一种单线圈取电采样的线路负荷监测系统

技术领域

本发明属于电路故障检测电路技术领域，具体涉及一种单线圈取电采样的线路负荷监测系统。

背景技

线路负荷监测系统是一种能够无感、不停电安装在高压线路上并监测高压线路电流数据的小型化设备，其可将采样的数据上传给后台主站，后台主站通过对无缘电流监测装置上报的采样数据和用采系统集抄的计量设备计量数据进行对比，可分析出用户是否存在窃电嫌疑，通过长时间对比分析可得出用户的窃电规律。

现有技术中，如图1所示，感应取电和电流采样时采用独立线圈实现，且要求具备5A以上的启动电流方可进行感应取电。在使用现有技术过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

两组相圈成本高，无法进行大面积推广运用；

电流采样精度低，一般只有2S或者1S级的采样精度，无法用于线损技术；无法进行位置定位，无法快速分析定位偷窃电位置；低功耗管理无法做到uA级别，线路电流过小或者停电后，一段时间后就无法对线路电流状态进行检测，进入死机状态。

发明内容

为了至少在一定程度上解决上述技术问题，本发明提供了一种单线圈取电采样的线路负荷监测系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单线圈取电采样的线路负荷监测系统，包括主控电路、检测线圈、感应取电电路、电流采样电路和供电电路；所述感应取电电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端均与所述检测线圈连接，所述感应取电电路的输出端与所述供电电路连接，所述供电电路用于向所述主控电路和电流采样电路提供电力支持；所述感应取电电路的受控端以及所述电流采样电路的受控端均与所述主控电路连接，所述主控电路用于驱动所述感应取电电路进行感应取电或控制所述电流采样电路进行电流采样。

在一个可能的设计中，所述感应取电电路包括依次与检测线圈连接的采样模块、整流模块和滤波模块；所述采样模块包括第一采样电阻和第二采样电阻，所述整流模块采用全桥整流模块，所述滤波模块包括第一电感、第二电感和第二电容，第一电感和第二电感采用差模电感，所述检测线圈的正极通过第一采样电阻与所述整流模块的第一输入端连接，所述第二采样电阻与所述第一采样电阻并联连接，所述检测线圈的负极与所述整流模块的第二输入端连接，所述整流模块的第一输出端通过第一电感与供电电路的正极连接，所述整流模块的第二输出端通过第二电感接地，所述第二电容的一端与第一电感和供电电路的结合点连接，所述第二电容的另一端接地；所述感应取电电路还包括开关模块，所述开关模块包括第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件的第一接线端与所述第一采样电阻和整流模块的结合点连接，所述第二开关元件的第一接线端与检测线圈的负极连接，所述第一开关元件的第二接线端以及所述第二开关元件的第二接线端均与所述整流模块第二输出端连接，所述第一开关元件的受控端和所述第二开关元件的受控端作为所述感应取电电路的受控端与所述主控电路连接。

在一个可能的设计中，所述感应取电电路还包括电压检测模块，所述电压检测模块的电压输入端与所述供电电路的正极连接，所述电压检测模块的电压输出端与所述第一开关元件的受控端和所述第二开关元件的受控端连接，所述电压检测模块采用BD5350FVE-TR型电压检测芯片及其外围电路。

在一个可能的设计中，所述感应取电电路还包括泄能模块，所述泄能模块包括第一电阻和第一双向TVS管，所述第一电阻的两端分别与所述检测线圈的两极连接，所述第一双向TVS管与所述第一电阻并联连接。

在一个可能的设计中，所述感应取电电路还包括钳位模块和电压调节模块，所述钳位模块包括第八稳压二极管，所述电压调节模块包括第三电容、第四极性电容和第五电容，所述第八稳压二极管、第三电容、第四极性电容和第五电容均与所述第二电容并联连接。

在一个可能的设计中，所述电流采样电路包括RC滤波电路和采样芯片，所述RC滤波电路包括第二十电阻、第三十七电容、第二十四电阻和第三十八电容，所述采样芯片采用BL0940型全差分采样芯片，所述采样芯片的第一电流采样端通过第二十电阻与检测线圈的正极连接，所述采样芯片的第一电流采样端还通过第三十七电容接地，所述采样芯片的第二电流采样端通过第二十四电阻与检测线圈的负极连接，所述采样芯片的第二电流采样端还通过第三十八电容接地，所述采样芯片的受控端与所述主控电路连接。

在一个可能的设计中，所述供电电路采用4056型电池充电芯片及其外围电路，所述电池充电芯片的电源输出端连接有电池接口。

在一个可能的设计中，所述系统还包括定位电路，所述定位电路与所述主控电路连接，所述定位电路包括G7A型定位芯片及其外围电路，所述定位芯片连接有定位天线接口。

在一个可能的设计中，所述系统还包括通讯电路，所述通讯电路包括LoRa通讯电路和NB通讯电路，所述LoRa通讯电路和所述NB通讯电路均与所述主控电路连接，所述LoRa通讯电路采用LORA芯片及其外围电路，LORA芯片连接有LORA通讯天线接口，所述NB通讯电路采用N21型NB通信芯片及其外围电路，NB通信芯片连接有NB通讯天线接口。

在一个可能的设计中，所述主控电路采用H2F460JETA型单片机及其外围电路。

本发明的有益效果集中体现在：

1)本发明采用一个检测线圈解决了电流采样和取能的作用，利于节约线圈成本。具体地，本发明在实施过程中，感应取电电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端均与所述检测线圈连接，感应取电电路用于感应取电，并向供电电路供电，以便供电电路向本发明系统中的其他用电电路功能，电流采样电路用于进行电流采样，以实现线路负荷的监测作用，主控电路可对感应取电及电流采样进行调整，通过分时复用的方式进行采样和取能，利于节约成本；

2)国产专用计量芯片进行电流采样，精度可以达到0.5S级，满足线损电流计算要求；

3)具备北斗和GPS定位，可以在线损超标的情况下快速查找偷窃电或者故障位置；

4)没有启动电流要求，在线路有电的情况下，产品均可以通过感应取电方式获得能量，对电池进行充电，产品工作可以由电池供电坚持工作；

5)采用NB通讯方式，成本低，通讯距离远，网络稳定。

附图说明

图1是现有技术中取电采样电路的结构示意图；

图2是本实施例中主控电路的电路原理图；

图3是本实施例中感应取电电路的电路原理图；

图4是本实施例中电流采样电路的电路原理图；

图5是本实施例中供电电路的电路原理图；

图6是本实施例中定位电路的电路原理图；

图7是本实施例中LoRa通讯电路的电路原理图；

图8是本实施例中NB通讯电路的电路原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例1：

本实施例提供了一种单线圈取电采样的线路负荷监测系统，如图2至图5所示，包括主控电路、检测线圈、感应取电电路、电流采样电路和供电电路；所述感应取电电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端均与所述检测线圈连接，所述感应取电电路的输出端与所述供电电路连接，所述供电电路用于向所述主控电路和电流采样电路提供电力支持；所述感应取电电路的受控端以及所述电流采样电路的受控端均与所述主控电路连接，所述主控电路用于驱动所述感应取电电路进行感应取电或控制所述电流采样电路进行电流采样。

本实施例采用一个检测线圈解决了电流采样和取能的作用，利于节约线圈成本。具体地，本实施例在实施过程中，感应取电电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端均与所述检测线圈连接，感应取电电路用于感应取电，并向供电电路供电，以便供电电路向本实施例系统中的其他用电电路功能，电流采样电路用于进行电流采样，以实现线路负荷的监测作用，主控电路可对感应取电及电流采样进行调整，通过分时复用的方式进行采样和取能，利于节约成本。

本实施例中，如图2所示，所述主控电路采用HC32F460JETA型单片机及其外围电路。需要说明的是，HC32F460JETA型单片机为32位单片机，最高工作主频为200MHz，内核为M4 Flash 512KB，具备低功耗等优势，具体地，其在超低功耗模式下工作电流1.8UA，使得本系统整体休眠状态下功耗不超过10UA，所有在断电的情况下，通过自身8000MA的电池可以支持1年以上工作，功耗极低。

本实施例中，如图3所示，所述感应取电电路包括依次与检测线圈连接的采样模块、整流模块和滤波模块；所述采样模块包括第一采样电阻R2和第二采样电阻R3，所述整流模块采用全桥整流模块，所述滤波模块包括第一电感L1、第二电感L2和第二电容C2，第一电感L1和第二电感L2采用差模电感，所述检测线圈的正极通过第一采样电阻R2与所述整流模块的第一输入端连接，所述第二采样电阻R3与所述第一采样电阻R2并联连接，所述检测线圈的负极与所述整流模块的第二输入端连接，所述整流模块的第一输出端通过第一电感L1与供电电路的正极连接，所述整流模块的第二输出端通过第二电感L2接地，所述第二电容C2的一端与第一电感L1和供电电路的结合点连接，所述第二电容C2的另一端接地；所述感应取电电路还包括开关模块，所述开关模块包括第一开关元件Q1和第二开关元件Q2，所述第一开关元件Q1的第一接线端与所述第一采样电阻R2和整流模块的结合点连接，所述第二开关元件Q2的第一接线端与检测线圈的负极连接，所述第一开关元件Q1的第二接线端以及所述第二开关元件Q2的第二接线端均与所述整流模块第二输出端连接，所述第一开关元件Q1的受控端和所述第二开关元件Q2的受控端作为所述感应取电电路的受控端与所述主控电路连接。需要说明的是，本实施例中，检测线圈采用5000匝比的线圈实现，第一采样电阻R2和第二采样电阻R3用于进行电流采样，电流流入后，通过整流模块整流为直流电流，然后通过第一电感L1和第二电感L2流入供电电路；在此过程中，由于第一电感L1和第二电感L2采用差模电感，具备防群脉冲冲击的效果，可滤除高频杂波，同时在过流的情况下电感电流不能突变，还可保护后级电路。

本实施例中，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2均可以但不仅限于采用MOS管或三极管，本实施例中，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2均采用P型MOS管，以第一开关元件Q1为例，第一开关元件Q1的源极为其第一接线端，第一开关元件Q1的漏极为其第二接线端，第一开关元件Q1的栅极为其受控端。

本实施例中，所述感应取电电路还包括电压检测模块，所述电压检测模块的电压输入端与所述供电电路的正极连接，所述电压检测模块的电压输出端与所述第一开关元件Q1的受控端和所述第二开关元件Q2的受控端连接，所述电压检测模块采用BD5350FVE-TR型电压检测芯片U2及其外围电路。应当理解的是，电压检测芯片U2的5脚为电压检测模块的电压输入端，电压检测芯片U2的1脚为电压检测模块的电压输出端。需要说明的是，电压检测芯片U2采用BD5350FVE-TR型芯片，其检测精度高、电流消耗低的优势，其可检测的电压范围为2.3V到6.0V，增量为0.1V。在实施过程中，当线路故障时，故障电流特别大，此时输出5V电压会超过5V，通过电压检测芯片U2判断电压超过5V后，将导通第一开关元件Q1和第二开关元件Q2，进而切断感应取电电路，使大能量通过第一开关元件Q1和第二开关元件Q2让回路短路，从而实现保护后级电路的作用。

为实现对主控电路和电压检测模块的保护，主控电路通过第五二极管D5与第一开关元件Q1的受控端和所述第二开关元件Q2的受控端连接，电压检测模块通过第六二极管D6与第一开关元件Q1的受控端和所述第二开关元件Q2的受控端连接，第五二极管D5和第六二极管D6可实现防反的作用。

本实施例中，所述感应取电电路还包括泄能模块，所述泄能模块包括第一电阻R1和第一双向TVS管U1，所述第一电阻R1的两端分别与所述检测线圈的两极连接，所述第一双向TVS管U1与所述第一电阻R1并联连接。需要说明的是，在感应取电电路受到浪涌冲击时，可通过泄能模块中的第一电阻R1和第一双向TVS管U1进行能量泄放，进而可实现保护如采样模块、整流模块和滤波模块等后级电路的作用。

本实施例中，所述感应取电电路还包括钳位模块和电压调节模块，所述钳位模块包括第八稳压二极管D8，所述电压调节模块包括第三电容C3、第四极性电容C4和第五电容C5，所述第八稳压二极管D8、第三电容C3、第四极性电容C4和第五电容C5均与所述第二电容C2并联连接。需要说明的是，由滤波模块输入的电流可通过第八稳压二极管D8进行钳位，以使电压保持到预设电压，如5V，进而对后级电路中的第三电容C3和第四极性电容C4进行充电，其中第三电容C3和第四极性电容C4可将点还变得更为平滑，使得输出波纹变小。

本实施例中，如图4所示，所述电流采样电路包括RC滤波电路和采样芯片U8，所述RC滤波电路包括第二十电阻R20、第三十七电容C37、第二十四电阻R24和第三十八电容C38，所述采样芯片U8采用BL0940型全差分采样芯片，所述采样芯片U8的第一电流采样端通过第二十电阻R20与检测线圈的正极连接，所述采样芯片U8的第一电流采样端还通过第三十七电容C37接地，所述采样芯片U8的第二电流采样端通过第二十四电阻R24与检测线圈的负极连接，所述采样芯片U8的第二电流采样端还通过第三十八电容C38接地，所述采样芯片的受控端与所述主控电路连接。

在此需要说明的是，采样芯片U8的第一电流采样端即为3脚，采样芯片U8的第二电流采样端即为4脚，采样芯片的受控端为12脚和13脚，在需要进行电流采样时，通过主控电路控制导通第一开关元件Q1和第二开关元件Q2，以对电路进行电流采样，检测线圈通过采样第二电阻R2和第三电阻R3进行IV转换，采样电流通过RC滤波电路中的第二十电阻R20、第三十七电容C37、第二十四电阻R24和第三十八电容C38后进入全差分采样芯进行高精度电流采样。需要说明的是，BL0940型全差分采样芯片具有体积小TSSOP14封装，外围电路简单，成本低廉等优点，同时其精度可以达到0.5S级，满足线损电流计算要求。

此外，本实施例中，所述采样芯片U8的电压输入端，即5脚，通过第二十七电阻与供电电路连接，所述采样芯片U8的电压输入端还通过第二十五电阻R25接地。

本实施例中，如图5所示，所述供电电路采用4056型电池充电芯片U18及其外围电路，所述电池充电芯片U18的电源输出端连接有电池接口CON4。

需要说明的是，感应取电电路感应取电后的能量，可通过电池充电芯片U18对锂电池充电，同时对整个电路进行供电，其中锂电池可插接于电池接口CON4上。在使用过程中，电池充电芯片U18设置好充电最大电流，电池充满电后即可自动断电。当感应取电电流太小的时候，电池和感应取电电路同时供电，产品进入低功耗工作后对电池进行涓流充电，能源浪费少，在小电流也可启动工作。

还需要说明的是，4056型电池充电芯片U18是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器，其底部带有散热片的ESOP8封装与较少的外部元件数目使得4056成为便携式应用的理想选择，其可以适合USB电源和适配器电源工作；此外，由于其采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管；热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高温条件下对芯片温度加以限制。当充电电流在达到复充电压之后降至设定值1/10时，电池充电芯片U18将自动终止充电循环，当输入电压被拿掉时，电池充电芯片U18自动进入一个电流状态，将电池漏电流降至2uA以下，安全性高；其在有电源时也可置于停机模式，以将供电电流降至55uA，利于节能。

本实施例中，所述系统还包括定位电路，所述定位电路与所述主控电路连接，如图6所示，所述定位电路包括G7A型定位芯片U10及其外围电路，所述定位芯片U10连接有定位天线接口X5。需要说明的是，G7A型定位芯片采用北斗和GPS双模定位，具备高精度定位功能，可以在线损超标的情况下快速查找偷窃电或者故障位置。G7A型定位芯片为基带+射频一体芯片，可为车载、船载、手持及穿戴等导航定位终端产品的制造提供了高灵敏度、低功耗、低成本的定位/导航解决方案。具体地，该型号的定位芯片是一款支持BDS B1/GPS L1/GLONASS L1等频点导航定位模块，并支持多频联合定位和单频定位，其具备超小尺寸，仅10.6mm*9.7mm*2.2mm，非常适用于对尺寸有严格要求的工业应用场景，其还采用18-pinLCC封装，方便贴片工艺。

本实施例中，所述系统还包括通讯电路，所述通讯电路包括LoRa通讯电路和NB通讯电路，所述LoRa通讯电路和所述NB通讯电路均与所述主控电路连接，如图7和图8所示，所述LoRa通讯电路采用LORA芯片U13及其外围电路，LORA芯片U13连接有LORA通讯天线接口X4，所述NB通讯电路采用N21型NB通信芯片U6及其外围电路，NB通信芯片U6连接有NB通讯天线接口X3。需要说明的是，本实施例中的系统可通过NB通讯电路实现NB通讯，使用NB21模组进行物联网通讯，成本低，通讯距离远，网络稳定。通讯电路包括LoRa通讯电路和NB通讯电路，可利于本实施例适用于不同场景进行通讯，通讯效果佳。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。