一种10kv变压器二次电流自动采集无线传输装置制造方法
【专利摘要】本发明提出的是一种10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置。相电压和相电流分别通过电压互感器和电流互感器经由电流/电压转换电路和精密全波整流电路与单片机电路连接，电源电路为单片机提供电源，在单片机上分别连接有GSM�？楹鸵壕允酒�。本发明采集装置不仅能根据需要随时检测变压器二次电压、电流的即时数据，而且能方便地通过GSM�？椋苑⒍绦欧绞浇胁杉峁奈尴叽洌阌诙员溲蛊鞫蔚缌�、电压的远距离监控。当需要电流电压数据时，使用者发送一条信息，GSM�？槭盏叫畔⒑蠡嶙远⑺褪莸街付ǖ氖只希⑼ü壕CD12864显示出来。适宜作为变压器二次电流采集和无线传输的装置应用。
【专利说明】-种10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种高电压、大电流采集、传输装置，用于10KV变压器二次侧电 流和二次侧线电压或相电压的即时数据采集与传输，并通过GSM�？榻惺菸尴叽洌� 具有远距离控制通讯功能。具体说是一种10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置。
【背景技术】
[0002] 现有的电压、电流采集装置多是基于电压电流互感器和转换电路等组成的复合 体，通过电压互感器和电流互感器采集高电压大电流电路中的电压和电流即时数据，通过 处理，用于显示或进一步操作。现有的电压、电流采集装置的工作方式是需要数据时人为地 使采集电路工作或者连续采集，具体的采集结果也多是用于静态显示，而无法进行远距离 控制通讯。
[0003] 原有的工作方式使得电压、电流采集装置的工作效率较低，节能性相对较差，另外 处理器实时性差、控制策略简单，当需要采集数据时不能较快地实施采集，在实时性要求较 高的场合达不到要求。
[0004] 此外当处于远距离工作环境时，无法得到采集的数据结果，不能实现对采集结果 的远距离监控。这也限制着电压、电流采集装置的应用，在高电压大电流的10KV变压器工 作状态检测时，对安全性来说是一个隐患。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有的变压器二次侧电压、电流采集装置的不足，本发明提出了一种 10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置。该装置通过采集相电压和相电流，然后经过 电压互感器和电流互感器与电流/电压转换电路和精密全波整流电路与单片机连接，单片 机分别与电源电路、GSM�？楹鸵壕允酒髁樱饩霰溲蛊鞫蔚缌髯远杉胛尴叽� 的技术问题。
[0006] 本发明解决技术问题所采用的方案是： 相电压和相电流分别通过电压互感器和电流互感器经由电流/电压转换电路和精密 全波整流电路与单片机电路连接，电源电路为单片机提供电源，在单片机上分别连接有GSM �？楹鸵壕允酒�。
[0007] 相电压采集来自于A/B/C三相，相电流采集也来自于A/B/C三相。
[0008] 积极效果，本发明采集装置不仅能根据需要随时检测变压器二次电压、电流的即 时数据，而且能方便地通过GSM�？椋苑⒍绦欧绞浇胁杉峁奈尴叽洌阌诙员溲� 器二次电流、电压的远距离监控。当需要电流电压数据时，使用者发送一条信息，GSM�？� 收到信息后会自动发送数据到指定的手机上，并通过液晶LCD12864显示出来。适宜作为变 压器二次电流采集和无线传输的装置应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为本发明总电路方框图 图2为本发明LH10-10C0512-02电源�？樵硗� 图3为本发明滤波部分原理图 图4为本发明LH10-10B05电源模块原理图 图5为本发明Atmegal6单片机接口电路图 图6为本发明最小系统的复位电路图 图7为本发明最小系统的晶振电路图 图8为本发明电压检测电路图 图9为本发明电流检测电路图 图10为本发明电流电压转换电路图 图11为本发明精密全波整流电路图 图12为本发明反向求和电路图 图13为本发明GSM�？榈缏吠� 图14为本发明液晶显不电路图 图中，1.电源电路，2.单片机，3.GSM模块，4.液晶显示器，5.相电压，5.1.电压互感 器，5.2.电流/电压转换电路，5. 3.精密全波整流电路，6.相电流，6.1.电流互感器。
【具体实施方式】
[0010] 据图1所示，相电压5和相电流6分别通过电压互感器5. 1和电流互感器6. 1经 由电流/电压转换电路5. 2和精密全波整流电路5. 3与单片机2电路连接，电源电路1为 单片机提供电源，在单片机上分别连接有GSM�？�3和液晶显示器4。
[0011] 相电压采集来自于A/B/C三相，相电流采集也来自于A/B/C三相。
[0012] 器件参数： 采用Atmegal6单片机512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口，32个通用工作 寄存器，工作电压4.5 - 5. 5V，正常模式电流1.1mA，空闲模式电流0.35mA GSM�？榈缌飨�：睡眠时3.0mA，闲置时10. 0mA，通话时300mA(最高2.0A)，掉 电时100iiA 互感器技术参数： 电压互感器HWPT01: 2mA/2mA 电流互感器KHCT911L: 150A/5AHWCT:5A/5mA 系统的工作原理： 电压信号与电流信号经过电流/电压转换电路，在经精密全波整流电路送至单片机， 单片机经A/D采样计算三相电压、电流的有效值，测得数据可以通过GSM�？榉⑺偷绞只� (当需要电流电压数据时，使用者发送一条信息，GSM�？槭盏叫畔⒑蠡嶙远⑺褪莸街� 定的手机上），并通过液晶IXD12864显示出来。
[0013] 电路组成： 1)电源电路，如图2、3和4所示，在系统中，Atmegal6单片机工作电压为5V，而在电压、 电流检测与转换电路中运算放大器基准电压分别选定为+12V和-12V。因此电源电路部分 采用了LH10-10C0512-02电源�？楹蚅H10-10B05电源模块，电压纹波小、性价比高。通过 LH10-10C0512-02电源�？榈玫�+5V、+12V、-12V，用于系统供电。通过LH10-10B05电源模 块得到+5V电压，给GSM�？楣┑�。
[0014] 2)最小系统电路，如图5所示，该10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置采 用Atmegal6单片机作为主控芯片，Atmegal6是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位 CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmegal6的数据吞吐 率高达lMIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
[0015]Atmegal6AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都 直接与算逻单元（ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的 寄存器。这种结构提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据 吞吐率。端口A作为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内 部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时 钟还未起振，端口A处于高阻状态。在该10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置中， 采集到的电压电流信号经过转换电路的处理，最终经过单片机的PA口进行A/D转换。基本 的AVR硬件线路，包括复位线路、晶振线路、ISP下载接口、JTAG仿真接口和电源。
[0016] (1)复位线路的设计，如图6所示，Atmegal6已经内置了上电复位设计。并且在 熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简 单：直接拉一只10K的电阻到VCC即可（R5)。为了可靠，再加上一只0.luF的电容（C5)以 消除干扰、杂波。当AVR在工作时，按下S0开关时，复位脚变成低电平，触发AVR芯片复位。
[0017] (2)晶振电路的设计，如图7所示，Atmegal6已经内置RC振荡线路，可以产生1M、 2M、4M、8M的振荡频率，实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用内部RC振荡。 即这部分不需要任何的外围零件。然而，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，t匕 如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。早期的90S系列， 晶振两端均需要接22pF左右的电容。Atmegal6系列实际使用时，这两只小电容不接也能正 常工作。
[0018] 3)检测与转换单元 该检测与转换单元包括电压检测电路、电流检测电路、电流电压转换电路、精密全波整 流电路组成，完成变压器二次侧电压和电流值的采集和转换，便于送到主控系统中。
[0019]A)电压检测电路，如图8所示，电压检测电路部分采用电流型电压互感器进行电 压信号的采集，经过电流电压转换电路和精密全波整流电路，进行电压转换，最后经过反向 求和电路得到所需的电压信号。
[0020] B)电流检测电路，如图9所示，电压检测电路部分采用电流互感器进行电流信号 的采集，经过电流电压转换电路和精密全波整流电路，进行电流转换，最后经过反向求和电 路得到所需的电流信号。
[0021]C)电流电压转换电路，如图10所示，在互感器采集到信号以后都进行了电流电压 转换，电压互感器采用的是电流型的，因此在电压互感器和电流互感器采集信号之后都需 要把电流信号转换为电压信号。以电压互感器采集A相电压后为例，对其电流电压转换电 路和工作原理： 工作原理如下：工频交流电的A相经过精密电流型电压互感器后，感应出微弱的电流 信号，最大输出值2mA。经过米样电阻R24后，把电流信号转换成电压信号。
[0022] D)精密全波整流电路，如图11所示，由于电流电压转换电路部分输出的是交流电 压，需要通过整流电路，将其转变成直流电压。考虑到整流部分的精确性和结构的简易性， 该部分选用精密全波整流电路。
[0023] 工作原理如下： 当U1>0时，必然使集成运算放大器的输出端U0〈0,从而导致二极管D25导通，D24截 止。此时该部分电路实现反相比例运算，输出电压心=，在该电路中由 电阻关系可知= -CA。
[0024] 当U1〈0时，必然使输出端U0>0,从而使二极管D24导通，D25截止，R66中电流为 零，因此输出电压^"2 = 0。
[0025] 因此，可以利用反相求和电路将U2与U1的负半周波形相加，就可以实现全波整 流。
[0026] E)反向求和电路，如图12所示，该部分电路是由运算放大器组成的反向加法器电 路，输入部分分别为电压电流转换部分的输出U1，精密全波整流电路的输出U2,利用反向 求和电路配合整流部分可以实现全波整流，得到所需的直流电压，便于送到单片机进行数 据处理。
[0027] 工作原理如下： 该部分反相求和电路的输入电压分别为电流电压转换电路的输出电压U1，精密全波整 流电路的输出电压U2,该部分的输出则为U3。利用运算放大器的运算方法可以得到该部 分电路的输入输出关系：口3 。由电路中的电阻值可以得 至ij: M。
[0028] 当U1>0时，由上述精密全波整流电路部分可以得到：L72 =-仍，而结合本部分 的电压关系W=-2C/2 -W可以得到丨73=21/1-[/1=[/I;当U1〈0时，由上述精密全波整流电 路部分可以得到：C/2 = 0 ,而结合本部分的电压关系可以得到,即完成了精密全波 整流电路部分负半周波形相加，实现了全波整流，同时起到反相器作用。
[0029] 4)GSM电路，如图13所示，该10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置的创新 点之一就是利用GSM�？椋巡杉降谋溲蛊鞫尾嗟牡缪购偷缌鞯募词笔狄远绦欧绞� 发送到工作人员的手机上，即当需要电流电压数据时，使用者发送一条信息，GSM�？槭盏� 信息后会自动发送数据到指定的手机上，便于工作人员在非现场操作的情况下对变压器的 工作情况进行远距离监控。GSM部分利用集成的GSM�？�。
[0030] 5)显示电路 该装置不仅能利用GSM�？椋远绦欧绞皆诜窍殖〔僮鞯那榭鱿陆斜溲蛊鞫尾嗟� 压、电流信号的采集与传输，而且还有液晶LCD12864显示部分电路，对采集的结果进行现 场显示。利用液晶显示，便于工作人员在现场操作时进行参照。
[0031] 工作过程： 三个电流型电压互感器的一次绕组和被测电路并联，二次绕组应和所接的测量仪表、 继电保护装置或自动装置的电压线圈并联，同时要注意极性的正确性。三个电流互感器的 接线应遵守串联原则，即一次绕阻应与被测电路串联。
[0032] 在正常工作时，通过电压互感器和电流互感器，对10KV变压器两端的电压和电流 信号进行采集。得到的微弱信号经由电流电压转换电路统一转换为电压信号，再经过运算 放大器部分对微弱信号进行放大。将放大后的电压信号通过精密全波整流电路进行整流， 配合反向求和电路，得到正向的直流电压信号。将上述六路直流电压信号依次接到单片机 的PA0至PA5 口，进行A/D转换和存储，便于系统进行数据处理。经过数据处理后，由单片 机系统控制液晶显示部分，将检测的六路电压电流信号在液晶上显示出来，便于工作人员 在现场操作时进行参照。
[0033] 当工作人员处于非现场操作的情况下，又想得到变压器二次侧电压和电流的值， 以便于对变压器的工作情况进行监控时，就可以通过手机发送短信，进行数据查询。当GSM �？槭盏叫畔⒑蠡嶙远亟低臣嗖獾降谋溲蛊鞫尾嗟牡缌鞯缪故莘⑺偷街付ǖ氖� 机上，这对于非现场操作情况下的工作人员是十分方便的。有了这种10KV变压器二次电流 自动采集无线传输装置，工作人员可以随时随地了解指定变压器的工作信息，便于远距离 监控和通讯。
[0034] 本发明针对以往电压电流采集装置的薄弱环节，同时也是较大的安全隐患，作出 了全面的分析，并依次给出了有效的解决方案。针对10KV变压器二次侧电压、电流信号的 采集，效果较好。另外，元器件性价比高，体积封装小、易于集成控制板。
[0035] 本发明提出的技术方案可直接对传统接触器进行改造，通用性极强，已基本完成 硬件测试，具有较大的应用价值。
[0036] 特点： 变压器二次侧电压、电流采集装置通过Atmegal6单片机最小系统、电源电路、GSM�？� 电路、显示电路、电压互感器和电流互感器电路、电压电流转换电路、精密全波整流电路相 结合，具有如下优点： 1)具有六路互感器装置，可以短时间内分别对三相电的电压和电流进行互感器检测。 通过电压电流转换电路和精密全波整流电路，送至单片机控制系统。
[0037] 2)采用Atmegal6单片机最小系统作为主控系统，电路简单，控制效果好。占用空 间较小，结构紧凑，集成度较高，便于应用到变压器系统中。采用液晶LCD12864用于显示检 测结果，便于现场的监控。
[0038] 3)针对非现场的监测，采用了GSM�？椋芄唤觳饨峁苑⒍绦欧绞浇胁杉� 结果的无线传输，便于对变压器二次电流、电压的远距离监控。当需要电流电压数据时，使 用者发送一条信息，GSM�？槭盏叫畔⒑蠡嶙远⑺褪莸街付ǖ氖只�。
[0039] 4)经济性较好，采用Atmegal6单片机作为主控芯片，价格不高，系统总体的成本 也不高，应用性较好。
【权利要求】
1. 一种10KV变压器二次电流自动采集无线传输装置，其特征是：相电压（5 )和相电流 (6)分别通过电压互感器（5. 1)和电流互感器（6. 1)经由电流/电压转换电路（5. 2)和精 密全波整流电路（5. 3)与单片机（2)电路连接，电源电路（1)为单片机提供电源，在单片机 上分别连接有GSM�？椋�3)和液晶显示器（4); 相电压采集来自于A/B/C三相，相电流采集也来自于A/B/C三相。
【文档编号】G01R19/25GK104330613SQ201410526287
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】李军, 郭凤仪, 贺树平, 赵飞, 孙涛, 高洪鑫, 王喜利, 王丹 申请人:国网辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司, 国家电网公司, 辽宁工程技术大学
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