CN109713786A - 一种配电台区智能配变终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电台区智能配变终端，包括电源电能计量模块、主控模块、载波IO模块和跌落式熔断器监测模块，所述电源电能计量模块和载波IO模块分别通过CAN通讯总线与所述主控模块进行通讯，所述电源电能计量模块包括电源子模块和电能计量子模块；所述电源子模块包括电流互感器、电压互感器和电源板；所述主控模块包括CPU以及与该CPU相连的通信接口和安全加密芯片；所述载波IO模块包括IO子模块和载波板；所述跌落式熔断器监测模块包括监测主模块和若干监测子模块。本发明的配电台区智能配变终端，具有功能融合，结构紧凑，可靠性高，信息安全防护等特点，是一种具有广泛市场前景的配变终端。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电台区智能配变终端。
背景技术
现有的配电台区物料品种繁多，采购安装周期长，而且由于采用不同厂家、不同规格的元件进行现场装配、调试及试验，导致产品整体可靠性存在隐患，且运行维护工作量大。另一方面，配电网用户类型复杂多样，负荷变化频繁、随意性大，常出现低电压问题、负荷不平衡问题及故障恢复时间长等问题，导致电网的无功功率较大，电能质量差，客户满意度不高；另一方面，现有的配电台区数据采集、控制装置比较分散，整体可靠性、智能化水平还有待提高。
智能配变终端安装在低压配电箱中，是配电台区中的“中枢”设备，它完成对台区内电气量(电流、电压、功率因素、谐波等)及非电气量(温湿度、烟感等)信息的采集，实现对台区关键设备状态量的监测(电容器组投切状态、进出线开关分合位置等)，并根据一定的运行策略对无功补偿装置进行投切控制以及进出线开关的远程控制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种配电台区智能配变终端，增强了智能化功能的选择性和可扩展性，实现功能配置全面的同时避免了相关设备功能的重复性并有效控制了成本，可以对台区的数据信息进行数据存储、分析，并作为远程交互的接口，方便了用户对台区设备的状态监测和管理，提高可靠性的同时便于生产安装，增加安装及维护的便利性，提高配电台区智能水平，提高供电可靠性和电能质量。
实现上述目的的技术方案是：一种配电台区智能配变终端，包括电源电能计量模块、主控模块、载波IO模块和跌落式熔断器监测模块，所述电源电能计量模块和载波IO模块分别通过CAN通讯总线与所述主控模块进行通讯，其中：
所述电源电能计量模块包括电源子模块和电能计量子模块；所述电源子模块包括电流互感器、电压互感器和电源板；所述电能计量子模块包括电能计量芯片和电能计量单片机；所述电流互感器和电压互感器一一对应地采集所述电源子模块的电流信号和电压信号，并把该电流信号和电压信号发送给所述电能计量芯片；所述电能计量芯片根据接收的电流信号和电压信号计算出电能数据，并把电能数据发送给所述电能计量单片机进行存储；所述电能计量单片机将接收的电能数据通过CAN通讯总线发送给所述主控模块；
所述主控模块包括CPU以及与该CPU相连的通信接口和安全加密芯片，所述CPU采用基于Cortex-A7的高性能处理器，所述CPU集成工业级Wi-Fi通讯单元，所述CPU具有板载256M Flash和256M内存；所述通信接口包括GPRS通讯模块、以太网接口、RS485接口、WiFi天线和蓝牙模块；所述安全加密芯片通过SPI(串Serial Peripheral Interface，行外设接口)与所述CPU进行通讯；
所述载波IO模块包括IO子模块和载波板；所述IO子模块包括数字模拟板以及与该数字模拟板相连的光电隔离电路、继电器接口电路、A/D采样电路和小无线通讯模组，所述数字模拟板用于处理模拟信号输入与数字信号输入输出；所述载波板通过载波耦合接口采集电网载波信息，并把电网载波信息发送给所述数字模拟板；所述数字模拟板通过CAN通讯总线与所述主控模块的CPU进行通讯；
所述跌落式熔断器监测模块包括监测主模块和若干监测子模块；所述监测主模块嵌入在所述载波IO模块内，所述监测子模块通过扎带与跌落式熔断器的熔管平行安装；所述监测主模块每分钟轮询每个监测子模块的状态，查看各个监测子模块工作是否正常；所述监测子模块接收到所述监测主模块的查询信息之后，反馈自身的工作状态给所述监测主模块。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述电源子模块由220VAC三相四线供电，输入电压范围是57-528VAC，并且单相供电情况下能正常使用；所述电源板具有脉冲群/浪涌抗扰度±4kV、输出短路、过流和过压保护，所述电源板的输出总功率为20W；所述电源板的输出电压有3.3V、5V、12V、15V以及24V，其中24V的输出电压是隔离电源。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述主控模块还包括USB接口、内置TF卡接口、铁电存储器(ferromagnetic random access memory，FRAM)和运行报警指示灯，所述USB接口、内置TF卡接口、铁电存储器和运行报警指示灯分别与所述CPU相连。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述CPU用于实现数据计算、存储和算法运行；所述通信接口用于实现所述配电台区智能配变终端与主站系统的上行通信，同时用于实现所述配电台区智能配变终端与智能电容器、智能漏电保护器、跌落式熔断器状态监测装置和APP现场管理系统的下行通信；所述安全加密芯片采用国家密码管理局认可并满足Q/GDW377标准要求的硬件安全模块，所述安全加密芯片用于实现对配电台区数据存储和传输的加解密，保证数据的准确性、可靠性和安全性。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述监测子模块包括加速度传感器、MCU、射频芯片、电池和板载天线，所述加速度传感器、MCU、射频芯片和板载天线依次相连，所述电池分别为所述加速度传感器、MCU和射频芯片供电；所述加速度传感器检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，将跌落信号通过所述MCU发送给所述射频芯片，所述射频芯片将接收的跌落信号通过所述板载天线发送给所述监测主模块。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述加速度传感器未检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，所述监测子模块处于休眠状态，节约电池用量。
上述的一种配电台区智能配变终端，其中，所述电源电能计量模块、主控模块、载波IO模块和跌落式熔断器监测模块以插件方式安装在标准化IEC机箱中。
本发明的配电台区智能配变终端，结构紧凑、安装维护便利，可靠性高，且具有较高的智能化水平。智能配变终端的设计融合了配电变压器监测、配电保护控制以及安全防护等功能，加强了对软硬件可靠性的设计要求，在信息管理与共享的同时，使得终端的稳定性满足用户需求；智能配变终端在信息交互过程中要同时考虑配电终端和主站系统之间信息安全传输问题，通过内置安全加密芯片，采用国内先进的加密算法、密钥管理以及身份认证等技术手段，保证配电系统各数据接口信息交互的安全性；智能配变终端的应用有效避免了一体化台区设备功能重叠的问题，降低了一体化台区设备安装的复杂程度，其可扩展的模块化设计理念在便利设备检修的同时保留了终端扩展的灵活性，无形中节约了运行成本并提高了实用性。本发明提供的智能配变终端具有功能融合，结构紧凑，可靠性高，信息安全防护等特点，是一种具有广泛市场前景的配变终端。
附图说明
图1为本发明的配电台区智能配变终端的功能模块示意图；
图2为本发明的配电台区智能配变终端的电源电能计量模块的结构示意图；
图3为本发明的配电台区智能配变终端的主控模块的结构示意图；
图4为本发明的配电台区智能配变终端的载波IO模块的结构示意图；
图5为跌落式熔断器监测模块的监测子模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1至图5，本发明的最佳实施例，一种配电台区智能配变终端，包括电源电能计量模块1、主控模块2、载波IO模块3和跌落式熔断器监测模块4，电源电能计量模块1和载波IO模块3分别通过CAN通讯总线5与主控模块2进行通讯。
请参阅图2，电源电能计量模块1包括电源子模块11和电能计量子模块12；电源子模块11包括电流互感器111、电压互感器112和电源板113；电能计量子模块12包括电能计量芯片121和电能计量单片机122；电流互感器112和电压互感器113一一对应地采集电源子模块1的电流信号和电压信号，并把该电流信号和电压信号发送给电能计量芯片121；电能计量芯片121根据接收的电流信号和电压信号计算出电能数据，并把电能数据发送给电能计量单片机122进行存储；电能计量单片机122将接收的电能数据通过CAN通讯总线发送给主控模块2。
电源子模块11由220VAC三相四线供电，输入电压范围是57-528VAC，并且单相供电情况下能正常使用；电源板113具有脉冲群/浪涌抗扰度±4kV、输出短路、过流和过压保护，电源板113的输出总功率为20W；电源板113的输出电压有3.3V、5V、12V、15V以及24V，其中24V的输出电压是隔离电源。
电源子模块11配备了2个30F的超级电容，系统上电后，超级电容开始快速充电，10-12分即充满，当系统断电后，超级电容放电供电源子模块11使用，可持续工作1min以上。电源板113还可以通过蓄电池接口外接蓄电池，电源子模块11会对蓄电池状况进行实时监测，判断有无蓄电池，并测量电池的剩余电量，当蓄电池的电量下降到一临界点时，开始充电，充满后停止充电，防止过充。系统断电后，蓄电池内的电将会供设备长达6小时以上的持续工作。电能子模块12的电能计量单片机122选用DXP公司的32位处理器，Cortex-M0，最大主频50MHz，具有丰富接口，如CAN、SPI、UART、I2C等，通过SPI与电能计量芯片121通讯，速率高达10MHz。具有32kB Flash及8kB RAM，其中1路10位ADC用来监测蓄电池状态，支持远程软件更新。另外给该电能计量单片机122配备了ROM，用来保存或者配置一些重要参数。电能计量单片机122以CAN总线通讯方式与主控模块2相连，接口处有防浪涌功能，并且可以配置通讯线路电阻，通讯速率可以高达1Mbps以上。
电能子模块12采用独立的电路板，通过插针的方式固定在电源子模块上，这种分离的设计方式可以让电能芯片和电源设计分开，可以单独修改，互不影响。
请参阅图3，主控模块2包括CPU 21以及与该CPU 21相连的通信接口和安全加密芯片22，CPU 21采用基于Cortex-A7的高性能处理器，CPU 21集成工业级Wi-Fi通讯单元，CPU21具有板载256M Flash和256M内存；通信接口包括GPRS通讯模块23、以太网接口24、RS485接口25、WiFi天线26和蓝牙模块；安全加密芯片22通过SPI与CPU 21进行通讯。主控模块2还包括USB接口27、内置TF卡接口28、铁电存储器(ferromagnetic random access memory，FRAM)29和运行报警指示灯20，USB接口27、内置TF卡接口28、铁电存储器29和运行报警指示灯20分别与CPU 21相连。
CPU 21用于实现数据计算、存储和算法运行；通信接口用于实现配电台区智能配变终端与主站系统的上行通信，同时用于实现配电台区智能配变终端与智能电容器、智能漏电保护器、跌落式熔断器状态监测装置和APP现场管理系统的下行通信；安全加密芯片22采用国家密码管理局认可并满足Q/GDW377标准要求的硬件安全模块，安全加密芯片22用于实现对配电台区数据存储和传输的加解密，保证数据的准确性、可靠性和安全性。
CPU 21的选用了NXP的32位Cortex-A7，工作频率528MHz，配置内存128/256MByteDDR3，128/256MByte NAND Flash，处理器含有丰富接口:8串口、2CAN-bus、2路10/100M以太网接口24、2路USB2.0接口27、1路SD/MMC、1路LCD液晶接口，板载WIFI；CPU 21内嵌Linux操作系统，支持多种升级方式。CPU 21具备超低功耗RTC实时时钟电路(电流0.25uA)，其中供电电池是1450mAh，实际使用时间高达10年以上；安全加密芯片22通过SPI与CPU 21通讯。使用2路USB摄像头监控现场，可以随时拍照截图并实时上传；CPU 21采用了插拔式结构，便于更换；GPRS通讯模块23通过插针与CPU 21相连，GPRS通讯模块23通过UART方式与CPU 21通讯，可以方便更换3G或4G模块。GPRS通讯模块23为LCC贴片式GSM/GPRS双频模块，支持900/1800MHz的短信、数据传输等功能，具有小尺寸、低功耗、温度范围宽、抗干扰能力强等特点，同时内嵌丰富、稳定、可靠的网络协议。为了应对低温情况SIM卡数据读取容易出错，增加了加热功能，使得温度恒定在一定范围。SIM卡接口处增加了防静电功能。
请参阅图4，载波IO模块3包括IO子模块31和载波板32；IO子模块31包括数字模拟板311以及与该数字模拟板311相连的光电隔离电路312、继电器接口电路313、A/D采样电路314和小无线通讯模组315，数字模拟板311用于处理模拟信号输入与数字信号输入输出；载波板32通过载波耦合接口采集电网载波信息，并把电网载波信息发送给数字模拟板311；数字模拟板311通过CAN通讯总线与主控模块2的CPU 21进行通讯；载波IO模块3配置了4路数字输入，电平24V，具有防浪涌功能。遥控出口通过两个继电器来完成，每路遥控配有遥分、遥合接口，可通过参数设置分闸或合闸的出口脉宽，继电器功率150mW，触电电压及电流：125VAC时0.5A、24VDC时1A。小无线通讯模组315采用nRF2401A无线芯片，2.4GHz、低功耗、最大数据速率1Mbps，SPI通讯接口。IO子模块31的数字模拟板311采用的与电能计量子模块12的电能计量单片机122相同的同款芯片，配备了ROM，可以保存参数，通过CAN总线与主控模块2的CPU21通讯，同时具备跌落监测主模块功能。
请参阅图1和图5，跌落式熔断器监测模块4包括监测主模块41和若干监测子模块42；监测主模块41嵌入在载波IO模块3内，监测子模块42通过扎带与跌落式熔断器的熔管平行安装；监测主模块41每分钟轮询每个监测子模块42的状态，查看各个监测子模块42工作是否正常；监测子模块42接收到监测主模块41的查询信息之后，反馈自身的工作状态给监测主模块41。
监测子模块42包括加速度传感器421、MCU 422、射频芯片423、电池424和板载天线425，加速度传感器421、MCU 422、射频芯片423和板载天线425依次相连，电池424分别为加速度传感器421、MCU 422和射频芯片423供电；加速度传感器421检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，将跌落信号通过MCU 422发送给射频芯片423，射频芯片423将接收的跌落信号通过板载天线425发送给监测主模块41。加速度传感器421未检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，监测子模块42处于休眠状态，节约电池用量。
本发明的配电台区智能配变终端，在使用时，电源电能计量模块1、主控模块2、载波IO模块3和跌落式熔断器监测模块4以插件方式安装在标准化IEC机箱中。电源电能计量模块1、主控模块2、载波IO模块3及跌落式熔断器监测模块4之间的连接可在工厂进行预制调试，便于安装维护，减少了现场安装连接对产品可靠性造成的不利影响；四个模块单元独立生产加工，完成后四大模块进行组装连接、调试，四大模块共同组成一个产品整体。电源电能计量模块1采用独立模块设计，便于批量生产制造、调试，控制产品质量和成本；智能配变终端采用插板结构，保障了功能模块的可选配、可升级，满足产品后序工程化定制需求。
综上所述，本发明的配电台区智能配变终端，具有功能融合，结构紧凑，可靠性高，信息安全防护等特点，是一种具有广泛市场前景的配变终端。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种配电台区智能配变终端，其特征在于，包括电源电能计量模块、主控模块、载波IO模块和跌落式熔断器监测模块，所述电源电能计量模块和载波IO模块分别通过CAN通讯总线与所述主控模块进行通讯，其中：
所述电源电能计量模块包括电源子模块和电能计量子模块；所述电源子模块包括电流互感器、电压互感器和电源板；所述电能计量子模块包括电能计量芯片和电能计量单片机；所述电流互感器和电压互感器一一对应地采集所述电源子模块的电流信号和电压信号，并把该电流信号和电压信号发送给所述电能计量芯片；所述电能计量芯片根据接收的电流信号和电压信号计算出电能数据，并把电能数据发送给所述电能计量单片机进行存储；所述电能计量单片机将接收的电能数据通过CAN通讯总线发送给所述主控模块；
所述主控模块包括CPU以及与该CPU相连的通信接口和安全加密芯片，所述CPU采用基于Cortex-A7的高性能处理器，所述CPU集成工业级Wi-Fi通讯单元，所述CPU具有板载256MFlash和256M内存；所述通信接口包括GPRS通讯模块、以太网接口、RS485接口、WiFi天线和蓝牙模块；所述安全加密芯片通过SPI与所述CPU进行通讯；
所述载波IO模块包括IO子模块和载波板；所述IO子模块包括数字模拟板以及与该数字模拟板相连的光电隔离电路、继电器接口电路、A/D采样电路和小无线通讯模组，所述数字模拟板用于处理模拟信号输入与数字信号输入输出；所述载波板通过载波耦合接口采集电网载波信息，并把电网载波信息发送给所述数字模拟板；所述数字模拟板通过CAN通讯总线与所述主控模块的CPU进行通讯；
所述跌落式熔断器监测模块包括监测主模块和若干监测子模块；所述监测主模块嵌入在所述载波IO模块内，所述监测子模块通过扎带与跌落式熔断器的熔管平行安装；所述监测主模块每分钟轮询每个监测子模块的状态，查看各个监测子模块工作是否正常；所述监测子模块接收到所述监测主模块的查询信息之后，反馈自身的工作状态给所述监测主模块。
2.根据权利要求1所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述电源子模块由220VAC三相四线供电，输入电压范围是57-528VAC，并且单相供电情况下能正常使用；所述电源板具有脉冲群/浪涌抗扰度±4kV、输出短路、过流和过压保护，所述电源板的输出总功率为20W；所述电源板的输出电压有3.3V、5V、12V、15V以及24V，其中24V的输出电压是隔离电源。
3.根据权利要求1所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述主控模块还包括USB接口、内置TF卡接口、铁电存储器和运行报警指示灯，所述USB接口、内置TF卡接口、铁电存储器和运行报警指示灯分别与所述CPU相连。
4.根据权利要求1或3所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述CPU用于实现数据计算、存储和算法运行；所述通信接口用于实现所述配电台区智能配变终端与主站系统的上行通信，同时用于实现所述配电台区智能配变终端与智能电容器、智能漏电保护器、跌落式熔断器状态监测装置和APP现场管理系统的下行通信；所述安全加密芯片采用国家密码管理局认可并满足Q/GDW377标准要求的硬件安全模块，所述安全加密芯片用于实现对配电台区数据存储和传输的加解密，保证数据的准确性、可靠性和安全性。
5.根据权利要求1所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述监测子模块包括加速度传感器、MCU、射频芯片、电池和板载天线，所述加速度传感器、MCU、射频芯片和板载天线依次相连，所述电池分别为所述加速度传感器、MCU和射频芯片供电；所述加速度传感器检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，将跌落信号通过所述MCU发送给所述射频芯片，所述射频芯片将接收的跌落信号通过所述板载天线发送给所述监测主模块。
6.根据权利要求5所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述加速度传感器未检测到相应的跌落式熔断器的跌落信号时，所述监测子模块处于休眠状态，节约电池用量。
7.根据权利要求1所述的一种配电台区智能配变终端，其特征在于，所述电源电能计量模块、主控模块、载波IO模块和跌落式熔断器监测模块以插件方式安装在标准化IEC机箱中。
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