CN201336572Y

CN201336572Y - 中低压配电网远程自动化管理系统

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Publication number: CN201336572Y
Application number: CNU2008201841131U
Authority: CN
Inventors: 张伟明; 贾晋君; 张世翠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2018-12-31

Abstract

一种中低压配电网远程自动化管理系统，包括控制中心和配变监测仪，控制中心由主机和从机组成，主机由中央处理器、上位机远程通讯模块、铁电贮存器、采样周期及相位锁定模块组成，从机由AVR系列的中央协处理器、液晶显示器、键盘、人机接口电路、三相电流/电压采样模块、多组电容器投切控制模块组成；液晶显示器、键盘通过人机接口电路与中央协处理器连接；三相电流/电压采样模块由电流采样电路和电压采样电路构成，电容器投切控制模块由锁存器、光电耦合器、功率放大器、中间继电器、交流接触器构成，配变监测仪由单片机、下位机远程通讯模块以及三相载波通讯接口模块组成，本系统解决了以往中低压配电网运行与营销系统重复投资的问题。

Description

中低压配电网远程自动化管理系统

技术领域

本实用新型涉及配电网远程自动化管理系统。

背景技术

一直以来，供电部门把不断降低线路损耗作为企业提高经济效益的重要指标，在企业内部推行线损的层层承包责任制度，但由于传统的手工抄表方式所造成的电量数据时标的不统一和抄录数据的错误等原因，造成统计线损难以与实际情况相符，为解决抄表人员入户难、数据误差大、难管理等一系列问题，各级城乡都在积极推广自动抄表系统，现有的自动抄表系统功能单一，不能进行配网监测及线损分析，不能同时满足配电网运行与营销的要求，存在安全经济运行系统与收费营销系统重复投资的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种中低压配电网远程自动化管理系统，该系统能同时满足配电网安全经济运行与营销的要求，做到资源共享，解决了以往低压配电网运行与营销系统重复投资的问题。

为实现上述目的：本实用新型采用以下技术方案：

一种中低压配电网远程自动化管理系统，包括控制中心和配变监测仪，控制中心由主机和从机组成，其特征是：

主机由ARM体系结构的嵌入式中央处理器、上位机远程通讯模块、铁电贮存器、采样周期及相位锁定模块组成，上位机远程通讯模块与嵌入式中央处理器的USART串行接口连接，铁电贮存器通过SPI总线与中央处理器的SPI接口连接；采样周期及相位锁定模块由锁相环电路和高精度AD转换器构成，锁相环电路通过高精度AD转换器与嵌入式中央处理器的通用I/O端口连接；

从机由AVR系列的中央协处理器、液晶显示器、键盘、人机接口电路、三相电流/电压采样模块、多组电容器投切控制模块组成；液晶显示器、键盘通过人机接口电路与中央协处理器连接；三相电流/电压采样模块由电流采样电路和电压采样电路构成，电流采样电路的输入端通过电流-电压变换器与配电变压器出线端口以下的相线和零线连接，电流采样电路的输出端与中央协处理器的模/数转换通道连接；电压采样电路的输入端通过电压互感器与配电变压器出线端口的相线连接；电压采样电路的输出端与中央协处理器的模/数转换通道连接；每组电容器投切控制模块由锁存器、光电耦合器、功率放大器、中间继电器、交流接触器构成，锁存器的输入端与中央协处理器的通用I/O端口连接，锁存器的输出端经过光电耦合器与功率放大器的输入端耦合，功率放大器的输出端与中间继电器的线圈连接，中间继电器的触点串接在交流接触器的线圈的供电回路上，交流接触器的触点串接在电容器组与电网之间；

配变监测仪由单片机、下位机远程通讯模块以及三相载波通讯接口模块组成，下位机远程通讯模块与单片机的UART串行接口连接；下位机远程通讯模块与所述上位机通讯模块经过有线信道或无线信道连接；单片机通过三相载波通讯接口模块分别与配电变压器出线关口以下的三相火线连接。

所述三相载波通讯接口模块由A、B、C相载波通讯接口模块组成，各相载波通讯接口模块的结构相同，每相载波通讯接口模块由耦合电路、发送滤波电路、发送功放电路、接收滤波电路、接收功放电路、电力线载波芯片组成，接收滤波电路的输入端经过耦合电路与低压电力线连接，接收滤波电路的输出端接收功放电路的输入端连接，接收功放电路的输出端与电力线载波芯片的解调信号输入端连接，电力线载波芯片的调制信号输出端与发送功放电路的输入端连接，发送功放电路的输出端与发送滤波电路的输入端连接，发送滤波电路的输出端经过耦合电路与低压电力线连接。

本实用新型具有以下积极有益效果：

本系统是以供电局或供电分局、变电站、10KV出线为一个单元，针对每条10KV线路出线关口以下，该线路与所载配电变压器及其低压侧各居民用户等的用电情况进行全面监测的管理系统，它可推进营销自动化管理进程、快速准确的对台区内任何一只电能表的数据进行远程实时抄表和配电变压器全部稳态电气量的在线实时监测，并对配变存在的问题进行专家诊断，分门别类地提出诊断及改进措施与步骤；同时运用同期量计算法对整条10KV多分支公用线路进行线损计算与分析，指出线损重点线段及设备的运行状况，为降损及改进措施提供有力的科学依据，保证供用电可靠性，实现城乡配电网自动化科学管理。

本系统可提高配电网电能质量，降低线损，可实现配电变压器全部稳态电气量实时监测，在获得大量数据的基础上系统性的进行“专家诊断”，对整条10KV多分支公用线路采用同期量算法进行线损分析与计算，同时对配电变压器台区以下低压用户电能进行载波与远程相结合的方式集中抄表与管理及台区线损的分析与计算，它还可选定合理配置并自动控制优化投切无功补偿用电容器组的运行。

附图说明

图1是本实用新型的组成结构示意图。

图2是图1中控制中心和配变监测仪的原理框图。

图3是图2中电容器投切控制模块的原理框图。

图4是图1中配变载波集抄的原理框图。

图5是图A相载波通讯接口电路的原理框图。

图6是采样周期及相位锁定模块的电路原理图。

图7是电流、电压采样模块的电路原理图。

图8是电容器投切控制模块的电路原理框图。

图9是三相电容器组的接线图。

图10是电力线载波收发模块的电路原理图。

图11是载波抄表数据接口模块的电路原理图。

具体实施方式

请参照图1、图2、图3，本实用新型是一种中低压配电网远程自动化管理系统，包括控制中心和配变监测仪，控制中心由主机和从机组成，主机由ARM体系结构的嵌入式中央处理器、上位机远程通讯模块、采样周期及相位锁定模块、外部数据存储器组成，上位机远程通讯模块与嵌入式中央处理器的USART串行接口连接，外部数据存储器由F RAM铁电存储器构成，外部数据存储器通过SPI总线与ARM中央处理器的SPI接口连接；

中央处理器采用型号为LPC2138的微控制器，LPC2138是飞利浦公司推出的基于ARM7TDMI-S内核的微控制器，它具有非常丰富的外围模块，强大的处理和控制功能，非常易于构建嵌入式系统。LPC2138内嵌512KB的高速Flash存储器和32KB的RAM，具有丰富的外设资源：2个32位定时器(带捕获、比较通道)；2个10位8路ADC；1个10位DAC；PWM通道；47路GPIO；9个边沿或电平触发的外部中断；具有独立电源和时钟的RTC 多个串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内Boot装载程序可以实现在系统/在应用编程(ISP/IAP)，通过片内PLL可实现60MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒。

请参照图6，采样周期及相位锁定模块由锁相环电路和高精度AD转换器构成，锁相环电路通过高精度AD转换器与嵌入式中央处理器的通用I/O端口连接；

锁相环电路由CD4046型号的芯片构成，锁相环采用的是RC型压控振荡器，外接电容C10和电阻R20作为充放电元件。锁相环CD4046的AIN与BIN分别为输入和输出，AIN引入采样进来的信号，BIN引入反馈信号。

图6中运算放大器U5作比较器使用，其同相输入端与电压采样信号连接。锁相环后面的电路是倍频器，倍频器由CD4040型号的芯片构成，锁相环的VCOUT端连到的倍频器CD4040输入端CLK，CD4040的Q9脚引出信号作为反馈接至CD 4046的BIN端。

中央处理器LPC2138的采样和计算周期为1秒，由锁相环CD4046产生的6.4KHz脉冲通过高精度AD转换器MAX125按时间等分对50Hz的电网电压、电流采样，每周波采样点数为128点。并将采样结果送回中央处理器。连续采够18周波的数据后，开始包括电量、谐波在内的数十种数据计算，统计后暂存于32K的FRAM铁电存储器中。从机对实时时间的判断，将需要长期保存的数据发送给AVR处理，并长期保存到I方C总线的EEPROM存储器中。

请参照图2，从机由AVR系列的中央协处理器、液晶显示器、键盘、人机接口电路、三相电流/电压采样模块、多组电容器投切控制模块构成；液晶显示器、键盘通过人机接口电路与中央协处理器连接；通过操作键盘可手动改变电容器的投切状态，切换液晶显示内容并设置时钟时间；液晶显示器主要显示当前各相的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、各电容器投切状态和系统时间等。

中央协处理器ATMEGA64内制多重通讯协议，包括载波电表通讯规约、MODEBUS、载波抄表集中器MODEM通讯协议和TCP协议等，中央协处理器ATMEGA64使用USART串行接口，通过内置的通讯协议与中央处理器LPC2138进行数据交换，向中央处理器LPC2138发送数据计算所需要的参数，数据统计需要的实时时间，并通过人机接口电路显示实时的数据；

请参照图7，三相电流/电压采样模块由电流采样电路和电压采样电路构成，电流采样电路的输入端通过电流-电压变换器T1与配电变压器出线端口以下的A相线和零线N连接，电流采样电路的输出端与中央协处理器ATMEGA64的模/数转换通道连接；电流采样电路由集成运算放大器U1、U2组成。

电压采样电路的输入端通过电压互感器与配电变压器出线端口以下的A、B、C相线和零线连接；电压采样电路的输出端与中央协处理器ATMEGA64的模/数转换通道连接；电压采样电路由集成运算放大器U1、U2组成。

A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给中央协处理器ATMEGA64的ADC0端口和ADC1端口的模拟量发生变化，则不能保证精度。所以要在ADC端口前加入采样保持电路，本实施例中，电流采样电路和电压采样电路由差分放大电路组成，差分放大电路的特性是具有两种工作状态：采样状态和保持状态。

请参照图1、图9，低压无功补偿装置主要用于10KV线路的配电变压器低压侧，补偿公用变、专用变低压用户设备运行中需要的无功功率。低压无功补偿装置由多组按三角形连接的三相电容器CM1、CM2、CMn组成，能精确采样，随时跟踪无功功率的需求，准确快捷地多组分级自动循环投切相应的电容器量，做到投时无涌流，切时无过电压，运行时开关不发热，触头不烧毛受损，全面消除了以往各类投切装置存在的缺陷和隐患。且保护可靠，安全性高，抗干扰性强；结构简单紧凑，占用空间小，易于推广。

请参照图2、图3、图8、图9，电容器投切控制模块由锁存器、光电耦合器、功率放大器、中间继电器、交流接触器构成，锁存器由8位可寻址锁存芯片4099构成，光电耦合器由光隔芯片TLP5214构成，功率放大器由三极管构成，由中央协处理器ATMEGA64的通用I/O端口输出控制信号给锁存芯片4099，每块锁存芯片4099驱动两块光隔芯片TLP521-4，每块光隔芯片TLP521-4有四路输出，分别驱动四个三极管，经三极管放大后控制中间继电器再直接控制交流接触器投、切电力电容器组。

请参照图8，光隔芯片U12的管脚9、11分别与三极管M1、M2的基极连接，光隔芯片U12的管脚9、11为高电平时，三极管M1、M2导通，三极管M1、M2的输出端分别与中间继电器JA、JB的线圈连接，中间继电器JA、JB的常开触点JA1、JB1分别串接在交流接触器KM1、KM2线圈的供电回路上。

交流接触器KM1的常开触点KMA串接在电容器组CM1、与电网之间。

交流接触器KM2的常开触点KMB串接在电容器组CM2与电网之间。

当继电器JA、JB的线圈得电后，其常开触点JA1、JB1闭合，交流接触器KM1、KM2的线圈得电，其常开触点KMA、KMB闭合，将电容器组CM1、CM2投入电网，从而实现无功补偿。

配变监测仪采用海量数据存储与处理，克服了控制中心由于其它运营商故障造成通讯联路堵塞的瓶颈问题，可在链路正常后及时完全恢复监测数据，

本系统中，上位机远程通讯模块与下位机远程通讯模块之间采用有线方式或无线方式连接。

有线方式可以是：RS-232通讯方式、RS-485/422通讯方式或电话MODEM方式。无线方式可以是GSM短信方式、GPRS及CDMA等方式，配电变压器的数据采集处理部分和低压载波数据集抄部分软件设计中采用不同的通讯协议，各取所需而又互不干扰，也可以获取全部信息综合使用。本系统充分利用现有的通讯方式进行数据交换，使不同的设备可以利用同一个链路进行数据传输和交换，有机的结合在一起，当中央处理器LPC2138完成配电变压器稳态电气量的采集、处理、运算、控制等任务时，单片机P89C669FA可同时进行对配电变压器所带的电表读取数据和电表运行状态管理等，两个功能之间互不干涉，而完成任务后又可进行相互数据传输和交换。

中央协处理器主要负责外围电路和人机接口，如：无功补偿电容器的投切控制。并通过矩阵键盘和LCM12864液晶显示器实现人机对话。中央协处理器使用USART串行接口通过内置的通讯协议与中央处理器LPC2138进行数据交换，向中央处理器LPC2138发送数据计算所需要的参数，数据统计需要的实时时间，并通过该连接获得人机接口所需要显示的实时数据。

请参照图4、图5，三相载波通讯接口模块由A、B、C相载波通讯接口模块组成，各相载波通讯接口模块的结构相同，每相载波通讯接口模块由耦合电路、发送滤波电路、发送功放电路、接收滤波电路、接收功放电路、电力线载波芯片PL3105组成，请参照图10、图11，发送功放电路由三极管M3、M4、M5、M6构成，三极管M3、M4、M5、M6连接成推挽功放电路，载波信号由电力线载波芯片PL3105的PSK-OUT端口输出，波形为0-5V的方波，包含丰富的谐波；经过推挽电路进行功率放大后输送给发送滤波电路。由于放大后的信号波形富含谐波，为减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。

发送滤波电路由电感L1、电容C11组成，电感L1、电容C11组成串联谐振回路，完成整形滤波后，再通过耦合线圈T3耦合到低压电力线上，双向二极管D7起保护作用。三极管D3、D4起钳位作用、吸收低压电力线上的尖峰干扰。载波发射功率的大小与VHH电源幅值的高低以及电源电流提供能力密切相关，在一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效地加大发射功率、从而延长通信距离。

接收滤波电路由电容C12、电感L2组成，电容C12、电感L2组成并联谐振回路，谐振以中心频率为120KHz，完成对有效信号的带通滤波，良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度，二极管D5、D6起钳位作用。

PL3105芯片是与8051指令兼容的高速微处理器，具有8/16位双模式ALU、8倍速于标准51系列微处理器。载波通信采用直接序列扩频的BPSK调制解调方式：将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。经过电容C12、电感L2选频后的载波信号由SIGIN-A端口进入PL3105中，经其内部程序运算，恢复信息后，再通过其串行数据发收口P30、P31输送到单片机P89C669FA中。

配电变压器有三相输出供电，因此在三相电路中分别加入电力线载波芯片，载波工作频率为120KHz，载波芯片把频率信号转换为数字信号后经数据校验无误才作为有效电表数据，如A相电力线载波芯片完成A相配电线路的电表数据采集，B、C完成相应配电线路的电表数据采集。单片机P89C669FA收到要求收集电表数据的指令后通过级联互通接口分别向三相电力线载波芯片读取、接收数据，并存于1M*8存贮器中。P89C669FA芯片读取串行时钟获取执行载波抄表指令的时间，当设置好抄表时间后可以自动独立完成载波抄表任务。

中央协处理器ATMEGA64是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，具有32个8位通用工作寄存器，8路10位ADC，可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，中央处理器通过对中央协处理器的测量结果分析、判断，决定是否进行无功补偿，FRAM铁电存储器用于保存系统的某些初始值、低压电网运行参数的定时存储、系统故障状态的存储等功能，以便监控主站，随时查阅历史记录。

中央协处理器ATMEGA64通过异步串行口数据总线对P89C669FA芯片和远程通讯端口(GPRS/CDMA和电话MODEM接口422/485接口)级联互通，中央协处理器ATMEGA64程序指令控制载波数据和配电变压器的监测数据的交换、互通和对两种数据进行合并汇总对外远程传输。完成校表数据的写入和寄存器结果的读出。

中央协处理器ATMEGA64内制多重通讯协议(MODEBUS、载波电表通讯规约、载波抄表集中器MODEM通讯协议和TCP协议等)，当它对LPC2138(ARM)、P89C669FA芯片、远程通讯端口分别通讯时采用不同的通讯协议和不同的数据校验方式，以确保它们相互之间数据不会互相干扰，保障多种数据的高可靠性和100％的成功率。

Claims

1、一种中低压配电网远程自动化管理系统，包括控制中心和配变监测仪，控制中心由主机和从机组成，其特征是：

2、如权利要求1所述的中低压配电网远程自动化管理系统，其特征是：所述三相载波通讯接口模块由A、B、C相载波通讯接口模块组成，各相载波通讯接口模块的结构相同，每相载波通讯接口模块由耦合电路、发送滤波电路、发送功放电路、接收滤波电路、接收功放电路、电力线载波芯片组成，接收滤波电路的输入端经过耦合电路与低压电力线连接，接收滤波电路的输出端接收功放电路的输入端连接，接收功放电路的输出端与电力线载波芯片的解调信号输入端连接，电力线载波芯片的调制信号输出端与发送功放电路的输入端连接，发送功放电路的输出端与发送滤波电路的输入端连接，发送滤波电路的输出端经过耦合电路与低压电力线连接。