一种智能电网非侵入式居民负荷监测装置的制作方法

本实用新型涉及居民负荷监测技术领域，具体涉及一种智能电网非侵入式居民负荷监测装置。

背景技术：

城乡居民生活用电水平与广大居民经济收入、居住条件及气候环境相一致。城乡居民生活用电量是21世纪初期10～15年主要电量增长点，其比重亦将从目前占全网供电量15.4％上升至23％。为此，我们应进一步加强城乡居民生活用电的服务工作，一方面应逐步实施居民用电的峰谷计价，以降低生活用电成本；另一方面应加大力度进行10千伏配网和低压电网的整改工作，尽快实现“一户一表”制，以适应城乡居民生活用电量快速增长的需要。

在城乡居民家用电器第一次升级过程中，我市城乡居民生活用电量相应增长，如1980～1990年年均增长值达21.21％；20世纪末至21世纪初，家用电器将进入第二次升级，空调器、微波炉及家用电脑将成为广大居民的消费热点，为此,2000～2010年城乡居民生活用电量以13.0％速度增长是完全能达到的。

20世纪末城乡居民生活用电水平相对较低，在往后的10～15年内，生活用电量保持较高增长速度。在生活用电量预测过程中，因相关系数较多，为了分析计算简化，筛选出若干个主要相关指标，即人均GDP、人均收入和人均居住面积等，以上述三个指标作相关变量，经多元回归分析计算，2000年人均生活用电水平达175千瓦时/人·年，其中城镇居民为490千瓦时/人·年，农村居民为129千瓦时/人·年；2010年人均生活用电水平为567千瓦时/人·年，其中城镇居民为987千瓦时/人·年，农村居民为450千瓦时/人·年。

常规的居民负荷监测装置往往结构复杂，使用价值低，不能对居民负荷起到良好的监测，不方便电力公司管理，不方便居民观察负荷，不能同时显示所有可识别电器的工作状态，难以实时指示电特征参数，不能随机增减用电器或改变使用状态，不能实时指示用电器的类别和状态。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种智能电网非侵入式居民负荷监测装置，结构简单，使用价值高，能对居民负荷起到良好的监测，方便电力公司管理，方便居民观察负荷，能同时显示所有可识别电器的工作状态，实时指示电特征参数，随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案是：它包含插排1、电流互感器2、电能计量模块3、电压互感器4、数据采样器5、无线模块6、系统核心处理控制器7、存储器模块8、显示模块9，所述插排1右侧从上至下依次连接有电流互感器2、电能计量模块3、电压互感器4，电能计量模块3右侧连接有数据采样器5，数据采样器5右侧连接有无线模块6，无线模块6右侧连接有系统核心处理控制器7，系统核心处理控制器7上方设置有存储器模块8，系统核心处理控制器7下方设置有显示模块9，电流互感器2和电压互感器4均与电能计量模块3连接。

所述电能计量模块3包含参考电压31、电路模块32、仿真器33、脉冲生成器34、温度传感器35、ADC36、寄存器37、时钟控制电路38、LVREF39、电源管理40、SPI通用接口41，参考电压31设置在电能计量模块3左下角，参考电压31上方连接有电路模块32，电路模块32右侧连接有仿真器33，仿真器33右侧上端连接有脉冲生成器34，脉冲生成器34与外部连接，温度传感器35设置在电能计量模块3下端中间位置，温度传感器35右侧连接有ADC36，ADC36上方连接有寄存器37，时钟控制电路38设置在电能计量模块3上方位置，LVREF39设置在电能计量模块3上方右侧，LVREF39右侧连接有电源管理40，SPI通用接口41设置在电能计量模块3右下侧。

所述电路模块32包含ADC电流321、ADC电压322，ADC电流321设置在ADC电压322上方位置。

所述电能计量模块3采用ATT7022E电能计量芯片。CS5463芯片来采集电参数，其具有功率计算引擎和电能-脉冲转换功能双声道ADC，可以测量瞬时电压、电流、有功功率和无功功率等，同时其计量精度高、功耗低，但考虑要求的电流范围以及参数在测量时存在的不稳定性；SA9904B电能计量芯片，SA9904B提供有功、无功电能，但不能提供视在功率和相角等参数且不具有中断功能并且精度不高；ATT7022E电能计量芯片，是一颗精度高且功能强的计量芯片内部集成了7路二阶sigma-deltaADC,提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，支持全数字域的增益、相位校正，综合实现的难易程度、系统的稳定度、系统的可扩展性、性价比和实用性的考虑，选择ATT7022E电能计量芯片。

所述无线模块6采用NRF2401高速嵌入式无线数传模块。NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，支持六路通道的数据接收，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具有高速率、多频点、低功耗、低成本等优点；蓝牙是一种短距离无线通信技术，能够实现方便快捷、低成本的数据和语音通信，但同样其功耗较高，通信距离近，综合选择NRF2401高速嵌入式无线数传模块。

所述系统核心处理控制器7采用STM32F103RCT6开发板控制。MSP430系列单片机控制，MSP430系列单片机是一种16位超低功耗单片机，其处理能力强，功耗极低，整型运算速度快，浮点运算较慢；STM32F103RCT6片内集成512KBFLASH、64KBRAM、3个ADC、2个DAC、3个SPI、2个I2C等，CPU主频为72MHZ，具有与可靠性、功能性较强的优势，很好地满足本系统处理大量数据的要求，提高操作的效率和准确性，综合选择STM32F103RCT6开发板控制。

本实用新型的工作原理：利用ATT7022E片内结构，与电流互感器5、电压互感器4采样电路配合，瞬时采样测量用电器的电压、电流有效值，视在功率、有功功率、无功功率和相角等参数，并通过无线模块6传送至系统核心处理控制器7进行处理存在存储器模块8中，并通过显示模块9储送至串口屏实时指示用电器类别和工作状态；在学习模式下，插排1插上用电器由电能计量模块3采集，计算电参数，通过SPI传送到系统核心处理控制器7，系统核心处理控制器7将数据传送到存储器模块8进行存储；在分析监测模式下，由数据采样器5采样的数据通过无线模块6再经过系统核心处理控制器7处理传送到显示模块8进行实时指示用电器工作状态和显示电特征参数。

采用上述技术方案后，本实用新型有益效果为：结构简单，使用价值高，能对居民负荷起到良好的监测，方便电力公司管理，方便居民观察负荷，能同时显示所有可识别电器的工作状态，实时指示电特征参数，随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意框图；

图2是本实用新型中电能计量模块3的结构示意框图。

附图标记说明：插排1、电流互感器2、电能计量模块3、电压互感器4、数据采样器5、无线模块6、系统核心处理控制器7、存储器模块8、显示模块9、参考电压31、电路模块32、ADC电流321、ADC电压322、仿真器33、脉冲生成器34、温度传感器35、ADC36、寄存器37、时钟控制电路38、LVREF39、电源管理40、SPI通用接口41。

具体实施方式

参看图1-图2所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含插排1、电流互感器2、电能计量模块3、电压互感器4、数据采样器5、无线模块6、系统核心处理控制器7、存储器模块8、显示模块9，所述插排1右侧从上至下依次连接有电流互感器2、电能计量模块3、电压互感器4，电能计量模块3右侧连接有数据采样器5，数据采样器5右侧连接有无线模块6，无线模块6右侧连接有系统核心处理控制器7，系统核心处理控制器7上方设置有存储器模块8，系统核心处理控制器7下方设置有显示模块9，电流互感器2和电压互感器4均与电能计量模块3连接。

所述电能计量模块3包含参考电压31、电路模块32、仿真器33、脉冲生成器34、温度传感器35、ADC36、寄存器37、时钟控制电路38、LVREF39、电源管理40、SPI通用接口41，参考电压31设置在电能计量模块3左下角，参考电压31上方连接有电路模块32，电路模块32右侧连接有仿真器33，仿真器33右侧上端连接有脉冲生成器34，脉冲生成器34与外部连接，温度传感器35设置在电能计量模块3下端中间位置，温度传感器35右侧连接有ADC36，ADC36上方连接有寄存器37，时钟控制电路38设置在电能计量模块3上方位置，LVREF39设置在电能计量模块3上方右侧，LVREF39右侧连接有电源管理40，SPI通用接口41设置在电能计量模块3右下侧。

所述电路模块32包含ADC电流321、ADC电压322，ADC电流321设置在ADC电压322上方位置。

所述电能计量模块3采用ATT7022E电能计量芯片。CS5463芯片来采集电参数，其具有功率计算引擎和电能-脉冲转换功能双声道ADC，可以测量瞬时电压、电流、有功功率和无功功率等，同时其计量精度高、功耗低，但考虑要求的电流范围以及参数在测量时存在的不稳定性；SA9904B电能计量芯片，SA9904B提供有功、无功电能，但不能提供视在功率和相角等参数且不具有中断功能并且精度不高；ATT7022E电能计量芯片，是一颗精度高且功能强的计量芯片内部集成了7路二阶sigma-deltaADC,提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，支持全数字域的增益、相位校正，综合实现的难易程度、系统的稳定度、系统的可扩展性、性价比和实用性的考虑，选择ATT7022E电能计量芯片。

所述无线模块6采用NRF2401高速嵌入式无线数传模块。NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，支持六路通道的数据接收，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具有高速率、多频点、低功耗、低成本等优点；蓝牙是一种短距离无线通信技术，能够实现方便快捷、低成本的数据和语音通信，但同样其功耗较高，通信距离近，综合选择NRF2401高速嵌入式无线数传模块。

所述系统核心处理控制器7采用STM32F103RCT6开发板控制。MSP430系列单片机控制，MSP430系列单片机是一种16位超低功耗单片机，其处理能力强，功耗极低，整型运算速度快，浮点运算较慢；STM32F103RCT6片内集成512KBFLASH、64KBRAM、3个ADC、2个DAC、3个SPI、2个I2C等，CPU主频为72MHZ，具有与可靠性、功能性较强的优势，很好地满足本系统处理大量数据的要求，提高操作的效率和准确性，综合选择STM32F103RCT6开发板控制。

各特征参数的测量原理：

电压参数：

电流参数：

功率因数：在ATT7022计量芯片中，将功率因数寄存器读数还原原码除以2^23就得到，

有功功率：

无功功率：

相角：ATT7022计量芯片中将寄存器读数还原为原码α后，(α/2^20)*180计算得到；

识别电器算法分析与计算：设选定有功功率p、电流I、功率因数φ为用电器识别的特征参数，构成一个向量选取7个用电器进行测试，组建的相应的向量作为标准样本存于数据库：

设某一时刻接入一未知用电器，测得的数据为利用KNN算法求得与七个标准数据的距离：对应的用电器即为识别结果。

本实用新型的工作原理：利用ATT7022E片内结构，与电流互感器5、电压互感器4采样电路配合，瞬时采样测量用电器的电压、电流有效值，视在功率、有功功率、无功功率和相角等参数，并通过无线模块6传送至系统核心处理控制器7进行处理存在存储器模块8中，并通过显示模块9储送至串口屏实时指示用电器类别和工作状态；在学习模式下，插排1插上用电器由电能计量模块3采集，计算电参数，通过SPI传送到系统核心处理控制器7，系统核心处理控制器7将数据传送到存储器模块8进行存储；在分析监测模式下，由数据采样器5采样的数据通过无线模块6再经过系统核心处理控制器7处理传送到显示模块8进行实时指示用电器工作状态和显示电特征参数。

采用上述技术方案后，本实用新型有益效果为：结构简单，使用价值高，能对居民负荷起到良好的监测，方便电力公司管理，方便居民观察负荷，能同时显示所有可识别电器的工作状态，实时指示电特征参数，随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。