阻温度系数≤200PPM。因为Cl.1.0S级表对温度系数的要求≤0.03％/K。另外，因电流采样器件阻值也会受温度的影响，而且100PPM的贴片电阻和200PPM的贴片电阻差价很小，故选用100PPM或温度系数更好的电阻。
4)采样幅值
根据MKM34CZ128CLL5芯片，电压采样峰峰值≤840mV,即有效值≤595mV。目前设计的电压采样网络采样最大值：
＝(R60/(RM1+RM2+RM3+RM4+RM5+RM6+R60))×220V×1.9
＝1.5/(200*8+1.5)*220V*1.9
＝0.522V。
5)耐冲击电压
原则上选用的整个电压采样网络耐电压值不低于1200V。
2、电流采样部分，
a)电流采样电路图：如图5电流采样电路图
b)电流采样电路原理：
采用锰铜或CT电流采样器件，把大的交流电流信号转换成低的交流电压信号，以适应单片机的采样幅值要求。如图6所示，锰铜差分采样原理
图6中IIN为大的交流电流输入信号，RSHUNT为锰铜，VOUT为小的交流电压信号。 VOUT＝RSHUNT×IIN。VOUT再通过后级的限流电阻及偏置网络和噪声滤波，模拟采样送入MKM34CZ128CLL5采样通道进行测量。
如图7互感器差分采样原理；图7中IIN为大的交流电流CT一次测输入信号，RBURDEN为CT采样匹配电阻，IOUT为CT二次侧低的交流电流输出信号，VOUT为小的交流电压信号。 VOUT＝RBURDEN×IOUT＝RBURDEN×IIN/N。VOUT再通过后级的偏置网络和噪声滤波，模拟采样直接送入MKM34CZ128CLL5进行测量。
c)电流采样电路主要参数：
1)采样电阻功率。≥1/10W；采样电阻精度，≤1％；
采样电阻温度系数，≤100PPM；采样电阻耐压值，≥150V；
2)采样电容。精度5％，耐压值50V。
3)互感器的选取。以5(60)A仪表为例，互感器选用5(60)A/5mA20R，取样电阻采用3Ω1/8W 1％100PPM。电流互感器采样通道选用1倍增益放大器，通道允许采样峰峰值不超过8400mV(即有效值595mV)，这样互感器电流采样的最大值＝Imax ×R＝60mA×6Ω＝360mV，在采样幅值范围要求内。
本实用新型中所述芯片型号为MKM34Z128CLL5，128K FLASH,16K RAM,32-bit ARMCortex M0+core，4路24位高精度ADC.最高主频为50MHz。高精度电阻为：国巨的200K 和1K电阻,采用1206封装，功率0.25W,耐压200V,精度为1％，温漂为100ppm。高精度电流互感器采用申科的，精度为0.1S级，变比为2000:1，负载电阻20R.
本实用新型的主要保护点：一种测量电压和电流角度的采样方案，实现功率因数的准确计量。保护点：1：电压和电流的采样方案2：智慧用电测控终端实现功率因数的测量。
相对于现有技术，本实用新型的优点是：本实用新型实现了功率因数的准确测量，为客户合理用电提供了依据。本实用新型中的智慧用电测控终端与智慧用电监控系统连接，将功率因数信息发送给智慧用电监控系统，智慧用电监控系统会以短信，电话，和 app上信息提醒三种方式告知客户，客户通过这些消息提醒，调整设备的用电情况和状态，从而达到合理用电，降低用电支出的目的。
附图说明
图1是本实用新型实施例的连接结构示意图。
图2是本实用新型实施例的整体实施方案图。
图3是本实用新型实施例电压和电流采样电路图。
图4是本实用新型实施例的电阻分压采样原理图。
图5是本实用新型实施例的电流采样电路图。
图6是本实用新型实施例的锰铜差分采样原理图。
图7是本实用新型实施例的互感器差分采样原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
一种智慧用电测控终端，包括电压采样装置、电流采样装置和具有AD转换功能的单片机2；所述电压采样装置和电流采样装置分别与电网连接，用于分别接收电网中的三相电压和电流并分别转换成电压采样信号和电流采样信号输出；所述电压采样装置和电流采样装置还分别与所述单片机连接，单片机与智慧用电监控系统连接，所述单片机用于对接收的电压采样信号和电流采样信号进行模数转换后输出功率因数信息给智慧用电监控系统。所述的智慧用电监控系统设有门限值，所述智慧用电监控系统对监测到的用电量达到门限值时，通过以短信、电话、或客户端的app信息提醒模式通知客户端。
如图4所示，本实施例中所述电压采样装置与电网通过如下方式连接：电阻Rin与电网的输入端连接，用于对电网进行分压，电阻Rout并联在分压后的线路中，作为电压采样信号输出端输出，所述电阻Rin由电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5和电阻 RM6相互串联组成。
如图7所示，所述电流采样装置采用高精度电流互感器CT 1进行电流采样，电网的交流电流IIN为电流互感器CT的一次测输入信号，交流电流IIN通过电流互感器CT进行处理输出二次测低的交流电流输出信号IOUT，该电流输出信号IOUT通过与电流互感器CT采样匹配的电阻RBURDEN进行处理后输出交流电压信号VOUT，该交流电压信号VOUT再通过偏置网络与噪声滤波器进行模拟采样处理输出所述电流采样信号到单片机采样端。
优选的，如图6所示，所述电流采样装置还可以采用锰铜RSHUNT进行电流采样，所述锰铜RSHUNT连接电网的输入端，用于对电网的交流电流输入信号IIN进行采样，并输出小交流电流信号VOUT，所述锰铜RSHUNT还与偏置网络与噪声滤波器连接，所述偏置网络与噪声滤波器用于对小交流电流信号VOUT进行模拟采样后输送所述电流采样信号到单片机采样端。
优选的，所述的单片机型号为MKM34Z128CLL5。优选的，所述电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5、电阻RM6以及电阻R60采用高精度电阻。优选的，所述的电流互感器CT为高精度电流互感器，其采用申科公司生产的。

Claims (8)

1.一种智慧用电测控终端，其特征在于：包括电压采样装置、电流采样装置和单片机；所述电压采样装置和电流采样装置分别与电网连接，用于分别接收电网中的三相电压和电流并分别转换成电压采样信号和电流采样信号输出；所述电压采样装置和电流采样装置还分别与所述单片机连接，单片机与智慧用电监控系统连接，所述单片机用于对接收的电压采样信号和电流采样信号进行模数转换后输出功率因数信息给智慧用电监控系统。
2.根据权利要求1所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述的智慧用电监控系统设有门限值，所述智慧用电监控系统对监测到的用电量达到门限值时，通过以短信、电话、或客户端的app信息提醒模式通知客户端。
3.根据权利要求1或2所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述电压采样装置与电网以如下方式连接：电阻Rin与电网的输入端连接，用于对电网进行分压，电阻Rout并联在分压后的线路中，作为电压采样信号输出端输出，所述电阻Rin由电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5和电阻RM6相互串联组成。
4.根据权利要求1或2所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述电流采样装置采用锰铜RSHUNT进行电流采样，所述锰铜RSHUNT连接电网的输入端，用于对电网的交流电流输入信号IIN进行采样，并输出小交流电流信号VOUT，所述锰铜RSHUNT还与偏置网络与噪声滤波器连接，所述偏置网络与噪声滤波器用于对小交流电流信号VOUT进行模拟采样后输送电流采样信号到单片机采样端。
5.根据权利要求1或2所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述电流采样装置采用高精度电流互感器CT进行电流采样，电网的交流电流IIN为电流互感器CT的一次测输入信号，所述交流电流IIN通过电流互感器CT进行处理后输出二次测低的交流电流输出信号IOUT，该电流输出信号IOUT通过与电流互感器CT采样匹配的电阻RBURDEN进行处理后输出交流电压信号VOUT，该交流电压信号VOUT再通过偏置网络与噪声滤波器进行模拟采样处理输出电流采样信号到单片机采样端。
6.根据权利要求1所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述的单片机型号为MKM34Z128CLL5。
7.根据权利要求3所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述电阻RM1、电阻RM2、电阻RM3、电阻RM4、电阻RM5、电阻RM6以及电阻R60采用高精度电阻。
8.根据权利要求5所述的一种智慧用电测控终端，其特征在于：所述的电流互感器CT为高精度电流互感器，其采用申科公司生产的。
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