CN111211505A - 一种智能配电柜及其配电监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能配电柜及其配电监控系统，所述智能配电柜包括强电箱和弱电箱，强电箱包括多组配电模块，每组配电模块包括断路器、浪涌保护器、进线铜排、出线铜排、通讯接口、电流互感器、电流互感器安装支架、进线端子和出线端子；所述配电监控系统包括线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块、线路控制模块、数据交互模块和显示模块。本发明配电柜具有体积小、即插即用、安全性高的优点，本发明配电监控系统具有快速设计配电线路、实时检测、控制配电线路的功能，为数据中心提供便捷、安全的配电监管。

Description

一种智能配电柜及其配电监控系统

技术领域

本发明涉及一种智能配电柜及其配电监控系统，属于配电柜技术领域。

背景技术

当今的数据中心需要大规模的配电，提供电力是每天、每月需要解决的问题。由于数据中心内的IT设备层出不穷，每个产品的电源、电压和接口都有可能不同，这对数据中心的电力基础架构提出了严苛挑战。现阶段，大部分数据中心采用列头柜加电缆的配电模式进行设备供电，但是列头柜会占用机房内较大空间，不利于机房空间的有效利用，而且这种模式一般需要现场进行线路铺设，耗时耗力，且铺设好的链路是固定的，不利于机房扩展、改造，后续维修成本也比较高，除此之外，地板下走线还可能带来气流组织问题，影响机房用电安全。

发明内容

针对现有配电装置占用空间大、接线复杂、安全性不足等问题，本发明提出了一种智能配电柜及其配电监控系统，智能配电柜中设置强电箱和弱电箱，通过断路器控制强电箱内配电线路的断开或闭合，为不同设备提供电力，通过弱电箱实时采集强电箱和外部设备的信号，监测配电情况，确保安全配电，配电监控系统与配电柜配合使用，可以通过系统设计多路配电线路，设置相关参数，并监控配电线路工作。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种智能配电柜，包括强电箱和弱电箱，所述强电箱包括多组配电模块，所述配电模块包括断路器、浪涌保护器、进线铜排、出线铜排、通讯接口、电流互感器、电流互感器安装支架、进线端子和出线端子，所述进线端子连接进线铜排的一端，进线铜排的另一端连接所述断路器的一端，断路器的另一端连接所述浪涌保护器的一端，浪涌保护器的另一端连接所述出线铜排的一端，出线铜排的另一端连接所述出线端子；所述电流互感器安装支架固定安装在强电箱底部，所述电流互感器固定安装在电流互感器安装支架上，所述出线铜排穿过电流互感器的开口；所述电流互感器与所述通讯接口电连接，所述通讯接口通过线缆连接所述弱电箱。

进一步的，所述断路器和浪涌保护器固定安装在强电箱的前面板上，所述前面板上还设置有电源指示灯和圆形散热口，所述电源指示灯与断路器电连接。

进一步的，所述强电箱的后面安装有端子保护罩，所述端子保护罩上设置有多个方形散热口。

进一步的，所述弱电箱包括电源模块、控制模块、通信模块和显示模块，所述电源模块分别连接控制模块、通信模块、显示模块和外部设备，为各模块、设备供电，所述控制模块的一端连接通讯接口，控制模块的另一端分别连接所述通信模块的一端和显示模块，通信模块的另一端连接外部设备。

进一步的，所述电源模块包括升压电路和降压电路，所述升压电路包括第一电感、DC-DC升压芯片、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电感的一端和DC-DC升压芯片的VIN脚分别连接12V服务器电源，第一电感的另一端分别连接DC-DC升压芯片的SW脚、第一肖特基二极管的一端和第二肖特基二极管的一端，第一肖特基二极管的另一端和第二肖特基二极管的另一端连接所述第一电阻的一端和第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接DC-DC升压芯片的FB脚，第二电阻的另一端输出24V电压，所述第一电容并联在DC-DC升压芯片的VIN脚和接地端之间；

所述降压电路包括DC-DC降压芯片、第二电感、第三肖特基二极管、第二电容和第三电容，所述DC-DC降压芯片的电源输入端连接24V工业电源，DC-DC降压芯片的电源输出端分别连接所述第二电感的一端和第三肖特基二极管的一端，第二电感的另一端输出5V电压，第三肖特基二极管的另一端接地，所述第二电容并联在DC-DC降压芯片的电源输入端和接地端之间，所述第三电容并联在第二电感的另一端和第三肖特基二极管的另一端之间。

进一步的，所述通信模块包括RS232收发器、RS485收发器、USB连接器、TVS二极管、第三电阻和第四电阻，所述RS232收发器的一端连接所述RS485收发器的一端，RS232收发器的另一端连接所述USB连接器，RS485收发器的另一端连接所述控制模块，RS485收发器的A端、B端分别连接所述第三电阻的一端和第四电阻的一端，第三电阻的另一端和第四电阻的另一端分别连接外部设备，所述TVS二极管并联在RS485收发器的A端、B端之间。

进一步的，所述显示模块采用触摸液晶显示屏，所述触摸液晶显示屏分别通过HDMI显示线和触屏控制线连接控制模块。

进一步的，所述外部设备为安装在机柜PDU处的电压电流检测设备。

一种基于智能配电柜的配电监控系统，包括线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块、线路控制模块、数据交互模块和显示模块；其中，所述线路设计模块，一方面用于存储线路节点信息和基础线路模板，另一方面用于绘制多路配电线路；所述参数配置模块，用于设置每路配电线路的参数，所述参数包括线路名称、线路配电型号、线路相位、通信地址和设备名称；所述信息采集模块，用于实时采集每路配电线路的工作信息，所述工作信息包括配电线路工作状态、配电柜端电压、配电柜端电流、设备端电压、设备端电流和设备端功率；所述线路控制模块，用于控制多路配电线路的断开或闭合，根据信息采集模块采集的信息计算每路配电线路的累计电能；所述数据交互模块，一方面用于将线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块和线路控制模块的信息上传到上位机，另一方面用于接收上位机信息，并将上位机信息发送到线路控制模块；所述显示模块，用于显示设计的配电线路、配电线路参数、配电线路的工作信息和累计电能。

进一步的，所述线路节点信息包括线路节点名称、线路节点模型和线路节点连接关系。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种智能配电柜及其配电监控系统，智能配电柜包括强电箱和弱电箱，强电箱用于电力分配，弱电箱用于电力监测。相比较于传统列头柜，本发明配电柜的体积较小，占用空间少，可以有效提高机房的有效使用了，而且本发明配电柜为一体化装置，结构简单，利于扩展或更换，即插即用，极大地方便了安装和使用，能够提供可持续性的接入电源。配电柜的强电箱中采用铜排代替传统电缆，维护成本低，铜排配合断路器和浪涌保护器，既可以快速实现配电线路的连接或断开，又可以有效提高配电线路的安全性。此外，本发明弱电箱可以实时检测强电箱内铜排的电流和外部设备的电流、电压，确保配电过程的安全性和稳定性。本发明配电监控系统提供配电线路设计功能，可以根据机房实际供电需求在线路设计模块进行快速的配电线路规划，系统可与上位机联通，将采集到的信息上传到外部服务器，也可以从外部服务器获取指令，从而实现自动化的配电控制，配电监控系统还可以实时监控配电线路工作情况，汇总工作信息，便于相关人员查看。

附图说明

图1为本发明一种智能配电柜中强电箱的结构示意图。

图2为本发明一种智能配电柜中强电箱的后视图。

图3为本发明一种智能配电柜中强电箱的内部结构示意图。

图4为本发明一种智能配电柜中强电箱的接线端子示意图。

图5为本发明一种智能配电柜中弱电箱的结构示意图。

图6为本发明实施例中升压电路的电路原理图。

图7为本发明实施例中降压电路的电路原理图。

图8为本发明实施例中通讯模块的电路原理图。

图9为本发明一种基于智能配电柜的配电监控系统的结构示意图。

图10为本发明实施例中参数配置模块的页面示意图。

图中，1是强电箱，2是前面板，3是端子保护罩，4是电源指示灯，5是圆形散热口，6是断路器，7是浪涌保护器，8是方形散热口，9是通讯接口，10是进线铜排，11是出线铜排，12是电流互感器，13是电流互感器安装支架，14是断路器安装支架，15是浪涌保护器安装支架，16是进线端子，17是出线端子，101是电源模块，102是控制模块，103是通信模块，104是显示模块，201是线路设计模块，202是参数配置模块，203是信息采集模块，204是线路控制模块，205是数据交互模块，206是显示模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

一种智能配电柜，如图1、2、3、4所示，配电柜主要包括强电箱1和弱电箱，强电箱和弱电箱通过线缆连接，强电线用于电力分配，强电箱从外部接入市电或者UPS，在强电箱的配电模块输出至外部母线组件，母线组件接入服务器机柜的PDU；弱电箱用于电力监测，弱电箱可以检测强电箱和每个机柜PDU的用电信息，包含单相及三相负载的电压、电流、功率等，同时弱电箱采集的数据可上传到外部服务器，可接入数据中心运维管理系统。

强电箱内设置有多组配电模块，每组配电模块包括断路器6、浪涌保护器7、进线铜排10、出线铜排11、通讯接口9、电流互感器12、电流互感器安装支架13、进线端子16和出线端子17，进线端子通过螺丝或软铜线连接进线铜排的一端，进线铜排的另一端连接断路器的一端，断路器的另一端连接浪涌保护器的一端，浪涌保护器的另一端连接出线铜排的一端，出线铜排的另一端穿过电流互感器的开口连接出线端子，电流互感器通过线缆连接通讯接口，通讯接口再通过线缆将强电箱与弱电箱连接在一起，进线铜排连接外部市电或者UPS，出线铜排连接外部母线组件。

在强电箱的前面板2内侧分别固定安装有断路器安装支架14和浪涌保护器安装支架15，断路器和浪涌保护器分别固定安装断路器安装支架和浪涌保护器安装支架上，断路器和浪涌保护器的开关部分露出在前面板外侧，在本发明实施例中浪涌保护器选用OVRBT2 70-440s C和OVR BT2 70N C防雷器，前面板上还设置有电源指示灯4和多个圆形散热口5，电源指示灯与断路器电连接，当断路器接通时，电源指示灯亮起。在强电箱的底部通过螺丝固定安装了电流互感器安装支架，电流互感器固定安装在电流互感器安装支架上。在强电箱的后面板上分别固定安装了进线端子和出线端子，为了保护进线端子和出线端子，强电箱的后面还安装有端子保护罩3，端子保护罩上设置有多个方形散热口8。

如图5所示，弱电箱主要包括电源模块101、控制模块102、通信模块103和显示模块104，电源模块分别连接控制模块、通信模块、显示模块和外部设备，电源模块为弱电箱内各模块提供5V电压，同时为外部设备提供24V电压，此处的外部设备指安装在机柜PDU处的电压电流检测设备，主要用于检测每个机柜PDU处的用电信息，比如电压、电流、功率等，在实施例中没有给出电压电流检测设备的具体结构，市面上已有的任何具有电压、电流检测功能的装置均可以作为本实施例中的外部设备。控制模块的一端连接通讯接口，控制模块的另一端分别连接通信模块的一端和显示模块，通信模块的另一端连接外部设备，其中，控制模块选用BCM2837B0中央控制处理器，显示模块采用触摸液晶显示屏，触摸液晶显示屏分别通过HDMI显示线和触屏控制线连接控制模块。

弱电箱中的电源模块的电源输入端可以连接外部工业电源或服务器电源，由于工业电源通常是24V电压，服务器电源通常是12V和5V电压，而本发明装置中需要使用24V和5V电压，所以电源模块内分别设置有升压电路和降压电路，当电源模块连接服务器电源时，电源模块利用升压电路将12V升压为24V，当电源模块连接工业电源时，电源模块利用降压电路将24V降压为5V。

图6为本实施例中升压电路的电路原理图，升压电路包括第一电感L1、DC-DC升压芯片U4、第一肖特基二极管D11-A、第二肖特基二极管D11-B、第一电阻R2、第二电阻R13和第一电容C9，第一电感L1的一端和DC-DC升压芯片U4的VIN脚分别连接12V服务器电源，第一电感L1的另一端分别连接DC-DC升压芯片U4的SW脚、第一肖特基二极管D11-A的一端和第二肖特基二极管D11-B的一端，第一肖特基二极管D11-A的另一端和第二肖特基二极管D11-B的另一端连接第一电阻R2的一端和第二电阻R13的一端，第一电阻R2的另一端连接DC-DC升压芯片U4的FB脚，第二电阻R13的另一端输出24V电压，第一电容C9并联在DC-DC升压芯片U4的VIN脚和接地端之间，其中，DC-DC升压芯片U4的具体型号为XL6007，第一肖特基二极管D11-A和第二肖特基二极管D11-B的具体型号为Diode_SS5200。

本发明实施例中降压电路的电路原理图如图7所示，降压电路包括DC-DC降压芯片U3、第二电感L2、第三肖特基二极管D8、第二电容C7和第三电容C6，DC-DC降压芯片U3的电源输入端连接24V工业电源，DC-DC降压芯片U3的电源输出端分别连接第二电感L2的一端和第三肖特基二极管D8的一端，第二电感L2的另一端输出5V电压，第三肖特基二极管D8的另一端接地，第二电容C7并联在DC-DC降压芯片U3的电源输入端和接地端之间，第三电容C6并联在第二电感L2的另一端和第三肖特基二极管D8的另一端之间，其中，DC-DC降压芯片U3的具体型号为XL2596S-5.0E1。

本发明实施例中通信模块的电路原理图如图8所示，通信模块包括RS232收发器U2、RS485收发器U1、USB连接器P2、TVS二极管D2、第三电阻R4和第四电阻R6，RS232收发器U2的一端连接RS485收发器U1的一端，RS232收发器U2的另一端连接USB连接器P2，RS485收发器U1的另一端连接控制模块，RS485收发器U1的A端、B端分别连接第三电阻R4的一端和第四电阻R6的一端，第三电阻R4的另一端和第四电阻R6的另一端分别连接外部设备，TVS二极管D2并联在RS485收发器U1的A端、B端之间，其中，RS232收发器U2的具体型号为FT232RL-REEL。

本发明配电柜的工作原理如下：

将市电或UPS连接到强电箱的进线端子上，将运输电力的母线组件连接到强电箱的出线端子上，闭合断路器后，强电箱内配电线路接通，市电或UPS通过强电箱内的铜排分配到不同的母线组件上，再由母线组件传输给相应的PDU，在配电过程中，浪涌保护器可以保护断路器，电流互感器实时测量出线铜排的电流，并将采集到的电流信号通过通讯接口传输到弱电箱的控制模块，同时安装在PDU处的电压电流检测设备实时检测PDU出的电压、电流、功率信号，并将采集到的信号传输到弱电箱的控制模块，控制模块控制显示模块显示采集到的信号。

一种基于智能配电柜的配电监控系统，在本发明中数据中心的配电硬件结构主要包括外部电源、智能配电柜、母线组件、母线取电组件和机柜PDU，为了管理数据中心的配电硬件结构，本发明提供了一套配电监控系统，如图9所示，包括线路设计模块201、参数配置模块202、信息采集模块203、线路控制模块204、数据交互模块205和显示模块206，线路设计模块连接参数配置模块的一端，参数配置模块的另一端连接线路控制模块的一端，信息采集模块的一端连接配电硬件结构，信息采集模块的另一端连接线路控制模块的一端，线路控制模块的另一端分别连接数据交互模块和显示模块。

线路设计模块主要用于存储线路节点信息和基础线路模板，绘制多路配电线路。线路节点信息主要包括线路节点名称、线路节点模型和线路节点连接关系，线路节点指数据中心配电系统中的硬件结构，比如配电柜、机柜等，线路节点名称可以自定义，线路节点模型指该线路节点对应的虚拟模型，不同线路节点的模型不一样，线路节点连接关系表示在设计配电线路时能与当前线路节点直接连接的其他线路节点，比如当前线路节点是配电柜，则线路连接关系是母线组件，当前线路节点时母线取电组件，那么线路连接关系是母线组件和PDU。在实际配电线路规划中，有一些线路较为常用，为了节省设计配电线路的时间，操作人员可以在系统开发阶段就先把常用线路结构存储到线路设计模块中，这些常用线路结构即为基础线路模板，比如配电柜-母线组件-母线取电组件，当需要设计具体线路时，可以直接在基础线路模块上进一步设计。操作人员可以将已有的线路节点信息和基础线路模板直接上传到线路设计模块，也可以在线路设计模块中按照格式录入。

当线路设计模块中已经有线路规划所需的所有线路节点信息后，操作人员可以直接在显示页面上选择线路节点和连接线段，从而绘制配电线路，当操作人员已经选择了一个线路节点时，显示页面只显示与该线路节点具有连接关系的线路节点。线路设计模块尤其适用于大型的、复杂的数据中心内多路配电线路的快速规划，同时也可以在数据中心功能扩展过程中提供快速、清晰的配电规划方案。

当完成配电线路设计和配电线路施工后，本发明需要在参数配置模块中设置每路配电线路的参数，参数包括线路名称、线路配电型号、线路相位、通信地址和设备名称，线路配电型号指该线路中涉及到的硬件设备型号，比如断路器、母线等，通信地址指该线路与线路控制模块的通信地址，设备名称指该线路的供电对象，图10是本发明实施例中参数配置模块的页面示意图。

信息采集模块与智能配电柜内的采集装置电连接，实时获取采集装置采集到的电压、电流等信息，汇总出每路配电线路的工作信息后将工作信息传输到线路控制模块，工作信息主要包括配电线路工作状态、配电柜端电压、配电柜端电流、设备端电压、设备端电流和设备端功率，配电线路工作状态包括线路正常工作和线路已断开。

本发明中的线路控制模块与断路器电连接，线路控制模块可以根据系统内设置的工作周期或上位机的命令输出控制信号，从而控制多路配电线路中断路器的断开或闭合，实现自动配电操作，此外，线路控制模块还会根据信息采集模块采集的信息实时计算每路配电线路的累计电能、功率因素等信息，帮助操作人员准确掌握配电情况。

为了实现与外部设备和系统的信息交互，本发明系统设置数据交互模块，数据交互模块可以通过有线或无线网络连接外部服务器、数据中心运维管理系统或其他硬件设备，数据交互模块可以将线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块和线路控制模块的信息上传到连接的上位机内，也可以接收上位机的信息，并将上位机信息发送到线路控制模块。

显示模块主要用于显示设计的配电线路、配电线路参数、配电线路的工作信息和累计电能。

本发明智能配电柜和配电监控系统具有以下优势：本发明配电柜集成了智能配电和检测功能，相比较于传统列头柜，本发明配电柜的体积较小，占用空间少，即插即用，安装方便，模块化结构维修方便，维护成本低，且安全级别更高。本发明配电监控系统可以帮助数据中心人员快速、直观的规划配电线路，实时、准确的控制、管理和监测配电过程，配电自动化程度较高，安全性和稳定性更好。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种智能配电柜，包括强电箱和弱电箱，其特征在于，所述强电箱包括多组配电模块，所述配电模块包括断路器、浪涌保护器、进线铜排、出线铜排、通讯接口、电流互感器、电流互感器安装支架、进线端子和出线端子，所述进线端子连接进线铜排的一端，进线铜排的另一端连接所述断路器的一端，断路器的另一端连接所述浪涌保护器的一端，浪涌保护器的另一端连接所述出线铜排的一端，出线铜排的另一端连接所述出线端子；

所述电流互感器安装支架固定安装在强电箱底部，所述电流互感器固定安装在电流互感器安装支架上，所述出线铜排穿过电流互感器的开口；

所述电流互感器与所述通讯接口电连接，所述通讯接口通过线缆连接所述弱电箱。

2.根据权利要求1所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述断路器和浪涌保护器固定安装在强电箱的前面板上，所述前面板上还设置有电源指示灯和圆形散热口，所述电源指示灯与断路器电连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述强电箱的后面安装有端子保护罩，所述端子保护罩上设置有多个方形散热口。

4.根据权利要求1所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述弱电箱包括电源模块、控制模块、通信模块和显示模块，所述电源模块分别连接控制模块、通信模块、显示模块和外部设备，为各模块、设备供电，所述控制模块的一端连接通讯接口，控制模块的另一端分别连接所述通信模块的一端和显示模块，通信模块的另一端连接外部设备。

5.根据权利要求4所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述电源模块包括升压电路和降压电路，所述升压电路包括第一电感、DC-DC升压芯片、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电感的一端和DC-DC升压芯片的VIN脚分别连接12V服务器电源，第一电感的另一端分别连接DC-DC升压芯片的SW脚、第一肖特基二极管的一端和第二肖特基二极管的一端，第一肖特基二极管的另一端和第二肖特基二极管的另一端连接所述第一电阻的一端和第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接DC-DC升压芯片的FB脚，第二电阻的另一端输出24V电压，所述第一电容并联在DC-DC升压芯片的VIN脚和接地端之间；

所述降压电路包括DC-DC降压芯片、第二电感、第三肖特基二极管、第二电容和第三电容，所述DC-DC降压芯片的电源输入端连接24V工业电源，DC-DC降压芯片的电源输出端分别连接所述第二电感的一端和第三肖特基二极管的一端，第二电感的另一端输出5V电压，第三肖特基二极管的另一端接地，所述第二电容并联在DC-DC降压芯片的电源输入端和接地端之间，所述第三电容并联在第二电感的另一端和第三肖特基二极管的另一端之间。

6.根据权利要求4所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述通信模块包括RS232收发器、RS485收发器、USB连接器、TVS二极管、第三电阻和第四电阻，所述RS232收发器的一端连接所述RS485收发器的一端，RS232收发器的另一端连接所述USB连接器，RS485收发器的另一端连接所述控制模块，RS485收发器的A端、B端分别连接所述第三电阻的一端和第四电阻的一端，第三电阻的另一端和第四电阻的另一端分别连接外部设备，所述TVS二极管并联在RS485收发器的A端、B端之间。

7.根据权利要求4所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述显示模块采用触摸液晶显示屏，所述触摸液晶显示屏分别通过HDMI显示线和触屏控制线连接控制模块。

8.根据权利要求4所述的一种智能配电柜，其特征在于，所述外部设备为安装在机柜PDU处的电压电流检测设备。

9.一种基于智能配电柜的配电监控系统，其特征在于，包括线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块、线路控制模块、数据交互模块和显示模块；其中，

所述线路设计模块，一方面用于存储线路节点信息和基础线路模板，另一方面用于绘制多路配电线路；

所述参数配置模块，用于设置每路配电线路的参数，所述参数包括线路名称、线路配电型号、线路相位、通信地址和设备名称；

所述信息采集模块，用于实时采集每路配电线路的工作信息，所述工作信息包括配电线路工作状态、配电柜端电压、配电柜端电流、设备端电压、设备端电流和设备端功率；

所述线路控制模块，用于控制多路配电线路的断开或闭合，根据信息采集模块采集的信息计算每路配电线路的累计电能；

所述数据交互模块，一方面用于将线路设计模块、参数配置模块、信息采集模块和线路控制模块的信息上传到上位机，另一方面用于接收上位机信息，并将上位机信息发送到线路控制模块；

所述显示模块，用于显示设计的配电线路、配电线路参数、配电线路的工作信息和累计电能。

10.根据权利要求9所述的一种基于智能配电柜的配电监控系统，其特征在于，所述线路节点信息包括线路节点名称、线路节点模型和线路节点连接关系。

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