无线配电装置

技术领域

本发明涉及配电技术领域，是一种无线配电装置。

背景技术

目前，低压配电网中低压配电线路从台区变压器出线之后，需要进户线连接到单元配电箱，然后再将电量分配到每家每户，但现有低压配电方式中进户线易受人为、气候、温湿度等因素影响，造成断线或者出线故障，导致用户侧出现突然停电事件，故而对用户生活造成困扰。

发明内容

本发明提供了一种无线配电装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有使用进户线进行配电存在的进户线易受人为、气候、温湿度等因素影响、，导致用户侧出现突然停电事的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种无线配电装置，包括电压信号采集单元、近端处理单元、近端无线传输单元和远端收发单元；

电压信号采集单元，对配电变压器低压侧三路低压线路的大电流进行采样，获得弱电流信号；

近端处理单元，将弱电流信号处理为与输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号，并进行数字信号转换和有效值处理；

近端无线传输单元，将数字信号转换为无线数字信号，并利用无线方式传输；

远端收发单元，接收无线数字信号并发送至用户端。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述近端处理单元包括第一处理模块、A/D转换模块、第二处理模块和低功耗控制模块；

第一处理模块，将弱电流信号处理为与输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号；

A/D转换模块，将输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号转换为数字信号；

第二处理模块，对数字信号进行有效值运算；

低功耗控制模块，控制第一处理模块、A/D转换模块和第二处理模块的工作模式，并用于第二处理模块和近端无线传输单元之间的通信传输。

上述远端收发单元包括无线通信模块、开关稳压电路和UART接口电路，开关稳压电路和UART接口电路均与无线通信模块连接。

上述电压信号采集单元包括三个柔性Rogowski线圈，三个柔性Rogowski线圈均与近端处理单元连接。

上述还包括取能电源单元、近端防护壳体和远端防护壳体，电压信号采集单元设置在近端防护壳体外，近端处理单元、近端无线传输单元和取能电源单元均设置在壳体内，取能电源单元为近端处理单元和近端无线传输单元供电，远端收发单元设置在远端防护壳体内。

本发明结构简单、使用方便，能采集配电变压器低压侧三相输电线上的大电流信号并将其以无线的形式传输至用户处的稽查主机，在主机里实现电流的比对，进而确定用电用户的用电量情况，实现了远程与用户电能表的对接，有效解决现有需要进户线连接到单元配电箱，然后再将电量分配到每家每户方式存在的进户线易受人为、气候、温湿度等因素，经常断线或者出线故障，导致用户突然停电的问题，进一步的提高了用户的用电体验。

附图说明

附图1为本发明的电路结构示意图。

附图2为本发明中近端处理单元的电路结构示意图。

附图3为本发明中远端收发单元的电路结构示意图。

附图4为本发明中ADE7878的电气连接示意图。

附图5为本发明中ATmega68PA的电气连接示意图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1，如附图1所示，本实施例公开了一种无线配电装置，包括电压信号采集单元、近端处理单元、近端无线传输单元和远端收发单元；

电压信号采集单元，对配电变压器低压侧三路低压线路的大电流进行采样，获得弱电流信号；

近端处理单元，将弱电流信号处理为与输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号，并进行数字信号转换和有效值处理；

近端无线传输单元，将数字信号转换为无线数字信号，并利用无线方式传输；

远端收发单元，接收无线数字信号并发送至用户端。

上述实施例中，电压信号采集单元在使用时与配电变压器低压侧三路低压线路接触，对配电变压器低压侧三路低压线路（A相、B相、C相）的大电流进行采样，获得弱电流信号。近端处理单元对弱电流信号进行处理，获得与输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号，并将该信号转换为对应的数字信号（即输电线电流参数）。近端无线传输单元将数字信号转换为无线数字信号，将该无线数字信号利用无线方式传输至远端收发单元。远端收发单元接收无线数字信号并发送至用户端的稽查主机处。

这里需要说明的是，近端无线传输单元可为北京德瑞紫峰科技有限公司的基于TI公司ZigBee芯片CC2530设计的ZF1001无线组网，其包括无线通讯模块ZF-1001，无线通讯模块ZF-1001集MCU与无线射频模块于一体，采用的是ZigBee2007协议栈。CC2530是一个兼容IEEE802.15.4的片上系统，支持专有的IEEE802.15.4以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，CC2530集成了2.4GHz的射频收发器、增强型工业标准的8051MCU、最大256KB可编程FLASH、8KB的RAM并提供有一套广泛的外设集（包括2个USART、12位ADC和21个通用GRIO）。

本发明中ZF1001无线组网，工作在全球通用的2.4GHzISM完全免费的频段上，共划分成16个信道，这么多信道是为了防止所处环境出现处于同一信道频率的设备时相互间出现干扰，在该频段上，数据传输速率为250kb/s。同时，为了做到低功耗，设置了8种发射功率，可以根据无线传输的距离更换最适宜的发送功率，防止不必要的功耗又可以保证数据传输。

这里装置工作时，近端无线传输单元为主应用端，通过使用二进制格式的指令，向远端收发单元发出指令，并且通过网络与远端节点进行通讯。ZF-1011在二进制模式中帧格式有四种类型：命令请求帧，数据请求帧，命令答应帧及ACK应答帧。在ZF-1011的二进制模式下，主应用端向ZF-1011远端节点发送命令请求帧，帧中包含的内容有命令请求、配置信息或者ZF-1011网络拥有的其他功能信息。当接收到这个命令请求帧时，为了通知主应用端该命令请求帧的传输情况，ZF-1011远端节点会反馈给主应用端模块一个命令应答帧。主应用端接收并解析这个命令应答帧，实时了解命令请求的传输情况，对可能的突发情况做进一步处理，比如对方接收成功率低时提高发送功率等。同时在传输包括三相电流有效值的数据帧时，采用的传输方式是终端至终端，在传输的过程中不会被放大或者受到干扰，使得包含电流参数的数据包被准确有效的传输。远端节点接收到这些数据帧后，为了能向主应用端回应数据帧的接收情况，远端节点会向作为数据发送节点的主应用端发送一个ACK应答帧。二进制模式下四种数据帧的帧格式是一致的：1Byte的包头帧类型字段，1Byte的链路质量指示字段，1Byte的目的地址描述字段，0-97Byte字节的负载描述字段，和1Byte的包尾异或校验字段；这里所有ZF-1011二进制帧帧长可变。

本实施例公开了一种无线配电装置，能采集配电变压器低压侧三相输电线上的大电流信号并将其以无线的形式传输至用户处的稽查主机，在主机里实现电流的比对，进而确定用电用户的用电量情况，实现了远程与用户电能表的对接，有效解决现有需要进户线连接到单元配电箱，然后再将电量分配到每家每户方式存在的进户线易受人为、气候、温湿度等因素，经常断线或者出线故障，导致用户突然停电的问题，进一步的提高了用户的用电体验。

实施例2，如附图2、4所示，本实施例公开了一种无线配电装置，其中近端处理单元进一步包括第一处理模块、A/D转换模块、第二处理模块和低功耗控制模块；

第一处理模块，将弱电流信号处理为与输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号；

A/D转换模块，将输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号转换为数字信号；

第二处理模块，对数字信号进行有效值运算；

低功耗控制模块，控制第一处理模块、A/D转换模块和第二处理模块的工作模式，并用于第二处理模块和近端无线传输单元之间的通信传输。

上述实施例中，第一处理模块可为现有数字积分器，将电压信号采集单元采集的配电变压器低压侧三路低压线路的弱电流信号转换为输电线路大电流呈线性关系的模拟电压信号。A/D转换模块将模拟电压信号转换为数字信号（即输电线电流参数）。

上述实施例中，第二处理模块可为现有电流RMS的信号处理模块，其采用高精度的专用电能计量芯片ADE7878，该芯片采用串口的三相电能计量IC，同时可提供的脉冲输出都是可以匹配的，在芯片内部置有多个二阶A/D转换器、数字积分器、基准电压源电路及所有必需的处理电路，能够实现三相电的电压、电流的有效值计算。ADE7878是宽工作温度（-40摄氏度至-85摄氏度）、宽工作电压（2.4V至3.7V）范围，典型的温度漂移量为10ppm摄氏度且具有外部过驱功能，灵活的12C、SP和HSDC串行接口选择。另外，它有四种可控工作模式，如表1所示，不同工作模式下功耗不一样，用户可以更根据自己的功耗需求进行模式的切换，切换时无需对配置程序进行重新载入，这一点对于要求低功耗来说尤为重要。在温度为25摄氏度的情况下，当电流动态范围是1000：1时，电流通道的相位角测量误差典型值为0.3度，电流有效值测量误差可以低于0.1%，低功耗模式下的功耗达到毫瓦级。如附图4所示，IAP、IAN是A相电流采集信号的差分模拟信号输入端，IBP、IBN和ICP、ICN则分别对应着B相和C相；电源两端的0.1uF、100 uF的电容分别是去耦电容、滤波电容；由于ADE7878集成了8051的微处理器，所以需要外加晶振，晶振选择的是3.6864MHz的无源晶振，对应的负载电容为20pF；PM0是ADE7878的功耗模式选择端，PM0始终接高电平，而PM1由低功耗控制模块拉高或拉低，从而可以控制ADE7878的功耗模式切换，在本发明中需要装置处于工作模式时，PM1被拉低，ADE7878进入PSM0模式，当装置处于不工作状态时，PM1被拉高，ADE7878被切换到PSM3模式。该模块获得的电流有效值存储在寄存器中，与ADE7878的通信接口有三种串行接口选择：12C、HSDC、SPI，为使下一级电路有更好的通信选择，本装置选择较为通用的SPI串行接口，图中的SS、MISO、MOSI、SCLK为四线SPI的端口，SS为设备选择端，MISO、MOSI为数据通信端，SCLK为时钟输入端。还需要说明的是，装置上电进入初始化后，由于ADE7878有三种串行接口，分别为12C、HSDC、SPI，要选定为SPI，需三次切换SS的逻辑电平；选定了SPI接口后，为防止之后变换成别的接口需锁定为SPI接口，也就是在寄存器CONFIG2写入0x04；然后选定检测模式。

上述实施例中低功耗控制模块不仅控制各个模块电路的工作模式，而且是第二处理模块与近端无线传输单元间数据交换的枢纽。低功耗控制模块可为现有AVR单片ATmega68PA，该单片机是低功耗的8位CMOS微控制器。采用的AVRRISC结构是基于增强型的，ATmega68PA的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，能很好地协调系统的处理速度与功耗，在不影响系统处理速度的情况下还能做到尽可能的低功耗，能够拥有这种特点在于它支持单时钟周期指令执行时间并采用了先进的指令集。ATmega68PA的内部结构拥有如下特点：系统ROM为32KB，其中包含了可编程Flash,32个通用工作寄存器，23个通用I/O端口，512B的EEPROM，1KB的SRAM；支持片内编程的同时也支持片内调试，所以可以在线调试；三个计数器定时器运用灵活，都拥有比较模式；支持的中断源可以是内部中断也可以是外部中断；一个串行USART以及一个SPI串行端口，这两种通用串行接口都拥有其实条件检测器；8路10位可编程增益的ADC，在运用时其输入方式可以选择，一个实现看门狗功能的内置可编程定时器，防止系统程序跑飞；还有六种功耗模式，如表2所示，分别为掉电模式、空闲模式、省电模式、Standby模式、噪声抑制模式和扩展Standby模式。

如附图5所示，ATmega68PA是可充电电池供电，输入的电压存在不稳定的情况，所以要经过0.1uF的去耦电容C2、C3、C4、C5和100uF的滤波电容C1处理，去除毛刺得到稳定电压，图中之所以采用四个去耦电容，是由于有四个电源电压输入端，在每一个电压输入端都必须加一个去耦电容，在进行PCB布局时尽量把去耦电容靠近电压输入端，而且布线时也要尽量保证去耦电容与电压输入端的布线尽可能短，布线越短时去耦合效果更好；图中端口引脚SS、PB3、PB4、PB5是分别于信号处理模块中ADE7878的SS、MISO、MOSI、SCLK相对应，实现两者间的SPI串口通信；串口引脚TX1、RX1则是与无线通信模块ZF-1011d的串口相连，实现两者间的TTL电平的串口通信。端口PC0接的是ADE7878的PMI，通过该引脚拉高或拉低PM1的电平来切换ADE7878的功耗模式；引脚PB6、PB7接入的是无源晶振，晶振频率选择为3.6864MHz,即使得MCU的处理速度不至于过快而消耗更多的能耗也不至于过低影响与其它模块电路的通断。

本实施例中近端无线传输单元和远端收发单元之间进行传输时使用的无线传输通信协议包括数据帧和命令帧，数据帧的内容是电流有效值，命令帧的内容是关于休眠时间，其顺序是先ADE7878休眠，再ZF-1011休眠，最后是低功耗控制模块进入休眠；经过10min后，低功耗控制模块首先唤醒，然后唤醒无线通信模块ZF-1011，暂时无需唤醒电流RMS的信号处理电路；唤醒后重新回到给稽查主机发送通信准备指令，形成一个循环体。

实施例3，如附图3所示，本实施例公开了一种无线配电装置，其中远端收发单元进一步包括无线通信模块、开关稳压电路和UART接口电路，开关稳压电路和UART接口电路均与无线通信模块连接。

上述实施例中，无线通信模块可为无线通信模块ZF-1011。开关稳压电路是将电源电压控制在无线通信模块ZF-1011的工作电压3.3V左右，使ZF-1011能正常稳定工作；而UART接口电路是实现ZF-1011与用户端稽查主机间的数据交换。其中UART接口电路可采用MAX3232芯片实现电平的转换，该芯片是3.3V供电。

实施例4，如附图1所示，本实施例公开了一种无线配电装置，其中电压信号采集单元进一步包括三个柔性Rogowski线圈，三个柔性Rogowski线圈均与近端处理单元连接。

上述实施例中，柔性Rogowski线圈与电气回路有很好的电气绝缘，柔性Rogowski线圈具有可实时测量、响应速度快、不会磁饱和、几乎没有相位误差等特点，最重要的是可插拔式的，可随时拆卸安装。

实施例5，本实施例公开了一种无线配电装置，其中还包括取能电源单元、近端防护壳体和远端防护壳体，电压信号采集单元设置在近端防护壳体外，近端处理单元、近端无线传输单元和取能电源单元均设置在壳体内，取能电源单元为近端处理单元和近端无线传输单元供电，远端收发单元设置在远端防护壳体内。

上述实施例中，通过设置近端防护壳体和远端防护壳体，有效保护本发明的电器元件，增加本发明的使用年限。取能电源单元可为变压器，从配电变压器低压侧取电，为近端处理单元和近端无线传输单元提供稳定的电压。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

/>