CN102435838A - 一种基本电量型能效数据采集终端 - Google Patents

一种基本电量型能效数据采集终端 Download PDF

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CN102435838A CN2011103153819A CN201110315381A CN102435838A CN 102435838 A CN102435838 A CN 102435838A CN 2011103153819 A CN2011103153819 A CN 2011103153819A CN 201110315381 A CN201110315381 A CN 201110315381A CN 102435838 A CN102435838 A CN 102435838A
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钟鸣
闫华光
王鹤
杨湘江
章欣
王红梅
李德智
李涛永
蒋利民
苗常海
何桂雄
周昭茂
刘永顺
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中国电力科学研究院
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Abstract

本发明提供一种基本电量型能效数据采集终端,包括微处理模块MCU、数据存储模块、电源模块和RS485接口;数据存储模块与微处理模块MCU双向连接;电源模块为微处理模块MCU供电;RS485接口、微功率无线模块和PLC载波通信模块分别与微处理模块MCU双向连接;计量模块与微处理模块MCU双向连接;三路电压采样模块和三路电流采样模块分别与计量模块单向连接。本发明具有很强的抗干扰性,可靠性高;解决了基本电量能效数据采集和传输难题,实现集群式部署、多种数据类型采集、多种接口传输等完全适应工业现场能效基本电量的采集。此外,该终端还考虑了不同工作环境需求,如通信模式也可采用微功率无线、PLC等信号传输方式,并为未来主站的智能控制实现留下扩展接口。

Description

一种基本电量型能效数据采集终端
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电工仪器仪表,具体讲涉及一种基本电量型能效数据采集终端。 背景技术
[0002] 节能产业的迅速发展给基础技术提出了极高的要求,完善、丰富、准确的基础数据是推动节能产业的整体健康发展的前提,是评价所有节能技术效果的关键。当前各种节能数据、能效信息混乱给节能产业带来很多潜在隐患。因此,亟待建立统一的能效数据采集中心,获取全面的节能服务行业数据,为节能行业发展提供数据支撑和技术保障,对节能项目进行监测和节能服务机构进行评估,为节能提供决策支撑。
[0003] 准确的能效基础数据主要依赖于现场实时采集,包括电量和非电量数据,需采用专用采集终端进行采集并传输。实际现场存在许多诸如流量、温度、湿度、压力等热工量而这些热工量又是评估能效的重要因素,亟待开发一种满足工业现场及能效监测要求的实时采集热工量的采集终端。
[0004] 申请号为200920069055. 2的专利公开了无线数据采集终端,该终端包括射频识别模块、主控模块以及无线通信模块。该实用新型能够实现数据的无线采集和无线传输,具有实时性强、使用范围广、系统的传输容量大等特点。
[0005] 申请号为200920236498. 6的专利公开了用于低压电力用户集中抄表系统的采集终端,其包括主控制器、存储模块、远程更新模块、载波调制模块、电源模块和RS485接口模块,该实用新型的目的在于提供一种可以在主站上操作实现远程系统更新的用于低压电力用户集中抄表系统的采集终端。
[0006] 申请号为200920279096. 4的专利公开了一种电量管理系统用采集终端,该采集终端包括脉冲端口以及与手持机进行数据通信的通信单元,还包括RS485接口,且该RS485 接口符合在该脉冲端口上。该实用新型提供的技术方案便于部署及扩展,提高采集效率, 进而提高电量管理系统中电量采集传输的效率。
[0007] 申请号为201020214236. 2的专利公开了一种安装模块化通信模块的专变采集终端,用以采集专变用户电能信息的装置。此终端包括显示屏、主板、通信接口和接线端子,主板上安装有远程通信模块和信号扩展接口模块,远程通信模块通过基板与主板上的远程终端接口连接,基板上安装有信号接收器。本专利将现有技术中每个专变采集终端内固化的远程通信模块和信号扩展接口模块都设计成插拔式的模块,制定统一的管脚,使得各种通信方式之间实现任意更换,大大减少了用户更换成本和施工难度。
[0008] 本发明人经长期潜心研究发现,尽管上述现有技术为基本电量型能效数据采集终端的研发提供了基础技术,但仍没有达到集群式部署、多种数据类型采集、多种接口传输等完全适应工业现场能效热工量采集的要求。
[0009] 本发明提供了一种技术方案,该方案通过集群式部署,采集多种热工量参数,并实现多种接口安全、稳定、可靠的传输,使能效热工量的实时采集和传输成为可能,为能效数据实时采集提供了技术保障。发明内容
[0010] 本发明提供了一种基本电量型能效数据采集终端,实现群式部署、多种数据类型采集、多种接口传输等完全适应工业现场能效热工量的采集。
[0011] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0012] 一种基本电量型能效数据采集终端,所述终端包括微处理模块MCU、数据存储模块、电源模块和RS485接口 ;所述微处理模块MCU包括芯片时钟模块和AD转换模块;
[0013] 所述数据存储模块与微处理模块MCU双向连接;
[0014] 所述电源模块为所述微处理模块MCU供电;
[0015] 所述RS485接口、微功率无线模块和PLC载波通信模块分别与所述微处理模块MCU 双向连接;
[0016] 计量模块与所述微处理模块MCU双向连接;
[0017] 三路电压采样模块和三路电流采样模块分别与所述计量模块单向连接。
[0018] 所述RS485接口为所述终端的标准配置接口,所述微功率无线模块和PLC载波通信模块接口为可插拔式,两者在终端上共用同一个接口标准。
[0019] 所述终端采用软时钟和网络对时结合的集约方式。
[0020] 所述终端将4或8路的所述信号采样模块采集并转换的4〜20mA电流模拟信号输入其输入端口,或者采用RS485接口模块直接接收数字信号。
[0021] 所述终端通过主机或掌上机对每个所述端口设置抄收类型和曲线参数,和设置所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省数值。
[0022] 所述终端的采集的精度为仪表性能分类的B级精度,或者不低于国标规定的2. 0 级精度。
[0023] 所述电源模块采用PT(Potential Transformer)供电模式,以使得设备结构和端子排列紧凑。
[0024] 所述电源模块的测试对象为三相三线和三线四线制电路或高压。
[0025] 所述微处理模块MCU包括主控芯片Ul,其具有ARM Cortex_M3内核,操作频率最高可达到IOOMHz。
[0026] 所述数据存储模块与主控芯片Ul通过SPI通讯接口连接,其包括flash存储器U4 和铁电存储器U5。
[0027] 所述RS485接口模块包括2个RS485接口芯片,在所述接口芯片和主控芯片Ul之间用光电耦合器进行光电隔离,防止信号对主控芯片Ul的干扰。
[0028] 所述PLC载波通信模块与主控芯片Ul双向连接,并与电力线L、N连接;其包括芯片 UlOo
[0029] 所述计量模块包括计量芯片,所述三路电压采样模块和三路电流采样模块采样得到的信号输入所述计量芯片,经过所述计量芯片分析计算,输出各种电量参数。
[0030] 所述终端通过电压互感器PT (Potential Transformer)和电流互感器CT (Current Transformer)采集相(线)电压、相(线)电流和中性线电流,再通过计量芯片运算处理获得所述电量参数;
[0031] 所述电量参数是功率因数、有功功率、无功功率、分(合)相有功、分(合)相无功和四象限无功等。
[0032] 所述终端在所述微处理器MCU内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数(流量、温度、压力和湿度)曲线记录、ABC电流(压) 偏差越限事件记录、上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压(流)(全ABC相) 事件记录等。
[0033] 所述掉电事件记录指三相电压(单相表为单相电压)均低于电能表临界电压,且负荷电流不大于5%额定电流的工况。
[0034] 所述失压事件指在三相(或单相)供电系统中,某相负荷电流大于启动电流,但电压线路的电压低于电能表参比电压的78%,且持续时间大于1分钟的工况。
[0035] 所述失流事件指在三相供电系统中,三相电压大于电能表的临界电压,三相电流中任一相或两相小于启动电流,且其他相线负荷电流大于5%额定电流的工况。
[0036] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
[0037] 1.抗干扰性强,可靠性高;
[0038] 2.解决了热工量能效数据采集和传输难题,实现集群式部署、多种数据类型采集、 多种接口传输等完全适应工业现场能效热工量的采集,为能效数据中心提供准确的能效基础数据,为国家和各级政府机构节能政策提供支撑;
[0039] 3.本发明提供的技术方案充分考虑了不同工作环境需求,如采用了微功率无线、 PLC等信号传输通讯模式,并为未来主站的智能控制实现留下扩展接口。
附图说明
[0040] 图1是热工型能效数据采集终端的结构图; [0041 ] 图2是微处理模块MCU的电路原理图;
[0042] 图3是数据存储模块的电路原理图;
[0043] 图4是RS485接口的电路原理图;
[0044] 图5是PLC载波通信模块的电路原理图;
[0045] 图6是计量模块的电路原理图;
[0046] 图7是三路电压采样模块的电路原理图;
[0047] 图8是三路电流采样模块的电路原理图。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0049] 如图1所示,一种基本电量型能效数据采集终端,所述终端包括微处理模块MCU、 数据存储模块、电源模块和RS485接口 ;所述微处理模块MCU包括芯片时钟模块和AD转换模块;
[0050] 所述数据存储模块与微处理模块MCU双向连接;
[0051] 所述电源模块为所述微处理模块MCU供电;
[0052] 所述RS485接口、微功率无线模块和PLC载波通信模块分别与所述微处理模块MCU 双向连接;
[0053] 计量模块与所述微处理模块MCU双向连接;[0054] 三路电压采样模块和三路电流采样模块分别与所述计量模块单向连接。
[0055] 所述RS485接口为所述终端的标准配置接口,所述微功率无线模块和PLC载波通信模块接口为可插拔式,两者在终端上共用同一个接口标准。
[0056] 所述终端采用软时钟和网络对时结合的集约方式。
[0057] 所述终端将4或8路的所述信号采样模块采集并转换的4〜20mA电流模拟信号输入其输入端口,或者采用RS485接口模块直接接收数字信号。
[0058] 所述终端通过主机或掌上机对每个所述端口设置抄收类型和曲线参数,所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省设置为15min。
[0059] 所述终端的采集的精度为仪表性能分类的B级精度,或者不低于国标规定的2. 0 级精度。
[0060] 所述电源模块采用PT (Potential Transformer)供电模式,以使得设备结构和端子排列紧凑;PT供电模式的供电电压在规定工作范围内变化时引起的允许误差改变量极限满足GB/T17215. 301-2007的相关要求;允许误差范围是指电压在0. 8Un〜0. 9Un和 1. IUn〜1. 15Un范围内改变时引起电测量单元的允许误差改变值,不超过其规定工作范围内允许误差改变值极限的3倍,当电压低于80%额定电压时终端的误差在-100%〜 +10%的范围内变化。
[0061 ] 所述电源模块的测试对象为三相三线和三线四线制电路或高压。
[0062] 如图2所示,所述微处理模块MCU包括有型号为LPC1765. LPC1765的主控芯片Ul, 其具有ARM Cortex_M3内核,操作频率最高可达到100MHZ。ARM Cortex_M3CPU具有3级流水线和哈佛结构,带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。
[0063] LPC1765Cortex-M3微控制器的外设组件包含:256KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条 CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的 12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、 带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。
[0064] LPC1765具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能的256KB片上Flash程序存储器。把增强型的Flash存储加速器和Flash存储器在CPU本地代码/数据总线上的位置进行整合,则Flash可提供高性能的代码;
[0065] LPC1765 单个 3. 3V 电源(2. 4V-3. 6V)。温度范围为-40°C -85°C ;
[0066] 在本发明中,共使用了 UARTO、UARTO, UARTU UART2和UART3共4个串口,其中 UARTO用于红外通信;UARTl用于载波/小无线通信;UART2用于第二路RS485通信;UART3 用于第一路RS485通信。
[0067] FLASH存储器U4和铁电存储器U5通过SPI总线接在单片机的SSPl接口 P0. 7、 P0. 8和P0. 9上,P0. 5和P0. 6分别为FLASH存储器U4和铁电存储器U5的片选线。
[0068] Pl. 19连接AT7022计量芯片的状态指示管脚,Pl. 20、Pl. 23和Pl. 24为单片机和 AT7022通过SPI总线通信的时钟线和信号线。
[0069] Pl. 21为AT7022的片选线,Pl. 22为AT7022的复位线,P2. 11和P2. 22分别为 AT7022有功脉冲和无功脉冲输出线。[0070] P2.3输出38K调制波,用于红外通信的调制。该引脚的输出使用了单片机内部的 PWM输出功能。
[0071] 如图3所示,所述数据存储模块与主控芯片Ul通过SPI通讯接口连接,其包括一个型号为MX25L3206E的flash存储器U4和一个型号为PM25CL64的铁电存储器U5。
[0072] 所述存储器U4和U5存储7*96个点的曲线数据,每个点存储200个Byte,共需 185*7*96 = 121。事件记录每种事件记录10条,每条事件20字节,20种事件共需4K字节。
[0073] 如图4所示,所述RS485接口模块包括有2个型号为SN65HV03082E0R的RS485接口芯片,由于增设了 FTC1/2/3/4作为保护装置,防止大电压和大电流对设备的损坏,用以解决RS485接口的损坏、雷击等问题,RS485接口可承受加载220V交流电5分钟不损坏。在型号为SN65HV03082E0R的芯片和主控芯片Ul之间用光电耦合器进行光电隔离,防止信号对主控芯片Ul的干扰。
[0074] 如图5所示,所述PLC载波通信模块与主控芯片Ul双向连接,并与电力线L、N连接;其包括型号为74HCT244的芯片UlO。
[0075] 如图6所示,所述计量模块包括型号为ATT7022的计量芯片,所述三路电压采样模块和三路电流采样模块采样得到的信号输入所述计量芯片,经过所述计量芯片分析计算, 输出各种电量参数。
[0076] 所述终端通过电压互感器PT (Potential Transformer)和电流互感器CT (Current Transformer)采集相(线)电压、相(线)电流和中性线电流,再通过计量芯片运算处理获得所述电量参数;
[0077] 所述电量参数是功率因数、有功功率、无功功率、分(合)相有功、分(合)相无功和四象限无功等。
[0078] 所述终端在所述微处理器MCU内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数(流量、温度、压力和湿度)曲线记录、ABC电流(压) 偏差越限事件记录、上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压(流)(全ABC相) 事件记录等。
[0079] 所述掉电事件记录指三相电压(单相表为单相电压)均低于电能表临界电压,且负荷电流不大于5%额定电流的工况。
[0080] 所述失压事件指在三相(或单相)供电系统中,某相负荷电流大于启动电流,但电压线路的电压低于电能表参比电压的78%,且持续时间大于1分钟的工况。
[0081] 所述失流事件指在三相供电系统中,三相电压大于电能表的临界电压,三相电流中任一相或两相小于启动电流,且其他相线负荷电流大于5%额定电流的工况。
[0082] 图7是三路电压采样模块的电路原理图,分别为A相电压、B相电压、C相电压采样电路,电压经过分压电阻分压,并经过2ma/2ma电压互感器进行信号隔离,输入给V2PP和 V2NN,之后V2P和V2N输入给AT7022的电压采样管脚。
[0083] 图8是三路电流采样模块的电路原理图,分别为A相电流、B相电流、C相电流和零线电流的采样电路。以A相电流采样为例,电流经过IAA和DLHGQ输入,由变比为300 : 1 的电流互感器进行信号转换,经过Rl高精度采样电阻,将电流信号转换为电压信号,VREF 为AT7022输出的直流偏置电压,基准电压为2. 4V,调制好的电压信号通过VlP和VlN输入AT7022的A相电流采样管脚。
[0084] 所述终端具有很强的抗干扰特性,具备完善周密的电磁兼容性(机械结构、电源、 PCB走线、去耦、滤波、接地、光电隔离等方面),能够适应高低温和高湿等恶劣运行环境,具备完善周密的三级防雷措施(电源线、通信接口的防雷措施)。电磁兼容性符合IEC61000-4 的规定的工业过程测量和控制装置的电磁兼容性(静电放电抗扰性试验、辐射电磁场抗扰性试验、电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、外磁场影响、高频抗扰性试验)。
[0085] 最后应该当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制, 尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所述领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本申请待批的权利要求范围当中。

Claims (18)

1. 一种基本电量型能效数据采集终端,所述终端包括微处理模块MCU、数据存储模块、 电源模块和RS485接口 ;其特征在于:所述微处理模块MCU包括芯片时钟模块和AD转换模块;所述数据存储模块与微处理模块MCU双向连接;所述电源模块为所述微处理模块MCU供电;所述RS485接口、微功率无线模块和PLC载波通信模块分别与所述微处理模块MCU双向连接;计量模块与所述微处理模块MCU双向连接;三路电压采样模块和三路电流采样模块分别与所述计量模块单向连接。
2.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述RS485 接口为所述终端的标准配置接口,所述微功率无线模块和PLC载波通信模块接口为可插拔式,两者在终端上共用同一个接口标准。
3.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端采用软时钟和网络对时结合的集约方式。
4.如权利要求2所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端将 4或8路的所述信号采样模块采集并转换的4〜20mA电流模拟信号输入其输入端口,或者采用RS485接口模块直接接收数字信号。
5.如权利要求3所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端通过主机或掌上机对每个所述端口设置抄收类型和曲线参数,和设置所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省数值。
6.如权利要求4所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端的采集的精度为仪表性能分类的B级精度,或者不低于国标规定的2. 0级精度。
7.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述电源模块采用PT(Potential Transformer)供电模式,以使得设备结构和端子排列紧凑。
8.如权利要求7所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述电源模块的测试对象为三相三线和三线四线制电路或高压。
9.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述微处理模块MCU包括主控芯片Ul,其具有ARM Cortex_M3内核,操作频率最高可达到100MHz。
10.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述数据存储模块与主控芯片Ul通过SPI通讯接口连接,其包括flash存储器U4和铁电存储器U5。
11.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述RS485 接口模块包括2个接口芯片,在所述接口芯片和主控芯片Ul之间用光电耦合器进行光电隔离,防止信号对主控芯片Ul的干扰。
12.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述PLC载波通信模块与主控芯片Ul双向连接,并与电力线L、N连接;其包括芯片U10。
13.如权利要求1所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述计量模块包括计量芯片,所述三路电压采样模块和三路电流采样模块采样得到的信号输入所述计量芯片,经过所述计量芯片分析计算,输出各种电量参数。
14.如权利要求6所述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端通过电压互感器 PT (Potential Transformer)禾口电、流互感器 CT (Current Transformer)采集相(线)电压、相(线)电流和中性线电流,再通过计量芯片运算处理获得所述电量参数;所述电量参数是功率因数、有功功率、无功功率、分(合)相有功、分(合)相无功和四象限无功等。
15.如权利要求14述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述终端在所述微处理器MCU内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数(流量、温度、压力和湿度)曲线记录、ABC电流(压)偏差越限事件记录、 上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压(流)(全ABC相)事件记录等。
16.如权利要求15述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述掉电事件记录指三相电压(单相表为单相电压)均低于电能表临界电压,且负荷电流不大于5%额定电流的工况。
17.如权利要求15述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述失压事件指在三相(或单相)供电系统中,某相负荷电流大于启动电流,但电压线路的电压低于电能表参比电压的78%,且持续时间大于1分钟的工况。
18.如权利要求15述的一种基本电量型能效数据采集终端,其特征在于:所述失流事件指在三相供电系统中,三相电压大于电能表的临界电压,三相电流中任一相或两相小于启动电流,且其他相线负荷电流大于5%额定电流的工况。
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