一种基于电力芯片的低压台区监测系统、方法和装置与流程

1.本发明涉及台区数据检测，尤其涉及一种基于电力芯片的低压台区监测系统、方法和装置。


背景技术：

2.传统的低压监测装置基于专用adc芯片，采用复杂外围模拟电路进行了相关功能的构建。这种架构中，基础计量功能与台区监测功能是分立存在的。具有实现电路复杂度高、成本高及占用空间多等缺陷。不符合目前低压监控装置的小型化、成本低廉化、电路智能化等发展趋势。
3.传统模拟电路方案中基础计量和台区监测功能属于两个分立的分支。其中计量芯片一般采用目前主流的att7022e、ht7132等，属于满足ir46的双芯计量架构。台区监测功能由数据处理单元来实现，外部电压电流信号分别经过pt、ct隔离采样后送入到专门的信号调理电路，然后经过滤波、放大(包括选频放大)处理后再送入到专用adc芯片中进行数据进一步处理，然后再由业务管理芯片读取adc芯片数据并与主控平台进行数据交互，实现台区监测功能。在这种方案中，存在两个管理芯片，架构较为复杂。该方案用到的adc芯片成本较高，且整体台区监测功能处理效果受前端滤波、选频放大等模拟电路效果影响，在工业级使用环境中，容易受外部emc干扰。具体有以下缺点：架构复杂，存在多个管理芯；成本高，台区监测功能与基础计量功能分立存在，其中台区监测功能的实现依靠大量的模拟电路来实现信号调理，且采用的adc芯片也往往成本较高；稳定性差。台区监测功能对信号调理模拟电路依赖度极高，在复杂电磁环境中容易出现效果差、不稳定的情况；占用空间大，不利于小型化安装，由于架构复杂，且采用较多的模拟电路来实现台区监测功能，整体装置需要占用较多的空间，不满足当前对于低压监测终端小型化、智能化及成本低廉化等要求；对接口要求高，不利于广泛应用，计量管理芯与业务管理芯需要与主控平台同时存在交互通信，对于主控平台预留的接口要求高，不利于广泛应用在台区监测装置中。
4.因而现有的低压配电台区监测领域存在不足，还有待改进和提高。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于电力芯片的低压台区监测系统、方法和装置，用以解决背景技术中提到的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
7.一种基于电力芯片的低压台区监测系统，包括依次串接的检测模块、计量模块和处理模块；
8.检测模块，用于采集台区配电线路的原始交采数据；
9.计量模块，用于利用配电线路中的原始交采数据进行计量处理得到adc采样数据；
10.处理模块，用于接收所述adc采样数据，并基于所述adc采样数据进行故障判断和信号识别处理。
11.优选的所述的基于电力芯片的低压台区监测系统，所述检测模块包括电流检测单元和电压检测单元；所述电流检测单元包括多个电流互感器，均与所述计量模块连接；所述电压检测单元包括多个电压互感器，均与所述计量模块连接。
12.优选的所述的基于电力芯片的低压台区监测系统，所述计量模块包括计量芯片，所述计量芯片的型号为rn2026。
13.优选的所述的基于电力芯片的低压台区监测系统，所述处理模块为mcu。
14.优选的所述的基于电力芯片的低压台区监测系统，还包括电源模块，用于为所述计量模块和所述处理模块供电。
15.优选的所述的基于电力芯片的低压台区监测系统，所述电源模块包括交流转直流电源、备用电源和直流降压变换器，通过所述直流降压变换器向所述计量模块和所述处理模块供电；所述交流转直流电源在配电线路取电，向所述直流降压变换器供电；所述后备电源向直流降压变换器供电，利用所述交流转直流电源充电。
16.一种适用于所述的基于电力芯片的低压台区监测系统的监测方法，包括：
17.获取配电线路的原始交采数据，计量处理得到adc采样数据；
18.基于所述adc采样数据进行故障判断和信号识别处理，得到配电线路的工作状态。
19.优选的所述的监测方法，其特征在于，所述故障判断包括：
20.对所述adc采样数据进行归一化处理，同时实时获取电压、电流的检测值；
21.进行配电线路的故障实时判断，当存在故障时，主动上报并存储故障信息。
22.优选的所述的监测方法，所述信号识别包括：
23.对所述adc采样数据进行合法性分析，在数据合法的基础上，进行fft变换得到特征信号；
24.基于所述特征信号，生成配电网拓扑。
25.一种低压台区监测装置，包括所述的基于电力芯片的低压台区监测系统。
26.相较于现有技术，本发明提供的一种基于电力芯片的低压台区监测系统、方法和装置，具有以下有益效果：
27.本发明提供的基于电力芯片的低压台区监测系统，使用计量模块进行adc采样数据的转换，减少了处理模块的工作量，在缩小装置的电路布局的同时，提高运行的效率和稳定性，降低造成系统硬件资源的浪费，更兼具系统稳定运行，监测效果更佳。
附图说明
28.图1是本发明提供的基于电力芯片的低压台区监测系统的结构框图；
29.图2是本发明提供的基于电力芯片的低压台区监测系统的电路简图；
30.图3是本发明提供的低压台区监测方法的流程图；
31.图4是本发明提供的电压检测单元的电路图；
32.图5是本发明提供的电流检测单元的电路图；
33.图6是本发明提供的计量芯片的电路图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对
本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本发明的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本发明。
36.本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含...一个”开头的一个或多个设备或子系统，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。
37.除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。
38.请参阅图1
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图3，本发明提供一种基于电力芯片的低压台区监测系统，包括依次串接的检测模块1、计量模块2和处理模块3；
39.检测模块1，用于采集台区配电线路的原始交采数据；所述检测模块1为本领域常用的检测器件，例如检测电流的电流互感器、检测电压的电压互感器或者其他用于检测电磁、电波的检测器件，在具体实施中通过具体需求进行设定，本发明不做限定；优选的检测模块1为包括电流互感器、电压互感器的组件；
40.计量模块2，用于利用配电线路中的原始交采数据进行计量处理得到adc采样数据；在本实施中，所述计量模块2为计量芯片，优选的型号为rn2026，在具备基础计量的同时具备adc数据实时外传功能，同时将adc数据通过专用spi以dma方式外传到处理模块3中；所述计量模块2具体实现步骤为：获取配电线路的原始交采数据，计量处理得到adc采样数据；所述原始交采数据包括电流采样数据、电压采样数据，通过所述计量模块2处理后转换成adc采样数据，即实现数据的数字化存储，能够方便所述处理模块3的利用；当然，在进一步的额实施中，所述计量模块2中的计量数据因工作需要也要直接传送到主控板中，用于后续处理使用。
41.处理模块3，用于接收所述adc采样数据，并基于所述adc采样数据进行故障判断和信号识别处理。优选的，所述处理模块3为具有逻辑处理能力的处理器，可以为mcu或cpu或其他处理器装置，进一步优选为mcu，其型号为hc32f4a0。具体的，所述处理模块3在接收得到所述adc采样数据后，执行的步骤为：基于所述adc采样数据进行故障判断和信号识别处理，得到配电线路的工作状态。此处应当说明的是，所述故障判断和所述信号识别处理均可以使用本领域常用的处理步骤即可，本发明不做限定。所述处理模块3所获取得到处理结果也会上传到主控板中，进行后处理。
42.当然，在进一步的实施例中，本发明提供的监测方法中，所述故障判断包括：
43.对所述adc采样数据进行归一化处理，同时实时获取电压、电流的检测值；
44.进行配电线路的故障实时判断，当存在故障时，主动上报并存在故障信息。
45.故障判断处理：先对adc采样数据进行归一化处理，实时计算电压电流的实时值，对数据进行各种故障判断。当有故障产生时，主动上报并保存故障信息，同时进行故障录
波。能够实时监测采集海量原始交采数据，并对数据做分析处理，具备电压失压故障(欠压)、停电故障、断相故障、电压过压故障、电流过流故障、电流失流、单相接地短路故障、逆相序故障、负荷过载故障、掉电故障和零序电流偏大故障研判功能。支持暂态(电压和电流)录波、瞬态录波、召唤录波、开关变位触发录波以及自定义触发录波，充分挖掘数据应用价值。前述中的的录波功能以及其他故障判断功能的实现过程均可使用本领域中公知的录波算法以及方法即可，不做具体限定。
46.在进一步的实施例中，本发明提供的监测方法中，所述信号识别包括：
47.对所述adc采样数据进行合法性分析，在数据合法的基础上，进行fft变换得到特征信号；
48.基于所述特征信号，生成配电网拓扑。
49.识别判断处理：先对数据进行合法性分析，然后进行fft变换，对变换后的数据进行识别分析。若识别到特征信号，保存识别记录，并等待记录读取。最终由终端及主站生成整个拓扑。
50.具体请参阅图3简述如下：系统上电进行初始化，主要包括adc采样数据相关初始化，adc dma、spi dma初始化，dma半满、满中断初始化。当adc数据产生dma半满、满中断，在中断服务程序中启动专用spi传输，将adc数据传到主控mcu指定buff。主控mcu对数据分别进行故障判断及信号识别处理。
51.故障判断处理：先对adc采样数据进行归一化处理，实时计算电压电流的实时值，对数据进行各种故障判断。当有故障产生时，主动上报并保存故障信息，同时进行故障录波。
52.本发现中描述的低压监控装置取消了复杂的模拟电路，改为采用专用计量芯片方式，充分利用了成熟的大规模集成电路来实现相关功能电路的构建。将大量原模拟电路实现的功能，改为软件算法来实现，具有成本低廉、占用空间小及高度智能化等优势。
53.本发明提供的基于电力芯片的低压台区监测系统取消了传统方案数据处理单元中的信号调理电路，由soc计量芯片rn2026通过专用spi将adc数据实时的传送到处理模块3中。简化系统硬件电路，同时将原始交采数据转换成adc采样数据的工作由计量模块2处理，简化了处理模块3的工作负担，取消大量且复杂的模拟元器件来组成信号调理电路，同时对于处理模块3的要求进一步降低，整体架构更加简单，起到了较大幅度的降成本。本发明提供的基于电力芯片的低压台区监测系统充分利用了集成电路，缩减了对空间的占用要求。使低压台区监测装置具有稳定性强、智能化高等优势，同时对于主控接口要求进一步降低，针对主控接口只有一个spi或者usb的场景，处理模块3可以以透传的方式来保留基础计量功能。
54.请参阅图4
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6，作为优选方案，本实施例中，所述检测模块1包括电流检测单元和电压检测单元；所述电流检测单元包括多个电流互感器，均与所述计量模块2连接；所述电压检测单元包括多个电压互感器，均与所述计量模块2连接，具体的所述电流互感器和所述电压互感器均为本领域常用的电流和电压元器件，具体型号以及规格本发明不做限定，可以依照现场需求进行动态设定。进一步的，所述电流互感器或电压互感器的数量优选为3个，分别用于检测三相线路的电流、电压，三相电压和三相电流(包括零序电流)分别经过pt、ct隔离后，相关交采信号送入计量信号调理电路。该电路为成熟应用的谍型滤波电路，处理后
的计量信号送入到计量芯片rn2026对应的电压电流相位adc中，计量芯片rn2026既可以实现基础计量功能，又可以将原始adc数据通过专有spi的dma功能外传到所述处理模块3中。基础计量功能可以通过与主控板对接的spi口进行数据交互。所述主控板为上位机或显示模块，用于与使用者交互。所述计量模块2包括计量芯片，所述计量芯片的型号为rn2026。具体的，本发明使用的计量芯片使用具备adc数据实时外传功能的soc计量芯片rn2026(其他具备等同功能的soc计量芯片也可以试用)，soc计量芯片实现基础计量的同时，将adc数据通过专用spi以dma方式外传到所述处理模块3中。所述处理模块3为mcu。在具体实施中，所述处理模块3中mcu存在2路spi口或者1路spi口 1路usb口，又或者1路spi口 1路uart口情况下，所述处理模块3主要用来利用adc数据来实现台区监测功能。对于主控接口只存在1路spi口或者1路usb口的情况下，处理模块3既能实现基础计量的透传功能，又能利用adc数据来实现台区监测功能。使用专门的软件算法流程来实现adc数据外传、信号放大及调理功能，取消了大量模拟元器件组成的信号调理电路。还包括电源模块，用于为所述计量模块2和所述处理模块3供电。所述电源模块包括交流转直流电源、备用电源和直流降压变换器，通过所述直流降压变换器向所述计量模块2和所述处理模块3供电；所述交流转直流电源在配电线路取电，向所述直流降压变换器供电；所述后备电源向直流降压变换器供电，利用所述交流转直流电源充电。
55.图3为单相电压采样电路，工作原理图为：线路通过va_c和vn_c接入，经过限流电阻r24
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r32后经过电压互感器pt1进行隔离，再经过π型滤波电路(电容c32/c33和电感l5构成一个π型电路，电容c36/c40和电感l7构成另一个π型电路)，其中电阻r22、电阻r31为采样电阻。van、vap为送入rn2026电压采样通道的差分信号。
56.图4单相电流采样电路，电流互感器ct输出信号经过π型滤波电路(电容c29/c30和电感l4构成一个π型电路，电容c37/c38和电感l6构成另一个π型电路)，其中电阻r23、电阻r34为采样电阻。iap、ian为送入rn2026电流采样通道的差分信号。
57.图5中，vap/van、vbp/vbn、vcp/vcn；iap/ian、ibp/ibn、icp/icn、i0p/ion分别为对应的三相电压、三相电流及零序电流采样信号输入通道。其中ht_cs、ht_clk、ht_din、ht_dout为计量芯片rn2026对上层管理处理模块3的mcu的spi通道。ht_pcf、ht_qcf分别为rn2026输出的有功脉冲、无功脉冲信号。spi2_cs、spi2_clk、spi2_mosi、spi2_miso为计量芯片rn2026的专用spi2(支持dma)，用于将adc数据外传到处理模块3或者主控平台，以实现处理模块3或者主控平台基于adc数据的进一步运算，实现负荷识别、故障研判及故障录波、电能质量分析等高级台区监测功能。
58.本发明还提供一种低压台区监测装置，包括所述的基于电力芯片的低压台区监测系统。具有的有益效果为：1、成本低廉；充分利用了大规模集成电路优势，取消了对于大量模拟元器件的使用，并且取消了专用adc芯片的使用，降低了业务管理芯的选型要求；2、可靠性高，基于专用soc计量芯片的使用，不再存在外围模拟电路带来的电磁环境影响，具有较高的可靠性；3、智能化高，软件算法取代了模拟元器件组成的信号调理电路，可配置性高，可维护性强，方便升级处理；4、通用性强，对主控接口要求低，适合大规模应用在低压监控装置中；5、小型化程度高，简化的电路设计，对空间要求降低，便于低压监控装置的小型化。
59.可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发
明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。