低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置及其检测方法与流程

本发明具体涉及一种低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置及其检测方法。

背景技术：

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证电能的安全可靠供应，就成为了电力系统的最重要的目标之一。

同时，为了保证电网的安全可靠运行，要求准确掌握每个用户的相别等信息。同时，线损和三相不平衡度也是电网安全可靠运行的重要考核指标，也需要实时的掌握数据。

目前，准确获得每个用户的相别信息在现场的实施过程中比较困难，主要原因有：台区的档案资料不准确，有些线路改造后，营销系统中的档案信息没有及时订正；电力线路图纸存档年代久远造成用户所属馈线混淆；现有保留客户计量装置的资料、接户线的路径等不全面的现象非常常见。同时，在实际运行中，不平衡度和线损实时计算功能，都是用电力载波信号阀与脉冲电流法识别相位的。但这些方法会因为地埋电缆相互交叉、负载过重等原因造成信号衰减、干扰的情况，导致检测不精确。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、准确性好且成本低廉的低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置的检测方法。

本发明提供的这种低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置，包括主机和从机；主机安装在用户侧，用于实时采集用户侧所安装相线的单相电流信号，并发送给从机；从机安装在台区变压器低压侧，用于实时采集台区的三相电流信号，并根据采集的台区三相电流信号和接收的主机上传的单相电流信号，判断主机所安装的相线。

所述的主机包括主机电源模块、主机电流采集模块、主机控制器模块和主机通信模块；主机电流采集模块和主机通信模块均与主机控制器模块连接；主机电源模块用于给主机供电；主机电流采集模块用于采集主机所安装相线的单相电流信号并上传主机控制器模块；主机通信模块用于与从机和外部设备进行通信；主机控制器模块用于控制主机工作。

所述的主机还包括主机温度测量模块；主机温度测量模块与主机控制器模块连接，用于测量主机所处的环境温度信息并上传主机控制器模块。

所述的主机温度测量模块为由型号为lm75a的温度传感器构成的模块。

所述的主机还包括主机存储模块；主机存储模块与主机控制器模块连接，用于存储主机的工作数据。

所述的主机存储模块为sd卡存储模块。

所述的主机控制器模块为由型号为stm32x103vct7的控制器芯片构成的模块。

主机电源模块包括主机电池、主机5v模拟电源电路、主机3.3v数字电源电路和主机5v数字电源电路；主机电池的输出端直接并接主机5v模拟电源电路和主机5v数字电源电路；主机5v模拟电源电路的输出端串接主机3.3v数字电源电源；主机电池为主机电源模块提供供电电能；主机5v模拟电源电路为主机提供模拟电路的+5v电源；主机5v数字电源电路为主机提供数字电路的+5电源；主机3.3v数字电源电路用于给主机提供数字电路的+3.3v电源。

所述的主机通信模块包括主机rs232通信电路和主机无线通信电路；主机rs232通信电路和主机无线通信电路均与主机控制器模块连接。

所述的主机无线通信电路为由型号为as13b-ttl的通信模组构成的电路。

所述的从机包括从机电源模块、从机电流采样模块、从机控制器模块和从机通信模块；从机电流采样模块和从机通信模块均与从机控制器模块连接；从机电源模块给从机供电；从机电流采样模块用于检测从机安装位置的三相电流信号并上传从机控制器模块；从机通信模块用于与主机和外部设备进行通信；从机控制器模块用于控制从机工作。

所述的从机还包括从机存储模块；从机存储模块与从机控制器模块连接，用于存储从机的工作数据。

所述的从机存储模块为sd卡存储模块。

所述的从机控制器模块为由型号为stm32x103vct7的控制器芯片构成的模块。

所述的从机电源模块包括从机220v滤波电路、从机整流电路和从机3.3v数字电源电路；从机220v滤波电路、从机整流电路和从机3.3v数字电源电路依次串联；从机220v滤波电路用于滤除电网杂波；从机整流电路用于将外部提供的220v交流电能转换为低压直流电能；从机3.3v数字电源电路用于将低压直流电能转换为数字电路的3.3v电源。

所述的从机通信模块包括从机rs232通信电路和从机无线通信电路；从机rs232通信电路和从机无线通信电路均与从机控制器模块连接。

所述的从机无线通信电路为由型号为as13b-ttl的通信模组构成的电路。

本发明还提供了一种所述低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置的检测方法，包括如下步骤：

s1.主机和从机进行时间同步；

s2.从机采集所安装位置的三相电流信号；主机采集所安装相线的电流信号，并上传从机；

s3.从机将主机所安装相线的电流相位与从机检测的三相电流的各相电流相位进行比较，从而确定主机所安装的相线；

s4.从机计算三相电流的不平衡度；

s5.从机根据步骤s4计算得到的三相电流的不平衡度，计算线损值。

所述的从机将主机所安装相线的电流相位与从机检测的三相电流的各相电流相位进行比较，从而确定主机所安装的相线，具体为若主机所安装相线的电流相位，与从机所检测的x相电流的相位差小于5°，则认定主机所安装的相线即为x相；x相为a相、b相或者c相。

所述的从机计算三相电流的不平衡度，具体为采用如下算式计算三相电流的不平衡度：

式中βa为a相电流不平衡度，ia为a相电流，iav为三相电流的均方根值的平均值，βb为b相电流不平衡度，ib为b相电流，βc为c相电流不平衡度，ic为c相电流。

所述的从机根据步骤s4计算得到的三相电流的不平衡度，计算线损值，具体为采用如下算式计算线损值：

式中punb为线损值，βa为a相电流不平衡度，βb为b相电流不平衡度，βc为c相电流不平衡度，iav为三相电流的均方根值的平均值，rel为等值电阻值。

本发明提供的这种低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置及其检测方法，通过主机和从机分别检测的电流相位值并进行比较，可以准确确定台区变压器的低压侧检测端(主机)所属的相线，而且本发明方法能够准确计算三相电流的不平衡度和线损值。因此，本发明的可靠性高、准确性好且成本低廉。

附图说明

图1为本发明的装置的功能模块图。

图2为本发明的主机电流采集模块的电路原理示意图。

图3为本发明的主机电源模块的电路原理示意图。

图4为本发明的主机存储模块的电路原理示意图。

图5为本发明的主机通信模块的电路原理示意图。

图6为本发明的主机温度测量模块的电路原理示意图。

图7为本发明的主机控制器模块的电路原理示意图。

图8为本发明的从机电源模块的电路原理示意图。

图9为本发明的从机存储模块的电路原理示意图。

图10为本发明的从机通信模块的电路原理示意图。

图11为本发明的从机控制器模块的电路原理示意图。

图12为本发明的检测方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的装置的功能模块图：本发明提供的这种低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置，包括主机和从机；主机安装在用户侧，用于实时采集用户侧所安装相线的单相电流信号，并发送给从机；从机安装在台区变压器低压侧，用于实时采集台区的三相电流信号，并根据采集的台区三相电流信号和接收的主机上传的单相电流信号，判断主机所安装的相线。

在具体实施时，从机可以直接安装在台区的变压器低压侧；主机可以制成手持式设备，从而使得主机能够随时移动，并且能够灵活的在现场确认某相线具体为a相、b相或c相。

主机包括主机电源模块、主机电流采集模块、主机控制器模块、主机通信模块、主机温度测量模块和主机存储模块；主机电流采集模块、主机温度测量模块、主机存储模块和主机通信模块均与主机控制器模块连接；主机电源模块用于给主机供电；主机电流采集模块用于采集主机所安装相线的电流信号并上传主机控制器模块；主机通信模块用于与从机和外部设备进行通信；主机控制器模块用于控制主机工作；主机温度测量模块与主机控制器模块连接，用于测量主机所处的环境温度信息并上传主机控制器模块；主机存储模块与主机控制器模块连接，用于存储主机的工作数据。

从机包括从机电源模块、从机电流采样模块、从机控制器模块、从机存储模块和从机通信模块；从机电流采样模块、从机存储模块和从机通信模块均与从机控制器模块连接；从机电源模块给从机供电；从机电流采样模块用于检测从机安装位置的三相电流信号并上传从机控制器模块；从机通信模块用于与主机和外部设备进行通信；从机控制器模块用于控制从机工作；从机存储模块与从机控制器模块连接，用于存储从机的工作数据。

如图2所示为本发明的主机电流采集模块的电路原理示意图：从机由于需要采样三相线的电流信号，所以从机包括三路如图2所示的电流采集电路；主机仅需要采样所挂接相线的电流信号，所以主机只需要包括一路如图2所示的电流采集电路。

图中，itu为电流互感器，电流互感器连接在所检测的相线上，用于将大电流转换为电压信号后，通过3脚和4脚输出；输出的信号通过tvs管t2进行保护后，再通过分压电阻rj6和rj7进行精准分压和电压采样后，再次通过tvs管t4进行保护，然后通过电阻r50、r51和电容c38滤波和抬升电压，然后通过运放u7a构成的电压跟随器进行电压隔离和跟随，然后输出的信号在通过电阻r48进行限流，再通过rc滤波电路r47和c39进行滤波后，再通过由运放u7b构成的二阶低通滤波器滤波，然后输出的信号分为两路：一路通过运放u5a进行放大，从而得到一路采样信号ad-u；然后，该路采样信号再与控制器输出的da-u信号通过比较器u6a，得到信号trig-u信号，用来判断基准相位的过零时刻，得出基准信号的相位信息；第二路信号通过运放u5b进行放大,其中r53两端并联ad5271数字可变电阻，起到改变放大倍数的作用。经放大得到第二路采样信号ad-i；然后该路采样信号再通过比较器与控制器输出的da-i信号比较，从而得到信号trig-i信号并输入到控制器模块，同样可以用来判断基准相位的过零时刻，得出基准信号的相位信息，第二路采样电路可改变放大部分的放大倍数，用来采集更大的电流信号。

如图3所示为本发明的主机电源模块的电路原理示意图：主机电源模块包括主机电池、主机5v模拟电源电路、主机3.3v数字电源电路和主机5v数字电源电路；主机电池的输出端直接并接主机5v模拟电源电路和主机5v数字电源电路；主机5v模拟电源电路的输出端串接主机3.3v数字电源电源；主机电池为主机电源模块提供供电电能；主机5v模拟电源电路为主机提供模拟电路的+5v电源；主机5v数字电源电路为主机提供数字电路的+5电源；主机3.3v数字电源电路用于给主机提供数字电路的+3.3v电源。

其中，主机电池的两端连接tp1和tp2，从而输入电池电能；输入的电能通过保险jk1进行保护后，再通过二极管d11进行单向保护，然后通过电容vsr1、cin3和cin2进行滤波，然后再通过电感l5进行滤波后，通过tvs管tvs1进行保护；保护后的信号，通过采样电阻r10和r14进行采样后，输入到控制器模块，从而保证控制器模块能够实时监控电池的电能状态；同时，保护后的信号，通过启动开关s1进行启动，然后输入到主机5v模拟电源电路的输入端。

主机5v模拟电源电路主要包括电源芯片u11(型号为lm2940-5.0v)以及对应的一系列滤波电容(c1d、c2d、c3d和c4d)；输入的信号通过电容c1d和c2d滤波后，输入到电源芯片u11的1脚，芯片的2脚和4脚直接接地，芯片的3脚作为输出引脚直接输出5v电源，并作为模拟电路的5v电源信号，同时也通过电容c3d和c4d滤波。

同时，主机5v模拟电源电路的输出端a5v，再连接到主机3.3v数字电源电路；主机3.3v数字电源电路包括电源芯片u10(型号为lm1117mpx-3.31)和一系列滤波电容(c52、c50、c51和c53)；5v电源信号通过电容c52和c50滤波后，输入到电源芯片u10的3脚，芯片的1脚直接接地，芯片的2脚则作为输出引脚输出3.3v电源，并作为数字3.3v电源信号；同时，该电源信号也通过电容c51和c53接地滤波。

同样，在启动开关s1后分出一路信号+vin2；该路信号通过一路开关(图中未示出)连接到主机5v数字电源电路的输入端(+vin3)；通过对开关的控制，控制器模块能够控制5v数字电源的供给；主机5v数字电源电路包括电源芯片u12(型号为lm2940-5.0v)以及对应的一系列滤波电容(c1a、c2a、c3a和c4a)；电源信号+vin3通过电容c1a和c2a滤波后，输入到电源芯片的1脚，芯片的2脚和4脚直接接地，芯片的3脚则输出数字电源信号+5v；同时也通过电容c3a和c4a接地滤波。

如图4所示为本发明的主机存储模块的电路原理示意图：主机存储模块为sd卡存储模块；其中sd卡的9脚连接控制器模块输出的sdio-d2信号；sd卡的1脚直接连接控制器模块输出的sdio-d3信号；sd卡的2脚直接连接控制器模块输出的sdio-cmd信号并获取指令；sd卡的3脚、6脚直接接地；sd卡的4脚直接连接电源信号3.3v；sd卡的5脚直接连接控制器模块输出的sdio-ck信号并获取时钟信号；sd卡的7脚直接连接控制器模块输出的sdio-do信号；sd卡的8脚直接连接控制器模块输出的sdio-d1信号。同时，sd卡的1脚、2脚、7脚、8脚和9脚均通过各自的上拉电阻连接3.3v电源信号，从而保证该5个引脚的电平稳定性。

如图5所示为本发明的主机通信模块的电路原理示意图：主机通信模块包括主机rs232通信电路和主机无线通信电路；主机rs232通信电路和主机无线通信电路均与主机控制器模块连接。

图中上部为无线通信模块；无线通信模块的型号为ttl-433(as13b-ttl)，模块的1脚连接控制器模块；模块的2脚和3脚作为通信引脚连接控制器模块的第二通信引脚uart2_tx和uart2_rx；模块的4脚连接控制器模块；模块的5脚连接电源信号3.3v；模块的6脚直接接地；同时，模块的2脚和3脚连接到开关芯片k5；开关芯片k5用于选择通信模块为无线通信或rs232通信。

图中的下部为rs232通信的接口；控制器模块与外部设备的rs232通信口直接连接即可通信；图中的j1为标准接口，用于通用性通信接口。接口的1脚直接接+5v电源信号，6脚直接接地；2脚和3脚则作为引脚连接uart2_tx-2和uart2_rx-2；接口的8脚、4脚和9脚则连接控制器模块并获取控制信号。

当需要rs232通信时，控制芯片k5接通，此时uart2_tx-2和uart2_rx-2引脚通过k5直接控制器模块的uart2_tx和uart2_rx引脚；否则，k5断开，控制器模块默认以无线的方式进行通信。

如图6所示所示为本发明的主机温度测量模块的电路原理示意图：主机温度测量模块为由型号为lm75a的温度传感器构成的模块。传感器的1脚和2脚作为信号输出引脚，以总线的方式输出温度测量信号，并连接到控制器模块的通信引脚；同时该两根通信引脚也通过各自的上拉电阻连接3.3v电源，从而保证引脚电平的稳定性；传感器的3脚空闲；4脚直接接地；5脚、6脚和7脚短接后，通过电容c11连接电源信号3.3v；8脚则作为电源引脚连接3.3v电源信号。

如图7所示为本发明的主机控制器模块的电路原理示意图：主机控制器模块为由型号为stm32x103vct7的控制器芯片构成的模块。图中包括两个晶振电路；其中c2、c3、y1和r1构成第一晶振电路，其输出第一晶振信号osc_in和osc_out并输入到控制器芯片的12脚和13脚；c4、c5和y2构成第二晶振电路，其输出第二晶振信号osc32_in和osc32_out并输入到控制器芯片的8脚和9脚；k1为复位开关，一端通过上拉电阻r3连接电源信号3.3v，通过按下复位开关k1，能够输出复位信号nrst，并输入到控制器芯片的复位引脚14脚。芯片的25脚和26脚为通信引脚并连接信号uart2_tx和uart2_rx，并连接远程通信模块wx1的2脚和3脚；芯片的29脚和30脚输出基准比较信号da-u和da-i，并连接到电流采样模块；同时芯片的31脚和32脚连接电流采样模块比较器输出的基准相位判别信号trig-u和trig-i；芯片的72脚、76脚、77脚、89脚和90脚连接到jtag调试接口，从而进行控制器芯片的程序调试；芯片的20脚连接电源信号vref-，21脚连接电源信号vref+，同时20脚和21脚之间连接后滤波电容c8和c10，同时vref+和电源信号vdda之间串接有电感l3；芯片的6脚连接电池bt1并获取3.3v电源信号；芯片的50脚、75脚、100脚、28脚和11脚均连接3.3v电源信号，同时各引脚之间也通过电容(c13、c14、c12、c15、c16和c17)接地滤波；芯片的49脚、74脚、99脚、27脚和10脚直接接地；芯片的55脚和56脚连接温度传感器并获取环境温度信息；芯片的83脚、80脚、79脚、78脚、66脚和65脚则连接存储模块并进行数据交互，从而存储或读取数据；芯片的15脚、16脚、17脚和18脚则连接电流采样模块并获取采样信号。

如图8所示为本发明的从机电源模块的电路原理示意图：从机电源模块包括从机220v滤波电路、从机整流电路和从机3.3v数字电源电路；从机220v滤波电路、从机整流电路和从机3.3v数字电源电路依次串联；从机220v滤波电路用于滤除电网杂波；从机整流电路用于将外部提供的220v交流电能转换为低压直流电能；从机3.3v数字电源电路用于将低压直流电能转换为数字电路的3.3v电源。

从机模块的电源为外部输入的220v交流电能；220v交流电的火线l通过保险f1和开关s1连接到滤波器ac_gl的2脚，220v交流电的零线n直接连接滤波器ac_gl的3脚；滤波器ac_gl的型号为fc-lx1d，用于滤除交流电能中的杂波信号；滤波器的1脚直接接地，滤波器的输出端4脚和5脚输出的信号，再连接到整流模块ac-dc的2脚和3脚，整流模块的1脚直接接地，整流模块的型号为lh10-10d0524；整流模块的输出端4脚和5脚输出+5v电能(其中+vin1为电源正极，-vin1为电源负极)，同时整流模块的输出端还输出24v直流信号(图中标示a24v和24vgnd)；电源信号+vin1还通过电容cin3滤波，以及通过tvs管tvs1进行保护后，输出最终的模拟5v电源信号a5v；而a5v信号连接从机3.3v数字电源电路；从机3.3v数字电源电路包括滤波电容c50、c52、c51和c53，以及电源芯片u10；5v电源信号通过电容c50和c52滤波后输入到电源芯片u10(图中标示lm1117mpx-3.3)的3脚，电源芯片的2脚则输出3.3v电源信号，同时通过电容c51和c53接地滤波。

如图9所示为本发明的从机存储模块的电路原理示意图：从机存储模块也为sd卡存储模块，其电路图与主机sd存储模块几乎相同。其中sd卡的9脚连接控制器模块输出的sdio-d2信号；sd卡的1脚直接连接控制器模块输出的sdio-d3信号；sd卡的2脚直接连接控制器模块输出的sdio-cmd信号并获取指令；sd卡的3脚、6脚直接接地；sd卡的4脚直接连接电源信号3.3v；sd卡的5脚直接连接控制器模块输出的sdio-ck信号并获取时钟信号；sd卡的7脚直接连接控制器模块输出的sdio-do信号；sd卡的8脚直接连接控制器模块输出的sdio-d1信号。同时，sd卡的1脚、2脚、7脚、8脚和9脚均通过各自的上拉电阻连接3.3v电源信号，从而保证该5个引脚的电平稳定性。

如图10所示为本发明的从机通信模块的电路原理示意图：由于主机与从机需要进行通信，而且通信时的通信方式和协议等必须一一对应，因此从机通信模块也包括从机rs232通信电路和从机无线通信电路；从机rs232通信电路和从机无线通信电路均与从机控制器模块连接；而且从机通信模块的电路原理图与主机通信模块的电路原理图也相同。

图中上部为无线通信模块；无线通信模块的型号为ttl-433(as13b-ttl)，模块的1脚连接控制器模块；模块的2脚和3脚作为通信引脚连接控制器模块的第二通信引脚uart2_tx和uart2_rx；模块的4脚连接控制器模块；模块的5脚连接电源信号3.3v；模块的6脚直接接地；同时，模块的2脚和3脚连接到开关芯片k5；开关芯片k5用于选择通信模块为无线通信或rs232通信。

图中的下部为rs232通信的接口；控制器模块与外部设备的rs232通信口直接连接即可通信；图中的j1为标准接口，用于通用性通信接口。接口的1脚直接接+5v电源信号，6脚直接接地；2脚和3脚则作为引脚连接uart2_tx-2和uart2_rx-2；接口的8脚、4脚和9脚则连接控制器模块并获取控制信号。

当需要rs232通信时，控制芯片k5接通，此时uart2_tx-2和uart2_rx-2引脚通过k5直接控制器模块的uart2_tx和uart2_rx引脚；否则，k5断开，控制器模块默认以无线的方式进行通信。

如图11所示为本发明的从机控制器模块的电路原理示意图：从机控制器模块为由型号为stm32x103vct7的控制器芯片构成的模块。图中包括两个晶振电路；其中c2、c3、y1和r1构成第一晶振电路，其输出第一晶振信号osc_in和osc_out并输入到控制器芯片的12脚和13脚；c4、c5和y2构成第二晶振电路，其输出第二晶振信号osc32_in和osc32_out并输入到控制器芯片的8脚和9脚；k1为复位开关，一端通过上拉电阻r3连接电源信号3.3v，通过按下复位开关k1，能够输出复位信号nrst，并输入到控制器芯片的复位引脚14脚。芯片的25脚和26脚为通信引脚并连接信号uart2_tx和uart2_rx，并连接远程通信模块wx1的2脚和3脚；芯片的72脚、76脚、77脚、89脚和90脚连接到jtag调试接口，从而进行控制器芯片的程序调试；芯片的20脚连接电源信号vref-，21脚连接电源信号vref+，同时20脚和21脚之间连接后滤波电容c8和c10，同时vref+和电源信号vdda之间串接有电感l3；芯片的6脚连接电池bt1并获取3.3v电源信号；芯片的50脚、75脚、100脚、28脚和11脚均连接3.3v电源信号，同时各引脚之间也通过电容(c13、c14、c12、c15、c16和c17)接地滤波；芯片的49脚、74脚、99脚、27脚和10脚直接接地；芯片的83脚、80脚、79脚、78脚、66脚和65脚则连接存储模块并进行数据交互，从而存储或读取数据；芯片的15脚、16脚和17脚则连接电流采样模块并获取所采集的三相电流的采样信号ad-ia、ad-ib和ad-ic。

如图12所示为本发明的检测方法的方法流程示意图：本发明提供的这种低压三相负荷不平衡台区的相线检测装置的检测方法，包括如下步骤：

s1.主机和从机进行时间同步；

s2.从机采集所安装的台区的三相电流信号；主机采集所安装相线的电流信号，并上传从机；

s3.从机将主机所安装相线的电流相位与从机检测的三相电流的各相电流相位进行比较，从而确定主机所安装的相线；具体为若主机所安装相线的电流相位，与从机所检测的x相电流的相位差小于5°，则认定从机所安装的相线即为x相；x相为a相、b相或者c相；

s4.从机计算三相电流的不平衡度；体为采用如下算式计算三相电流的不平衡度：

式中βa为a相电流不平衡度，ia为a相电流，iav为三相电流的均方根值的平均值，βb为b相电流不平衡度，ib为b相电流，βc为c相电流不平衡度，ic为c相电流；

s5.从机根据步骤s4计算得到的三相电流的不平衡度，计算线损值；具体为采用如下算式计算线损值：

式中punb为线损值，βa为a相电流不平衡度，βb为b相电流不平衡度，βc为c相电流不平衡度，iav为三相电流的均方根值的平均值，rel为等值电阻值。

计算线损的目的，是为了能够掌握电网三相的不平衡情况，从而调整用户所连接的相线。