CN104485742B - 无线电力专网中的电力终端及其管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线电网中的电力终端，其特征在于，包括依次连接的配电变压器、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块，所述数据处理模块还连接至本地存储模块；所述数据采集模块实时采集所述配电变压器的电力参数，并发送至所述数据处理模块；数据处理模块定时将电力参数进行采样和分析，将采样得到的数据发送至本地存储模块进行存储，若数据异常，则通过无线通信模块向监测中心发送报警信息。
Description
技术领域
本发明涉及电力网络领域，特别是指无线电力专网中的电力终端及其管理方法。
背景技术
智能电网的内涵是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，实现电力***从发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的智能感知、智能识别、智能控制的功能，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。智能电网中的每一个用户和节点都得到实时监控，通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果。智能电网可以整合***中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。
电力终端作为智能电网的基本单元尤为重要；电力终端是对于设置在用户用电设施处的电力检测装置的统称，在智能电网中，电力终端需要满足对于用电信息实时、高效的传输，能够自主处理一定程度的电力故障，并且能够在远程监控中心的控制下完成对电力资源的分配。
正是由于电力终端在智能电网中的重要地位，因此需要一种智能、可靠的电力终端装置，以及与其配套的管理办法，来满足基于信息平台和物联网平台的智能电网***的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种无线电力专网中的电力终端及其管理方法，以满足智能电网***的需求。
基于上述目的本发明提供的无线电网中的电力终端，包括依次连接的配电变压器、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块，所述数据处理模块还连接至本地存储模块；所述数据采集模块实时采集所述配电变压器的电力参数，并发送至所述数据处理模块；数据处理模块定时将电力参数进行采样和分析，将采样得到的数据发送至本地存储模块进行存储，若数据异常，则通过GPRS模块向监测中心发送报警信息。
可选的，所述数据采集模块包括电流互感器、电压互感器、前端信号处理器和低通滤波器；所述电流互感器和电压互感器连接至所述配电变压器源边和副边并采集其电力参数；所述前端信号处理器连接至所述电流互感器和电压互感器，并对二者采集到的电力参数进行处理；电力参数通过所述低通滤波器后传输给数据处理模块。
可选的，所述前端信号处理器包括电压采集前端处理电路和电流采集前端处理电路；其中，所述电压采集前端处理电路用于将高电压信号按比例变换并对其进行直流偏置，以匹配测量电压；所述电流采集前端处理电路用于将电流转换为电压信号，并对其进行直流偏置和反相变换，使其满足所述数据处理模块的模数转换范围。
可选的，所述低通滤波器采用巴特沃斯二阶低通滤波器。
可选的，所述数据处理模块包括集成在芯片上的混合信号***级单片机，能实现数据采集和通信控制。
可选的，所述无线通信模块为LTE 4G/WSN/UWB/GPRS通信模块。
基于上述目的本发明还提供了无线电网中的电力终端的管理方法，包括如下步骤：
步骤1，周期性地获取电力终端的电力参数，对电力参数进行监测、存储，并定期通过无线通信模块向监测中心发送电力终端的相关信息；若发现电力参数异常，则跳至步骤2，否则重复步骤1；
步骤2，通过无线通信模块向监测中心发送报警信息；
可选的，所述电力终端的相关信息的信息模型为层状结构，各层信息的加密与传输可根据需要取舍；其中，信息模型自底层至顶层依次为：
基本信息，定期发送，包括设备功率、设备ID和设备类型等；
扩展信息，用于电力调度，包括用电请求、预计时长和紧急程度等；
高级信息，用于应答查询请求，包括运行状况、电能来源和资费状况等；
附加信息，用于增强信息可靠性，包括加密信息、校验信息和专用信息。
可选的，监控中心根据对电力终端监控的情况，对电力终端进行控制操作或发送数据上传请求；即建立监控中心与电力终端的无线通信模块之间的TCP协议，将控制命令或数据上传请求命令传送给无线通信模块；
其中，监控中心接收无线通信模块上传数据的步骤包括：
S1，判断是否已建立了该监控中心与无线通信模块之间的TCP协议，若是则跳至S2，若否则设置监控中心与无线通信模块之间的TCP协议再执行S2；
S2，启动套接字侦听；
S3，判断是否有来自无线通信模块的连接请求，若是则接受连接执行S5，若否则返回到S2；
S4，根据所述连接请求，监控中心接收数据。
从上面所述可以看出，本发明提供了一种无线电网中的电力终端及其管理办法，通过数据采集模块采集电力终端的电力参数，将电力参数经过数据处理模块处理后存储至存本地存储模块中并周期性地将相关信息通过无线通信模块发送至监控中心；监控中心对所述信息进行处理后，将控制指令发送回电力终端；在检测到电力参数发生异常后，数据处理模块主动向监控中心发送报警信息。可见，本发明提供的电力终端能够实现电网和通信网络的紧密结合，符合智能电网的建设要求。
附图说明
图1为本发明实施例电力终端的结构示意图；
图2为本发明实施例数据采集模块的结构示意图；
图3为本发明实施例配电变压器的电路结构示意图；
图4为本发明实施例电压采集前端处理电路结构示意图；
图5为本发明实施例电流采集前端处理电路结构示意图；
图6为本发明实施例低通滤波器的电路结构示意图；
图7为本发明实施例低通滤波器的幅频特性图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明实施例电力终端的结构示意图；如图所示，本发明提供的电力终端包括依次连接的配电变压器1、数据采集模块2、数据处理模块3和无线通信模块5，所述数据处理模块还连接至本地存储模块4；所述数据采集模块2实时采集所述配电变压器1的电力参数，并发送至所述数据处理模块3；数据处理模块3定时将电力参数进行采样和分析，将采样得到的数据发送至本地存储模块4进行存储，若数据异常，则通过无线通信模块5向监测中心发送报警信息；在一些可选实施例中，电力终端定期通过无线通信模块5将自身相关电力数据发送至监测中心，并能够接收监测中心的控制指令对电力资源的分配进行调整。
上述无线通信模块为LTE 4G/WSN/UWB/GPRS通信模块，可根据具体工程需要进行选择。
图2为本发明实施例数据采集模块的结构示意图；如图所示，所述数据采集模块2包括电流互感器203、电压互感器201、前端信号处理器205和低通滤波器207；所述电流互感器203和电压互感器201连接至所述配电变压器1源边和副边并采集其电力参数；所述前端信号处理器205连接至所述电流互感器203和电压互感器201，并对二者采集到的电力参数进行处理；电力参数通过所述低通滤波器207后传输给数据处理模块3。
可选的，所述前端信号处理器包括电压采集前端处理电路和电流采集前端处理电路；其中，所述电压采集前端处理电路用于将高电压信号按比例变换并对其进行直流偏置，以匹配测量电压；所述电流采集前端处理电路用于将电流转换为电压信号，并对其进行直流偏置和反相变换，使其满足所述数据处理模块的模数转换范围。
图3为本发明实施例配电变压器的电路结构示意图；如图所示，所述配电变压器包括源边和副边，可输出三相电压。
较佳地，通过电流互感器203、电压互感器201对配电变压器1源边和副边的三相电压、电流电气参数进行采集监测。同时，分析记录采集数据，并在变压器三相电力参数出现异常事件时主动上传告警信息。优选地，采用MG8型电流互感器，在现场测量配电变压器301电流信号时，可以直接将其接入配电变压器输出端，相比传统的零序电流互感器在安装和操作上显得更加方便和快捷，性能指标如下：变比：2500：1，测量范围：0-20A，测量精度等级：0.1级，工作温度：-40℃至+80℃。优选地，采用TR1102-C型电压互感器，该互感器电压是直接输入和输出，具有***电路简单、线性度好和测量精度高的特点，能满足现场工作环境要求，性能指标如下：额定输入电压：0-380V，二次输出：0-0.7V，精度等级：0.1级，工作温度：-25℃至+75℃。
在本发明的一个实施例中，前端信号处理器205包括电压采集前端处理电路和电流采集前端处理电路。其中，电压采集前端处理电路主要功能是将高电压信号按比例变换并对其进行直流偏置，以匹配测量电压。这部分包含了电压转换电路、直流偏置电路和反相电路，如图4所示：电阻R50和R51分别与电压互感器PT的两端连接。电阻R48和R50并联后接入运算放大器OP07C的负极输入端，电阻R51一端接地，另一端接入运算放大器OP07C的正极输入端，电阻R48串联电阻R49后接入到运算放大器OP07C的输出端。另外，所述运算放大器OP07C的输出端串联一电阻R52接入另一运算放大器OP07C的负极输入端，并且R52串联电阻R53与该另一运算放大器OP07C的输出端连接。电阻R54一端接地，另一端接入该另一运算放大器OP07C的正极输入端。
还有，由于数据处理模块3内部集成A/D转换器的输入电压是0-3.3V，所以信号的直流偏置电压选择其中间值1.5V，电路参数的计算关系式如下：
在实施例中，R50选择为10K，对变换后的电压信号只需要做电平抬升，所以R49也取10K。正电压信号U1取5V，经过运放两次反相后变为正电压叠加在信号中，通过计算可得R48电阻值为33.3K。运算放大器OP07C具有较好的稳定性，第1脚和第8脚之间接入20k电位器可以消除自激振荡。
另外，电流采集前端处理电路是将电流转换为电压信号，并对其进行直流偏置和反相变换，使其满足本地集中处理器103的模数转换范围。配电变压器301的电流信号经过电流互感器302输出后由精密多圈电位器将电流转换为电压，其幅值大小可通过电位器调节，直流偏置电路原理和反相电路原理与电压采集前端处理电路相同，如图5所示。
优选地，低通滤波器207的作用是滤除信号的高频部分，防止信号混叠和干扰。较佳地，采用巴特沃斯二阶低通滤波器，其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，而在阻频带则是逐渐下降为零，电路如图6所示。其中，电阻R48和R50串联后接入运算放大器OP07C的正极输入端，同时运算放大器OP07C的负极输入端与该运算放大器OP07C的输出端连接。电容C48一端接地，另一端与电阻R50串联，并且该端与电容C49串联与运算放大器OP07C的输出端连接。
低通滤波器207的幅频特性如图7所示，该图描绘了滤波器输入信号频率与输出信号衰减幅度之间的对应关系，可以看出大于1kHz的信号沿着固定斜率逐渐衰减。由于所采集的谐波电流频率最大不超过750Hz，低通滤波器1kHz的截止频率不会影响到谐波电流测量。每个A/D转换通道都采用了相同滤波电路，所以由滤波器引起的相位偏差很小，不会影响谐波电流的测量。
另外，本发明提供一种无线电网中的电力终端的管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，周期性地获取电力终端的电力参数，对电力参数进行监测、存储，并定期通过无线通信模块向监测中心发送电力终端的相关信息；若发现电力参数异常，则跳至步骤2，否则重复步骤1；
步骤2，通过无线通信模块向监测中心发送报警信息。
以上步骤实现了电力终端智能检测异常以及报警的过程，智能电网的建设目标，是通过终端传感器在客户之间、客户和电网公司之间形成即时连接的网络互动，实现数据读取的实时、高速、双向的效果，从而整体提高电网的综合效率。智能电网实现电力流、信息流、业务流高度一体化的前提，在于信息的实时采集、安全快速传输、准确识别、合理应用，最终实现发电、输电、配电、用电的智能控制、智能调度、智能管理。
为了满足上述需求，在本发明提供无线电力专网中的电力终端的通信信息模型建设中，必须实现即插即用的设备互联机制，结合物联网结构和协议规范，建立电力信息传输和设备间互联的数据模型，实现设备的感知、身份鉴别和控制，定义设备信息传输过程中的协议解析规范。在实施例中，电力终端的信息模型如表1所示：
表1电力终端信息模型
可见，电力终端的信息模型具有典型的层状结构，各层信息的加密与传输可以根据需要取舍。其中，最底层是基本信息，这是一种广播信息，被物联网范围内的所有设备所接收和感知。这部分信息将会定时发送，也是各设备实现即插即用的基础。同时，各设备也接收其它设备的广播信息，了解所有“在线”设备的基本状况，即可以是设备功率、设备的ID以及设备的类型等等。第二层为扩展信息，主要用于用电请求，可能来源于用户操作或智能控制，需要给出请求信号，预计时间长度和请求级别，供调度程序分析处理。第三层是高级信息，一般是应答信息，来源于其它设备，尤其是用电管理设备的查询请求，该设备作出回应，发送当前运行状况、电能来源、实时资费等信息。另外，还设置了附加信息层，除了该设备发送给专用设备的特殊信息外，主要用于信息的应用层加密与校验，加强信息传输的可靠性。
可选的，监控中心根据对电力终端监控的情况，对电力终端进行控制操作或发送数据上传请求；即建立监控中心与电力终端的无线通信模块之间的TCP协议，将控制命令或数据上传请求命令传送给无线通信模块；
其中，监控中心接收无线通信模块上传数据的步骤包括：
S1，判断是否已建立了该监控中心与无线通信模块之间的TCP协议，若是则跳至S2，若否则设置监控中心与无线通信模块之间的TCP协议再执行S2；
S2，启动套接字侦听；
S3，判断是否有来自无线通信模块的连接请求，若是则接受连接执行S5，若否则返回到S2；
S4，根据所述连接请求，监控中心接收数据。
通过以上过程，电力终端还可以通过接收监控中心的连接请求，发送相应的数据。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无线电网中的电力终端，其特征在于，包括依次连接的配电变压器、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块，所述数据处理模块还连接至本地存储模块；所述数据采集模块实时采集所述配电变压器的电力参数，并发送至所述数据处理模块；数据处理模块定时将电力参数进行采样和分析，将采样得到的数据发送至本地存储模块进行存储，若数据异常，则通过无线通信模块向监测中心发送报警信息；
所述数据采集模块包括电流互感器、电压互感器、前端信号处理器和低通滤波器；所述电流互感器和电压互感器连接至所述配电变压器源边和副边并采集其电力参数；所述前端信号处理器连接至所述电流互感器和电压互感器，并对二者采集到的电力参数进行处理；电力参数通过所述低通滤波器后传输给数据处理模块；
所述前端信号处理器包括电压采集前端处理电路和电流采集前端处理电路；其中，所述电压采集前端处理电路用于将高电压信号按比例变换并对其进行直流偏置，以匹配测量电压；所述电流采集前端处理电路用于将电流转换为电压信号，并对其进行直流偏置和反相变换，使其满足所述数据处理模块的模数转换范围；
所述电压采集前端处理电路包括：电阻R50的一端与电压互感器PT的一端连接，另一端与电阻R48并联后接入第一运算放大器OP07C的负极输入端；电阻R51的一端与所述电压互感器PT的另一端连接同时接地，另一端接入所述第一运算放大器OP07C的正极输入端；电阻R48串联电阻R49后接入到所述第一运算放大器OP07C的输出端，所述第一运算放大器OP07C的输出端串联一电阻R52后接入第二运算放大器OP07C的负极输入端，并且所述电阻R52串联电阻R53后与所述第二运算放大器OP07C的输出端连接；电阻R54一端接地，另一端接入所述第二运算放大器OP07C的正极输入端；所述第一运算放大器OP07C以及所述第二运算放大器OP07C的第1脚和第8脚之间分别接入20k电位器用于消除自激振荡；
所述低通滤波器采用巴特沃斯二阶低通滤波器，包括：电阻R84和电阻R85串联后接入第三运算放大器OP07C的正极输入端，同时所述第三运算放大器OP07C的负极输入端与所述第三放大器OP07C的输出端连接；电容C48一端接地，另一端与电阻R85串联，并且所述电容C48的另一端与电容C49串联与运算放大器OP07C的输出端连接；
所述数据处理模块包括集成在芯片上的混合信号***级单片机，能实现数据采集和通信控制；
所述无线通信模块为LTE 4G或WSN或UWB或GPRS通信模块。
2.一种应用于权利要求1所述的无线电网中的电力终端的管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，周期性地获取电力终端的电力参数，对电力参数进行监测、存储，并定期通过无线通信模块向监测中心发送电力终端的相关信息；若发现电力参数异常，则跳至步骤2，否则重复步骤1；
步骤2，通过无线通信模块向监测中心发送报警信息；
所述电力终端的相关信息的信息模型为层状结构，各层信息的加密与传输可根据需要取舍；其中，信息模型自底层至顶层依次为：
基本信息，定期发送，包括设备功率、设备ID和设备类型；
扩展信息，用于电力调度，包括用电请求、预计时长和紧急程度；
高级信息，用于应答查询请求，包括运行状况、电能来源和资费状况；
附加信息，用于增强信息可靠性，包括加密信息、校验信息和专用信息。
3.根据权利要求2所述的无线电网中的电力终端的管理方法，其特征在于，监控中心根据对电力终端监控的情况，对电力终端进行控制操作或发送数据上传请求；即建立监控中心与电力终端的无线通信模块之间的TCP协议，将控制命令或数据上传请求命令传送给无线通信模块；
其中，监控中心接收无线通信模块上传数据的步骤包括：
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