CN107910955A - 一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置，包括若干电力监控保护智能模块(16)，智能模块安装在安装板(17)上形成单元模块，各单元模块为模块化设计，外形和安装尺寸一致，具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，接口部位的结构、尺寸和结构参数标准化，各单元模块通过连接件安装在一阵列式书架(18)上。本发明可以通过软件程序或定制物理接口任意扩展和封闭端口，通过软件程序扩展其功能，给不同负载提供不同监控功能，统一技术接口，并与低压成套开关设备结构相配合，便于安装维护，具有接口调试，电力监控保护和通讯功能，能实现智能远程控制；结构上适用于低压成套开关设备配套安装，可以非常方便地解决技术升级换代。

Description

一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置

技术领域

本发明涉及一种电力监控保护装置，尤其是涉及一种结构模块化、接口可扩展、智能可通讯的电力监控保护装置。

背景技术

低压成套开关设备是应用于工业、第三产业及基础建设等领域的控制设备。它广泛地使用在地铁、核电、数据中心和电网等行业，用于输电、配电和电能转换时的控制和保护。随着计算机、微电子、电力电子、抗干扰等新技术的飞速发展，特别是网络通讯技术的进步，自动化、智能化技术得到了空前发展。低压成套开关设备作为各种工业场合下输配用电的动力中心和控制中心，其智能化，自动化技术发展迅速，其中PSC-成套设备用来为所有类型负载分配和控制能量的成套开关和控制设备，是电能分配、控制、转换、保护和测量的枢纽。

进一步地把智能化、自动化技术融合在PSC成套设备中去，并与开关柜的结构进行整体集成在一起，对不同负载进行监控，保护，测量和远程控制，是现在国内外低压成套开关设备发展的必然趋势。

现有技术通常采用智能仪表进行智能化和自动化技术的集成，把不同负载电气参数通过智能仪表的采集，经过仪表内核心芯片进行程序计算把相关运算的结果显示出来，再通过通讯口把这些结果经网关传输至后台。但这种技术在大批量应用后，出现不少弊端，主要表现在以下几方面:1.智能仪表生产商过多注重功能性开发，忽视用户系统性需求，导致运维安全和可维护性差。2.智能仪表产品换代升级后(电子产品更新换代频率高)，新替代产品对旧系统不兼容，数据无法上传，外形尺寸不一致，需要全部进行技改才能实现。3.智能二次仪表通常电子产品寿命为十年，而开关柜机械寿命都在三十年以上，故在升级改造非常困难，不能与结构很好融合在一起。4.总线系统接多个智能仪表后，智能仪表的通讯稳定性比较差，经常出现通讯故障报警。5.无法自动寻址，必须在后台编程固定通讯地址码，调试非常不便，需要不停进行测试，调试周期长；6.智能化开关柜多为无人值守设备，现场仪表显示多为调试试验使用，运维时测量数值都上传至主机站，故现场屏幕显示多为浪费,而且此屏面显示容易出现故障，导致智能仪表寿命较短。

为了克服以上技术弊端，充分考虑用户系统性需求，统一技术接口，提高通讯技术稳定性，与低压成套开关设备结构融合配套，一种全新的接口智能化模块研究开发提上日程，本发明创新基于以上的技术背景应运而生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其可以通过软件程序或定制物理接口任意扩展和封闭端口，通过软件程序扩展其功能，给不同负载提供不同监控功能，统一技术接口，并与低压成套开关设备结构相配合，便于安装维护，具有接口调试功能，电力监控保护功能，同时还可以通讯；通讯协议满足最新国家标准要求，适用于低压成套开关设备配套安装，其结构模块化设计可以非常方便地解决技术升级换代带来更换；同时在运行维护产品全寿命周期或故障后能快速进行更换，不同电流等级负载均可以通用本装置，通用兼容性好。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置，包括若干电力监控保护智能模块16，其特征在于：所述的智能模块16安装在安装板17上形成单元模块，各单元模块为模块化设计，外形和安装尺寸一致，具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，接口部位的结构、尺寸和结构参数标准化，各单元模块通过连接件安装在一阵列式书架18上。

所述的智能模块16固定在一外壳内，外壳的结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的前壁和后壁，前壁和后壁的两端相向弯折形成连接边并开有连接孔，前壁上还开有上下排列的两个水平开孔，用来安装PCB板。

所述的智能模块PCB硬件架构为：PCB板连接核心芯片CPU，CPU又分别连接控制电源模块接口、可扩展输入接口、可扩展输出接口、各种参数输入接口、智能调试通讯接口、状态二极管指示接口和上传网关通讯接口,PCB板上焊接有各种电子元件，来实现功能要求。

智能模块上安装的两块PCB板的电气接口为：第一和第二PCB板1和2的设计采用功能分组设计：第一PCB板1包括有10路遥信开关量输入接口3和5路继电器输出控制接口4，布置有二极管指示灯14、插拔式端子固定端12和国产集成芯片10；第二PCB板2包括有设备本身控制电源接口5、RS-485通讯接口6、模拟量输入接口7、电流电压参数输入接口8、智能调试接口9、插拔式端子固定端12和国产集成芯片10，外设还有插拔端子移动端口13；遥信开关量输入接口3和继电器输出控制接口4通过软件程序或定制接口进行任意扩展和封闭端口。

所述的安装板17结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的左壁、右壁和后壁，左壁、右壁和后壁上开有竖向的长形通风孔，左壁和右壁的前端设有向外地弯折连接部并开有连接孔。

所述的阵列式书架18结构为：由左、右侧壁板和上、下封板一连接件连接为一个框架，左、右侧壁板为矩形板，两侧向外弯折，弯折边上开有连接孔，中间竖板上开有若干上下排列的水平长形孔，上、下封板为矩形板，上封板的两侧向下、下封板的两侧向上弯折，弯折边上开有连接孔，中间水平板上开有若干前后排列的长形孔，在左、右侧壁板的水平长形孔的下边，以连接件固定有水平的角铁状模块支架；

所述智能模块通过安装板17左、右壁的前端开有连接孔的弯折连接部连接在所述的阵列式书架18的左、右侧壁板两侧的向外弯折边上。

所述的智能模块的外壳15由两个零件组成，模块底板24和模块侧板25，通用化程度高，各类模块均用此两零件进行封装，模块底板上有安装开孔和统一接口开孔，模块侧板上有安装封闭开孔。外壳整体喷涂颜色为RAL7016黑色漆。

本发明的阵列式书架18根据PSC-成套设备单柜设定的抽屉回路个数可自由定制规格，来满足不同电气负载回路个性需求。各单元模块可以根据不同负载要求进行互换，功能又保持相对独立；标准的几何连接接口和一致的输入输出接口形成通用性程度高的特性，相同功能的模块可以兼容不同电流等级的同类负载；另外单元模块安装非常简便，其通过松不脱螺钉或手钮螺钉紧固，可以快捷进行拆换，为今后运维带来极大的简便。

有益效果：

1.采用了模块化技术，智能装置经模块化设计，统一外形尺寸，统一安装尺寸，接口几何尺寸相同，一致的输入输出接口，标准化通讯接口结构，根据功能分类，形成两大系列的智能模块。其互换性能好，两大类智能模块可依据PSC-成套设备单柜设定的不同负载进行配备，互相独立而且互不干扰，做到同类功能模块可以兼容不同电流等级相同负载。

2.采用了成组技术，线路板设计采用了功能成组技术和EMC电磁兼容原理设计，合理布置各种接口，相同类型的接口布置在一起，方便布线和排列整齐，互不干扰。

3.采用了成熟可靠的微电子技术，功能区采用了性能良好可靠的集成电子电路芯片，芯片全部使用国产集成芯片，数字化电路集成设计，参数数据全部转化为数字化，可靠稳定。

4.深度融合低压成套开关和控制设备的结构特点，考虑了用户系统需求，软件程序上可以实现自动寻址功能，在运行维护上，具有接口调试，方便更换等优点。

5.遥信开关量输入接口和遥控继电器输出接口可以任意扩展和封闭，可以按程序软件来控制或定制物理接口来进行扩展和封闭，符合不同负载的定制化个性需求。

6.装置设计了整体散热计算模型，有效地把模块运行过程电子元件产生的热量均匀散发出去，分别运用了热辐射原理和热传导原理，把热能散发，保证智能模块可靠，安全地工作。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

第一，本装置在机械结构上，为深度融合低压成套开关设备PSC类设备结构特点，进行模块化结构设计，其外形尺寸一致，安装尺寸一致；可以根据不同负载要求进行互换，功能又保持相对独立；具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，接口部位的结构、尺寸和结构参数全部标准化，形成通用性程度高的特性，相同功能的模块可以兼容不同电流等级的同类负载，单元模块安装非常简便，快捷进行拆换，为今后运维带来极大的简便。

第二，本装置在电气接口上，统一标准化了技术接口，采用目前微电子技术先进的通讯接口RS-485和RS-232，为模块的智能通讯调试和通讯质量稳定性打下了很好的基础集成，同时采用统一的可插拔端子端口，为以后装置产品全生命周期管理带来极大的便利。

第三，本装置在核心芯片选择上，采用性价比优异的国产集成芯片，其可靠，安全地运行逻辑运算程序，把采集上来的数据进行各种运算，并将运算结果通过通讯口上传至后台。

第四，本装置在研制过程中，深度分析了PSC-成套设备的不同负载特性，在功能划分上综合了两大类的智能模块需求，形成两大系列的智能模块。其互换性能好，两大类智能模块可依据PSC-成套设备单柜设定的不同负载进行配备，互相独立而且互不干扰，做到同类功能模块可以兼容不同电流等级相同负载。

第五，本装置的遥信开关量输入接口和遥控继电器输出控制接口可以通过软件程序或定制接口进行任意扩展和封闭端口，为适应不同负载用途提供宽广的选择。遥信和遥控接口可调整为智能装置的更广泛用途提供基础性的保证。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1本发明的智能模块PCB硬件架构图；

图2第一第二智能模块PCB1和PCB2各功能分区示意图；

图3本发明实施例整体总装后立体示意图(6个智能模块)；

图4第一PCB1板外形图(不含插拔端子正视图)；

图5第二PCB2板外形图(不含插拔端子正视图)；

图6智能调试接口图；

图7外壳立体示意图；

图8智能模块图；

图9安装板图；

图10阵列式书架图；

图11阵列式书架左安装板图；

图12阵列式书架右安装板图；

图13阵列式书架上封板图；

图14阵列式书架下封板图；

图15模块支架图；

图16外壳底板图；

图17外壳侧板图。

图中：1-第一PCB板，2-第二PCB板，3-遥信开关量输入接口，4-继电器输出控制接口，5-控制电源接口，6-RS-485通讯接口，7-模拟量输入接口，8-电流电压参数输入接口，9-智能调试接口，10-核心芯片CPU，11-插拔端子，12-插拔式端子固定端，13-移动端，14-二极管指示灯，15-外壳，16-智能模块。

具体实施方式

参见附图，本发明的模块化可扩展的智能电力监控保护装置实施例，包括若干电力监控保护智能模块16，智能模块16安装在安装板17上形成单元模块，各单元模块为模块化设计，外形和安装尺寸一致，具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，接口部位的结构、尺寸和结构参数标准化，各单元模块通过连接件安装在一阵列式书架18上。

智能模块16固定在一外壳15内，外壳的结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的前壁和后壁，前壁和后壁的两端相向弯折形成连接边并开有连接孔，前壁上还开有上下排列的两个水平开孔，用来安装第一和第二PCB板1和2。

上述的智能模块PCB硬件架构为：第一第二PCB板1和2连接核心芯片COU10，CPU10又分别连接控制电源模块接口、可扩展输入接口、可扩展输出接口、各种参数输入接口、智能调试通讯接口、状态二极管指示接口和上传网关通讯接口。

智能模块上安装的两块PCB板的电气接口为：第一和第二PCB板1和2的设计采用功能分组设计：第一PCB板1包括有10路遥信开关量输入接口3和5路继电器输出控制接口4，布置有二极管指示灯14、插拔式端子固定端12和国产集成芯片10；第二PCB板2包括有设备本身控制电源接口5、RS-485通讯接口6、模拟量输入接口7、电流电压参数输入接口8、智能调试接口9、插拔式端子固定端12和国产集成芯片10，外设还有插拔端子移动端口13；遥信开关量输入接口3和继电器输出控制接口4通过软件程序或定制接口进行任意扩展和封闭端口。

所述的安装板17结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的左壁、右壁和后壁，左壁、右壁和后壁上开有竖向的长形通风孔，左壁和右壁的前端设有向外地弯折连接部并开有连接孔。

所述的阵列式书架18结构为：由左、右侧壁板和上、下封板一连接件连接为一个框架，左、右侧壁板为矩形板，两侧向外弯折，弯折边上开有连接孔，中间竖板上开有若干上下排列的水平长形孔，上、下封板为矩形板，上封板的两侧向下、下封板的两侧向上弯折，弯折边上开有连接孔，中间水平板上开有若干前后排列的长形孔，在左、右侧壁板的水平长形孔的下边，以连接件固定有水平的角铁状模块支架；

所述智能模块通过安装板17左、右壁的前端开有连接孔的弯折连接部连接在所述的阵列式书架18的左、右侧壁板两侧的向外弯折边上。

本发明：1.整体结构采用模块化技术，按照模块化设计理念，对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块。目前研发有两大类的智能功能模块，一类为智能配电保护监控类，另一类为智能马达保护监控类，其外形尺寸一致，安装尺寸一致，可以根据不同负载要求进行互换，功能又保持相对独立。模块16通用化程度高，不同电流等级负载均用同一类智能功能模块来覆盖通用。模块16具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，模块16接口部位的结构、尺寸和参数全部标准化。模块16由第一PCB板1、第二PCB板2、插拔端子11和外壳15封装而成。

2.第一第二PCB板1和2设计采用功能分组设计，PCB板的整体架构如图1描述，模块16主要由第一PCB板1和第二PCB板2组成，分成上下层结构空间，可以根据功能扩展增加PCB板进行扩展接口，PCB板1和2的各功能分区如图2描述，这种分区主要是依据EMC电磁兼容原理设计考虑。

3.第一PCB板1设计为可任意扩展和封闭端口，上层的第一PCB板1设计有接口为I/0端口，此端口为可任意扩展和封闭，扩展和封闭端口可以采用两种方式，一是采用物理方式，按客户需求来定制；二采用软件编程方式，进行编程调控扩展和封闭。常规设置为10路遥信开关量接口3输入，采用内部电源控制、光隔离、无源干节点接入方式。5路继电器接口4输出控制，触点容量AC250V/5A DC30V/5A；控制方式远方和本地两种方式；本地自控方式可设各种定值动作条件；输出方式：电平或脉冲(脉冲宽度0---3000秒)；定值越限最多可以同时启动10个定值通道，其中有6个遥测定值，4个逻辑定值；可根据监测对象和设定情况产生继电器输出，定值系统可灵活设定；利用软件通过通讯口对装置进行定值参数整定。

4.第二PCB板2设计有设备本身控制电源接口5，选用DC24V控制电源，符合全柜的控制电源系统选择和内部遥信电源电压整体规划；设计有通讯接口6为RS-485接口.基于RS-485通讯接口优异性能，兼容各工业领域的现场总线技术；设计有一路模拟量输入接口7，可作为外界温度，压力等参数的测量口，最后为电流电压参数输入接口8，端口已经预留各种接地系统的接线方式，兼容三相三线制，三相四线制等接线方案。

5.第二PCB板2设计有智能调试接口9，该接口采用RS-232通讯接口，RS-232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)所制定的异步传输标准接口，该接口可以与笔记本电脑相连，快速进行调试，填充软件程序，完成调试测试工作。

6.第一第二PCB板1和2内部采用核心芯片为国产集成芯片10，其可以进行逻辑运算，把采集上来的数据进行各种运算，固化程序，并将运算结果传输至通讯口并上传至网关。同时可以进行逻辑判断，和接收上机位指令执行继电器的开合，把不同干节点的通断转化为电信号，后转换为可通讯的信号，上传至网关，通过程序的运行，具有智能测量，监控的功能。

7.第一第二PCB板1和2端子板采用可插拔式端子11，该端子设计为插拔式，有固定端12在PCB板上，另外一端为移动端13进行接线，其之间的连接为可靠性连接端子，通过手动直接插拔连接，移动端可以直插式连接或螺钉连接，保证连接可靠性。故在升级换代和产品寿命到期后的更换非常方便，不用再次接线，直接更换固定的模块即可。

8.第一PCB板1上布置有二极管指示灯14，可以把装置的运行状态，报警状态，故障状态，通讯接收状态，发送状态显示出来，为装置现场调试快速判断设备的状态提供可视化的标识，其显示灵敏快捷，准确。

9.外壳15利用黑体辐射原理技术，有效地把封闭空间电子元件产生的热能通过黑体辐射原理，有效吸收在外壳，按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，叫作完全辐射体。故外壳表面处理为黑色，它与层框架之间通过热传导，可以有效把内部电子元件运行产生的热量散出来。

10.模块16安装在安装板17上，构成一个单元，根据抽屉单元需求，与阵列式书架18按照不同组合形式，组成抽屉回路的层级监控终端，集中在一起，方便维护，调试，和检修。阵列式书架由以下零件结构组成，模块框架左安装板19，模块框架右安装板20，模块框架上封板21，模块框架下封板22，模块支架23，其之间安装采用铆接和自攻螺钉联合进行紧固。安装板17与阵列式书架18之间可以采用松不脱螺钉或手钮螺钉紧固。阵列式书架可以根据回路的需要进行定制回路单元数，形成多种回路规格尺寸，适应变化的不同抽屉回路安装单元个数。

通过使用上述的发明后，本装置完善的功能及其优点，可以解决现有技术的弊端，并完全替换智能仪表的使用。本装置可以通过软件程序任意扩展和封闭端口，扩展其功能，给不同负载提供不同监控功能，统一技术接口，与低压成套开关设备结构融合集成，便于安装维护，具有接口调试功能，电力监控保护功能；同时可以通讯，通讯协议满足最新国家标准要求，适用于低压成套开关设备配套安装，其模块化设计可以非常方便地解决技术升级换代带来更换；同时在运行维护产品全寿命周期和故障后能快速进行更换，不同电流等级负载均可以通用该装置，通用兼容性好。

Claims (7)

1.一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置，包括若干电力监控保护智能模块(16)，其特征在于：所述的智能模块(16)安装在安装板(17)上形成单元模块，各单元模块为模块化设计，外形和安装尺寸一致，具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，接口部位的结构、尺寸和结构参数标准化，各单元模块通过连接件安装在一阵列式书架(18)上。

2.根据权利要求1所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的智能模块(16)固定在一外壳内，外壳的结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的前壁和后壁，前壁和后壁的两端相向弯折形成连接边并开有连接孔，前壁上还开有上下排列的两个水平开孔，用来安装PCB板。

3.根据权利要求2所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的智能模块的PCB板的连接结构为：PCB板连接核心芯片CPU，CPU又分别连接控制电源模块接口、可扩展输入接口、可扩展输出接口、各种参数输入接口、智能调试通讯接口、状态二极管指示接口和上传网关通讯接口，PCB板上焊接有各种电子元件，来实现功能要求。

4.根据权利要求3所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的智能模块的PCB板有两块：第一和第二PCB板(1和2)，电气接口为：第一和第二PCB板(1和2)的设计采用功能分组设计：第一PCB板(1)包括有10路遥信开关量输入接口(3)和5路继电器输出控制接口(4)，布置有二极管指示灯(14)、插拔式端子固定端(12)和国产集成芯片(10)；第二PCB板(2)包括有设备本身控制电源接口(5)、RS-485通讯接口(6)、模拟量输入接口(7)、电流电压参数输入接口(8)、智能调试接口(9)、插拔式端子固定端(12)和国产集成芯片(10)，外设还有插拔端子移动端口(13)；遥信开关量输入接口(3)和继电器输出控制接口(4)通过软件程序或定制接口进行任意扩展和封闭端口。

5.根据权利要求1所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的安装板(17)结构为：一矩形底板，顶面上开有连接孔并设有竖立的左壁、右壁和后壁，左壁、右壁和后壁上开有竖向的长形通风孔，左壁和右壁的前端设有向外地弯折连接部并开有连接孔。

6.根据权利要求1所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的阵列式书架(18)结构为：由左、右侧壁板和上、下封板一连接件连接为一个框架，左、右侧壁板为矩形板，两侧向外弯折，弯折边上开有连接孔，中间竖板上开有若干上下排列的水平长形孔，上、下封板为矩形板，上封板的两侧向下、下封板的两侧向上弯折，弯折边上开有连接孔，中间水平板上开有若干前后排列的长形孔，在左、右侧壁板的水平长形孔的下边，以连接件固定有水平的角铁状模块支架；

所述智能模块通过安装板(17)左、右壁的前端开有连接孔的弯折连接部连接在所述的阵列式书架(18)的左、右侧壁板两侧的向外弯折边上。

7.根据权利要求2所述的模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其特征在于：所述的智能模块的外壳(15)由两个零件组成，模块底板(24)和模块侧板(25)，通用化程度高，各类模块均用此两零件进行封装，模块底板上有安装开孔和统一接口开孔，模块侧板上有安装封闭开孔。