非侵入式负荷功率采集装置的制作方法

本实用新型属于电力系统自动化技术领域，具体地说，涉及一种非侵入式负荷功率采集装置。

背景技术：

电能是现代生产生活中应用最广泛、最重要的能源之一。在电能计量方面，传统的“一户一表”方式是由电力部门抄取电能表并给出当月耗电度数，其弊端在于用户无法获知具体某用电器在某时间段内的耗电情况。可以说，用户对负荷集的动态实时运行信息的掌握还相当匮乏。为解决此问题，传统的侵入式监测方式在每个待测负荷上加装功率测量硬件，“一对一”地监测负荷运行信息。缺点是需要破坏负荷原有的供电电路，在安装、维护上将耗费大量的人力物力。随着互联网技术和人工智能的发展，人们对电力系统提出了远程监控、故障监测、节能优化等新的要求。

技术实现要素：

针对传统的侵入式电能监测技术存在的弊端，本实用新型提出了一种非侵入式负荷功率采集装置。

本实用新型非侵入式负荷功率采集装置，包括电源管理单元、功率计量单元、光耦隔离单元、数字脉冲信号计数单元和微控制器；所述电源管理单元用来给所述功率计量单元、所述光耦隔离单元、所述数字脉冲信号计数单元、所述微控制器提供所需电能；所述功率计量单元、所述光耦隔离单元、所述数字脉冲信号计数单元、所述微控制器顺次相连。

本实用新型中，功率计量单元与接入电力供给入口端的电力负荷连接，用来采集表征电力负荷的电压有效值、电流有效值以及有功功率的高频脉冲信号，并输出至光耦隔离单元；光耦隔离单元用来将高频脉冲信号转换为数字高频脉冲信号并与交流电隔离，隔离后的数字高频脉冲信号输出至数字脉冲信号计数单元；数字脉冲信号计数单元用来对数字高频脉冲信号中上升沿个数进行计数，并将计数值输出至微控制器；微控制器根据植入的算法计算电力负荷的功率数据。

作为优选，本实用新型非侵入式负荷功率采集装置还包括无线通信单元，所述无线通信单元连接所述微控制器，用来上传功率数据。

作为优选，本实用新型非侵入式负荷功率采集装置还包括继电器，所述电源管理单元通过所述继电器连接所述微控制器。

作为优选，所述电源管理单元包括自激式隔离开关电源和非隔离式AC-DC电源，所述自激式隔离开关电源用来给所述光耦隔离单元、所述数字脉冲信号计数单元和所述微控制器，所述非隔离式AC-DC电源用来给所述功率计量单元供电。这样可对强电区域和弱电区域进行电气隔离，增加安全性。

作为一种具体实施方式，所述功率计量单元为HLW8012功率计量芯片。

作为一种具体实施方式，所述光耦隔离单元为HCPL-0630双通道光耦芯片。

作为优选，所述数字脉冲信号计数单元包括标准信号发生器、闸门信号发生器、D触发器、标准信号计数器和待测信号计数器；所述D触发器与所述标准信号计数器、所述待测信号计数器均相连；所述标准信号发生器连接所述标准信号计数器；所述闸门信号发生器连接所述D触发器；所述光耦隔离单元的输出连接所述D触发器和所述待测信号计数器。

作为一种具体实施方式，所述无线通信单元为Wi-Fi芯片。进一步的，所述Wi-Fi芯片为ESP8266Wi-Fi芯片。

本实用新型从工程应用的角度出发，设计了一种以非侵入方式采集电力负荷功率的装置。和传统的侵入式电能监测技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)以非侵入方式采集电力负荷的功率数据，可明显减少安装和维护的工作量。

(2)借助无线通信单元(例如Wi-Fi芯片)，可实时上传所采集的功率数据。

(3)结构简单，体积小，可靠性高，并对强电区域和弱电区域进行电气隔离，增加了装置的安全性。

(4)所采集的功率数据可用于指导用户合理规划用电，实现节能减排；及时排除故障，保障人身安全，减少财产损失，是智能电网发展的必然趋势。

附图说明

图1为实施例中非侵入式负荷功率采集装置的结构示意图；

图2是实施例中自激式隔离开关电源的电路图；

图3是实施例中非隔离式AC-DC电源的电路图；

图4是实施例中功率计量单元的电路图；

图5是实施例中光耦隔离单元的电路图；

图6是实施例中数字脉冲信号计数单元的电路图；

图7是实施例中无线通信单元的电路图；

图8是实施例中继电器的电路连接图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

见图1，本实用新型非侵入式负荷功率采集装置，布设于各电力供给入口端，作为采集端，用来采集电力负荷的功率数据。该非侵入式负荷功率采集装置包括电源管理单元、功率计量单元、光耦隔离单元、数字脉冲信号计数单元、微控制器、无线通信单元和继电器。所述电源管理单元用来提供电能；所述功率计量单元、所述光耦隔离单元、所述数字脉冲信号计数单元、所述微控制器、所述无线通信单元顺次相连，所述电源管理单元通过所述继电器连接所述微控制器，通过控制继电器的通或断，即可控制电源管理单元的开启或关闭。

本实施例中，所述电源管理单元包括自激式隔离开关电源和非隔离式AC-DC电源，所述自激式隔离开关电源用于给所述光耦隔离单元、所述数字脉冲信号计数单元、所述微控制器、所述继电器和所述无线通信单元供电；所述非隔离式AC-DC电源用于给所述功率计量单元供电。

图2所示为本实施例所采用的自激式隔离开关电源的电路图，其中，单相工频市电经半波整流后加到三极管Q₂上，Q₂起到开关的作用。当Q₂微导通时，变压器初级绕组L₁和L₂将产生相反方向的感应电动势；当Q₂处于饱和状态时，L₁中电流近似线性增加，L₂中产生的稳定电动势给电容C₂充电；当Q₂处于截止状态时，L₁和L₂中的感应电动势极性反转，最终形成自激振荡。在副级电路中，通过二极管D₂和电解电容C₄进行稳压滤波。

图3所示为本实施例所采用的非隔离式AC-DC电源的电路图，该非隔离式AC-DC电源可提供5V的电压和200mA的最大电流。其中，MP150是一款原边整流器，可实现精确的恒压调节功能。单相工频市电经整流、滤波和稳压后获得5V压差，由于模拟地与零线N相连，所以该5V压差随交流零线浮动。弱电区通过自激式隔离开关电源供电，强电区通过非隔离式AC-DC电源供电，避免了220V交流电窜入弱电区，增加系统的可靠性。

所述功率计量单元与接入电力供给入口端的电力负荷连接，用来采样电力负荷的工作电压和工作电流，从而获得电力负荷的损耗电功率，并将损耗电功率转换为随交流电浮动的高频脉冲信号。更具体地，所述功率计量单元通过在负荷回路中串联阻值为毫欧级的康铜电阻采样电力负荷的工作电流，通过电阻分压网络采样电力负荷的工作电压。本实施例中，所述功率计量单元采用HLW8012功率计量芯片，输出的高频脉冲信号传输至所述光耦隔离单元。

图4所示为HLW8012功率计量芯片的电路图，其中，L_Relay为经过继电器的火线，N为零线，功率计量单元的地线和220V交流电的零线短接。通过在负荷回路中串联2mΩ的康铜电阻R_S采样电力负荷的工作电流，通过电阻网络R₅～R₉分压采集电力负荷的工作电压。HLW8012功率计量芯片内置有3.579MHz振荡器和2.43V基准电压源，将采样的工作电压经压频转换后，输出表征电压、电流有效值和有功功率的高频脉冲信号。

所述光耦隔离单元用来将所述功率计量单元输出的高频脉冲信号转换为3.3V电平标准的数字高频脉冲并与交流电(即强电区域)隔离，隔离后的数字高频脉冲信号输入所述数字脉冲信号计数单元。本实施例中，所述光耦隔离单元采用HCPL-0630双通道光耦芯片，见图5所示，当高频脉冲CF和CF1处于高电平状态时，光耦片内发光二极管导通，三极管也随之导通，CF_IO和CF1_IO与MCU的I/O相连，当CF_IO和CF1_IO处于低电平状态；反之，当高频脉冲CF和CF1处于低电平状态时，光耦片内发光二极管截止，三极管也随之截止，CF_IO和CF1_IO处于高电平状态。

本实施例中，所述数字脉冲信号计数单元进一步包括第一数字脉冲信号计数单元、第二数字脉冲信号计数单元和第三数字脉冲信号计数单元，所述第一数字脉冲信号计数单元、所述第二数字脉冲信号计数单元、所述第三数字脉冲信号计数单元均利用等精度测量法，分别对表征电压、电流有效值和有功功率的高频脉冲信号中上升沿个数进行计数。

所述各数字脉冲信号计数单元均可利用逻辑电路或模拟电路实现，图6所示为数字脉冲信号计数单元的电路图，包括标准信号发生器、闸门信号发生器、D触发器、标准信号计数器和待测信号计数器，所述待测信号即所述光耦隔离单元的输出。所述D触发器具有数据端d、时钟端clk和状态端q，所述标准信号计数器和所述待测信号计数器结构相同，均包括时钟端、使能端、清零端和计数值端。

更具体的，所述标准信号发生器为晶振，可产生50MHz晶振信号，即标准信号。所述标准信号输入所述标准信号计数器的时钟端BZ_CLK。所述闸门信号发生器设置为产生宽度为1秒的脉冲，即闸门信号。所述闸门信号输入所述D触发器的数据端d。待测信号输入所述D触发器的时钟端clk和所述待测信号计数器的时钟端DC_CLK，本实用新型中，待测信号为表征电力负荷的电压有效值、电流有效值或有功功率的高频脉冲信号。所述D触发器捕获到待测信号的边沿时，闸门信号才会被锁存到状态端q，状态端q同时连接所述标准信号计数器的使能端BZ_ENA和所述待测信号计数器的使能端DC_ENA。所述标准信号计数器和所述待测信号计数器被使能后才开始计数，故所述待测信号计数器不会出现±1个计数值的误差。所述标准信号计数器和所述待测信号计数器的清零端CLR相连；所述标准信号计数器的计数值端bz_count[31..0]和所述待测信号计数器的计数值端dc_count[31..0]连接所述微控制器的数字输入端口，bz_count[31..0]和dc_count[31..0]中分别存储了闸门时间内标准信号和待测信号的上升沿个数。计数结束时，所述D触发器锁存闸门信号的下降沿。

所述微控制器根据所述标准信号计数器和所述待测信号计数器的计数值bz_count[31..0]、dc_count[31..0]解算电力负荷的功率数据。该解算方法为本技术领域常规理论，并非本实用新型创造，因此不再赘述。

本实施例中，所述无线通信单元为Wi-Fi芯片，更具体的，所述Wi-Fi芯片为ESP8266Wi-Fi芯片，ESP8266Wi-Fi芯片的电路图见图7所示。本实用新型所采集的功率数据可通过所述无线通信单元上传。例如，可采用Wi-Fi芯片实现本实用新型和云服务器的TCP/IP通信。图8所示为本实施例中继电器的连接电路图，所述继电器串联在三极管Q0的集电极，二极管D0用于防止继电器中的电流倒灌。R_IO由微控制器控制其电平状态，当R_IO为低电平时，三极管Q0截止，继电器处于常开状态；当R_IO置高时，三极管Q0导通，继电器吸合。

本实用新型从工程应用的角度出发，设计了一种以非侵入方式采集电力负荷功率的装置，将该装置布设于电力供给入口端，即可采集功率数据。对于电力系统而言，本实用新型不仅可降低安装维护的费用，更便于管理，还可通过无线通信单元全天候地向云服务器上传功率数据。同时，本实用新型还对强电区域和弱电区域进行电气隔离，增加了装置的可靠性。本实用新型所采集的功率数据可用于指导用户合理规划用电，实现节能减排；及时排除故障，保障人身安全，减少财产损失，是智能电网发展的必然趋势。