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CN102436732B - 一种电能质量型能效数据采集终端 - Google Patents

一种电能质量型能效数据采集终端 Download PDF

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CN102436732B CN201110315305.8A CN201110315305A CN102436732B CN 102436732 B CN102436732 B CN 102436732B CN 201110315305 A CN201110315305 A CN 201110315305A CN 102436732 B CN102436732 B CN 102436732B
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Abstract

本发明提供了一种电量质量型能效数据采集终端，该终端包括外壳、MCU模块、与所述MCU模块连接的电源存储模块，与所述MCU模块分别连接的AD转换模块和通信模块；所述外壳涂覆有电磁屏蔽层；其中，所述通信模块选自RS485接口、PLC单元或微功率无线单元。本发明所提供的电量质量型能效数据采集终端，通过集群式部署，可以对多种电量参数进行采集。

Description

一种电能质量型能效数据采集终端
技术领域
本发明涉及一种电工仪器仪表行业能效采集装置，具体讲涉及一种电能质量型能效数据采集终端。
背景技术
现有技术中基础技术与基础数据的匮乏给节能产业的整体发展带来了很大障碍。准确的能效基础数据是评价所有节能技术效果的关键。当前各种节能数据、能效信息混乱给节能产业带来很多隐患。因此，亟待建立统一的能效数据中心，获取全面的节能服务行业数据，为节能行业发展提供数据支撑和技术保障，对节能项目进行监测和节能服务机构进行评估，为国家和各级政府机构节能政策提供支撑。
准确的能效基础数据主要依赖于现场实时采集，需采用专用采集终端进行采集并传输。实际现场存在许多诸如相/线电压/电流、功率因数、基波功率、谐波功率等电参数，这些参数的实时采集效果直接影响能效分析结果的可靠性。因此，亟待开发一种满足工业现场及能效监测要求的实时电能质量型能效数据采集终端。
专利号为ZL201020214236.2的实用新型披露了一种安装模块化通信模块的专变采集终端，用以采集专变用户电能信息的装置。所述专变采集终端内固化的远程通信模块和信号扩展接口模块都设计成插拔式的模块，并制定统一的管脚。
专利号为ZL200920069055.2的实用新型披露了一种无线数据采集终端，该终端包括射频识别模块、主控模块以及通信模块，以实现数据的无线采集和无线传输。
专利号为ZL200920279096.4的实用新型披露了一种电量管理系统用采集终端，以便于部署及扩展。
专利号为ZL200920236498.6的实用新型披露了一种用于低压电力用户集中抄表系统的采集终端，可以在主站上操作，实现远程系统更新。
以上的实用新型为电能质量型能效数据采集终端的研发提供了技术基础，但没有达到集群式部署、多种数据类型采集、多种接口传输等完全适应工业现场能效谐波电量采集的要求。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种电能质量型能效数据采集终端，通过集群式部署，可以对多种谐波电量参数进行采集。
为实现上述目的，本发明提供一种电能质量型能效数据采集终端，所述采集终端包括：外壳、MCU模块、与所述MCU模块连接的电源存储模块，其改进之处在于，与所述MCU模块分别连接的AD转换模块和通信模块；上述全部模块都设置在所述外壳中，所述外壳内部涂覆有电磁屏蔽层。
本发明提供的优选技术方案中，所述MCU模块控制所述电源存储模块、AD转换模块和通信模块，并接收所述AD转换模块传递的参数。
本发明提供的第二优选技术方案中，所述电源存储模块包括直流电源、辅助电源和数据存储器。
本发明提供的第三优选技术方案中，所述AD转换模块为型号ADS1178的芯片；所述AD转换模块采集三相电压、三相电流及中性线电流的模拟量，并将采集的模拟量A/D转换后进行运算处理，把处理的结果传递到所述MCU模块。
本发明提供的第四优选技术方案中，所述通信模块包括RS485和扩展接口；所述扩展接口根据通信需求可插入PLC单元或微功率无线单元。
本发明提供的第五优选技术方案中，所述外壳的电磁屏蔽层为高分子层；所述外壳设有显示采集到的参数的显示装置和采集数据的辅助端子；所述显示装置与所述MCU模块连接，所述辅助端子分别与所述AD转换模块、所述传感器模块和所述通信模块连接。
本发明提供的第六优选技术方案中，所述MCU模块记录下述事件及下述功能：谐波1曲线、谐波2曲线、电压/电流曲线、功率曲线、谐波越限事件、谐波功率曲线、ABC电流/电压偏差越限事件、失压/失流事件、电压/电流不平衡度曲线、闪变曲线、跨月结算、电能量冻结、上电、掉电、清零、断相和校时。
本发明提供的第七优选技术方案中，所述MCU模块是型号为AT91SAM9260的芯片。
本发明提供的第八优选技术方案中，所述数据存储器是型号为AT24C64的芯片。
本发明提供的第九优选技术方案中，所述PLC单元为型号为74HTC244的芯片，所述微功率无线单元为型号为CC1100的芯片。
本发明提供的第十优选技术方案中，所述显示装置为2048色液晶显示屏，大小为3.5英寸。
本发明提供的较优选技术方案中，所述高分子层选自聚苯胺、聚噻吩或聚对苯撑。
本发明提供的第二较优选技术方案中，所述谐波1曲线是指对2至19次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述谐波2曲线是指对20至50次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述掉电是指三相电压均低于电能表临界电压，且负荷电流不大于5％额定电流的工况；
所述失压是指在三相供电系统中，任一相负荷电流大于启动电流，但电压线的电压低于电能表参比电压的78％时，且持续时间大于1分钟；
所述失流是指在三相供电系统中，三相电压大于电能表的临界电压，三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5％额定电流的工况；
所述电能量冻结是指对当前冻结的电能量进行通知。
本发明提供的第三较优选技术方案中，所述校时操作采用软时钟和网络对时。
本发明提供的第四较优选技术方案中，所述高分子层由聚乙烯二氧噻吩制成。
与现有技术比，本发明提供的技术方案可根据能效测评的实际需要，不仅解决了电能质量电量型能效数据采集和传输难题，而且电能质量分析功能灵活，完全满足实时能效监测的目的；电能质量型能效数据采集终端实现了多种电能量信息的显示和多种接口安全、稳定、可靠的传输，使能效谐波电量型数据的实时采集和传输成为可能，特别是对2至19次谐波进行实时采集，解决了应用智能电表成本高的缺点，适于全面推广，而且可为能效数据中心提供准确的能效基础数据，为节能政策提供技术支撑；此外，该终端还充分考虑了不同工作环境需求，如通讯模式可选择微功率无线或PLC等信号传输，并为未来主站实现智能控制留下扩展接口；再者，所述采集终端抗干扰性强，所采用的电磁屏蔽层具备完善周密的电磁兼容性设计，能够使采集终端在高低温、高压和高湿等恶劣环境运行时免除电磁干扰，还具备完善周密的三级防雷措施。
附图说明
图1为电能质量型能效数据采集终端的内部结构示意图。
图2为采集终端外壳的前部示意图。
图3为采集终端外壳的后部和侧部示意图。
图4为辅助端子示意图。
图5为RS485接口的远程本地示意图。
图6为PLC单元和微功率无线单元的远程本地示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，所述电能质量型能效数据采集终端采集电压传感器、电流传感器的相电压、相电流及中性线电流模拟量，经过AD转换模块运算处理获得功率、功率因数、频率、谐波及电能等信息。由微控制单元(MCU)实现数据运算存储与管理，再通过RS485接口、PLC或微功率无线等方式实现上行通讯。
所述微控制单元(MCU)，采用具有ARM9内核的AT91SAM9260作为MCU，AT91SAM9260的最高频率可达180MHZ。
所述AD转换模块采用TI的ADS1178模数转换器，该转换器精度达到了16位，转换速率最高可达52kSPS，以保证在进行谐波计算时的速度和精度。
所述微控制单元(MCU)模块为整个终端的核心，所述MCU模块是型号为AT91SAM9260的芯片；所述MCU模块通过数据运算处理实现下述事件及下述功能的记录：谐波1曲线、谐波2曲线、电压/电流曲线、功率曲线、谐波越限事件、谐波功率曲线、ABC电流/电压偏差越限事件、失压/失流事件、电压/电流不平衡度曲线、闪变曲线、跨月结算、电能量冻结、上电、掉电、清零、断相和校时。
其中，所述谐波1曲线是指对2至19次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述谐波2曲线是指对20至50次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述掉电事件是指三相电压均低于电能表临界电压，且负荷电流不大于5％额定电流的工况。
所述失压是指在三相供电系统中，某相负荷电流大于启动电流，但电压线路的电压低于电能表参比电压的78％时，且持续时间大于1分钟。
所述失流是指在三相供电系统中，三相电压大于电能表的临界电压，三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5％额定电流的工况。
所述电能量冻结事件是指对当前冻结的电能量进行通知。
对电压/电流曲线、功率曲线、谐波越限事件、谐波功率曲线、ABC电流/电压偏差越限事件、电压/电流不平衡度曲线、闪变曲线、跨月结算、上电、清零、断相和校时的记录均符合以下国家标准：GB12326-2000标准、GB12325-2003标准、GB/T 14549-1993标准、和GB/T 15945-1995标准。
其中，所述谐波越限事件、电压/电流不平衡度越限事件、ABC电流/电压偏差越限事件记录，是根据现场电能质量要求，通过上述标准限值下装到设备中，实现电能质量分析功能。
其中，所述曲线记录，抄收时间间隔缺省为15min，可以灵活设置其他数值。
如图5、6所示，所述通信模块利用RS485接口、微功率无线单元或者PLC单元中的其中之一，其中RS485接口作为仪表的标准配置接口，微功率无线模块和PLC模块设计成可插拔的扩展接口的形式，在仪表上使用同一个接口标准，以便根据环境不同及成本使用相应通信模块。所述RS485接口还可作为参数设置的维护接口。
其中，所述PLC单元为型号为74HTC244的芯片；所述微功率无线单元为型号为CC1100的芯片。
所述CC1100芯片的规格为：工作频段：402～470mhz；微发射功率：最大发射功率10mw；休眠电流＜10ua；所述CC1100芯片支持高精度温补晶体，可进行8/16/32信道等多信道选择并具有rs232/rs485/uart接口等多种用户接口，并支持1200/2400/4800/9600/19200/38400bps等通信速率，支持8n1、8e1等通信格式，还可自动、快速完成收/发模式切换，方便用户使用。
所述电能质量型能效数据采集终端采取了软时钟和网络对时结合的集约方式设计，降低硬件结构复杂度和功耗，使工作环境温度、湿度、大气压力均满足用电信息采集系统标准；为降低装置成本，可采用芯片时钟。
在所述电能质量型能效数据采集终端进行数据采集与存储操作中，由于此采集终端不作为计费计量用，采集精度按照设备B级精度。或者采集终端精度达到(GB/T 17215.321-2008/IEC 62053-21：2003)规定的不低于2级精度。曲线记录抄收时间间隔缺省为15min，且可以灵活设置；根据所采集的数据量的大小，选择合适的存储器大小。
其中，所述数据存储器使用的是型号为AT24C64的芯片；电能质量电量型能效采集终端由于不采用集中器采集数据，所以所述数据存储器在保存数据时间设计为存储30乘以96个点的曲线数据，在不存储20-50次谐波数据时，每个点存储530个Byte，共需1491K；若需要存储20-50次谐波数据，则再需增加1308K的存储空间。
所述电能质量型能效数据采集终端的外壳涂覆有电磁屏蔽层，所述电磁屏蔽层由导电高分子层形成，所述导电高分子层可以是具有可溶性或分散性的材料，如：聚苯胺、聚噻吩和聚对苯撑；所述导电高分子层优选由聚乙烯二氧噻吩制成。
所述电能质量型能效数据采集终端的尺寸可以为：长260mm至270mm，宽165mm至175mm，高70mm至80mm；最优选的尺寸为：长265mm，宽170mm，高75mm。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电能质量型能效数据采集终端，所述采集终端包括：外壳、MCU模块、与所述MCU模块连接的电源存储模块，其特征在于，与所述MCU模块分别连接的AD转换模块和通信模块；上述全部模块都设置在所述外壳中，所述外壳内部涂覆有电磁屏蔽层；
所述MCU模块控制所述电源存储模块、AD转换模块和通信模块，并接所述AD转换模块传递的参数；
所述AD转换模块为型号ADS1178的芯片；所述AD转换模块采集三相电压、三相电流及中性线电流的模拟量，并将采集的模拟量A/D转换后进行运算处理，把处理的结果传递到所述MCU模块；
所述MCU模块记录下述事件及下述功能：谐波1曲线、谐波2曲线、电压/电流曲线、功率曲线、谐波越限事件、谐波功率曲线、ABC电流/电压偏差越限事件、失压/失流事件、电压/电流不平衡度曲线、闪变曲线、跨月结算、电能量冻结、上电、掉电、清零、断相和校时；
所述MCU模块是型号为AT91SAM9260的芯片；
所述数据存储器是型号为AT24C64的芯片；
所述谐波1曲线是指对2至19次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述谐波2曲线是指对20至50次的谐波以及相应的电压总谐波畸变率THDU、电流总谐波畸变率THDI的曲线进行记录；
所述掉电是指三相电压均低于电能表临界电压，且负荷电流不大于5％额定电流的工况；
所述失压是指在三相供电系统中，任一相负荷电流大于启动电流，但电压线的电压低于电能表参比电压的78％时，且持续时间大于1分钟；
所述失流是指在三相供电系统中，三相电压大于电能表的临界电压，三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5％额定电流的工况；
所述电能量冻结是指对当前冻结的电能量进行通知；
所述校时操作采用软时钟和网络对时。
2.根据权利要求1所述的采集终端，其特征在于，所述电源存储模块包括直流电源、辅助电源和数据存储器。
3.根据权利要求1所述的采集终端，其特征在于，所述通信模块包括RS485和扩展接口；所述扩展接口包括PLC单元和微功率无线单元，所述扩展接口根据通信需求可插入PLC单元或微功率无线单元。
4.根据权利要求1所述的采集终端，其特征在于，所述外壳的电磁屏蔽层为高分子层；所述外壳设有显示采集到的参数的显示装置和采集数据的辅助端子；所述显示装置与所述MCU模块连接，所述辅助端子分别与所述AD转换模块、传感器模块和所述通信模块连接。
5.根据权利要求3所述的采集终端，其特征在于，所述PLC单元为型号为74HTC244的芯片，所述微功率无线单元为型号为CC1100的芯片。
6.根据权利要求4所述的采集终端，其特征在于，所述显示装置为2048色液晶显示屏，大小为3.5英寸。
7.根据权利要求4所述的采集终端，其特征在于，所述高分子层选自聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑或聚乙烯二氧噻吩。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: STATE ELECTRIC NET CROP.

Effective date: 20130520

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20130520

Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Applicant after: China Electric Power Research Institute

Applicant after: State Grid Corporation of China

Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Applicant before: China Electric Power Research Institute

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Co-patentee after: STATE GRID CORPORATION OF CHINA

Patentee after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Co-patentee before: State Grid Corporation of China

Patentee before: China Electric Power Research Institute

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191021

Address after: 071700 No.9, Lane 6, Dongyuan Road, Dongguan village, Rongcheng Town, Rongcheng County, Baoding City, Hebei Province

Patentee after: Hebei xiong'an Xuji Electric Technology Co.,Ltd.

Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Co-patentee before: STATE GRID CORPORATION OF CHINA

Patentee before: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right