CN202351347U - 配电变压器监测终端装置 - Google Patents

Abstract

一种配电变压器监测终端装置，包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块；电源模块为本配变变压器监测终端装置供电；所述中央主控模块包括DSP、双口RAM和单片机，单片机和DSP通过双口RAM通信；高速数据采集模块采集变压器信号，高速数据采集模块的输出端经A/D转换器件连接DSP；所述通讯模块包括CAN总线模块、485接口模块；所述单片机连接485接口模块、人机交互模块和时钟模块；所述DSP连接开入开出模块和CAN总线模块；所述存储器模块连接DSP和单片机。本装置结构简单、通讯功能齐全、适应性强的配电变压器监测终端装置。

Description

配电变压器监测终端装置

技术领域

本实用新型涉及一种变压器监控设备，属于配电网监控技术领域，尤其涉及一种配电变压器监测终端装置。

背景技术

在目前国内的供配电系统中，配电变压器是配电网中将电能直接分配给低压用户的重要的电力设备，其运行时的数据是重要的配电网基础数据。配电变压器比较分散且数量较多，但目前多数配电变压器没有配备智能化、可通信的监测装置，往往需要耗费大量的人力、物力进行电网的数据采集、故障排查、定期检修等工作，其间的人为停电检修甚至误判会给电力用户带来诸多不便，而且损失电能。现有的变压器监测装置往往结构复杂，箱体庞大；通讯方式比较单一，缺少远程通信能力；难以改变采样点数，对于不同监测场合的适应性不强。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、通讯功能齐全、适应性强的配电变压器监测终端装置。采用工业级芯片，大大提高了系统的可靠性，利用DSP和单片机作为主控单元，可以实现对配电变压的运行数据进行有效采集和处理，并实现数据上传及故障诊断等功能。

本实用新型的技术方案：

一种配电变压器监测终端装置，包括电路部分和结构部分，电路部分安装在结构部分上；电路部分包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块；电源模块为本配变变压器监测终端装置供电；所述中央主控模块包括DSP、双口RAM和单片机，单片机和DSP通过双口RAM通信；高速数据采集模块采集变压器信号，高速数据采集模块的输出端经A/D转换器件连接DSP；所述通讯模块包括CAN总线模块、485接口模块；所述单片机连接485接口模块、人机交互模块和时钟模块；所述DSP连接开入开出模块和CAN总线模块；所述存储器模块包括两部分，一部分连接DSP，另一部分连接单片机。

所述高速数据采集模块包括互感器单元和信号调理电路，互感器单元的输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D转换器件包括测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器，所述信号调理电路的输出端分别连接测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的信号输入端，测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的输出端都连接DSP的信号输入端；所述DSP内部集成了PWM模块，PWM模块的输出端连接测量通道A/D转换器控制端。

所述信号调理电路包括依次连接的巴特沃兹二阶滤波电路和放大/限幅电路。

所述通讯模块还包括GPRS无线模块；所述GPRS无线模块通过所述485接口模块连接单片机。

所述的开入开出模块包括8路开入和16路开出，每路开入/开出都连接有硬件光电隔离器件。

所述的人机交互模块包括液晶显示模块和按键，按键的输出端连接单片机的输入端，液晶显示模块的输入端连接单片机的输出端。

所述存储器模块包括SRAM和E2PROM，SRAM与DSP连接，E2PROM与单片机连接。

所述结构部分包括数据采集板、开入开出板、中央主控板、电源板和面板；高速数据采集模块装在数据采集板上，开入开出模块装在开入开出板上，时钟模块、通讯模块、存储器模块和中央主控模块装在中央主控板上，电源模块装在电源板上，人机交互模块装在面板上，所述数据采集板、开入开出板、中央主控板和电源板通过接插槽或排线连接在面板上。

本技术方案的原理说明如下：

一种配变变压器监测终端装置，主要包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块等。变压器信号由互感器单元采集，经过滤波电路、放大和限幅保护电路，进行模数转换，将转换后的数字量传给中央主控模块，由于变压器监测对数据处理的实时性要求很高而且数据量较大，所以中央主控模块采用双CPU系统，由DSP和单片机组成，可以充分发挥DSP快速强大的运算能力和单片机丰富的硬件资源，主要负责运行参数的处理、电能计量、异常告警以及运行状况的分析和预测等，可以计算电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波分量等，并且中央主控模块的各种输出分别与开入开出模块、通讯模块、人机交互模块、时钟模块和存储器模块等相连，通讯模块包括多种通信方式，可以进行远方通信，存储器模块与CPU相连接负责数据的临时存储以及定值的存储，电源模块提供装置各部分的电源供给。

所述的高速数据采集模块由高精度互感器、滤波电路、放大电路以及A/D转换器等构成，主要负责信号的采集、滤波、放大和A/D转换。滤波电路采用巴特沃兹二阶滤波电路，可以有效滤除工频杂波；放大电路选用OP07高精度运算放大器，主要负责对互感器的微弱信号进行放大和限幅保护，以得到满足模数转换器输入范围的信号；由于测量和保护所需的精度范围和精度等级不同，采用不同精度的A/D转换器，为了满足系统精度需求并节省一定费用，测量通道采用2片TI公司ADS8364模数转换芯片，它是一种高速低功耗的16位并行模数转换器，有6个模拟量输入通道，转换速率高达250kHz，可以实现6通道同时采集，可以从外部引入最大5MHz的时钟频率，采用全差分的输入方式可以很好的抑制共模干扰；保护通道利用DSP内部集成的12位A/D转换模块，可以满足保护精度的需要，又简化了硬件电路设计。

所述的中央主控模块采用DSP+MCU的双CPU系统结构，主要包括DSP、双口RAM和单片机三部分。本装置涉及大量数据的采集和运算，为保证可靠性，因而采用了双CPU系统。TI公司的TMS320F2812型DSP具有快速的数字信号处理能力，具有强大的事件管理能力和控制功能，同时集成了A/D转换模块和CAN控制器模块等外设，简化了A/D转换和CAN总线通信的电路设计，不仅节省了费用，更提高了系统的可靠性。单片机选用工业级51单片机STC12LE5A60S2，它是一款高速、低功耗的单片机，具有双串口以及丰富的外设接口。双口RAM采用CY7C026芯片，它是CYPRESS公司生产的16k×16B高速双口静态RAM，存取速度小于25ns。他具有真正的双端口，可以同时进行数据存取，两个端口具有独立的控制信号线、地址线和数据线，另外通过主从选择可以方便地扩存储容量和数据宽度。具有两个独立的控制总线、地址总线和I/O总线接口，可以实现CPU间大量数据的快速交换，并且允许CPU独立访问内部的任何存储单元。利用DSP超强的数据处理能力，实现多通道数据采集、参数计算，与单片机进行数据交换，用PWM对采样周期控制，并发挥自身内部集成A/D和CAN控制器模块的作用；利用单片机丰富的硬件资源，管理人机交互、时钟模块、定值存储和数据上传，及部分通讯功能，双CPU系统的搭配可以完全满足变压器监测装置的数据采集、处理、传输、控制以及各种算法的需求。

所述的通讯模块集成了多种通讯接口，包括232串行接口、485总线接口、GPRS无线通信接口、CAN总线接口。多种通讯接口方便接入到相应的通信网络，适合多种监测场合，也可以节省开销。232接口主要用于测试使用；485总线通信广泛应用于各种监测场合，利用差分传输方式，工业环境抗干扰能力强；GPRS无线通信利用485接口连接GPRS无线模块，直接接入中国移动网络，可以与软件后台进行可靠的数据传输，实现“四遥”功能，不仅能够节省新建通信网络和维护的费用，而且可以保证通信的可靠性。CAN总线采用DSP集成的CAN控制器模块，只需经简单的硬件电路搭建就可以实现CAN通信，采用CAN2.0通信协议，节省了CAN控制器芯片，而且CAN总线传输速度快，抗干扰强，非常适合数据量很大的测控场合。设计中，利用单片机双串口的特点，一个用作232通讯使用，一个通过485电平转换芯片输出作为485接口，485总线和GPRS无线通信复用485接口，利用短接帽可以选择通信方式，以简化电路。

所述的开入开出模块主要负责开关量的开入和开出，为了满足保护功能需要，一共由8路开入和16路开出组成，每路开入开出量均进行硬件光电隔离，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

所述的人机交互模块包括液晶电路和按键，液晶模块选用240*128的ZLG240128F大屏幕液晶显示器，RA8806控制器，全中文显示，可实现系统时间、测量数据、装置运行状态等显示功能，通过按键可进行时间调整以及系统定值修改。

存储器模块包括SRAM IS61LV6416和E2PROM AT24C512。IS61LV6416是静态随寄存器，具有16根数据总线和16根地址总线，最大存储空间为65535*16b，存取时间为8ns，与DSP的Zone6相连；AT24C512是ATMEL公司推出的具有12C总线容量达512bit(64K*8)的E2PROM，具有掉电不丢失性，数据可保存40年，用于连接单片机进行定值的存储。

本实用新型采用插板式结构，分为数据采集板、开入开出板、中央主控板、电源板、液晶和面板等，数据采集板、开入开出板、中央主控板、电源板、液晶通过接插槽或排线连接在面板上，在面板上实现各模块的连接。

本实用新型主要具有以下功能：

1、可以实时测量变压器高压侧和低压侧的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、多次谐波等。

2、可以通过开入开出模块检测和控制各类可控开关设备。

3、具有人机交互功能，能够方便工作人员对变压器的运行状态快速了解，做出迅速决策。

4、装置集成了232接口、485接口、GPRS无线接口、CAN总线接口多种通信接口，可实现信息的远方传送和交换，保证数据传输的实时性和可靠性。

5、利用配网自动化软件后台可以实现数据显示、故障录波、系统评估、数据库操作，以及遥控、遥信、遥调、遥测、远方修改定值、下行修改采样点数指令等。

同现有配电变压器监测装置相比，本实用新型具有以下积极效果或优点：

1、装置采用DSP+MCU的双CPU系统，可以实时监测变压器的运行参数，对参数进行处理，实现电能质量分析、变压器运行状态监测与评估、故障告警等功能。

2、通讯采用有线和无线多种通信方式，完成数据的远传，实现监控中心远程监控。

3、针对测量和保护所需采样精度的不同，测量部分选用专用的高精度模数转换器ADS8364，保护部分采用DSP集成的ADC模块，如此设计不仅能够很好的满足系统的精度要求，又简化了电路，节省一定的成本。

4、针对现有监测装置采样点数不可修改的状况，本装置利用DSP的捕获单元进行信号过零点检测，通过计算信号频率，进而修改DSP的PWM的定时器定值，而PWM输出进行A/D采样时钟控制，同时，可以利用远程下行指令进行周期采样点数的整定修改，以应对不同监测场合对采样点数的需求。

5、采用独立的自检系统，DSP和单片机采用相互独立的自检程序模块，提高系统可靠性。

6、装置采用插板式结构，具有方便的扩展升级能力，所有部件都选用工业级芯片，电路设计时充分考虑到电磁兼容性，提高抗干扰能力，箱体设计结构紧凑，装置小巧。

附图说明

图1为本实用新型实的总体机构原理框图。

图2为双CPU系统原理示意图。

具体实施方式

一种配变变压器监测终端装置，包括电路部分和结构部分，电路部分安装在结构部分上；电路部分包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块；电源模块为本配变变压器监测终端装置供电；所述中央主控模块包括DSP、双口RAM和单片机，单片机和DSP通过双口RAM通信；高速数据采集模块采集变压器信号，高速数据采集模块的输出端经A/D转换器件连接DSP；所述通讯模块包括CAN总线模块、485接口模块；所述单片机连接485接口模块、人机交互模块和时钟模块；所述DSP连接开入开出模块和CAN总线模块；所述存储器模块包括两部分，一部分连接DSP，另一部分连接单片机。

所述高速数据采集模块包括互感器单元和信号调理电路，互感器单元的输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D转换器件包括测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器，所述信号调理电路的输出端分别连接测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的信号输入端，测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的输出端都连接DSP的信号输入端；所述DSP还连接有PWM模块，PWM模块的输出端连接测量通道A/D转换器控制端。所述信号调理电路包括依次连接的巴特沃兹二阶滤波电路和放大/限幅电路。所述通讯模块还包括GPRS无线模块；所述GPRS无线模块通过所述485接口模块连接单片机。所述的开入开出模块包括8路开入和16路开出，每路开入/开出都连接有硬件光电隔离器件。所述的人机交互模块包括液晶显示模块和按键，按键的输出端连接单片机的输入端，液晶显示模块的输入端连接单片机的输出端。所述存储器模块包括SRAM和E2PROM，SRAM与DSP连接，E2PROM与单片机连接。所述结构部分包括数据采集板、开入开出板、中央主控板、电源板和面板；高速数据采集模块装在数据采集板上，开入开出模块载在开入开出板上，时钟模块、通讯模块、存储器模块和中央主控模块装在中央主控板上，电源模块装在电源板上，液晶显示模块和按键装在面板上，所述数据采集板、开入开出板、中央主控板和电源板通过接插槽或排线连接在面板上

下面结合附图说明和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明：

本实用新型实主要包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块等。可以实现变压器三相电气参数的实时采集、存储、上传，通过配网软件后台可以查看历史曲线和故障记录等，还可以接收下行指令，同时，还具有故障告警与保护功能，可以向监测中心发送报警信息以及开关量输出控制可控开关等。

如图1所示，从变压器的高压侧和低压侧CT和PT采样来的电压、电流信号，经过精密的电压、电流互感器采样进入装置内部，得到的信号通过过零比较器生成频率不变的方波信号，输送到DSP的CAP捕获引脚，以便测频；滤波电路采用巴特沃兹二阶滤波电路对互感器二次侧得到的信号进行有效滤波，用高精度OP07运算放大电路对信号进行放大和限幅保护，将互感器传来的信号变换到符合模数转换器输入范围的信号。用于测量的信号送入ADS8364进行模数转换为数字量，用于保护的信号进入DSP的内部集成A/D模块的输入管脚。修定PWM定时器定值，DSP的PWM接口连接到ADS8364的时钟控制引脚，利用PWM输出控制A/D转换器的同时采样周期，两片ADS8364的时钟控制引脚全部连接在一起，即用PWM同时控制全部十二路的信号采样周期，同时ADS8364芯片的转化结束信号引脚EOC与F2812的外部中断XINT1相连接，当转换完成发送一个脉冲，触发DSP外部中断并读取A/D转换结果。之后，DSP对转换后的电压、电流数字量信号进行FFT算法、最小二乘法等处理，经过综合运算处理，计算得到各种电力参数，包括三相电压有效值、三相电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频率、阻抗、各次谐波、相角等，然后对数据进行外部存储，并通过双口RAM CY7C026与单片机进行数据交换，将电网参数传输给单片机，同时也接收单片机发来的修改定值，用于参数计算以及PWM的采样时钟脉冲控制等。DSP还要对开关输入量进行检测，当检测到故障电压或电流时，要进行开出操作以及上传告警信息通知监控中心。此时单片机接收DSP传来的数据，完成人机交换以及数据远传功能，同时中断接收上位机下行指令和按键操作，对液晶进行相应操作和定值修改，再进行定值存储并将修改定值传给DSP。GPRS无线模块的工作原理对于本领域中具有通常知识的人来说属于公知常识，在此不再详细描述。

图2为装置双CPU系统接线图，包括DSP、双口RAM以及单片机的对应管脚连接。DSPF2812可以与双口RAM CY7C026直接连接，而STC12LE5A60S2由于是8位单片机，与双口RAM的连接时需要对单片机进行总线扩展，利用锁存器的锁存功能，通过使能控制，分时复用P0口来实现地址和数据的读写。在SP与单片机进行数据交换时，为避免对同一地址进行写操作而产生冲突，设计中将CY7C026地址空间分为两个区域，分别分配给给DSP和单片机使用，二者只能在分配给自己的空间内进行写操作，在对方区域内进行读操作，这样就避免了冲突产生，提高了数据交换可靠性。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (7)

1.一种配电变压器监测终端装置，包括电路部分和结构部分，电路部分安装在结构部分上，其特征是电路部分包括高速数据采集模块、中央主控模块、通讯模块、开入开出模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块以及存储器模块；电源模块为本配变变压器监测终端装置供电；

所述中央主控模块包括DSP、双口RAM和单片机，单片机和DSP通过双口RAM通信；高速数据采集模块采集变压器信号，高速数据采集模块的输出端经A/D转换器件连接DSP；

所述通讯模块包括CAN总线模块、485接口模块，GPRS无线模块；

所述单片机连接485接口模块、人机交互模块和时钟模块；所述GPRS无线模块通过所述485接口模块连接单片机；所述DSP连接开入开出模块和CAN总线模块；所述存储器模块包括两部分，一部分连接DSP，另一部分连接单片机。

2.根据权利要求1所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述高速数据采集模块包括互感器单元和信号调理电路，互感器单元的输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D转换器件包括测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器，所述信号调理电路的输出端分别连接测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的信号输入端，测量通道A/D转换器和保护通道A/D转换器的输出端都连接DSP的信号输入端；所述DSP还连接有PWM模块，PWM模块的输出端连接测量通道A/D转换器控制端。

3.根据权利要求2所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述信号调理电路包括依次连接的巴特沃兹二阶滤波电路和放大/限幅电路。

4.根据权利要求1所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述的开入开出模块包括8路开入和16路开出，每路开入/开出都连接有硬件光电隔离器件。

5.根据权利要求1所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述的人机交互模块包括液晶显示模块和按键，按键的输出端连接单片机的输入端，液晶显示模块的输入端连接单片机的输出端。

6.根据权利要求1所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述存储器模块包括SRAM和E2PROM，SRAM与DSP连接，E2PROM与单片机连接。

7.根据权利要求1所述的配电变压器监测终端装置，其特征是所述结构部分包括数据采集板、开入开出板、中央主控板、电源板和面板；

高速数据采集模块装在数据采集板上，开入开出模块装在开入开出板上，时钟模块、通讯模块、存储器模块和中央主控模块装在中央主控板上，电源模块装在电源板上，人机交互模块装在面板上，

所述数据采集板、开入开出板、中央主控板和电源板通过接插槽或排线连接在面板上。

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