CN111258255A - 电力系统远程智能监测控制器 - Google Patents

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CN111258255A CN202010194959.9A CN202010194959A CN111258255A CN 111258255 A CN111258255 A CN 111258255A CN 202010194959 A CN202010194959 A CN 202010194959A CN 111258255 A CN111258255 A CN 111258255A
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马海燕
曾圣杰
曾浩
于林林
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明揭示了一种电力系统远程智能监测控制器，与至少一组的外部电路器件相配合，由硬件部分及固件部分组成，所述固件部分包括电力系统监测控制板、网络通讯处理模组、人机交互模组及中央控制板，所述固件部分集成于硬件部分内部，至少包括交流信号取样模块、实时通讯监测模块、本地化操控模块、及回路状态判断模块。本发明可与各类电控器件及设备相适配，有效地完成了远距离条件下对设备的智能化、精准化控制及远程监测数据获取，满足了实际应用环境中的各类使用需要。

Description

电力系统远程智能监测控制器
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体而言，涉及一种用于实现对各种电控设备远程操控的电力系统远程智能监测控制器，属于智能控制技术领域。
背景技术
随着近年来网络通信和即时通信技术的不断发展进步，使得人们对于各种电控设备的远程操控成为了可能。
以人们日常生活中必不可少的照明技术为例。我国目前正处于城市化发展的快速阶段，各城市中的基础设施建设也在逐步进行，城市照明系统的建设和维护成为了市政建设工程中的重要部分。再加上近年来照明技术的不断发展和相关配套技术的更新迭代，更为节能、高效、智能化的照明技术开始得到越来越广泛地关注。
由于实际应用场景下、城市环境中的照明系统更多的会以片区化、网络化的形式出现，因此对于这类场景环境中各类器件的整合、控制，也就显得尤为重要。由此进行扩展，在针对这类由单一设备所组成的网络化控制场景时，如何实现对设备的控制，也就成为了现阶段的研究重点。
在现有技术中，对于这些设备或器件的控制大多都采用电力控制或长距离的电路控制的方式，但很显然，这样的控制方式既不够灵活也不够智能。
综上所述，如何在现有技术的基础上、利用网络通信和即时通信技术，提出一种可实现对各种电控设备远程操控的电力系统远程智能监测控制器，针对现有技术中所存在的诸多不足进行相应地提升和改进，也就成为了本领域内技术人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种用于实现对各种电控设备远程操控的电力系统远程智能监测控制器，具体如下。
一种电力系统远程智能监测控制器，与至少一组的外部电路器件相配合，由硬件部分及固件部分组成，
所述固件部分包括，
电力系统监测控制板，与外部电路器件电性连接，用于监测和控制电力回路，
网络通讯处理模组，与远程客户端或另一监测控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接，用于实现对单一监测控制器或由多个监测控制器所组成的群组的远程手/自动控制及监测，
人机交互模组，用于实现控制器与用户间的人机交互，
中央控制板，分别与所述电力系统监测控制板、所述网络通讯处理模组及所述人机交互模组电性连接，用于控制驱动各部分的运作、实现远程电力系统监测控制；
所述固件部分至少包括，
交流信号取样模块，集成于所述电力系统监测控制板中，用于实现对所述电力系统监测控制板内部电流大小的讯号取样，
实时通讯监测模块，集成于所述中央控制板中，用于获取被控设备的在线状态及位置信息，
本地化操作控制模块，集成于所述中央控制板中，用于非联网状态下监测控制器的本地操作管理，
回路状态判断模块，集成于所述中央控制板中，用于对监测控制器的内部回路及整体的系统回路进行状态判断。
优选地，每组所述外部电路器件均包括一块用于实现电力回路中输入输出间互动的继电器板以及一块电源检测表，多组所述外部电路器件间并联设置、且均与所述电力系统远程智能监测控制器电性连接；所述电力系统远程智能监测控制器或所述继电器板电性连接有多个用于进一步控制被控设备的交流接触器，多个所述交流接触器间并联设置。
优选地，所述电力系统监测控制板内设置有：
控制芯片，用于提供继电器的开合讯号、接收并处理电力回路内的电流检测信号以及实现对外通讯控制；
AC-L继电器输出控制电路，所述AC-L继电器输出控制电路与所述继电器板的数量相匹配且二者间对应连接，用于控制每一路电力回路的输出及电流检测；
工控通讯模块，用于实现信号交互、扩充控制器的整体功能；
所述交流信号取样模块集成于所述控制芯片内部，所述AC-L继电器输出控制电路与所述控制芯片电性连接，所述控制芯片及所述工控通讯模块分别与所述中央控制板电性连接，所述控制芯片借助所述工控通讯模块可选择性地与外部扩充模组相连接。
优选地，所述控制芯片为ATMega1281的AVR芯片。
优选地，每组所述AC-L继电器输出控制电路均包括：相互间电性连接的N-channelMOSFET、二极管、继电器、继电器讯号限流电阻以及电流检测传感器；
所述N-channelMOSFET、所述二极管及所述继电器讯号限流电阻三者形成继电器吸合讯号决定电路，所述控制芯片通过所述继电器吸合讯号决定电路与所述继电器电性连接。
优选地，所述电流检测传感器为ACS712型电流检测传感器。
优选地，所述工控通讯模块内包括：
硬件连接端口子模块，用于实现控制器与外部扩充模组间的硬件连接；
工控接口转换子模块，用于将UART讯号转换为RS485讯号，实现控制器与外部扩充模组间的信号传输。
优选地，所述中央控制板上设置有人机交互存取接口，所述中央控制板通过所述人机交互存取接口与所述人机交互模组电性连接；所述中央控制板通过所述网络通讯处理模组、依照网络存取协议与远程客户端或另一控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接。
优选地，所述人机交互模组为所述控制器本体的实时操作面板，至少包含人机交互显示屏、按钮及触控面板。
优选地，所述网络存取协议为MQTT协议。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明提出了一种电力系统远程智能监测控制器，可与各类电控器件及设备相适配，有效地完成了远距离条件下对设备的智能化、精准化控制及远程监测数据获取，满足了实际应用环境中的各类使用需要。
同时，本发明的控制器采用集成化的设置方式，将硬件部分和相应的固件部分进行了有机整合，在应用时仅需要将其与外部的电路器件相结合即可实现后续的控制功能，整个控制流程的智能化、自动化程度高。而且本发明的控制器与被控设备间的匹配关系可以是一对一或一对多，整体架构灵活多变、适应性高。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于其他与智能控制相关的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明应用环境下的结构示意图。
具体实施方式
本发明揭示了一种用于实现对各种电控设备远程操控的电力系统远程智能监测控制器，具体如下。
一种电力系统远程智能监测控制器，与至少一组的外部电路器件相配合，由硬件部分及固件部分组成。
如图1所示，所述固件部分包括：
电力系统监测控制板(Electric Relay Board, ERB)，与外部电路器件电性连接，用于监测和控制电力回路输出；
网络通讯处理模组(Network Interface Process Module, NIPM)，与远程客户端或另一监测控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接，用于实现对单一监测控制器或由多个监测控制器所组成的群组的远程手/自动控制及监测；
人机交互模组(Human Interface Device, HID)，用于实现控制器与用户间的人机交互；
中央控制板(Central Unit, CU)，分别与所述电力系统监测控制板、所述网络通讯处理模组及所述人机交互模组电性连接，用于控制驱动各部分的运作，实现远程电力系统监测控制。
所述固件部分至少包括：
交流信号取样模块，集成于所述电力系统监测控制板中，用于实现对所述电力系统监测控制板内部电流大小的讯号取样；
实时通讯监测模块，集成于所述中央控制板中，用于获取被控设备的在线状态及位置信息；
本地化操作控制模块，集成于所述中央控制板中，用于非联网状态下监测控制器的本地操作管理；
回路状态判断模块，集成于所述中央控制板中，用于对监测控制器的内部回路及整体的系统回路进行状态判断。
以下针对上述总体技术方案进行详细表述。
如图2所示，每组所述外部电路器件均包括一块用于实现电力回路中输入输出间互动的继电器板以及一块电源检测表，多组所述外部电路器件间并联设置、且均与所述电力系统远程智能监测控制器电性连接；所述电力系统远程智能监测控制器或所述继电器板电性连接有多个用于进一步控制被控设备的交流接触器，多个所述交流接触器间并联设置；在本实施例中，所述交流接触器的数量为8个。
所述电力系统监测控制板内设置有：
控制芯片，所述控制芯片及其周边回路为整个所述电力系统监测控制板的执行核心周边，在本实施例中，所述控制芯片为ATMega1281的AVR芯片。
通过所述控制芯片，可提供继电器的开合讯号、电流检测的输入端、控制所述电力系统监测控制板的 MODBUS 对外通讯界面，并将以上的功能整合。透过单芯片的实时处理特性，所述中央控制板就不需要处理硬件逻辑方面的事情，并且在所述中央控制板不会因为进行远程软件更新时使所述电力系统监测控制板产生当下状态变化。
AC-L继电器输出控制电路，所述AC-L继电器输出控制电路与所述继电器板的数量相匹配且二者间对应连接，用于控制每一路电力回路的输出及电流检测。
在本实施例中，所述AC-L继电器输出控制电路共设置有8组，每组所述AC-L继电器输出控制电路均包括：相互间电性连接的N-channelMOSFET、二极管、继电器、继电器讯号限流电阻以及电流检测传感器；所述继电器优选为12V继电器，所述电流检测传感器为ACS712型电流检测传感器。
所述N-channelMOSFET、所述二极管及所述继电器讯号限流电阻三者形成继电器吸合讯号决定电路，所述控制芯片通过所述继电器吸合讯号决定电路与所述继电器电性连接。
所述交流信号取样模块集成于所述控制芯片内部，所述AC-L继电器输出控制电路与所述控制芯片电性连接，所述控制芯片及所述工控通讯模块分别与所述中央控制板电性连接，所述控制芯片借助所述工控通讯模块可选择性地与外部扩充模组相连接。
从所述控制芯片GPOCx脚位中送出的 3V3 讯号透过所述继电器吸合讯号决定电路决定 12V 继电器的吸合讯号。而所述电流检测传感器会检测流经其内部的感应电流，并输出电流大小的模拟讯号。由于检测电流的电力来源是交流电，因此所输出的模拟讯号是交流讯号，输入到所述控制芯片之后需要借助所述交流信号取样模块取样出正确的方均根(RMS) 电流值。而所述继电器两引脚处的电位差决定是否将 AC-L 输入电力通过继电器AC-L输出。藉由以上的电路组合来实现每一路的可控制输出及电流检测。
所述交流信号取样模块的方均根交流讯号取样方式主要是先将取样讯号经过低通滤波器，在本实施例中所使用的是 Kalman Filter，它可在所述控制芯片极度有限的系统资源环境下有效抑制高频噪声的取样抖动讯号，接着取得交流讯号的峰值，而由于交流讯号的基准电位并非为一固定电位值，即以观察间格时间内的峰对峰值一半为基准电位值，对于中国通用的50hz来说，最小的观察间格时间即为20ms，由于AVR的ADC为MUX的形式，8路需要8倍的时间，本系统的ADC实作的取样速度为9600sps，每一路连续取样400次，即是以41.6ms为一个观察间隔，也就是需要332ms的时间取样所有8路的峰对峰值，再以峰值的
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即为方均根值，以此值作为电流大小的讯号判断。
工控通讯模块，可用于提供所述电力系统监测控制板或是所述控制芯片的 RS485接口支持，使所述本控制器具备第三方工控自动化模块的扩充能力，用于扩充更多控制回路的模块、更进阶的电源量测的能力等。
所述工控通讯模块内包括：
硬件连接端口子模块，用于实现控制器与外部扩充模组间的硬件连接；
工控接口转换子模块，用于将UART讯号转换为RS485讯号，实现控制器与外部扩充模组间的信号传输。
所述中央控制板是Raspberry Pi为基础的低耗电迷你计算机，具备ARM 处理器、512M/1GB内存、microSD的系统储存及Debian Linux为基础的 Raspbian。直接使用此架构的最大优点即是成熟且活跃的开发板平台，海量的软硬件支持及各式的技术文件。系统即是以此做为平台，使用Python 开发控制器软件，其中无论是硬件的工控存取接口、电力系统监测控制板、人机交互模组，以及软件面的定时排程、远程访问协议、第三方工控模块存取协议等等的各式链接库皆由此开发。
所述中央控制板上设置有人机交互存取接口，所述中央控制板通过所述人机交互存取接口与所述人机交互模组电性连接；所述中央控制板通过所述网络通讯处理模组、依照网络存取协议与远程客户端或另一控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接。
所述人机交互存取接口为本机及用户交互的主要接口，此处使用 Python的PySide2套件开发Qt5为基础的操作接口，具备触控机能的高友善度的图形接口。
所述人机交互模组为所述控制器本体的实时操作面板，至少包含人机交互显示屏、按钮及触控面板。
所述网络存取协议为MQTT协议，它可轻易做到讯息推送的功能，远程的客户端就可以此协议为基础的API自由开发对应的控制器软件，而且能够透过订阅路径的机制实作出不同控制器间的同时群组控制，并且简单的协议结构不只降低程序维护的难度，而且也减少了协议处理时的系统资源消耗，进而降低控制器的碳排放量。
所述中央控制板内的所述回路状态判断模块会以定时排程的触发动作、系统资源的状态、人机交互的手动操作，或是来自MQTT的远程讯号，判断是否改变回路状态，并且将切换讯号以MODBUS的协议透过Raspberry Pi的UART与工控存取接口做存取，或者是使用I2C亦或是 Software UART与所述电力系统监测控制板存取。各式各样的不同接口就透过胶水般的Python粘合成一个完整的软件平台，并且更具备远程更新软件功能，可不断强化扩充控制器整体的软件功能。
所述网络通讯处理模组则是整合Raspberry Pi可用的网络通讯，即 RJ45的ethernet、802.11n Wi-Fi，以及可选型号的移动网络模块，判断各自的联机能力，选择最适合的对外联机，以提高联机可用性。
综上所述，本发明提出了一种电力系统远程智能监测控制器，可与各类电控器件及设备相适配，有效地完成了远距离条件下对设备的智能化，精准化控制及远程监测数据获取，满足了实际应用环境中的各类使用需要。
同时，本发明的控制器采用集成化的设置方式，将硬件部分和相应的固件部分进行了有机整合，在应用时仅需要将其与外部的电路器件相结合即可实现后续的控制功能，整个控制流程的智能化、自动化程度高。而且本发明的控制器与被控设备间的匹配关系可以是一对一或一对多，整体架构灵活多变、适应性高。
本发明的控制器内部还选用了诸多现有技术中较为成熟的部件和方案，使得本发明整体的加工和制造成本进一步降低、稳定性进一步提高，为其后续的大规模推广应用奠定了基础。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于其他与智能控制相关的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。
需要声明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电力系统远程智能监测控制器，与至少一组的外部电路器件相配合，由硬件部分及固件部分组成，其特征在于：
所述固件部分包括，
电力系统监测控制板，与外部电路器件电性连接，用于监测和控制电力回路，
网络通讯处理模组，与远程客户端或另一监测控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接，用于实现对单一监测控制器或由多个监测控制器所组成的群组的远程手/自动控制及监测，
人机交互模组，用于实现控制器与用户间的人机交互，
中央控制板，分别与所述电力系统监测控制板、所述网络通讯处理模组及所述人机交互模组电性连接，用于控制驱动各部分的运作、实现远程电力系统监测控制；
所述固件部分至少包括，
交流信号取样模块，集成于所述电力系统监测控制板中，用于实现对所述电力系统监测控制板内部电流大小的讯号取样，
实时通讯监测模块，集成于所述中央控制板中，用于获取被控设备的在线状态及位置信息，
本地化操作控制模块，集成于所述中央控制板中，用于非联网状态下监测控制器的本地操作管理，
回路状态判断模块，集成于所述中央控制板中，用于对监测控制器的内部回路及整体的系统回路进行状态判断。
2.根据权利要求1所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：每组所述外部电路器件均包括一块用于实现电力回路中输入输出间互动的继电器板以及一块电源检测表，多组所述外部电路器件间并联设置、且均与所述电力系统远程智能监测控制器电性连接；所述电力系统远程智能监测控制器或所述继电器板电性连接有多个用于进一步控制被控设备的交流接触器，多个所述交流接触器间并联设置。
3.根据权利要求2所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于，所述电力系统监测控制板内设置有：
控制芯片，用于提供继电器的开合讯号、接收并处理电力回路内的电流检测信号以及实现对外通讯控制；
AC-L继电器输出控制电路，所述AC-L继电器输出控制电路与所述继电器板的数量相匹配且二者间对应连接，用于控制每一路电力回路的输出及电流检测；
工控通讯模块，用于实现信号交互、扩充控制器的整体功能；
所述交流信号取样模块集成于所述控制芯片内部，所述AC-L继电器输出控制电路与所述控制芯片电性连接，所述控制芯片及所述工控通讯模块分别与所述中央控制板电性连接，所述控制芯片借助所述工控通讯模块可选择性地与外部扩充模组相连接。
4.根据权利要求3所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：所述控制芯片为ATMega1281的AVR芯片。
5.根据权利要求3所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于，每组所述AC-L继电器输出控制电路均包括：相互间电性连接的N-channelMOSFET、二极管、继电器、继电器讯号限流电阻以及电流检测传感器；
所述N-channelMOSFET、所述二极管及所述继电器讯号限流电阻三者形成继电器吸合讯号决定电路，所述控制芯片通过所述继电器吸合讯号决定电路与所述继电器电性连接。
6.根据权利要求5所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：所述电流检测传感器为ACS712型电流检测传感器。
7.根据权利要求3所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于，所述工控通讯模块内包括：
硬件连接端口子模块，用于实现控制器与外部扩充模组间的硬件连接；
工控接口转换子模块，用于将UART讯号转换为RS485讯号，实现控制器与外部扩充模组间的信号传输。
8.根据权利要求1所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：所述中央控制板上设置有人机交互存取接口，所述中央控制板通过所述人机交互存取接口与所述人机交互模组电性连接；所述中央控制板通过所述网络通讯处理模组、依照网络存取协议与远程客户端或另一控制器内的所述网络通讯处理模组信号连接。
9.根据权利要求8所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：所述人机交互模组为所述控制器本体的实时操作面板，至少包含人机交互显示屏、按钮及触控面板。
10.根据权利要求8所述的电力系统远程智能监测控制器，其特征在于：所述网络存取协议为MQTT协议。
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