CN107656467A - 一种基于物联网配电管理系统及其在线监控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网配电管理系统及其在线监控的方法，由智能配电箱终端、远程上位机管理系统、声光报警器和移动终端四部分组成，所述智能配电箱终端一方面与远程上位机管理系统双向连接，将配电箱运行电气参数发送至远程上位机并接收远程上位机发出的控制指令，另一方面与声光报警器单向连接，一旦出现运行异常则启动声光报警器报警；远程上位机关联系统接收智能配电箱发送的数据并做出相应的处理，一旦发现数据出现异常，一方面立刻启动自身报警模块，并将报警信息推送到移动终端，另一方面立刻向智能配电箱发送指令使其启动控制回路保证用电安全，并启动其控制的声光报警器。
Description
技术领域
本发明涉及配电设备状态在线监测技术领域，具体是一种基于物联网配电管理系统及其在线监控的方法。
背景技术
配电系统在电力运输系统中处于末端，是电力系统的重要组成部分，其配电设备的运行状态直接影响到整个供电系统运行的安全性,密切关系着经济的发展和人们的工作和生活。据《中国火灾统计年鉴》公布，我国主要城市发生的火灾中，电气原因引发火灾从原来的5.7%上升到27.9%，给人们生活和国民经济发展造成巨大的损失。因此，实时监测配电系统中极其重要组成部分之一的配电箱运行状态、在故障可能发生的前期做出及时可信的预警，并能第一时间获取配电箱的相关运行参数通知相关人员赶赴现场进行处理，有助于保证用电安全和提高配电系统的管理水平，对我国电力系统智能化发展有着重要的意义。
目前市场存在的配电箱及其管理系统中，不能适应现代社会用电管理的需要，主要存在以下问题：1.这类设备不具有智能性，不能进行自动管理、自动控制，无用电情况监测、显示、查询等功能；2.监控分析能力较弱，不能进行配电箱实时数据分析处理，不能记录故障、事件信息并做出相应分析预防。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网配电管理系统及其在线监控的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于物联网配电管理系统，由智能配电箱终端和远程上位机管理系统组成，所述智能配电箱终端包括壳体、微处理单元、通信单元温度传感器和风扇，所述壳体上设置有门和散热孔，壳体内部设置有电气部件；所述远程上位机管理系统提供良好的人机交互界面，管理人员只要在远程监控设备上登陆监测软件，即对智能配电箱终端进行监测与控制；
所述智能配电箱终端的电气部件，包括总开关、控制开关、旁路开关、继电器、计量电路、电压检测电路、供电电源、基准电压电路、支路电流检测电路、漏电检测电路、支路输出控制电路、温度传感器电路和信号预处理电路；
所述智能配电箱终端的微处理单元是以微处理器为核心的收集各种监测信号进行相应的数据处理、并对其他电气部件进行控制的智能管理单元；
所述智能配电箱终端的通信单元分别连接所述微处理单元和远程上位机，实时将配电箱的电气运行参数发送到远程上位机终端；
所述智能配电箱终端的温度传感器通过温度传感器电路与微处理单元电连接，微处理单元电连接散热风扇；
所述智能配电箱终端的高阻燃性的壳体由阻燃木塑材料制成；
所述远程上位机管理系统包括数据采集模块、数据分析模块、数据查询模块、报警输出模块、参数设定模块、主界面软件模块和数据库模块。
作为本发明进一步的方案：所述计量电路对总电压、总电流、总电量进行计量，计量电路包括变压器、主控芯片、电阻和电容，经常规方式连接组成；所述电压监测电路包括电压互感器、变压器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述基准电压电路包括放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述支路电流检测电路包括精密电流互感器、放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述漏电检测电路包括精密电流互感器、放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述支路输出控制电路包括继电器、二极管、三极管和电阻，经常规电路方式连接组成；所述温度传感器电路包括二极管、三极管、电阻和电容，经常规电路方式连接组成，温度传感器通过信号预处理电路与微处理单元连接。
作为本发明进一步的方案：所述信号预处理电路包括信号放大器、整流电路桥、电阻和电容，经常规电路方式组成，其中信号放大器为LM244放大器，整流电路桥为MB6S 整流桥。
作为本发明进一步的方案：所述智能配电箱的微处理单元是以微处理器为核心的收集各种监测信号进行相应的数据处理、并对其他电气部件进行控制的智能管理单元。
作为本发明进一步的方案：所述智能管路单元，包括以微处理器为核心主机电路板、计量电路板、继电器电路板、互感器电路板以及为上述电路板供电的供电电源、控制供电电源的控制开关和继电器控制回路发送故障时保证用户正常供电的旁路开关，其中计量电路板、继电器电路板与主机电路板相连，互感器电路板与计量电路板相连。
作为本发明进一步的方案：所述微处理器为核心的主机电路板，微处理器为STM8系列产品STM8S207R8T6。
作为本发明进一步的方案：所述智能配电箱终端的通信单元分别与所述微处理单元双向电相连和远程上位机通过RS485数据线双向连接，实时将智能配电箱的电气运行参数发送到远程上位机终端。
作为本发明进一步的方案：所述上位机管理系统中的数据收发模块将采集到的数据存储在数据库模块，供数据处理分析模块进行数据分析，分析结果传送报警处理模块，所述数据查询模块直接从数据库查询，参数设定模块给数据处理分析模块设定各种运行参数，主界面模块直接从数据分析模块中读取数据并显示运行状态。
作为本发明进一步的方案：所述数据收发模块采用工业MODBUS总线协议、利用RS485接口从智能配电箱采集电气运行数据。
作为本发明进一步的方案：所述数据采集依据国家能源局发布的<中华人民共和国电力行业标准通信规约>DL/T-20将初稿分为：当前变量、累计记录、控制字与特征字、事件记录和参数变量五大部分。
作为本发明进一步的方案：所述报警输出模块提供声光报警输出接口和推送异常信息的WebAPI接口。
作为本发明进一步的方案：所述声光报警使用RS232接口与PLC控制启动声光报警。
一种基于物联网配电管理系统在线监控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S131：所述微处理单元通过电压监测电路、电流监测电路、漏电监测电路、温度监测电路分别采集相应的信号并进行预处理；
步骤S132：所述微处理单元通过通讯模块将数据上传至远程上位机；
步骤S133：所述远程上位机的数据收发模块采用工业MODBUS总线协议获取来自微处理单元的数据，将其存入数据库中的同时传入数据分析模块；
步骤S134：所述远程上位机的数据分析模块对数据进行处理，并生成相应的控制指令；
步骤S135：所述控制指令通过上位机数据收发模块和智能配电箱终端通信模块发送至微处理单元；
步骤S136：所述微处理单元接收来自远程上位机的控制指令，并启动相应控制电路执执行命令动作。
作为本发明进一步的方案：
步骤S131进一步为：所述微处理器将采集电压、电流、漏电、温度、湿度信号；
步骤S132进一步为：所述微处理器通过4G无线通信SIM7600CE单元，通过4G/3G/2G网络将数据上传到远程上位机；
步骤S133进一步为：所述上位机通过TCP/IP协议获取微处理单元上传的数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、计算机网络技术、单片机技术、物联网技术，实行了物联网化、智能化的配电箱运行状态在线监测，在故障可能发生的前期做出及时可信的预警，做到防范于未然。
2、采用高阻燃性材料制备配电箱的壳体，在保证箱体的机械性能的基础上提高了配电箱的防火性能。
3、利用互联网技术，可以使用户通过移动终端和远程上位机获取当前配电箱的运行状态，保证用电安全。
附图说明
图1为本发明整体框架系统示意图。
图2为本发明智能化配电箱结构示意图。
图3为本发明智能化配电箱微处理单元的结构示意图。
图4为本发明中的监测上位机的功能模块组成图。
图5是本发明中的监测上位机实时监测的程序流程图。
图6是本发明中的监测上位机历史数据分析的程序流程图。
图7是本发明中智能化远程监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种基于物联网配电管理系统，由智能配电箱终端2、远程上位机管理系统3、报警器1和移动终端4共四部分组成，所述智能配电箱终端2一方面与远程上位机管理系统3双向连接，将配电箱运行电气参数发送至远程上位机3并接收远程上位机3发出的控制指令，另一方面与声光报警器1-1单向连接，一旦出现运行异常则启动声光报警器1-1报警；所述远程上位机管理系统3接收智能配电箱2发送的数据并做出相应的处理，一旦发现数据出现异常，一方面立刻启动自身报警模块1-2，并将报警信息推送到移动终端4，另一方面立刻向智能配电箱2发送指令使其启动控制回路保证用电安全，并启动声光报警器1-1。
图2示出了本发明中的智能配电箱终端的结构示意图，所述智能配电箱终端2包括高阻燃性能的壳体5、微处理单元8、通信单元9、温度传感器10和风扇11，所述壳体5上设置有门6和散热孔12，壳体5内部设置有电气部件7。
所述述智能配电箱终端的电气部件7，包括总开关、控制开关、旁路开关、计量电路、继电器、电压检测电路、供电电源、基准电压电路、支路电流检测电路、漏电检测电路、支路输出控制电路、温度传感器电路和信号预处理电路；
所述智能配电箱终端的微处理单元8是以微处理器为核心的收集各种监测信号进行相应的数据处理、并对其他电气部件进行控制的智能管理单元，其结构图如图3所示。
优选的，所述智能管理单元包括微处理器为核心主机电路板、计量电路板、继电器电路板、互感器电路板以及为上述电路板供电的供电电源、控制供电电源的控制开关、继电器控制回路发送故障时保证用户正常供电的旁路开关，其中计量电路板、继电器电路板与主机电路板相连，互感器电路板与计量电路板相连。
所述微处理器选用STM8系列产品STM8S207R8T6，该系列产品处理能力强、运算速度快、片内资源丰厚且有多种工作模式可选。
所述智能配电箱终端的通信单元9分别与所述微处理单元8电相连和远程上位机3通过RS485数据线连接，可以实时将智能配电箱2的电气运行参数发送到远程上位机终端3。
优选的，所述通信单元9为4G无线通信单元：SIM7600CE通信单元，该单元以SIIM7600CE作为GSM和数据收发模块，其支持全网通4G/3G/2G网络，最高下行速度可达150Mbps，支持高质量的语音、短信功能，内置TCP/IP协议栈。
优选的，所述SIM7600CE通信单元包括：SIM7600CE芯片，SIM卡以及相应的通信电路，其中所述SIM卡和通信电路分别与所述SIM7600CE芯片相连，通过SIM卡与上位机进行数据交互。
优选的，所述通信电路还包括GSM软控开关、GSM复位电路以及GSM通信指示灯，可对4G无线通信单元进行复位和对其工作状态做出指示。
所述智能配电箱终端的高阻燃性的壳体5由阻燃木塑材料制成。
所述智能配电箱终端的温度传感器10通过温度传感器电路与微处理单元8电连接，微处理单元8电连接散热风扇11。
优选的，所述计量电路是对总电压、总电流、总电量进行计量，它包括变压器、主控芯片、电阻、电容，经常规方式连接组成。
所述电压监测电路包括电压互感器、变压器、电阻、电容，经常规电路方式连接组成。
所述基准电压电路包括放大器、电阻、电容，经常规电路方式连接组成。
所述支路电流检测电路包括电流互感器、放大器、电阻、电容，经常规电路方式连接组成。
所述漏电检测电路包括电流互感器、放大器、电阻、电容，经常规电路方式连接组成。
所述支路输出控制电路包括继电器、二极管、三极管、电阻，经常规电路方式连接组成。
所述温度传感器电路包括二极管、三极管、电阻、电容，经常规电路方式连接组成。
所述信息预处理电路包括信号放大器、整流电路桥、电阻、电容，经常规电路方式组成。
优选的，所述信息预处理电路信号放大器为LM244放大器，整流电路桥为MB6S 整流桥。
本发明中的在线监测上位机功能模块，如图4所示：所述数据收发模块13是整个系统的前端，将采集到的数据存储在数据库14，供数据处理分析模块19进行数据分析，分析结果传送报警处理模块17；所述数据查询模块18直接从数据库14查询，所述参数设定模块16给数据处理分析模块19设定各种运行参数，主界面模块15直接从数据分析模块19中读取数据并显示运行状态。
所述数据收发模块13采用工业MODBUS总线协议、利用RS485接口从智能配电箱2采集电气运行数据。RS485接口要求为：波特率：1200—115200，数据位8位，偶校验。数据采集依据国家能源局发布的<中华人民共和国电力行业标准通信规约> DL/T-20，初稿分五个大部份：当前变量、累计记录、控制字与特征字、事件记录和参数变量。
五大部分具体意义说明如下：
所述当前变量包括电流，电压，漏电实时值读取；
所述累计记录：累计运行时间，跳闸次数，手动分闸次数等；
所述控制字与特征字：控制开关运行必参数，在后面部分详述；
所述事件记录：读取各种开关事件（漏电超限，自检事件，报警事件等）；
所述参数变量：读取并设置开关的基本参数，如通信地址等。
所述数据分析模块19通过对采集的大量数据分析，找出系统非正常情况，分析可以引发电气火灾及电气设备故障，主要包括两部分：
实时预警：读取实时采集的数据（电流，电压，漏电）与设定值对比分析，大于设定的极限值输出声光报警并断电，如果少于极限值大于预警值时，发出提示信号，提醒用户注意可能有异常，具体程序流程图如图5所示；
历史数据比较分析：用于发现系统不同于历史运行状态，如果有突变异常便发出提示，提醒用户检查，找出可能原因，具体程序流程图如图6所示。
所述数据查询模块18提供查询历史运行数据：可查询实时数据，累计记录，极值记录，事件记录。系统采用Embarcardero RadStudio自带的数据库管理控件管理MySQL数据库14，并能打印输出或导出相应Excel数据报表。
所述报警输出模块17提供声光报警输出接口和推送异常信息的WebAPI接口。声光报警用RS232接口与PLC控制启动声光报警1-2，其RS232接口协议如下：波特率 9600，数据位7位，偶校验。推送异常信息的WebAPI接口，采用POST方式 ，将异常报警信息推送到移动终端。
本系统还提供一种基于物联网配电管理系统的在线监控的方法，如图7所示：
步骤S210：微处理单元通过电压监测电路、电流监测电路、漏电监测电路、温度监测电路分别采集相应的信号并进行预处理；
步骤S220：微处理单元通过通讯模块将数据上传至远程上位机；
步骤S230：远程上位机的数据收发模块采用工业MODBUS总线协议获取来自微处理单元的数据，将其存入数据库中的同时传入数据分析模块；
步骤S240：远程上位机的数据分析模块对数据进行处理，并生成相应的控制指令；
步骤S250：控制指令通过上位机数据收发模块和智能配电箱终端通信模块发送至微处理单元；
步骤S260：微处理单元接收来自远程上位机的控制指令，并启动相应控制电路执执行命令动作。
其中，步骤S210进一步为：微处理器将采集电压、电流、漏电、温度、湿度信号；步骤S220进一步为：微处理器通过4G无线通信SIM7600CE单元，通过4G/3G/2G网络将数据上传到远程上位机；步骤S230进一步为：上位机通过TCP/IP协议获取微处理单元上传的数据。
综上所述，虽然根据实施例所限定的实施例和附图进行了说明，但对本技术领域具有一般知识的技术人员来说能从上述的记载中进行各种修改和变形。例如，根据与说明的技术中所说明的方法相不同的顺序来进行，和/或根据与说明的系统、结构、装置、电路等构成要素所说明的方法相不同的形态进行组合或结合，或根据其他构成要素或均等物进行替换或置换也可达成适当的效果。对于本发明所属技术的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同或替代或明显变形，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种基于物联网配电管理系统，由智能配电箱终端和远程上位机管理系统组成，所述智能配电箱终端包括壳体、微处理单元、通信单元温度传感器和风扇，所述壳体上设置有门和散热孔，壳体内部设置有电气部件；所述远程上位机管理系统提供良好的人机交互界面，管理人员只要在远程监控设备上登陆监测软件，即对智能配电箱终端进行监测与控制；
其特征在于：
所述智能配电箱终端的电气部件，包括总开关、控制开关、旁路开关、继电器、计量电路、电压检测电路、供电电源、基准电压电路、支路电流检测电路、漏电检测电路、支路输出控制电路、温度传感器电路和信号预处理电路；
所述智能配电箱终端的微处理单元是以微处理器为核心的收集各种监测信号进行相应的数据处理、并对其他电气部件进行控制的智能管理单元；
所述智能配电箱终端的通信单元分别连接所述微处理单元和远程上位机，实时将配电箱的电气运行参数发送到远程上位机终端；
所述智能配电箱终端的温度传感器通过温度传感器电路与微处理单元电连接，微处理单元电连接散热风扇；
所述智能配电箱终端的高阻燃性的壳体由阻燃木塑材料制成；
所述远程上位机管理系统包括数据采集模块、数据分析模块、数据查询模块、报警输出模块、参数设定模块、主界面软件模块和数据库模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述计量电路对总电压、总电流、总电量进行计量，计量电路包括变压器、主控芯片、电阻和电容，经常规方式连接组成；所述电压监测电路包括电压互感器、变压器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述基准电压电路包括放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述支路电流检测电路包括精密电流互感器、放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述漏电检测电路包括精密电流互感器、放大器、电阻和电容，经常规电路方式连接组成；所述支路输出控制电路包括继电器、二极管、三极管和电阻，经常规电路方式连接组成；所述温度传感器电路包括二极管、三极管、电阻和电容，经常规电路方式连接组成，温度传感器通过信号预处理电路与微处理单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种物联网配电管理系统，其特征在于，所述信号预处理电路包括信号放大器、整流电路桥、电阻和电容，经常规电路方式组成，其中信号放大器为LM244放大器，整流电路桥为MB6S 整流桥。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述智能配电箱的微处理单元是以微处理器为核心的收集各种监测信号进行相应的数据处理、并对其他电气部件进行控制的智能管理单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述智能管路单元，包括以微处理器为核心主机电路板、计量电路板、继电器电路板、互感器电路板以及为上述电路板供电的供电电源、控制供电电源的控制开关和继电器控制回路发送故障时保证用户正常供电的旁路开关，其中计量电路板、继电器电路板与主机电路板相连，互感器电路板与计量电路板相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述微处理器为核心的主机电路板，微处理器为STM8系列产品STM8S207R8T6。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述智能配电箱终端的通信单元分别与所述微处理单元双向电相连和远程上位机通过RS485数据线双向连接，实时将智能配电箱的电气运行参数发送到远程上位机终端。
8.根据权利要求1所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述上位机管理系统中的数据收发模块将采集到的数据存储在数据库模块，供数据处理分析模块进行数据分析，分析结果传送报警处理模块，所述数据查询模块直接从数据库查询，参数设定模块给数据处理分析模块设定各种运行参数，主界面模块直接从数据分析模块中读取数据并显示运行状态。
9.根据权利要求8所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述数据收发模块采用工业MODBUS总线协议、利用RS485接口从智能配电箱采集电气运行数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述数据采集依据国家能源局发布的<中华人民共和国电力行业标准通信规约>DL/T-20将初稿分为：当前变量、累计记录、控制字与特征字、事件记录和参数变量五大部分。
11.根据权利要求8所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述报警输出模块提供声光报警输出接口和推送异常信息的WebAPI接口。
12.根据权利要求11所述的一种基于物联网配电管理系统，其特征在于，所述声光报警使用RS232接口与PLC控制启动声光报警。
13.一种基于物联网配电管理系统的在线监控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S131：所述微处理单元通过电压监测电路、电流监测电路、漏电监测电路、温度监测电路分别采集相应的信号并进行预处理；
步骤S132：所述微处理单元通过通讯模块将数据上传至远程上位机；
步骤S133：所述远程上位机的数据收发模块采用工业MODBUS总线协议获取来自微处理单元的数据，将其存入数据库中的同时传入数据分析模块；
步骤S134：所述远程上位机的数据分析模块对数据进行处理，并生成相应的控制指令；
步骤S135：所述控制指令通过上位机数据收发模块和智能配电箱终端通信模块发送至微处理单元；
步骤S136：所述微处理单元接收来自远程上位机的控制指令，并启动相应控制电路执执行命令动作。
14.根据权利要求13所述的一种基于物联网配电管理系统的在线监控的方法，其特征在于：
步骤S131进一步为：所述微处理器将采集电压、电流、漏电、温度、湿度信号；
步骤S132进一步为：所述微处理器通过4G无线通信SIM7600CE单元，通过4G/3G/2G网络将数据上传到远程上位机；
步骤S133进一步为：所述上位机通过TCP/IP协议获取微处理单元上传的数据。
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