一种电能测量、控制和保护系统

摘要

本发明公开了一种电能测量、控制和保护系统，应用于电能控制以及电通信领域。该系统包括布置在远程PC机上的上位机控制模块、IPv6-ZigBee路由器和布置在建筑中的待测设备的接线装置中的无线传感器节点。本发明系统中的无线传感器节点在采集被测设备的电能信息时，具有足够的采集精度，实现了对固定建筑中电能的测量、控制和保护，为进一步提出优化电能使用方案提供了依据，在通信中采用全局IP地址方式和对等网络方式相结合，使得每个无线传感器节点具有一个IPv6地址，通过IPv6-ZigBee路由器实现无线传感器节点和上位机控制模块的及时通信，并制定了通信协议，保证数据传输的快速和稳定性。

主权项

一种电能测量、控制和保护系统，包括上位机控制模块(1)、IPv6‑ZigBee路由器(2)和无线传感器节点(3)，其特征在于，上位机控制模块(1)布置在PC机上，在建筑中的每个待测设备的接线装置中布置有一个无线传感器节点(3)，每个无线传感器节点(3)具有独立的IPv6地址，同时支持对等网络层协议，上位机控制模块(1)与无线传感器节点(3)之间通过IPv6‑ZigBee路由器(2)进行无线网络通信；所述的上位机控制模块(1)在运行初期根据用户设置对整个建筑中的无线传感器节点(3)建立树状逻辑结构，并为每个无线传感器节点(3)分配一个独立的IPv6地址，用户对每个无线传感器节点(3)进行配置信息的设置，在运行过程中上位机控制模块(1)接收无线传感器节点(3)采集的电能信息数据，对电能信息数据进行分析，并进行电能控制；上位机控制模块(1)给无线传感器节点(3)发送的数据包括配置信息和控制命令；无线传感器节点(3)给上位机控制模块(1)发送的数据包括电能信息数据和报警信息；所述的IPv6‑ZigBee路由器(2)实现不同协议数据的转换，与上位机控制模块(1)之间采用IPv6协议进行通信，与无线传感器节点(3)之间采用ZigBee无线协议，接收并解析上位机控制模块(1)发送的数据，并把数据以ZigBee无线协议格式重新组织发送给无线传感器节点(3)，接收并解析无线传感器节点(3)发送的数据，并把数据以IPv6协议格式重新组织发送给上位机控制模块(1)；对重新组织的数据通过将各个数据包按照顺序编号和在数据的最后一帧添加累加和校验，以保证数据传输的可靠性；所述的无线传感器节点(3)根据上位机控制模块(1)发送的配置信息实时采集电能信息数据，并通过跳传的方法以ZigBee无线协议传送给IPv6‑ZigBee路由器(2)，并上传给上位机控制模块(1)，接收上位机控制模块(1)下发的控制命令对无线传感器节点(3)所检测的设备的电能进行控制和保护；具体每个无线传感器节点(3)包括：电压电流测量模块(31)、Zigbee通信模块(32)、电源转换模块(33)、继电器控制模块(34)和微处理器模块(35)；所述的电压电流测量模块(31)采用型号为ADE7753的差分测量芯片测量差分的电压和电流信号，电压信号的采集采用1M欧姆电阻Z1和1.2K欧姆电阻Z2串联分压的方法获得交流电压的差分信号，电流采样采用差分电阻的方法，在火线中串联一个毫欧姆级的电阻Z3，采样的电压信号与电流信号先经过滤波器进行滤波后输入差分测量芯片，由差分测量芯片测量得到当前时刻的电能信息数据，包括：电压、电流的有效值，电压、电流的瞬时值，有功功率，无功功率和视在功率；所述的Zigbee通信模块(32)包括三部分：一个外置的50/100阻抗匹配变压器，用于提供不平衡50欧姆到平衡100欧姆的阻抗变换；一个由电感和电容组成的匹配网络，用于优化射频信号的性能；一个带通滤波器，用于处理传导谐波；所述的电源转换模块(33)采用220V的线性电源供电，并使用π滤波器对直流电源滤波，为无线传感器节点(3)中各模块提供电源，其中，将电源220V的线性电源进行转换，为对电压电流测量模块(31)和微处理器模块(35)分别提供直流5V和3.3V的电源；所述的继电器控制模块(34)接收微处理器模块(35)的控制命令，控制继电器的开关；所述的微处理器模块(35)采用型号为STM32W的芯片实现，芯片的双向射频端口是共享差分接口，内部连接至低噪声放大器和功率放大器，微处理器模块(35)通过Zigbee通信模块(32)接收上位机控制模块(1)传送来的配置信息和控制命令，控制电压电流测量模块(31)采集电能信息数据，并将电能信息数据通过Zigbee通信模块(32)发送给上位机控制模块(1)；微处理器模块(35)还对采集的电能信息数据根据报警阈值判断是否需要报警，当有功功率超过报警阈值一定时间时，或者根据所测量的电流有效值发现用电错误造成短路时，发出报警信息，通过Zigbee通信模块(32)发送给上位机控制模块(1)，同时主动切断电源或者等待上位机控制模块(1)发送的关闭电源的控制命令后切断电源。