电力信号感应装置及系统的制作方法

本实用新型涉及无线电能传输和电力感应信号装置领域，尤其是电力信号感应装置及系统。

背景技术：

无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，比如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。

根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线电能传输可分为：磁场耦合式、电场耦合式、电磁辐射式、机械波耦合式。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收单元在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。

为了防止电类设备、电缆、变压器等电力设施被不法分子偷窃，国内已经开始安装电力信号感应系统。当电力设施被破坏和偷窃时，电力线路上电信号的电力参数将发生变化，如：当某条电缆被剪断时，该条电缆上的电压将发生大的变化。

专利号：cn201120236685.1、专利名称：电力信号感应系统公开了一种电力信号感应系统，使用电压互感器从配电线路中采集电力信号并经信号调理电路进行处理，得到数字信号形式的电力信号，使用微控制器采样并经快速傅里叶变换计算得到奇次谐波分量，计算得到奇次谐波分量的参数，经信号传输模块将所述参数通过物联网发送出去。使用感应取电模块从配电线路中感应取电以进行供电，不需要频繁进行充电，而且受环境因素影响较小，从而保证了电力信号感应系统的正常运行。

但上述系统感应取电和备用电池均采用有线供电，布线繁杂，后期维护难度大，电力感应可靠性低。

因此亟需一种基于无线电能传输的电力信号感应装置及系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：本实用新型提供了电力信号感应装置及系统，提供一种基于无线电能传输的电力信号感应装置及系统，实现电力信号感应装置及系统的无线充电。

本实用新型采用的技术方案如下：

电力信号感应装置，包括依次连接的感应装置、信号处理电路、单片机和无线通信装置，还包括无线电能传输装置，所述无线通信装置包括4g模块，所述无线电能传输装置包括通过电磁耦合连接的发射单元、接收单元、高频整流器vrt和直流电压变换器vdc，所述接收单元的输出端连接并联连接的高频整流器vrt和直流电压变换器vdc后分别连接信号处理电路、单片机和4g模块，实现无线充电。

优选地，所述发射单元包括发射线圈，所述发射线圈输入端连接配电线。

优选地，所述发射单元包括直流电压源e、直流电压变换器vdcb、高频逆变器vt、lcl补偿网络、多个开关和多个发射线圈，所述直流电压源e连接并联连接的直流电压变换器vdcb和高频逆变器vt，所述高频逆变器vt交流输出端的一端串联lcl补偿网络的第二谐振电感lpt2，所述高频逆变器vt交流输出端的另一端串联lcl补偿网络的第一谐振电感lpt1，开关s1-sn依次串联连接，开关s1一端连接第一谐振电感lpt1，开关sn连接第二谐振电感lpt2，其中，n≥1，后与多个开关sn连接，开关s1-sn每个开关并联连接一个发射线圈，所述lcl补偿网络的谐振电容cpt与高频逆变器vt并联连接，其一端连接第二谐振电感lpt2，其另一端连接第一谐振电感lpt1，所述发射线圈与接收单元耦合连接后，接收单元连接并联连接的高频整流器vrt和直流电压变换器vdc后分别连接信号处理电路、单片机和4g模块。

优选地，所述发射线圈包括串联的一个发射线圈电感lpm，其中，m≥1，和一个发射线圈补偿电容cpk，其中，k≥1。

优选地，所述一个接收单元包括串联的一个接收单元电感lsa，其中，a≥1，和一个接收单元补偿电容csb，其中，b≥1，所述接收单元电感lsa与发射线圈电感lpm互感。

优选地，所述信号处理电路包括依次连接的运算放大电路、滤波电路和a/d转换模块，所述运算放大电路输入端连接感应装置输出端，所述a/d转换模块连接单片机。

优选地，所述4g模块包括sim卡座和usr-lte通信单元，所述sim卡座连接usr-lte通信单元，所述usr-lte通信单元通过串口连接单片机。

电力信号感应系统，包括上述的感应装置。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过设置无线电能传输装置，无线电能接收端为电力信号感应装置各模块供电，实现无线充电，避免现有有线需要布线和频繁更换电池的缺点；

2.本实用新型的无线电能传输装置采用一对多方式，实现为各模块同时充电或者为多个装置充电，多个共享一个lcl补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本；在闭环控制时，发射线圈与接收单元之间无需建立通信连接，节省了无线通信设备，进一步降低了成本；

3.本实用新型每个发射线圈的工作状态均可由独立的开关控制，通过控制开关的状态可以控制发射线圈的工作状态，不工作的发射线圈就停止工作，控制简单，且从电磁耦合机构的角度，耦合机构是一对一的，减小了漏感，从而综合降低了系统的电磁辐射；

4.本实用新型通过4g模块无线传输，实现数据透传，高速传输完成电力感应信号的备份，利于快速发现偷电情况。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型的装置的系统框图；

图2是本实用新型的无线电能传输装置的电路图；

图3是本实用新型的4g模块和单片机的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

现有技术中电力信号感应装置均采用有线供电，本申请提出一种无线供电的电力信号感应装置，细节如下：

电力信号感应装置，包括依次连接的感应装置、信号处理电路、单片机和无线通信装置，还包括无线电能传输装置，所述无线通信装置包括4g模块，所述无线电能传输装置包括通过电磁耦合连接的发射单元、接收单元、高频整流器vrt和直流电压变换器vdc，所述接收单元的输出端连接并联连接的高频整流器vrt和直流电压变换器vdc后分别连接信号处理电路、单片机和4g模块，实现无线充电。

本实用新型通过设置无线电能传输装置，无线电能接收端为电力信号感应装置各模块供电，实现无线充电，避免现有有线需要布线和频繁更换电池的缺点；

感应装置采用电流互感器和电压互感器，电压传感器型号为zhtpt104，电流传感器型号为ct204；采集的电流信号或者电压信号通过信号处理电路进行放大、滤波和模数转换后传输至单片机，单片机的型号选用stm32f103rbt6，单片机触发无线通信模块发送电力感应信号，系统框图如图1所示；无线电能传输装置为信号处理电路、单片机和4g模块无线充电，保证供电，实现电力感应检测和传输。

无线电能传输装置中的发射单元可以采用发射线圈，直接从配网取电，但是这样的供电仅适用于单个负载时，多个负载时比如信号处理电路、4g模块和单片机均需要供电时，为保证无线充电的可靠性和稳定性，采用一对多的无线电能传输装置，采用多个发射线圈和多个接收单元，实现多负载无线电能传输，同时多个共享一个lcl补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本，简化了装置的体积，无线电能传输装置的细节如下：

发射单元包括直流电压源e、直流电压变换器vdcb、高频逆变器vt、lcl补偿网络、多个开关和多个发射线圈，所述直流电压源e连接并联连接的直流电压变换器vdcb和高频逆变器vt，所述高频逆变器vt交流输出端的一端串联lcl补偿网络的第二谐振电感lpt2，所述高频逆变器vt交流输出端的另一端串联lcl补偿网络的第一谐振电感lpt1，开关s1-sn依次串联连接，开关s1一端连接第一谐振电感lpt1，开关sn连接第二谐振电感lpt2，其中，n≥1，后与多个开关sn连接，开关s1-sn每个开关并联连接一个发射线圈，所述lcl补偿网络的谐振电容cpt与高频逆变器vt并联连接，其一端连接第二谐振电感lpt2，其另一端连接第一谐振电感lpt1，所述发射线圈与接收单元耦合连接后，接收单元连接并联连接的高频整流器vrt和直流电压变换器vdc后分别连接信号处理电路、单片机和4g模块。发射线圈包括串联的一个发射线圈电感lpm，其中，m≥1，和一个发射线圈补偿电容cpk，其中，k≥1；一个接收单元包括串联的一个接收单元电感lsa，其中，a≥1，和一个接收单元补偿电容csb，其中，b≥1，所述接收单元电感lsa与发射线圈电感lpm互感；本实施例a、b、m、k、n均可以取值3，取值根据具体情况选取。

无线电能传输装置的工作原理：直流电压变换器vdcb将直流电压源e的输出电udcb变换为udc后输出至高频逆变器vt，所述高频逆变器vt将udc变换为高频交流电压源，并为lcl补偿网络供电，当高频交流电的电流ipt流通发射线圈电感lpm时，在发射线圈电感lpm周围产生高频电磁场；接收单元电感lsa在此高频电磁场作用下，感应产生高频交流电压，此高频交流电压先经高频整流器vrtn整流，再经直流电压变换器vdcn变换，即可为负载供电。因无线电能传输装置中所有器件的功能引脚的连接如本申请和附图记载了，因此不限定器件的型号和大小，根据具体负载的要求对应设置即可，整流输出电压的大小也根据负载的大小对应选择整流器，整流器和变换器等为现有技术，在此不进行赘述。

无线电能传输装置采用一对多方式，实现为各模块同时充电或者为多个装置充电，多个共享一个lcl补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本；在闭环控制时，发射线圈与接收单元之间无需建立通信连接，节省了无线通信设备，进一步降低了成本；

每个发射线圈的工作状态均可由独立的开关控制，通过控制开关的状态可以控制发射线圈的工作状态，不工作的发射线圈就停止工作，控制简单，且从电磁耦合机构的角度，耦合机构是一对一的，减小了漏感，从而综合降低了系统的电磁辐射。

实施例2

基于实施例1，优化本装置的无线通信方式，细节如下：

无线通信装置包括4g模块，4g模块包括sim卡座和usr-lte通信单元，sim卡座连接usr-lte通信单元，所述usr-lte通信单元通过串口连接单片机。

如图3所示，4g模块与单片机的电路连接如下：sim卡座的vcc引脚连接usr-lte通信单元的vsim引脚，sim卡座的reset引脚连接电阻r18后连接vsim_rst引脚，sim卡座的clk引脚连接电阻r18后连接vsim_clk引脚，sim卡座的io引脚连接电阻r45后连接vsim_data引脚，sim卡座的vcc引脚、reset引脚、clk引脚、io引脚对应连接二极管d5、d6、d12、d13后接地；sim卡座的gnd引脚接地，其还连接电容c28后连接sim卡座的vcc引脚；

usr-lte通信单元的linka引脚、linkb引脚对应连接单片机的pb8、pb9引脚，其utxd1引脚、urxd1引脚对应连接单片机的pb11、pb12引脚，其work引脚路单片机的pb10引脚，其gnd引脚接地，其vin引脚连接电池，其net引脚连接单片机的pb13引脚，其reset引脚连接电阻r8后连接3.3v电源，其reset引脚还连接电阻r16后接地，其reload引脚连接电阻r7后连接3.3v电源，其reload引脚还连接电阻r17后接地。

采集的电力数据传输至单片机，单片机通过串口与4g模块进行通信，后台或者对应的管理平台与4g模块通过基站进行无线传输，传输感应结果完成备份，串口波特率根据具体需求设置，可以为2400/4800/9600/19200/38400，串口数据位为8位，停止位为2位，校验位包括偶校验和奇校验；4g模块中的usr-lte通信单元采用的型号为usr-lte-7s4，单片机的型号选用stm32f103rbt6。本实用新型通过4g模块无线传输，实现数据透传，高速传输完成电力感应信号的备份，利于快速发现偷电情况。

实施例3

基于实施例1，本申请还提供一种电力信号感应系统，其包括实施例1所述的感应装置，因电力感应系统的改进点在于感应装置，其包括的其他组成不在赘述，感应装置的细节如实施例1所述，实现电力感应系统的无线充电，保证系统的正常运行。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。