專利名稱：電力無線數(shù)字傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種傳感器，特別是涉及一種用于電力系統(tǒng)的多功能線路參數(shù)采 集和傳輸?shù)碾娏o線數(shù)字傳感器。
背景技術(shù)：
電力行業(yè)是一切經(jīng)濟活動的支柱，隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求的大幅度 增長，國家對電力建設(shè)投資的力度也逐年加大。目前用于電力輸電線路的電壓測量都是利 用電壓電流互感器。其存在著如下的問題1、安裝困難，工程實施復(fù)雜，成本高；2、不利于架空線上的分節(jié)點安裝；3、沒有無線傳輸單元，需要線纜連接或者接觸式測量；4、沒有單片機控制電路，控制不靈活。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠使電壓測量采用非接觸式電容 傳感器，電流測量采樣電流感應(yīng)線圈的電力無線數(shù)字傳感器。本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種電力無線數(shù)字傳感器，包括有低功耗微處 理器，通過采樣控制開關(guān)連接到低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器上進行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式 電壓感應(yīng)器電路；與低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測量感 應(yīng)線圈電路；通過電流突增檢測和充電電路連接到低功耗微處理器的充電及電流突增感應(yīng) 線圈，所述的電流突增檢測和充電電路還通過儲能電容連接鋰電池；所述的低功耗微處理 器還連接有無線收發(fā)器。所述的電容式電壓感應(yīng)器電路，包括有電容式電壓感應(yīng)器，所述的電容式電壓感 應(yīng)器通過插座接入電路，經(jīng)過相串聯(lián)的兩個順態(tài)抑制二極管保護、相串聯(lián)的電阻和電位器 調(diào)整以后，進入場效應(yīng)管的柵極，并從場效應(yīng)管的漏極進入低功耗微處理器進行AD轉(zhuǎn)換。所述的采樣控制開關(guān)包括有第一三極管，第一電阻和第二電阻，所述的低功耗微 處理器通過第一電阻對第一三極管進行開關(guān)控制，利用第一三極管的導(dǎo)通和截止通過第二 電阻至場效應(yīng)管的漏極來控制場效應(yīng)管的輸出。所述的電流測量感應(yīng)線圈電路，包括有電流感應(yīng)線圈，所述的電流感應(yīng)線圈連接 由第四電阻和第三電阻組成分壓電路分壓后，再經(jīng)電容、順態(tài)抑制二極管和二極管進行濾 波和保護以后輸出電流信號adc_I至測試點，所述的電流信號ADC_I信號連接到低功耗微 處理器進行AD轉(zhuǎn)換。所述的電流突增檢測和充電電路，包括有對構(gòu)成充電及電流突增感應(yīng)線圈的電流 突增感應(yīng)線圈的電流進行整流的由第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容和第三電 容構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號經(jīng)壓敏電阻進行限幅保護，再經(jīng)限流電阻和第三二 極管進入由兩個儲能電容和一個起過壓保護作用的壓敏電阻相并聯(lián)而構(gòu)成的儲能電路，再經(jīng)過單向保護二極管輸出充電信號BATT為鋰電池充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號 同時通過第一穩(wěn)壓二極管進行突增門限，經(jīng)過第四二極管鉗位和第四電容濾除干擾后進入 由第五電阻、第五電容和第六電阻組成的微分電路把電流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號，所述的 窄脈沖信號經(jīng)過第二穩(wěn)壓二極管進行二次門限濾除交流分量和干擾信號，最后經(jīng)過第二三 極管整形為方波輸出到WAKEUP，通過插座連接到低功耗微處理器。本實用新型的電力無線數(shù)字傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，電壓測量采用非接觸式 電容傳感器，電流測量采樣電流感應(yīng)線圈。具有如下特點1、使用通用元器件，電路簡單、成本低廉、元器件供貨穩(wěn)定，有利于推廣；2、電壓信號采集使用非接觸式電容傳感器，安裝使用方便；3、使用了超低功耗元器件，并且可以從線路上感應(yīng)取電，延長了電池壽命；4、采用電壓電流同步采樣技術(shù)，可以實時計算電壓和電流的相位差；5、通過雙向無線通信傳輸測量參數(shù)，并且支持無線組網(wǎng)；6、用微處理器進行波形分析和計算，提高了測量精度；7、支持無線遠程更新程序和參數(shù)修改。

圖1是本實用新型的整體框圖；圖2是本實用新型的電容式電壓感應(yīng)器電路的電路原理圖；圖3是本實用新型的電流測量感應(yīng)線圈電路的電路原理圖；圖4是本實用新型的電流突增檢測和充電電路的電路原理圖圖5本實用新型的低功耗微處理器的外部電路原理圖。其中1:電容式電壓感應(yīng)器電路 2:采樣控制開關(guān)3 電流測量感應(yīng)線圈電路 45 電流突增檢測和充電電路 67:鋰電池89:無線收發(fā)器
充電及電流突增感應(yīng)線圈 儲能電容 低功耗微處理器
具體實施方式
以下結(jié)合附圖給出具體實施例，進一步說明本實用新型的電力無線數(shù)字傳感器是 如何實現(xiàn)的。本實用新型的電力無線數(shù)字傳感器，通過低功耗低成本的微處理器控制電壓和電 流信號的同步采樣，然后進入微處理器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，通過采用波形分析 算法、線性修正和溫度補償?shù)忍幚磉^程精確的計算出線路上電壓，電流，相位差等參數(shù)。并 通過低功耗低成本的2. 4G頻段無線收發(fā)器發(fā)送到接收設(shè)備。采用電流感應(yīng)線圈從線路上 取電并存儲在儲能電容中，同時通過充電電路為鋰電池充電。如圖1所示，本實用新型的電力無線數(shù)字傳感器，具體包括有低功耗微處理器8， 通過采樣控制開關(guān)2連接到低功耗微處理器8的AD轉(zhuǎn)換器上進行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電 壓感應(yīng)器電路1，所述的電容式電壓感應(yīng)器電路1提供線路的電壓，同時，低功耗微處理器8還為采樣控制開關(guān)2提供開關(guān)控制信號；與低功耗微處理器8的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進行電 流AD轉(zhuǎn)換的電流測量感應(yīng)線圈電路3 ；通過電流突增檢測和充電電路5連接到低功耗微處 理器8的充電及電流突增感應(yīng)線圈4，所述的電流突增檢測和充電電路5還通過儲能電容6 連接鋰電池7 ；所述的低功耗微處理器8還連接有無線收發(fā)器9。本實用新型所述的低功耗 微處理器8采用新型ARM Cotrex結(jié)構(gòu)的STM3210x系列MCU。電容式電壓感應(yīng)器電路中的電容式電壓感應(yīng)器用于感應(yīng)線路上的電壓，電容式電 壓感應(yīng)器的輸出信號經(jīng)過采樣控制開關(guān)后進入低功耗微處理器進行AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信 號，其中采樣控制開關(guān)通過控制線受到低功耗微處理器I/O 口控制，用于打開和停止對電 壓的采樣。電流測量感應(yīng)線圈電路3中的電流測量感應(yīng)線圈用于感應(yīng)線路的電流，電流測 量感應(yīng)線圈的輸出信號進入低功耗微處理器進行AD轉(zhuǎn)換數(shù)字信號。充電及電流突增感應(yīng) 線圈用于檢測電流的突然增大同時也負責(zé)從線路上取電，充電及電流突增感應(yīng)線圈的輸出 信號進入電流突增檢測和充電電路，電流突增檢測采用微分電路檢測信號突增并且把突增 信號送入低功耗微處理器，該突增信號用于喚醒低功耗微處理器進行緊急處理，充電電路 采用倍壓整流和限幅器把感應(yīng)的信號調(diào)整到適于為本機供電的電壓，并存儲在儲能電容 中，該電壓通過儲能電容后還為鋰電池充電。如圖2所示，所述的電容式電壓感應(yīng)器電路1，是用于測試電壓的，包括有電容式 電壓感應(yīng)器TP1，所述的電容式電壓感應(yīng)器TPl通過插座接入電路，經(jīng)過相串聯(lián)的兩個順態(tài) 抑制二極管D6、D11保護、相串聯(lián)的電阻Rl和電位器R6調(diào)整以后，進入N溝道場效應(yīng)管Q5 的柵極，并從場效應(yīng)管Q5的漏極即輸出ADC_V進入低功耗微處理器8進行AD轉(zhuǎn)換。所述的采樣控制開關(guān)2包括有第一三極管Q6、第一電阻R3和第二電阻R4，所述的 低功耗微處理器8的ADC_V_CTRL管腳通過第一電阻R3對第一三極管Q6進行開關(guān)控制，利 用第一三極管Q6的導(dǎo)通和截止通過第二電阻R4至場效應(yīng)管Q5的漏極來控制場效應(yīng)管Q5 的輸出。如圖3所示，所述的電流測量感應(yīng)線圈電路3，是用于檢測電流的，包括有電流感 應(yīng)線圈L2，所述的電流感應(yīng)線圈L2連接由第四電阻R5和第三電阻R7組成分壓電路分壓 后，再經(jīng)電容C3、順態(tài)抑制二極管D9和二極管Dl進行濾波和保護以后輸出電流信號ADC_I 至測試點TP5，所述的電流信號ADC_I信號連接到低功耗微處理器8進行AD轉(zhuǎn)換。其中的 順態(tài)抑制二極管D9和二極管Dl用于吸收瞬間的干擾脈沖，電容C3用于濾除不必要高頻分 量。如圖4所示，所述的電流突增檢測和充電電路5，包括有對構(gòu)成充電及電流突增感 應(yīng)線圈4的電流突增感應(yīng)線圈L的電流進行整流的由第一二極管D3、第二二極管D13、第 一電容C21、第二電容C22和第三電容C23構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號經(jīng)壓敏電阻 R23進行限幅保護，再經(jīng)限流電阻RlO和第三二極管D16進入由兩個儲能電容C14、C27和一 個起過壓保護作用的5. IV壓敏電阻D8相并聯(lián)而構(gòu)成的儲能電路3，再經(jīng)過單向保護二極管 D19輸出充電信號BATT為鋰電池7充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號同時進入電流突 增檢測電路部分，通過第一穩(wěn)壓二極管D4進行突增門限，經(jīng)過第四二極管D7鉗位和第四電 容C2濾除干擾后進入由第五電阻R25、第五電容C24和第六電阻R30組成的微分電路把電 流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號，所述的窄脈沖信號經(jīng)過第二穩(wěn)壓二極管D5進行二次門限濾除 交流分量和干擾信號，最后經(jīng)過第二三極管Q7整形為方波輸出到WAKEUP，通過插座TP4連接到低功耗微處理器8的喚醒管腳，用于喚醒微處理器立即處理電流突增事件。如圖5所示，本實用新型中的核心器件低功耗微處理器8選用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn) 的單片機STM32F101C8T6作為核心控制元件，該芯片在休眠模式下功耗僅15微安，非常適 合野外電池供電的產(chǎn)品，強抗靜電強抗干擾，能夠工作于電力系統(tǒng)惡劣的電磁環(huán)境。無線收 發(fā)器9通過控制線連接到低功耗微處理器，選用了低成本的2. 4G頻段數(shù)據(jù)收發(fā)器A7105，該 芯片屬于高速數(shù)據(jù)收發(fā)器，傳輸速率非?？?，所以收發(fā)時間短耗電少。收發(fā)時功耗很低而且 在休眠模式下幾乎不耗電。為了降低功耗微處理器大部分時間處于休眠狀態(tài)，它利用內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器的多 通道同步采樣功能，按照一定間隔對電壓和電流進行同步采樣，低功耗微處理器中的嵌入 式軟件進行電壓電流綜合波形處理和分析得到線路運行的各種參數(shù)，并按照一定時間間隔 通過無線收發(fā)器把電壓電流相位差等參數(shù)發(fā)送到接收設(shè)備，采樣完畢以后再進入休眠狀 態(tài)。采用間隔采樣可以省電但是喪失了實時性。為了處理緊急突發(fā)事件，例如線路發(fā)生短 路和接地的情況。當(dāng)線路中電流發(fā)生突增的時候電流突增檢測點路會輸出電流突增信號到 低功耗微處理器的WAKEUP管腳，并觸發(fā)外部中斷立即喚醒低功耗微處理器，低功耗微處理 器立即啟動電壓和電流的同步采樣并進行分析，如果發(fā)生異常低功耗微處理器就通過無線 收發(fā)器發(fā)送報警信號到接收設(shè)備。低功耗微處理器內(nèi)部集成了溫度傳感器，可以隨時采集 溫度并對電壓電流值進行溫度補償和修正。本實用新型的電力無線數(shù)字傳感器，非接觸式參數(shù)測量，即直接懸掛在架空線或 電纜上，無需任何外部供電和布線，它可以實時采集電力輸電線路中的電壓，電流，相位差， 溫度等參數(shù)，并通過低功耗無線通信發(fā)送到接收設(shè)備。具有非常低的功耗并且通過感應(yīng)線 圈利用線路上的電流為本機供電同時也為備用的鋰電池充電?？蓮V泛應(yīng)用于智能化電網(wǎng)的 線路參數(shù)測量。線路狀態(tài)監(jiān)視，線路故障指示等多種場合。
權(quán)利要求一種電力無線數(shù)字傳感器，其特征在于，包括有低功耗微處理器(8)，通過采樣控制開關(guān)(2)連接到低功耗微處理器(8)的AD轉(zhuǎn)換器上進行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電壓感應(yīng)器電路(1)；與低功耗微處理器(8)的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測量感應(yīng)線圈電路(3)；通過電流突增檢測和充電電路(5)連接到低功耗微處理器(8)的充電及電流突增感應(yīng)線圈(4)，所述的電流突增檢測和充電電路(5)還通過儲能電容(6)連接鋰電池(7)；所述的低功耗微處理器(8)還連接有無線收發(fā)器(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電容式電壓感應(yīng) 器電路(1)，包括有電容式電壓感應(yīng)器(TPl)，所述的電容式電壓感應(yīng)器(TPl)通過插座接 入電路，經(jīng)過相串聯(lián)的兩個順態(tài)抑制二極管(D6、Dll)保護、相串聯(lián)的電阻(Rl)和電位器 (R6)調(diào)整以后，進入場效應(yīng)管(Q5)的柵極，并從場效應(yīng)管(Q5)的漏極進入低功耗微處理器(8)進行AD轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的采樣控制開關(guān)(2) 包括有第一三極管(Q6)、第一電阻(R3)和第二電阻(R4)，所述的低功耗微處理器(8)通過 第一電阻(R3)對第一三極管(Q6)進行開關(guān)控制，利用第一三極管(Q6)的導(dǎo)通和截止通過 第二電阻(R4)至場效應(yīng)管(Q5)的漏極來控制場效應(yīng)管(Q5)的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電流測量感應(yīng)線 圈電路(3)，包括有電流感應(yīng)線圈(L2)，所述的電流感應(yīng)線圈(L2)連接由第四電阻(R5)和 第三電阻(R7)組成分壓電路分壓后，再經(jīng)電容(C3)、順態(tài)抑制二極管(D9)和二極管(Dl) 進行濾波和保護以后輸出電流信號ADC_I至測試點(TP5)，所述的電流信號ADC_I信號連接 到低功耗微處理器(8)進行AD轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電流突增檢測和 充電電路(5)，包括有對構(gòu)成充電及電流突增感應(yīng)線圈⑷的電流突增感應(yīng)線圈(L)的電 流進行整流的由第一二極管(D3)、第二二極管(D13)、第一電容(C21)、第二電容(C22)和 第三電容(C23)構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號經(jīng)壓敏電阻(R23)進行限幅保護，再經(jīng) 限流電阻RlO和第三二極管(D16)進入由兩個儲能電容(C14、C27)和一個起過壓保護作 用的壓敏電阻(D8)相并聯(lián)而構(gòu)成的儲能電路(3)，再經(jīng)過單向保護二極管(D19)輸出充電 信號BATT為鋰電池(7)充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號同時通過第一穩(wěn)壓二極管 (D4)進行突增門限，經(jīng)過第四二極管(D7)鉗位和第四電容(C2)濾除干擾后進入由第五電 阻(R25)、第五電容(C24)和第六電阻(R30)組成的微分電路把電流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信 號，所述的窄脈沖信號經(jīng)過第二穩(wěn)壓二極管(D5)進行二次門限濾除交流分量和干擾信號， 最后經(jīng)過第二三極管(Q7)整形為方波輸出到WAKEUP，通過插座(TP4)連接到低功耗微處理 器⑶。
專利摘要一種電力無線數(shù)字傳感器，包括有低功耗微處理器，通過采樣控制開關(guān)連接到低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器上進行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電壓感應(yīng)器電路；與低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測量感應(yīng)線圈電路；通過電流突增檢測和充電電路連接到低功耗微處理器的充電及電流突增感應(yīng)線圈，所述的電流突增檢測和充電電路還通過儲能電容連接鋰電池；所述的低功耗微處理器還連接有無線收發(fā)器。本實用新型使用通用元器件，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，電壓測量采用非接觸式電容傳感器，安裝使用方便，電流測量采用電流感應(yīng)線圈。并采用電壓電流同步采樣技術(shù)，可以實時計算電壓和電流的相位差，用微處理器進行波形分析和計算，提高了測量精度。
文檔編號G01R19/25GK201681120SQ201020183940
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者付寶奎, 付寶龍, 翟鵬 申請人:天津賽思科技發(fā)展有限公司