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用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型是用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括配電變壓器本體(011)、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP（010），其中配電變壓器本體(011)、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP（010）依次串接。優(yōu)點：利用Wi-Fi與比較普及的智能手機或者平板電腦連接，通過在移動終端運行的自主開發(fā)的APP軟件來實現(xiàn)高級功能。具有一體化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)、低成本等特點。
【專利說明】用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及的是一種用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，即用于IOkV配電變壓器本體與交流采樣技術(shù)，直流模擬量采集技術(shù)，W1-Fi通信，熱釋電傳感器等電子電路技術(shù)。通過多個技術(shù)的集成應用，可以實現(xiàn)對變壓器基本參數(shù)的測量、分析、以及監(jiān)控，利用手持設備對實時和歷史數(shù)據(jù)進經(jīng)濟運行、防竊電分析等高級功能實現(xiàn)。屬于低壓電力中一次設備智能化【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的配電變壓器具有傳輸電能這一基礎功能，是配電網(wǎng)的重要組成部分，其特點是分布廣，數(shù)量多，總損耗大。有不少變壓器存在過載或者負載率低的問題，三相不平衡的現(xiàn)象也比較常見，這些問題影響到變壓器運行的安全和經(jīng)濟性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型提出的是一種用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其目的旨在采用數(shù)據(jù)采集傳感器技術(shù)的配電變壓器，記錄長期的變壓器運行參數(shù)(如:三相不平衡度，負載率，繞組溫度等等)，并在移動終端上繪制成歷史數(shù)據(jù)曲線。這些歷史數(shù)據(jù)為變壓器的經(jīng)濟運行和安全運行提供大量數(shù)據(jù)依據(jù)，APP軟件還能根據(jù)此類數(shù)據(jù)給出專家建議。維護人員可以根據(jù)相應的數(shù)據(jù)和專家建議采取措施(如調(diào)整三相負載，嚴重過載的變壓器更換容量更大的等)，增加變壓器運行的安全與經(jīng)濟性。
[0004]本實用新型的技術(shù)解決方案:用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:包括配電變壓器本體、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP，其中配電變壓器本體、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP依次串接；其中配電變壓器本體中的干變繞組溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路的干變繞組溫度信號輸入端，配電變壓器本體中的油變油溫信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路的油變油溫信號輸入端，配電變壓器本體中的鐵芯溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路的鐵芯溫度信號輸入端，配電變壓器本體中的第一低壓側(cè)三相電流接入智能組件中的交流采集電路的第一低壓側(cè)三相電流的輸入端，配電變壓器本體中的第二低壓側(cè)三相電流分別接入智能組件中的交流采集電路的第二低壓側(cè)三相電流的輸入端、組件電源電路的輸入端；智能組件中的W1-Fi通信單元電路的信號輸出端通過無線與操作人員平板/手機應用的APP信號輸入端相接。
[0005]本實用新型的優(yōu)點:利用W1-Fi與比較普及的智能手機或者平板電腦連接，通過在移動終端運行的自主開發(fā)的APP軟件來實現(xiàn)高級功能。該技術(shù)的優(yōu)點可以概括為以下幾點:一體化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)、低成本。
[0006]一體化:新型的智能配電變壓器由智能組件單元與傳統(tǒng)的配電變壓器構(gòu)成，并對配電變壓器殼體稍作改變，將智能組件、配電變壓器、低壓側(cè)電流互感器等組成部分一體化。電流互感器為電磁式穿心式，固定于變壓器低壓側(cè)出線端，干式變壓器的智能組件內(nèi)置于變壓器殼體內(nèi)，油浸式變壓器的智能組件外敷于變壓器殼體。一體化使智能配電變壓器現(xiàn)場安裝接線變得簡單，體積緊湊，電流互感器的安裝方式能有效地防竊電。
[0007]智能化:傳統(tǒng)的配電變壓器只具有傳輸電能這一基礎功能，而新型的配電變壓器在傳送電能的基礎上增加了眾多高級功能，主要體現(xiàn)在配變監(jiān)測，經(jīng)濟運行，防竊電，維修定位，互動化管理等方面，使操作人員能直接了解到變壓器的當前狀態(tài)，如繞組溫度、油溫、各項電流、甚至各次諧波分量等等。
[0008]物聯(lián)網(wǎng):如今智能手機已經(jīng)很普及，平板電腦應用也很廣泛，可以利用智能手機或者平板電腦等移動終端來與變壓器進行數(shù)據(jù)交互。這樣，只要有專用的APP軟件與賬戶，維護人員甚至能用自己的手機來訪問變壓器，并可以將數(shù)據(jù)通過GPRS/3G等方式傳送回遠端，方便快捷。同時，在手機或者平板上開發(fā)的APP，既豐富多彩，表現(xiàn)力強，又易于上手。
[0009]低成本:以極低的投入，實現(xiàn)了配電變壓器使用性的很大提升，該數(shù)據(jù)采集傳感技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是電壓、電流采集電路圖。
[0012]圖3是油溫采集電路圖。
[0013]圖4是組件電源電路圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，包括配電變壓器本體011、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP010，其中配電變壓器本體011、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP010依次串接；其中配電變壓器本體011中的干變繞組溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路001的干變繞組溫度信號輸入端，配電變壓器本體011中的油變油溫信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路001的油變油溫信號輸入端，配電變壓器本體011中的鐵芯溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路001的鐵芯溫度信號輸入端，配電變壓器本體011中的第一低壓側(cè)三相電流接入智能組件中的交流采集電路002的第一低壓側(cè)三相電流的輸入端，配電變壓器本體011中的第二低壓側(cè)三相電流分別接入智能組件中的交流采集電路002的第二低壓側(cè)三相電流的輸入端、組件電源電路003的輸入端；智能組件中的W1-Fi通信單元電路009的信號輸出端通過無線與操作人員平板/手機應用的APP010信號輸入端相接。
[0015]所述的智能組件其結(jié)構(gòu)包括狀態(tài)監(jiān)測電路001，交流采集電路002，組件電源電路003，人體感應傳感器電路004，數(shù)據(jù)存儲電路005，指示報警電路006，備用通信通道電路007，核心處理單元電路008，W1-Fi通信單元電路009 ;其中狀態(tài)監(jiān)測電路001的信號輸出端與核心處理單兀電路008的第一信號輸入端相接,核心處理單兀電路008的第二信號輸入端與人體感應傳感器電路004的信號輸出端相接,核心處理單兀電路008的信號輸出端與指不報警電路006的信號輸入端相接,核心處理單兀電路008的第一信號輸出/輸入端與交流采集電路002的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路008的第二信號輸出/輸入端與備用通信通道電路007的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路008的第三信號輸出/輸入端與數(shù)據(jù)存儲電路005的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路008的第四信號輸出/輸入端與W1-Fi通信單元電路009的信號輸入/輸出端對應相接。
[0016]所述的核心處理單元電路008作為中央處理單元，核心處理單元的主芯片為ATMEL公司的SAM4S8B。核心處理單元電路008通過SPI總線與交流采集電路002、數(shù)據(jù)存儲電路005、W1-Fi通信單元電路009進行數(shù)據(jù)通信。交流采集電路002使用計量芯片IDT90E36，電壓采樣采用電阻分壓方式，電流采樣采用差分取樣方式，數(shù)據(jù)存儲電路005采用的FLASH芯片為ATMEL的AT25DF321A，容量為4MB，W1-Fi通信單元電路009使用的W1-Fi模塊為上海慶科EMW3140。狀態(tài)監(jiān)測電路001，交流采集電路002采集數(shù)據(jù)，傳回核心處理單元電路008，按可調(diào)的時間間隔生成歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲電路005，狀態(tài)監(jiān)測電路001采用PT100熱電阻采集變壓器溫度數(shù)據(jù)，有異常時通過指示報警電路006的LED指示燈與蜂鳴器動作，對外指示告警。人體感應傳感器電路004，其芯片信號為LHI778，傳感器為BIS0001監(jiān)測到有人接近后反饋給核心處理單元電路008，核心處理單元電路008控制W1-Fi通信單元電路009設置成AP熱點，操作人員平板/手機應用的APP010連接上變壓器，進行數(shù)據(jù)交互。
[0017]所述的交流采集電路002中電流采樣采用高變比(630A/100mA)的電流互感器，電壓取樣電路采用電阻分壓取樣，用微型PT (2mA:2mA)隔離，使用計量芯片采集電壓、電流二次側(cè)信號，然后核心處理單元電路008中CPU通過SPI接口讀取計量芯片相關(guān)處理后數(shù)據(jù)。
[0018]所述的狀態(tài)監(jiān)測電路001同時采樣基準電壓與熱敏電阻分壓電壓，設計有電壓跟隨器電路，然后由核心處理單元電路008中CPU通過A/D接口采集對應電壓值。
[0019]所述的人體感應傳感器電路004是利用熱釋電紅外傳感器基本原理:人體輻射的紅外線中心波長為擴10um，而探測元件的波長靈敏度在0.2"20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變，在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7?10um,正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。
[0020]所述的核心處理單元電路008中CPU通過IIC接口采集人體感應傳感器電路004中變化狀態(tài)。
[0021]所述的W1-Fi通信單元電路009中W1-Fi模塊與智能手機或者平板電腦連接,從而實現(xiàn)一些重要數(shù)據(jù)的交換，而W1-Fi模塊與核心處理單元電路008中CPU通過SPI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。
[0022]所述的組件電源電路003使用線性電源變壓器與DC-DC芯片穩(wěn)壓的組合方式，實現(xiàn)向核心處理單元電路008中CPU提供3.3V供電。
[0023]如圖2所示，交流采集電路002:三相電壓采用直接從變壓器低壓側(cè)銅排打孔引線的方式取得，而三相電流信號通過高變比的電流互感器得到；電壓取樣電路采用電阻將電壓變成電流，在使用微型PT (2mA:2mA)，最終將交流電壓220V/50HZ信號，變化成交流電流lmA/50HZ信號，然后PT 二次側(cè)用電阻負載實現(xiàn)電流到電壓的變化，最終將電壓信號送入到計量芯片采集管腳處，電流采樣相似與電流采樣(如圖2所示);然后計量芯片處理采集的電壓和電流信號，再由核心處理單元電路008中MCU通過SPI總線交互計量芯片中的數(shù)據(jù)，比如:變壓器低壓側(cè)的三相電壓電流，有功無功功率，頻率，功率因數(shù)等實時交流模擬量數(shù)據(jù)與總電能示值、總電能量等電能量數(shù)據(jù)和三相不平衡度、諧波含有率、諧波分量、負載率等電能量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
[0024]如圖3所示，狀態(tài)監(jiān)測電路001:油變的油溫由組件采用電阻分壓方式測得；由核心處理單元電路008中MCU的A/D經(jīng)過負反饋放大電路直接采樣PT100電阻上的電壓值。
[0025]干變的三相繞組溫度通過采集干式變壓器配置的溫控器輸出的4_20mA直流模擬量信號得到。采用2個250歐姆的精密電阻并聯(lián)，作為取樣電阻，轉(zhuǎn)換為0.5V-2.5V的電壓信號，由核心處理單元電路008中MCU的A/D采集并計算出溫度值。
[0026]如圖4所示，組件電源電路003:組件電源電路003取電從變壓器低壓出線銅排上鉆孔引線。采用3個220:10的線性電源變壓器，得到額定IOV的交流電壓信號。交流電壓信號經(jīng)過橋式整流與電容儲能濾波，得到額定值IlV左右的直流電壓。采用DC-DC芯片對直流電壓進行降壓穩(wěn)壓處理，輸出3.3V的工作電壓，3.3V電壓的帶負載能力為800mA。
[0027]人體感應傳感器電路004:人體感應傳感器電路004來感應操作人員的到來，適時啟動W1-Fi AP熱點。
[0028]使用熱釋電傳感器，當人體進入到監(jiān)測區(qū)域時，傳感器接收到信號，從而反饋給單片機，單片機通過控制W1-Fi電源的方式啟動W1-Fi模塊。因為人體輻射的紅外線中心波長為擴10um，而探測元件的波長靈敏度在0.2?20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7?10um,正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。
[0029]因為變壓器安裝場合各異，其中干變因為處于室內(nèi)，傳感器不容易被干擾。油浸式變壓器由于處在室外(多為桿上)，需要設置好傳感器接收信號的區(qū)域，減少誤開次數(shù)。同時軟件根據(jù)開關(guān)次數(shù)，結(jié)合一定算法，來減少頻繁開關(guān)通信模塊電源。
[0030]數(shù)據(jù)存儲電路005:采用4MB DATA FLASH芯片，存儲3個月以上的各項歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史數(shù)據(jù)曲線，以供分析，通過SPI接口與主單片機通信。
[0031]指示報警電路006:智能組件箱體上留孔，通過導光柱連接LED燈。當組件的核心處理單元電路008檢測到各種預設的異常狀態(tài)時，通過IO電平的變換使相應的指示燈(如超溫、過載等)點亮，使維護人員直接能發(fā)現(xiàn)此臺變壓器異常。同時也設有運行、通訊等狀態(tài)指示燈，顯示組件的狀態(tài)。
[0032]備用通信通道電路007:組件留有備用通信通道，3.3V LVTTL電平，UART 口，也可以配合自制的轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)換成232、485等通信通道。該接口主要為出廠前校表，調(diào)試用，也可作為后備通道使用。
[0033]核心處理單元電路008:核心處理單元電路008作為智能組件的核心，控制處理各功能單元。其中主MCU選擇為ATMEL的M4核單片機，該單片機的最低要求包括256KB FLASH和32KB RAM，4個串口，3個SPI，需要支持IIC。其外圍配置有硬件看門狗芯片，時鐘芯片，使用超級電容做為時鐘芯片的后備電源，使其在掉電后仍能保持數(shù)周。
[0034]W1-Fi通信單元電路009 =W1-Fi通信單元電路009是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳感器技術(shù)的核心。W1-Fi通信單元電路009與核心處理單元電路008采用SPI總線連接，支持最高到48MHz的SPI時鐘。W1-Fi模塊工作時配置成SOFT AP模式，其工作電流約80mA。W1-Fi通信單元電路009與人體感應傳感器電路004配合使用，降低W1-Fi的功耗，延長W1-Fi模塊的壽命。
[0035]操作人員平板/手機應用的APP010:在WIN8/10S/android平臺的移動終端均能安裝相應的APP軟件，與智能配電變壓器進行數(shù)據(jù)交互。利用APP軟件，能召測實時數(shù)據(jù)，顯示3個月的歷史數(shù)據(jù)曲線，并有維修定位，經(jīng)濟運行分析，專家判斷，油變壽命估算等由APP軟件實現(xiàn)的高級功能。
[0036]如圖1所示，基本工作流程如下:
[0037]首先該采集傳感器通過狀態(tài)監(jiān)測電路001和交流采集電路002分別采集配電變壓器本體011上三相繞組溫度(干式變壓器)、或油溫(油變)和三相電壓、電流，然后由核心處理單元電路008進行相關(guān)邏輯運算，然后通過數(shù)據(jù)存儲電路005進行相關(guān)數(shù)據(jù)存儲、指示報警電路006進行相關(guān)狀態(tài)的顯示，接下來如果有操作人員平板/手機應用的APP010來連接采集傳感器，則核心處理單元電路008會通過W1-Fi通信單元電路009與操作人員平板/手機應用的APP010進行數(shù)據(jù)的交換，操作人員平板/手機應用的APP010得到相關(guān)數(shù)據(jù)就可以對配電變壓器本體011進行經(jīng)濟運行、防竊電分析等高級功能實現(xiàn)。
[0038]關(guān)于人體感應傳感器電路004主要用于感應操作人員的到來，適時啟動W1-Fi AP執(zhí)占。
[0039]關(guān)于組件電源電路003主要用于從配電變壓器本體011取電，為采集傳感器進行供電。
【權(quán)利要求】
1.用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:包括配電變壓器本體(011)、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP (010)，其中配電變壓器本體(011)、智能組件和操作人員平板/手機應用的APP (010)依次串接；其中配電變壓器本體(011)中的干變繞組溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路(001)的干變繞組溫度信號輸入端，配電變壓器本體(011)中的油變油溫信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路(001)的油變油溫信號輸入端，配電變壓器本體(011)中的鐵芯溫度信號輸出端接入智能組件中的狀態(tài)監(jiān)測電路(001)的鐵芯溫度信號輸入端，配電變壓器本體(011)中的第一低壓側(cè)三相電流接入智能組件中的交流采集電路(002)的第一低壓側(cè)三相電流的輸入端，配電變壓器本體(011)中的第二低壓側(cè)三相電流分別接入智能組件中的交流采集電路(002)的第二低壓側(cè)三相電流的輸入端、組件電源電路(003)的輸入端；智能組件中的W1-Fi通信單元電路(009)的信號輸出端通過無線與操作人員平板/手機應用的APP (010)信號輸入端相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的智能組件其結(jié)構(gòu)包括狀態(tài)監(jiān)測電路(001)，交流采集電路(002)，組件電源電路(003)，人體感應傳感器電路(004)，數(shù)據(jù)存儲電路(005)，指示報警電路(006)，備用通信通道電路(007)，核心處理單元電路(008)，W1-Fi通信單元電路(009);其中狀態(tài)監(jiān)測電路(001)的信號輸出端與核心處理單兀電路(008)的第一信號輸入端相接，核心處理單兀電路(008)的第二信號輸入端與人體感應傳感器電路(004)的信號輸出端相接，核心處理單兀電路(008)的信號輸出端與指示報警電路(006)的信號輸入端相接，核心處理單元電路(008)的第一信號輸出/輸入端與交流 米集電路(002)的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路(008)的第二信號輸出/輸入端與備用通信通道電路(007)的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路(008 )的第三信號輸出/輸入端與數(shù)據(jù)存儲電路(005 )的信號輸入/輸出端對應相接，核心處理單元電路(008)的第四信號輸出/輸入端與W1-Fi通信單元電路(009)的信號輸入/輸出端對應相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的核心處理單元電路(008)作為中央處理單元，通過SPI總線與交流采集電路(002)、數(shù)據(jù)存儲電路(005 )、W1-Fi通信單元電路(009 )進行數(shù)據(jù)通信，狀態(tài)監(jiān)測電路(001)，交流采集電路(002)采集數(shù)據(jù)，傳回核心處理單元電路(008)，按可調(diào)的時間間隔生成歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲電路(005)，有異常時通過指示報警電路(006)，對外指示告警，人體感應傳感器電路(004 )監(jiān)測到有人接近后反饋給核心處理單元電路(008 )，核心處理單元電路(008 )控制W1-Fi通信單元電路(009)設置成AP熱點，操作人員平板/手機應用的APP (010)連接上變壓器，進行數(shù)據(jù)交互。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的交流采集電路(002)中電流采樣采用高變比(630A/100mA)的電流互感器，電壓取樣電路采用電阻分壓取樣，用微型PT (2mA:2mA)隔離，使用計量芯片采集電壓、電流二次側(cè)信號，然后核心處理單元電路(008)中CPU通過SPI接口讀取計量芯片相關(guān)處理后數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的狀態(tài)監(jiān)測電路(001)同時采樣基準電壓與熱敏電阻分壓電壓，設計有電壓跟隨器電路，然后由核心處理單元電路(008)中CPU通過A/D接口采集對應電壓值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的核心處理單元電路(008)中CPU通過IIC接口采集人體感應傳感器電路(004)中變化狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的的W1-Fi通信單元電路(009)中W1-Fi模塊與智能手機或者平板電腦連接，從而實現(xiàn)一些重要數(shù)據(jù)的交換，而W1-Fi模塊與核心處理單元電路(008)中CPU通過SPI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于智能變壓器的數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述的組件電源電路(003)使用線性電源變壓器與DC-DC芯片穩(wěn)壓的組合方式，實現(xiàn)向核心處理單元電路(008 )中CPU提`供3.3V供電。
【文檔編號】G01K7/18GK203405518SQ201320496286
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】李庚清, 嚴揚, 張悠悠 申請人:南京新聯(lián)電子股份有限公司