CN106790157A - 告警信号主动采集上传装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种告警信号主动采集上传装置，用于采集并上传开关柜综合保护装置提供的告警信号，包括：采集单元、控制单元及数据上传单元；其中，采集单元与综合保护装置并联，用于采集告警信号并发送到控制单元；控制单元用于按照自定义协议对告警信号编码，并控制数据上传单元将编码后的告警信号主动上传到上位机。本发明能够采集综合保护装置提供的告警信号并主动上传，大大提升了通信速率，避免了可能发生的通信终端甚至通信瘫痪。同时采用用户自定义的协议灵活地对告警信号进行编码，从而克服了现有技术由于不同厂家协议不同造成的上位机与综合保护装置无法正常通信的缺点。

Description

告警信号主动采集上传装置
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种告警信号主动采集上传装置。
背景技术
目前，高压开关柜一般布置综合保护装置控制并监测断路器等设备的工作状态。一般来说，如果断路器等设备掉闸，配电室安装的信号屏能够对此进行显示。但是，若要远程获取针对断路器等设备工作状态的告警信号，由于不同厂家的采用的通信协议不同，以及各厂家对其产品的保护，导致很多监控后台无法与综合保护装置进行通信。同时，现有的数据传输多采用问答式通信方式，由主站依次向各个子站发送指令，指定子站传送某些数据，只有被问询的子站才会作出响应。这种通信方式对主站的配置要求极高且通信效率较低，某一子站传输数据必须要等待排列在前的子站传输之后才能进行。实际应用中，如果某一子站发生故障未作出响应，容易导致通信中断甚至瘫痪，系统可靠性较低。同时，问答式通信需要服务器处理巨大的数据量，容易引起服务器崩溃。
因此，亟需一种不需主机问询即可主动上传告警信号，而且通用性强的装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种告警信号主动采集上传装置，能够采集综合保护装置提供的告警信号并主动上传，大大提升了通信速率，避免了可能发生的通信终端甚至通信瘫痪。同时采用用户自定义的协议灵活地对告警信号进行编码，从而克服了现有技术由于不同厂家协议不同造成的无法正常通信的缺点。
本发明一方面提供一种告警信号主动采集上传装置，用于采集并上传开关柜综合保护装置提供的告警信号，包括：采集单元、控制单元及数据上传单元；其中，采集单元与综合保护装置并联，用于采集告警信号并发送到控制单元；控制单元用于按照自定义协议对告警信号编码，并控制数据上传单元将编码后的告警信号主动上传到上位机。
优选地，所述将编码后的告警信号主动上传到上位机具体为：控制单元对告警信号编码后，不需上位机的询问，即控制数据上传单元将编码后的告警信号上传到上位机。
优选地，所述告警信号为开关量直流信号，是由综合保护装置检测到开关柜内的一路或多路断路器断开时发出的，用于表征开关柜内各断路器的通断状态。
优选地，所述采集单元包括输入模块与隔离模块；其中，输入模块用于采集告警信号并将其发送到隔离模块；隔离模块用于对告警信号进行光电隔离后，将其发送到控制单元。
优选地，控制单元具体为ARM控制器，其I/O端口与隔离模块的输出端口相连。
优选地，数据上传单元包括RS-485芯片，RS-485芯片的单端信号端口与ARM控制器的I/O端口相连，并通过RS-485总线将编码后的告警信号发送。
优选地，所述自定义协议的帧格式包括：帧头、数据码、校验码；其中，数据码是由告警信号中表征开关柜内各断路器通断状态的数据按照预设顺序排列生成。
优选地，所述采集上传装置还包括显示单元，用于对所述采集上传装置的电源状态、数据发送状态、故障状态进行显示。
优选地，数据上传单元还包括无线通信模块，用于将RS-485芯片发送的编码后的告警信号转换为无线信号发送到上位机。
优选地，无线通信模块包括接收芯片、ZIGBEE通信芯片、射频前端芯片及天线；其中，接收芯片用于接收RS-485芯片发送的编码后的告警信号，向ZIGBEE通信芯片发送；ZIGBEE通信芯片用于将编码后的告警信号转换为ZIGBEE信号发送到射频前端芯片；射频前端芯片用于对ZIGBEE信号进行放大、滤波后，通过天线发送到上位机。
由以上技术方案可知，本发明采用用户自定义协议灵活地对告警信号进行编码，从而使不同厂家的综合保护装置能够正常与上位机通信。同时，能够主动上传数据，不需上位机的问询，从而大大提高了通信效率及可靠性，减轻了上位机负担，优化了网络结构。
附图说明
图1是本发明实施例的告警信号主动采集上传装置结构示意图；
图2是本发明实施例的控制单元电路原理图；
图3是本发明实施例的隔离模块电路原理图；
图4是本发明实施例的数据上传单元电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本发明的发明人考虑到现有的高压开关柜一般布置综合保护装置控制并监测断路器等设备的工作状态。一般来说，如果断路器等设备掉闸，配电室安装的信号屏能够对此进行显示。但是，若要远程获取针对断路器等设备工作状态的告警信号，由于不同厂家的采用的通信协议不同，以及各厂家对其产品的保护，导致很多监控后台无法与综合保护装置进行通信。同时，现有的数据传输多采用问答式通信方式，由主站依次向各个子站发送指令，指定子站传送某些数据，只有被问询的子站才会作出响应。这种通信方式对主站的配置要求极高且通信效率较低，某一子站传输数据必须要等待排列在前的子站传输之后才能进行。实际应用中，如果某一子站发生故障未作出响应，容易导致通信中断甚至瘫痪，系统可靠性较低。同时，问答式通信需要服务器处理巨大的数据量，容易引起服务器崩溃。
针对上述问题，本发明的发明人对现有技术进行如下改进：
(1)通过控制单元对从综合保护装置采集的告警信号按照自定义协议进行编码，之后上传到上位机。这样，上位机可以准确获知开关柜内断路器等设备的运行状态，由此克服了现有技术中由于厂家不同造成的上位机与综合保护装置无法通信的缺点。同时，自定义协议兼容各种工业通用协议，具有良好的通用性。
(2)针对传统的采集装置与上位机之间告警信号的直接传输或透明传输，在通信链路中增加控制单元，在实现自定义编码的同时，改变了数据传输方式，由原有的问答式通信变为主动上传，大大提高了数据传输效率，避免了通信中断的发生。同时，上述改进使上位机不必具有超高配置，也不必频繁地发出问询，只需接收数据即可，由此优化了通信结构，提高了系统可靠性与稳定性。
图1示出了本发明的告警信号主动采集上传装置结构，参见图1，告警信号主动采集上传装置包括：采集单元1、控制单元2、数据上传单元3。
需要说明的是，本发明的告警信号主动采集上传装置采集的是开关柜综合保护装置提供的告警信号。一般来说，综合保护装置能够监测开关柜中的断路器等设备的运行状态，并提供110V或220V的直流电压产生告警信号。正常状态下，综合保护装置不会告警；如果某一路断路器断开，综合保护装置会生成直流告警信号显示在信号屏。本发明的告警信号主动采集上传装置的输入端与综合保护装置告警的信号线并联，在某一路断路器断开时，即时采集多路断路器的运行状态上传到上位机。
下面具体介绍本发明的各个组成部分：
采集单元1与综合保护装置并联，用于采集告警信号并发送到控制单元2。上述告警信号为开关量直流信号，是由综合保护装置检测到开关柜内的一路或多路断路器断开时发出的，用于表征开关柜内各断路器的通断状态。实际应用中，告警信号为110V或220V的直流信号，高电平脉冲宽度大于5ms。
在本发明优选实施例中，采集单元1包括输入模块11与隔离模块12。输入模块11用于采集告警信号并将其发送到隔离模块12。一般来说，输入模块11可以是各种接线端子。隔离模块12用于对告警信号进行光电隔离后，将其发送到控制单元2。
具体应用中，隔离模块12是以光耦器件为核心搭建的电路，其能够提供较大的隔离电压，确保操作者的安全。较佳的，本发明采用型号为TPL281的光耦，能够提供2500V的隔离电压。本发明优选实施例的隔离模块的电路如图3所示，参见图3，I15为输入的告警信号正极，M1为各路信号的公共负极，U6D为光耦。
控制单元2用于按照自定义协议对告警信号编码，并控制数据上传单元3将编码后的告警信号主动上传到上位机4。
自定义协议由用户根据应用环境确定，并与现有的工业通用协议如MODBUS等兼容。这样不仅能使告警信号主动采集上传装置具有极强的通用性，更为重要的是，上位机可以从告警信号中准确获知开关柜内断路器等设备的运行状态，由此克服了现有技术中由于厂家不同造成的上位机与综合保护装置无法通信的缺点。
自定义协议的帧格式一般为：帧头、数据码、校验码。其中，数据码是由告警信号中表征开关柜内各断路器通断状态的数据按照预设顺序排列生成。数据码的排列顺序可以根据应用需求确定。举例而言，如果告警信号主动采集上传装置采集32路开关量信号，可用8字节数据表示，每一路信号占用两位数据；可以用00表示低电平，11表示高电平，01、10表示数据异常。在实际应用中，控制单元2通过检测是否出现上升沿判断高电平，而高电平一般对应断路器的断开，低电平对应断路器闭合。
特别的，控制单元2还具有另一个作用：在对告警信号进行编码之后，控制单元可以主动上传告警信号，整个通信过程并不需要上位机4的询问，由此彻底改变了传统的问答式通信方式，极大提高了通信速率，避免了通信中断，减轻了上位机负担，优化了网络结构，大大提升了系统通信效率及可靠性。
数据上传单元3用于在控制单元2的控制下将编码后的告警信号上传到上位机4，从而实现对开关柜设备运行状态的远程监控。
在本发明优选实施例中，控制单元2是ARM控制器，数据上传单元3是以RS-485芯片为核心搭建的电路，RS-485芯片通过RS-485总线向上位机4发送数据。图2示出了本发明实施例的控制单元电路，图4示出了数据上传单元电路，参见图2、4：ARM控制器的I/O端口与隔离模块的输出端口相连，ARM控制器的另外3个I/O端口与RS-485芯片的单端信号端口及使能端口相连，RS-485芯片的差分信号端口向外输出。
可以理解的是，控制单元2也可以是CPU、DSP等具有类似功能的装置，数据上传单元也可采用RS-232总线、并行总线并设计相应电路传输数据，本发明对此不作限制。
在本发明优选实施例中，告警信号主动采集上传装置还设置有显示单元(图中未示出)，一般采用3个指示灯D1、D2、D3，分别显示电源状态、数据发送状态、故障状态。
作为一个优选方案，数据上传单元3还包括无线通信模块(图中未标出)，用于将RS-485芯片发送的编码后的告警信号转换为无线信号发送到上位机4。无线传输单元3可以是各种有效的无线通信设备，如WIFI、BLUETOOTH、ZIGBEE等。在本发明优选实施例中，无线通信模块包括接收芯片、ZIGBEE通信芯片、射频前端芯片及天线(以上图中均未标出)。
具体而言，接收芯片用于接收RS-485芯片发送的编码后的告警信号，向ZIGBEE通信芯片发送。
ZIGBEE通信芯片用于将编码后的告警信号转换为ZIGBEE信号发送到射频前端芯片。
射频前端芯片用于对ZIGBEE信号进行放大、滤波后，通过天线发送到上位机4。
实际应用中，接收芯片为RS-485芯片，ZIGBEE通信芯片可以选用TI的CC2530、射频前端芯片可以选用RFAXIS2401C。
实际应用中，采用ZIGBEE通信时，由于处于拥挤的ISM2.4G频段，易受到周围的WIFI、BLUETOOTH等信号干扰，导致丢包率剧增。为解决以上问题，本发明提出如下方法：
首先，在告警信号主动采集上传装置工作前，利用信号评估单元(图中未标出)对ZIGBEE的11、15、20、26信道进行信号质量检测。具体地，针对告警信号主动采集上传装置的无线通信模块，信号评估单元分别对ZIGBEE11、15、20、26信道进行发射与接收测试，利用下列公式计算上述信道中每一的信道质量指标CQI：
其中，S/N为信噪比，P为测试信号电平，CI为信道隔离度，f0为信道中心频率，l、m、n为权值系数，需根据应用环境确定。
上述过程中，之所以选择11、15、20、26信道作为评估信道，是因为四者与WIFI、BLUETOOTH的常用信道重叠部分最少。从这四信道中进行评估，可大大提高信道评估效率，而不会对信道检测结果造成较大影响。
同时，上述步骤中仅通过信号源、频谱仪对信噪比、信号电平、隔离度进行测量即可快速确定信道质量，大大降低了传统的CQI检测的复杂性，适于工程应用的需求。
之后，信号评估单元将上述四信道根据CQI由大到小的顺序依次标记为第一信道、第二信道、第三信号、第四信道。将上述信道标记信息发送到控制单元。
工作中，控制单元控制无线通信模块首先工作在第一信道。控制单元同时根据上位机的反馈检测丢包率，若丢包率大于预设阈值，如10％，则控制无线通信模块在第二信道进行通信。当检测到第一、二信道丢包率均大于预设阈值，则控制无线通信模块工作在第三信道。当检测到第一、二、三信道丢包率均大于预设阈值，则控制无线通信模块工作在第四信道。当控制单元检测到第一、二、三、四信道丢包率均大于预设阈值，则向上位机报警。信号评估单元重新进行信道评估。
这样，本发明通过上述信道评估与信道切换的方法，大大避免了2.4G频段其它通信信号的干扰，有力保证了告警信号采集的准确性。
上位机4可以是服务器及与之相连的客户端，用来接收数据，并对数据进行解码以获得准确的开关量信息，进而实现对开关柜设备状态的监测。上位机4还对本发明的告警信号主动采集上传装置进行监控，并通过发送各种指令对其进行控制。
可以理解的是，本发明也可以应用在其它领域的开关量采集环境中，也可以取得前述技术效果。
本发明提供的告警信号主动采集上传装置采用用户自定义协议灵活地对告警信号进行编码，从而使不同厂家的综合保护装置能够正常与上位机通信。同时，能够主动上传数据，不需上位机的问询，从而大大提高了通信效率及可靠性，减轻了上位机负担，优化了网络结构。本发明安装简便、功耗较小、易于在工程应用中大面积推广。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种告警信号主动采集上传装置，用于采集并上传开关柜综合保护装置提供的告警信号，其特征在于，包括：采集单元、控制单元及数据上传单元；其中，
采集单元与综合保护装置并联，用于采集告警信号并发送到控制单元；
控制单元用于按照自定义协议对告警信号编码，并控制数据上传单元将编码后的告警信号主动上传到上位机。
2.如权利要求1所述的装置，所述将编码后的告警信号主动上传到上位机具体为：
控制单元对告警信号编码后，不需上位机的询问，即控制数据上传单元将编码后的告警信号上传到上位机。
3.如权利要求2所述的装置，所述告警信号为开关量直流信号，是由综合保护装置检测到开关柜内的一路或多路断路器断开时发出的，用于表征开关柜内各断路器的通断状态。
4.如权利要求3所述的装置，所述采集单元包括输入模块与隔离模块；其中，
输入模块用于采集告警信号并将其发送到隔离模块；
隔离模块用于对告警信号进行光电隔离后，将其发送到控制单元。
5.如权利要求4所述的装置，控制单元具体为ARM控制器，其I/O端口与隔离模块的输出端口相连。
6.如权利要求5所述的装置，数据上传单元包括RS-485芯片，RS-485芯片的单端信号端口与ARM控制器的I/O端口相连，并通过RS-485总线将编码后的告警信号发送。
7.如权利要求6所述的装置，所述自定义协议的帧格式包括：帧头、数据码、校验码；其中，数据码是由告警信号中表征开关柜内各断路器通断状态的数据按照预设顺序排列生成。
8.如权利要求1-7任一所述的装置，所述采集上传装置还包括显示单元，用于对所述采集上传装置的电源状态、数据发送状态、故障状态进行显示。
9.如权利要求8所述的装置，数据上传单元还包括无线通信模块，用于将RS-485芯片发送的编码后的告警信号转换为无线信号发送到上位机。
10.如权利要求9所述的装置，无线通信模块包括接收芯片、ZIGBEE通信芯片、射频前端芯片及天线；其中，
接收芯片用于接收RS-485芯片发送的编码后的告警信号，向ZIGBEE通信芯片发送；
ZIGBEE通信芯片用于将编码后的告警信号转换为ZIGBEE信号发送到射频前端芯片；
射频前端芯片用于对ZIGBEE信号进行放大、滤波后，通过天线发送到上位机。
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