《一種智慧型農排表》是石家莊科林電氣股份有限公司於2014年12月15日申請的發明專利，該專利的申請號為201410769215X，公布號為CN104460459A，授權公布日為2015年3月25日，發明人是陳洪雨、李崢、屈國旺、張成鎖、趙宏傑、張權、郝立佳、陳賀、白明、郭紅梅、張向平、張奎仲、李偉、張輝、侯志衛、賈曉萌，該發明涉及自動化控制領域，特別涉及農業灌溉中電力抄表及自動化控制裝置。
《一種智慧型農排表》用於電力部門的用電信息採集與管理。結構中包括CPU，與CPU連線的數據採集單元、遠程通信單元、顯示單元、存儲單元、磁場檢測單元、費控單元、電池，所述遠程通信單元中設定移動公網通信模組或電力載波通信模組，所述磁場檢測單元設定三個，結構中還包括繼電器檢測單元。採用此方案，可以解決邊遠地區農排表的通信問題、竊電問題及電機的保護和電池的最佳化使用。
2019年9月29日，《一種智慧型農排表》獲2018年河北省專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種智慧型農排表》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種智慧型農排表
- 公布號：CN104460459A
- 申請號：201410769215X
- 申請日：2014年12月15日
- 申請人：石家莊科林電氣股份有限公司
- 地址：河北省石家莊市紅旗大街南降壁路段（南院）
- 發明人：陳洪雨、李崢、屈國旺、張成鎖、趙宏傑、張權、郝立佳、陳賀、白明、郭紅梅、張向平、張奎仲、李偉、張輝、侯志衛、賈曉萌
- Int.Cl.：G05B19/042（2006.01）I
- 代理機構：石家莊眾志華清智慧財產權事務所（特殊普通合夥）
- 代理人：王苑祥
- 類別：發明專利
- 公布日：2015年3月25日
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
農業灌溉現場機井的位置比較分散且大多數機井所處位置交通不便利，同時農業排灌設備通常在環境複雜的地區安裝與使用，這給電力部門的用電信息採集與管理帶來很大的困難。2014年12月前，主要存在以下問題：
1、通信問題。隨著移動通信網路的發展，使用移動公網進行信息傳遞的手段已經被廣泛使用。農業灌溉的現場機井位置有些處於邊遠地區，公網覆蓋不到，因此採用該手段不能解決所有現場機井的通信問題，抄表只能採用人工手持採集設備到現場逐個採集數據，再集中錄入的方式，人工採集隨著用戶數量迅速地增加而面臨諸多困難，增加大量的人工成本和管理成本，不能滿足國家電網公司對於用電信息採集系統提出的“全覆蓋、全採集、全預付費”的建設目標。同時混亂的現場用電情況及相應的線損分析耗費人力物力巨大，並且實時性嚴重滯後、準確性嚴重不足。並且，即使公網可以覆蓋的地區，使用公網必然會涉及到通信費用問題。
使用電力線的載波通信也是2014年12月前廣泛採用的技術手段。農排用電線路用電負載多為三相三線式平衡負載電動機，為降低成本和減少施工難度，在邊遠地區，大多數供電為3×380伏三相三線制，三相三線中沒有N線，普通的載波通信無法進行過零檢測，不能實現載波通信。
2、竊電問題。社會上竊電問題變得越來越突出，據保守估算，全中國每年因電能被盜損失達200億元，這不單困擾供電企業的發展，也嚴重影響了國家的經濟建設和社會的穩定。2014年12月前，電能表一般安裝在專用計量箱內，採用電纜經管道進、出線方式，計量箱用加鎖。近來（截至2014年12月）出現一種用強磁鐵吸附在計量箱上靠近電能表的位置進行竊電的現象，方法隱蔽，易於撤除，且有蔓延趨勢。其原理是：電錶內部的負荷開關採用磁保持繼電器，由於磁保持繼電器為磁場敏感器件，通過外加磁場，來改變繼電器的開合狀態，可影響繼電器的開合動作，達到竊電的目的。另外，電能表供電多為工頻變壓器，強磁場可以降低工頻變壓器的效率，使電能表功耗變大，變壓器無法提供足夠的電壓供電能表工作，造成電能表無法啟動，不能計量。
截至2014年12月，防強磁竊電的手段主要包括：
採用禁止方式：在電錶外部加裝金屬禁止殼，以及在計量箱內部將電能表抬高，使電能表距計量箱各方向都有一段距離。採用該方式，可承受300噸的恆定磁場攻擊，保證狀態不受影響。如果持續加大磁場強度，超過上限值後，禁止殼作用失效。
採用主動斷電方式：加裝磁性觸點開關，當感應到強磁時，切斷供電迴路。該技術在中國專利《CN103149429A》《CN203385773U》均有描述。
採用繼電器狀態檢測方式：2014年12月前已有的繼電器檢測方式一般為：繼電器通過內部的同步機構，輸出開關狀態節點，連線到處理器連線埠進行檢測。這種檢測方式，檢測的並不是真實的電路通斷狀態，如果繼電器同步機構出現問題，將無法正確檢測繼電器狀態。
上述保護方式功能單一、效果有限，可靠性較差，不能及時發現竊電行為，不能滿足防竊電的要求。
3、電能表電源故障檢測問題。電能表供電多為工頻變壓器，強磁場可以降低工頻變壓器的效率，使電能表功耗變大，變壓器無法提供足夠的電壓供電能表工作，造成電能表無法啟動，不能計量。如果電能表不能及時檢測到此類故障，將會造成巨大的電費損失。2014年12月前已有的電能表電源故障檢測方式一般為：系統掉電後，通過備用電池給系統供電，處理器打開計量晶片開關，初始化計量晶片，從存儲器中讀取計量參數並下發到計量晶片中，等計量晶片正常運行後，再讀取計量晶片內的交流電壓值，來判斷外部供電是否正常。此過程需要計量晶片和存儲器上電工作，功耗較大且需要時間較長，對電池電量帶來很大消耗。
4、電池鈍化問題。電能表時鐘電池採用鋰亞電池，鋰亞電池雖然容量大，但使用時存在鈍化問題。電池鈍化後短時間無法輸出足夠的電壓，造成電能表工作不正常，尤其會造成電能表時鐘失準，嚴重影響電能表的功能。
截至2014年12月，電池防鈍化的技術主要有以下幾種：
一、電能儲能法：
將電池與超級電容並聯，在靜置階段電池對超級電容緩慢充電，待需要大電流脈衝時直接由超級電容供電。這個方法的弊端主要是成本和自放電的問題，超級電容的價格接近甚至超過電池本身的價格，大大提高了成本，另外超級電容存在較大的漏電流，增加了自放電率，電池的使用壽命減短。不能滿足電能表壽命10年，電池供電5年的要求。
二、平衡電流法
讓電池始終保持一個較為合理的放電電流，這個電流的大小剛好能夠及時均勻的消除生產的鈍化層。電池鈍化速度受溫度的影響，電能表的運行溫度範圍為-40到70度，採用固定的平衡電流無法根據現場的溫度進行調節，若電流過小不足以消除鈍化，若電流過大會減小電池壽命。
三、定時激活法
定時將電池進行一次較大電池的脈衝放電，將剛剛生成的鈍化膜擊穿。由於無法確定電池鈍化的程度，同樣存在激活不足或激活過量的問題。
2014年12月前技術雖然在一定程度上都可以起到防止電池鈍化的作用，但對於電能表來說，壽命時間長，溫度範圍大，且在室外運行，以上特點決定了電能表不適合採用上述開環方式來防止電池鈍化。
5、電機的保護問題。在邊遠地區，大多數供電為3×380伏三相三線制，如果繼電器因為本身故障或其他的原因造成繼電器的三相開關狀態不一致，會造成缺相故障。農業排灌用電最主要的設備為三相電動機，缺相故障將會對農排用電設備造成嚴重影響，甚至直接燒毀電動機。
發明內容
專利目的
《一種智慧型農排表》的目的是提供一種智慧型農排表以解決2014年12月前已有技術的上述問題。
技術方案
《一種智慧型農排表》結構中包括CPU，與CPU連線的數據採集單元、遠程通信單元、顯示單元、存儲單元、磁場檢測單元、電池，關鍵在於：所述遠程通信單元中設定移動公網通信模組或電力載波通信模組，所述磁場檢測單元設定三組，結構中還包括繼電器檢測單元。
優選方案：所述的電力載波通信模組在強電接口處，將B相接至N相接線柱，原B相接線柱懸空。
優選方案：所述的繼電器檢測單元設定三組，分別連線ABC三相；繼電器檢測單元包括分壓電路，控制開關電路，強弱電隔離電路，上拉電阻和脈衝檢測電路。
進一步地，還包括電池防鈍化單元。
改善效果
1、可以根據現場情況使用公網通信模組或電力載波通信模組進行與遠端的通信，解決了遠程通信及通信手段單一的問題，特別是採用基於三相三線的電力載波通信方式，克服了中國邊遠地區現場條件惡劣，無法進行通信的問題。
2、通過檢測三相線路上繼電器的實際開關狀態，可以在發生竊電時及時發現並上報，減少損失，同時也可以據此判斷電源故障，保證電錶正常運行。
3、通過電池防鈍化單元，可以準確檢測電池鈍化程度，並根據鈍化程度採取不用的放電方式，及時消除電池鈍化膜，有效地防止了在消除鈍化的過程中電池放電不足或放電過量的情況。
4、農排表繼電器檢測電路還可對各相電壓進行監測，如檢測到供電線路出現缺相故障，繼電器斷開保護電機。農排表通過計量晶片，實時檢測電壓電流功率功率因數等參數，當電壓不平衡、電流不平衡、功率超限、功率因數激增等情況時，及時斷開繼電器，保護用戶電機，並向主站進行報警，主站向農排用戶傳送通知，排除故障後方可正常運行，保護農排用戶的固定資產免受損失。
附圖說明
圖1是農排表工作原理及組成示意圖，
圖2是繼電器檢測單元功能框圖，
圖3是繼電器檢測單元原理圖，
圖4是電池防鈍化單元功能框圖，
圖5是電池防鈍化單元原理圖，
圖6磁場檢測單元在農排表中的安裝位置示意圖，
圖7是磁場檢測單元的電壓選擇電路原理圖，圖中1是農排表，2是磁場檢測單元安裝位置示意。
圖8是線性霍爾感測器安裝布局示意圖。
權利要求
1.《一種智慧型農排表》結構中包括CPU、與CPU連線的數據採集單元、遠程通信單元、顯示單元、存儲單元、磁場檢測單元、費控單元、電池，其特徵在於：所述遠程通信單元為電力載波通信模組，所述磁場檢測單元設定三個，結構中還包括繼電器檢測單元；所述的電力載波通信模組在強電接口處，將B相接至N相接線柱，原B相接線柱懸空；所述的繼電器檢測單元設定三個，分別連線ABC三相的繼電器；繼電器檢測單元包括分壓電路，控制開關電路，強弱電隔離電路，上拉電阻和脈衝檢測電路。
2.根據權利要求1所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：CPU連線控制開關電路，脈衝檢測電路的輸出連線CPU。
3.根據權利要求1所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：所述的三組磁場檢測單元安裝在農排表內部正面的左右兩側和上側；每組磁場檢測單元採用三顆分立線性霍爾感測器，三個線性霍爾器件的表面相互垂直，組成三軸磁感測器。
4.根據權利要求3所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：三顆分立線性霍爾感測器的輸出，經電壓選擇電路，將其中最大或最小的電壓值送給CPU的A/D檢測連線埠；電壓選擇電路包括兩個比較放大器、兩個異或門電路、兩個模擬開關；第一個比較放大器的輸入端連線兩個線性霍爾感測器的輸出，第一個異或門電路的輸入端連線第一個比較放大器的輸出和CPU的I/O連線埠，第一個模擬開關的輸入端連線兩個線性霍爾感測器的輸出，第一個模擬開關的控制端連線第一個異或門電路的輸出；第二個比較放大器的輸入端連線第三個線性霍爾感測器的輸出和第一個模擬開關的輸出，第二個異或門電路的輸入端連線第二個比較放大器的輸出和CPU的I/O連線埠，第二個模擬開關的輸入端連線第三個線性霍爾感測器的輸出和第一個模擬開關的輸出，第二個模擬開關的控制端連線第二個異或門電路的輸出；第二個模擬開關的輸出連線CPU的A/D檢測連線埠。
5.根據權利要求1所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：結構中還包括電池防鈍化單元，電池防鈍化單元包括連線電池的等效負載電阻（R3，R4）和連線到CPU的檢測開關（K1）組成的電池鈍化檢測電路、連線電池的脈衝放電電阻（R5）和連線到CPU的脈衝放電開關（K2）組成的脈衝放電電路以及連線電池的兩個電阻（R1，R2）串聯組成微電流平衡電路。
6.根據權利要求5所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：CPU每小時通過電池防鈍化單元對電池進行檢測和放電，包括以下步驟：A、檢測電池的開路電壓，如果開路電壓不足3.0伏，記錄電池欠壓事件，等待下一次檢測；如果開路電壓大於3.0伏，打開檢測開關（K1）；B、檢測帶載電壓，B1、如果帶載電壓在3.0伏以上，則關閉檢測開關（K1），等待下一次檢測；B2、如果帶載電壓大於2.8伏且小於3.0伏，則保持檢測開關（K1）打開，對電池進行放電，保持10秒鐘，並連續檢測電壓，如果電壓不變或者變小，則關閉檢測開關（K1），等待下一次檢測；如果電壓上升，保持檢測開關（K1）為打開狀態，直到電池電壓不再上升，關閉檢測開關（K1），等待下一次檢測；B3、如果帶載電壓小於2.8伏，每秒打開脈衝放電開關（K2）一次，每次持續100毫秒，並檢測電池電壓，直到電壓不再上升，關閉檢測開關（K1）、脈衝放電開關（K2），等待下一次檢測；如果電池電壓沒有上升，關閉檢測開關（K1）、脈衝放電開關（K2），並記錄電池欠壓事件，等待下一次檢測。
7.根據權利要求6所述的一種智慧型農排表，其特徵在於：在步驟A中，檢測開關（K1）打開的時間至少為1000毫秒。
實施方式
參看圖1，一種智慧型農排表結構中包括CPU，與CPU連線的數據採集單元、遠程通信單元、顯示單元、存儲單元、磁場檢測單元、費控單元、電池防鈍化單元、電池、繼電器檢測單元以及電源及管理模組等。
農業排灌表的現場套用環境複雜，電力載波通信模組受距離及高頻干擾影響，無線公網模組受基站信號強弱影響。《一種智慧型農排表》中，遠程通信單元中設定移動公網通信模組或電力載波通信模組，實際套用中，工作人員根據現場情況選擇更適合的通信方式。
傳統的載波通信模組都是在三相四線制的基礎上套用，對應有四個接線柱，分別接A相、B相、C相和N相。農排用電線路用電負載多為三相三線式平衡負載電動機，為降低成本和減少施工難度，大多數供電為3×380伏三相三線制，三相三線中沒有N線，普通的載波通信方式無法進行過零檢測，不能進行載波通信。
《一種智慧型農排表》針對載波通信的過零檢測電路設計了三相三線的收發電路，可在沒有零線的線路中實現載波通信。以B相為參考，A、C相的波形頻率仍為50赫茲，在載波模組的強電接口處，將B相接至N相的位置，原B相位置懸空，用AB間和CB間的波形變化來進行過零檢測，實現三相三線電力線載波的通信。該實施例中，採用鼎信載波模組。
參看圖2，繼電器檢測單元包括分壓電路，控制開關電路，強弱電隔離電路，上拉電阻和脈衝檢測電路。該單元設定三個，分別連線ABC三相的繼電器。
參看圖2和圖3，CPU與每個繼電器檢測單元通過兩個控制信號連線：CTRL和TEST。電路輸入為交流電壓，電路工作時，CPU通過CTRL連線埠，打開電路，經電阻分壓後，電壓降至光耦和二極體工作電壓範圍內，使光耦周期性導通，光耦導通時，TEST連線埠為低電平；光耦截止時，TEST連線埠被電阻上拉為高電平，所以CPU在TEST連線埠可檢測到脈衝信號，若交流輸入端無電壓信號，則TEST連線埠為持續高電平。
通過一個檢測電路，同時實現了繼電器狀態檢測和電源故障檢測功能，並提高了檢測的速度和準確性。
繼電器狀態檢測原理：CTRL端輸出高電平，繼電器閉合時，光耦周期性導通，TEST端輸出脈衝信號到CPU，頻率為50赫茲；繼電器斷開時，光耦不導通，TEST端為持續高電平。CPU通過檢測TEST端的電平狀態可判斷繼電器的通斷狀態。電路中使用晶閘管來控制初級電路的通斷，只在檢測時打開晶閘管，降低了電路的功耗。電能表通過電壓檢測電路，實時檢測繼電器的開合狀態，當發現繼電器實際狀態與命令狀態不一致，電能表重新傳送命令，若三次以後狀態仍然不一致，則判斷發生繼電器誤動作，電錶記錄事件，並通過通信模組傳輸到後台主站。
通過繼電器檢測單元還可以檢測電源故障：電能表發生掉電後，電錶運行在低功耗狀態下，通過備用電池，打開電源檢測電路，CTRL端輸出高電平，CPU檢測TEST端電平的狀態，判斷供電端是否有電壓，若供電端有電壓，但電能表無法正常啟動，則判斷發生電源故障，電錶記錄事件，並通信模組通過後備電池將事件傳輸到後台主站，提醒後台工作人員及時處理。在繼電器斷開的狀態下，由於農排表無法輸出電壓，即使發生強磁干擾電錶電源事件，也不會造成竊電的後果。
農排表為戶外安裝產品，農排灌用電環境複雜，竊電現象時有發生，此電路可以有效地監測用電現場對農排表繼電器和電源的攻擊，快速準確地檢測故障，並實時上報給用電管理部門，方便管理人員及時處理，規範了農業排灌用電秩序。
參看圖4和圖5，電池防鈍化單元包括連線電池的等效負載電阻和連線到CPU的檢測開關組成的電池鈍化檢測電路、連線電池的脈衝放電電阻和連線到CPU的脈衝放電開關組成的脈衝放電電路以及連線電池的兩個電阻串聯組成微電流平衡電路。
電池鈍化檢測電路包括由電阻R3和R4組成的等效負載電阻和檢測開關K1，R3、R4、K1之間串聯，K1連線到CPU，R3連線到電池，CPU的A/D檢測端連線在兩個電阻R3、R4之間；
農排表一般安裝使用的環境比較惡劣，高溫高濕都可以加快電池的鈍化速度。當電池嚴重鈍化時，常規的電池放電已經不足以擊穿鈍化膜，因此需要對電池進行大電流放電。為達到此目的，採用脈衝放電電路，該電路產生電池可耐受的大電流，通過精確控制放電時間，達到擊穿鈍化膜的目的。
脈衝放電電路中，脈衝放電電阻R5連線電池，並與脈衝放電開關K2連線，K2連線到CPU；
微電流平衡電路由連線電池的電阻R1和R2串聯組成，為達到微電流放電目的，R1和R2採用大阻值，
各電路工作過程如下：
電池鈍化檢測電路：在外部電源工作時，K1關閉，A/D檢測電壓為電池開路電壓，開路電壓不受鈍化影響，如果開路電壓不足3.0伏，說明電池已欠壓，電錶記錄電池欠壓事件。如果開路電壓在3.0伏以上，處理器每小時打開K1開關，打開時間至少為1000毫秒，通過等效電阻對電池放電，此時A/D轉換通道檢測到的電壓為電池帶載時的電壓，如果帶載電壓在3.0伏以上，則關閉K1，等待下一個小時檢測；如果電壓大於2.8伏且小於3.0伏，則保持K1打開，對電池進行放電，保持10秒鐘，並連續讀取A/D檢測電壓，如果電壓不變或者變小，則關閉K1。如果電壓上升，則判斷電池發生鈍化，保持K1為打開狀態，直到電池電壓不再上升，鈍化消除，關閉K1。
脈衝放電電路：當檢測到電池有可能處於深度鈍化時（電池帶載電壓小於2.8伏），打開K2開關，通過R5對電池進行脈衝放電，放電電流約為50毫安，每秒鐘放電一次，每次持續100毫秒，並檢測電池電壓，直到電壓不再上升，關閉K1、K2。如果電池電壓沒有上升，說明電池沒有鈍化，電池電量已經不足，此時，關閉K1、K2，並記錄電池欠壓時間。
微電流平衡電路中R1、R2採用大阻值電阻，在電能表不需要電池供電時，使電池保持1微安左右的放電電流，既不會影響電池的使用壽命，又可以讓電池在常溫下不產生鈍化膜，減小了鈍化檢測電路和脈衝放電電路開啟的次數，減小了電池放電的次數。
採用電池鈍化檢測電路，根據鈍化程度採取不用的放電方式，及時消除電池鈍化膜，有效地防止了在消除鈍化的過程中電池放電不足或放電過量的情況。
現場安裝的電能表易受磁場干擾的方向為左右兩側和正面上側，下側為電線接線位置無法用強磁靠近，參看圖6，新型智慧型農排表1中設定三組磁場檢測單元，分別安裝在農排表1內部正面的左右兩側和上側，如2所指示。每組磁場檢測單元使用三個線性霍爾器件，三個線性霍爾器件的表面相互垂直，可檢測X、Y、Z三個軸向的磁場強度，其在電路板上的設定如圖8所示，三組檢測單元的檢測範圍可覆蓋整個電能表可能受到的磁場干擾範圍。
磁場感測器為線性霍爾器件，場強為矢量，單顆霍爾器件只能採集一個軸向的信號，每組磁場檢測單元採用三顆分立線性霍爾感測器組成三軸磁感測器。線性霍爾感測器輸出為模擬量，需要通過AD轉換來獲得磁場的強度。如果為每個感測器分配一個AD通道，每隻電能表使用3個檢測單元，需要9個AD轉換通道，占用巨大的系統資源。《一種智慧型農排表》設計了電壓選擇電路，每個檢測單元只需要一個通道，即可檢測到感測器所處位置的磁場強度。
參看圖7，電壓選擇電路包括比較放大器、異或門電路和模擬開關，CPU的I/O連線埠作為電平控制，連線異或門的輸入端，異或門電路的輸出控制模擬開關。
電路工作時，X軸感測器信號與Y軸感測器信號進行比較放大，輸出的信號與處理器的電平控制信號做異或運算，運算結果控制模擬開關的輸出，電平控制信號為高時，電路選出XY軸信號中電壓較高的一個並與Z軸信號做比較，就可以選出3個方向上電壓最高的信號；電平控制信號為低時，可以選出3個方向上電壓最低的信號。霍爾器件供電電壓為5伏，在無磁場環境下，輸出電壓為2.5伏，當檢測到N\S極磁場分別靠近時，電壓分別向0伏和5伏變化，處理器分時改變電平控制連線埠，即可選出最強的磁場信號。
將選出的信號進行濾波後，進入處理器AD轉換電路，可計算出場強的大小，並可確定是哪一個單元產生的磁場干擾。
農排灌用電環境複雜，竊電現象時有發生。此電路可以根據現場實際安裝環境，設定檢測閾值，CPU根據檢測結果，將A/D轉換後的值與檢測閾值比較，超出閾值範圍，即產生了大於某一強度的磁場。通過更改閾值，就可以改變磁場報警的強度。將檢測到的數據進行存儲並向後台上報，方便用電管理單位及時處理，規範了農業排灌用電秩序。
榮譽表彰
2019年9月29日，《一種智慧型農排表》獲2018年河北省專利獎優秀獎。
