CN205160205U - 一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，主控板分别与电压电流接口、负载电流采集板、遥控及告警接口、遥信及RS485通讯板、电容器投切接口、GPRS通讯板、电力载波通讯板连接，采用高性能的处理器为控制核心，可以面向深度嵌入的应用领域，满足配变监控终端的设计需求，应用于农村电网和城市低压配电网中，可以对公用配电台区的各类数据进行采集，分析，存储；根据电网实时数据自动进行无功补偿，电能质量监测；对低压剩余电流断路器进行数据监测、控制；通过载波通讯进行居民电表抄录，总表抄录等，集成度高，体积小，安装方便，可集成到JP柜、箱式变、配电柜中，较好地满足了配变终端设计的多功能、智能化的需求。

Description

一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端

【技术领域】

本实用新型涉及电力行业技术领域，具体的说是一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端。

【背景技术】

配变监控终端是装设在配电变压器旁监测变压器运行状态的终端设备，用于对变压器的信息采集和控制，实现监测配电变压器的运行工况，完成传统电压表、电能表、功率因数表、以及负荷指示仪和电压监视仪等的功能，能与其它后台设备通信，提供配电系统运行控制及管理所需的数据，因此，配变监控终端对数据处理的可靠性和稳定性以及快速性都有很高的要求，如果终端主控制器的处理能力不够，计量精度低，当面对精度要求高的情况时，就不能满足现场的要求，而且在处理大量的数据时，会影响其计算速度，从而不能及时的反映现场状况。

目前，国内的配变监控终端大都采用单片机作为主控制器，由于处理能力的限制，这些终端只实现了电参数测量、变压器运行工况监测等基本功能，而且计量精度比较低，没有实现谐波计算功能，有的采用DSP作为主控芯片，实现了高精度的电参数测量，但是由于DSP专注于数字信号处理，控制功能要相对较弱，难以满足多功能、智能化配变终端设计的需求。

因此，为克服上述技术的不足而设计出集成度高，体积小，安装方便，可集成到JP柜、箱式变、配电柜中的一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，正是发明人所要解决的问题。

【实用新型内容】

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，其结构简单，操作方便，集成度高，体积小，安装方便，可集成到JP柜、箱式变、配电柜中。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，其包括主控板及设置在主控板上的电压电流接口、负载电流采集板、遥控及告警接口、遥信及RS485通讯板、电容器投切接口、GPRS通讯板、电力载波通讯板，所述主控板分别与电压电流接口、负载电流采集板、遥控及告警接口、遥信及RS485通讯板、电容器投切接口、GPRS通讯板、电力载波通讯板连接，所述主控板内设置有以微控制器，所述微控制器分别与实时时钟、系统监控、端口扩展、存储扩展连接。

进一步，所述端口扩展包含输入口扩展和输出口扩展，所述输入口扩展和输出口扩展分别与微控制器连接。

进一步，所述存储扩展包括NAND存储器、静态随机存储器、铁电存储器，所述NAND存储器、静态随机存储器、铁电存储器分别与微控制器连接。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过采用高性能的Cortex-M3处理器为控制核心，并以此设计的CPU最小系统，可以面向深度嵌入的应用领域，满足配变监控终端的设计需求，本实用新型应用于农村电网和城市低压配电网中，可以对公用配电台区的各类数据进行采集，分析，存储；根据电网实时数据自动进行无功补偿，电能质量监测；对低压剩余电流断路器进行数据监测、控制；通过载波通讯进行居民电表抄录；支持远程通讯，远程软件升级，总表抄录等，该实用新型集成度高，体积小，安装方便，可集成到JP柜、箱式变、配电柜中。

2、本实用新型提供的配电变压器工况监测和用电监测优化终端，通过采用Cortex-M3主处理器作为控制核心，并围绕此设计的CPU最小系统电路以及由此形成的主控模块具有良好的稳定性能，功能强大，能够对采集的大量数据进行快速的分析和处理，定时保存历史数据，接收并执行主站的命令，抄收用户电能表信息，根据配网电压、无功、谐波等参数，实现配变低压侧就地无功补偿，既弥补了以单片机作为主控制器处理能力的不足，又兼顾了其它控制功能，较好地满足了配变终端设计的多功能、智能化的需求。

【附图说明】

图1为本实用新型配电变压器工况监测和用电监测优化终端整体结构示意图。

图2为本实用新型配电变压器工况监测和用电监测优化终端CPU最小系统原理框图。

附图标记说明：1-主控板；2-电压电流接口；3-负载电流采集板；4-遥控及告警接口；5-通信及RS485通讯；6-电容器投切接口；7-GPRS通讯板；8-电力载波通讯板；9-微控制器；10-实时时钟；11-系统监控；12-端口扩展；13-存储扩展；14-输入口扩展；15-输出口扩展；16-NAND存储器；17-静态随机存储器；18-铁电存储器。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。

参见图1为本实用新型结构示意图，参见图1，一本实用新型包括主控板1及设置在主控板1上的电压电流接口2、负载电流采集板3、遥控及告警接口4、遥信及RS485通讯板5、电容器投切接口6、GPRS通讯板7、电力载波通讯板8，主控板1分别与电压电流接口2、负载电流采集板3、遥控及告警接口4、遥信及RS485通讯板5、电容器投切接口6、GPRS通讯板7、电力载波通讯板8连接，主控板1内设置有以微控制器9，微控制器9分别与实时时钟10、系统监控11、端口扩展12、存储扩展13连接。

参见图2，端口扩展12包含输入口扩展14和输出口扩展15，输入口扩展14和输出口扩展15分别与微控制器9连接。

存储扩展13包括NAND存储器16、静态随机存储器17、铁电存储器18，NAND存储器16、静态随机存储器17、铁电存储器18分别与微控制器9连接，主控板1内设置有以Cortex-M3处理器为控制核心的CPU最小系统、信号采集、通信接口、人机接口、控制输出、电源管理等部分，其中，电压电流接口2和负载电流采集板3属于交流采样模块，分别对进线和出线的电压、电流进行采集，经取样电路分别取样后，送至专用计量芯片，再将得到的基本参数传送给主控板1里的处理模块；遥控及告警接口4是终端根据检测到的数据进行计算后发现异常情况时可以通过该模块对断路器、开关进行远程控制，及时发出告警信号或是做出动作指示，达到切除故障、减小故障范围的目的；遥信及RS485通讯板5具有十六路无源遥信接口，可以测量开关的位置信号、变压器内部故障综合信号、保护装置的动作信号、通信设备运行状况信号、调压变压器抽头位置信号等，将这些测量的信号通过RS485通讯控制上传主站；电容器投切接口6主要用于无功补偿功能，主控板1对采集的电压电流计算出缺额无功功率，然后控制电容器投切接口进行电容器开关的投切，从而实现无功补偿，终端具有2种无功补偿控制方式：（1）本地无功补偿控制输出：十六路电容器投切输出，可接多种规格的负荷开关、投切开关等器件。（2）智能电容器485通讯控制输出：可与多种规格的智能电容器通讯，实现无功投切和数据传输，无功补偿状态可上传主站；GPRS通讯板7通过GPRS/CDMA网络与主站通讯，把终端的信息传递给主站，并执行来自主站的命令。电力载波通讯板8连接了载波表和装有数字电表的采集器，通过电力线通信调制解调器将采集到的信号利用电网传送到主站，是电力系统应用区域最广泛的通信方式。

终端主控芯片选用的是意法半导体（ST）公司的STM32F103ZET6型号。STM32系列微控制器基于ARMCortex-M3内核，适用于成本和功耗敏感的应用。该系列控制器提供高达80MISP的指令速率，支持硬件除法和单周期乘法指令，能实现较为复杂的数据运算，可以面向深度嵌入的应用领域，内部集成了丰富的功能模块，可以较好地满足配变监控终端的设计需求。因为配变监控终端需要非常大存储容量用于保存历史数据、事件记录等，还需要比较多的IO端口用于数字量采集、继电器控制等，所以需要对STM32的存储系统和IO端口进行扩展。存储扩展5内配置了一片NAND（K9F1208U0C）和一片SRAM（LY62L102516LL），其中，NANDFLASH在写入之前需要以块为单位擦除，而且擦除的次数是有限的，因此不能频繁的改写NANDFLASH中的数据，一般先将数据暂存到RAM中，然后一次性的写入NANDFLASH。这种方式存在一定的风险，如果系统掉电或者RAM受到干扰，都会导致暂存数据的丢失。所以存储扩展5中另配有一片Ramtron公司的FM25V10铁电存储器，这是一种非易失性的存储器，读写特性类似于RAM，读写操作非常快，其读写操作总线速度最高可达到25MHz，无写操作延时，无缓冲区大小限制，而且没有寿命限制，它的存储容量为128kB，采用标准SPI接口，兼容常用的EEPROM管脚。STM32提高丰富的GPIO资源，但是配变监控终端的外表接口相当多，导致GPIO资源不够用，所以采用FSMC总线挂接锁存器的方式扩展输入输出口，即端口扩展4。端口扩展4挂接的锁存器芯片为74AC138，可以实现地址译码，将NE3地址范围分成8段，用以挂接多个74AC16374。当STM32访问NE3内某个地址时，对应的CS输出低电平，由于锁存器是上升沿有效，所以使用CS与NWE做逻辑或操作后作为74AC16374的锁存信号。配变监控终端工作的电气环境非常恶劣，容易受到干扰而导致程序跑飞，为了避免终端因程序跑飞而死机，应设计看门狗定时器。另一个影响终端稳定运行的关键因素是电源，电源不稳定可能导致某些芯片的功能紊乱，造成数据丢失，严重时可能产生误动作，进而影响配电网的正常运行，所以要设计系统监控电路3。选用SP706S芯片对终端的运行状态和供电状态进行监控，这是一款多功能的微控制器监控芯片，内部集成了看门狗定时器、系统电源故障检测、上电复位、手动复位等模块。实时时钟2的设计保证了在系统失电的情况下能够正常走时和终端的数据采集、事件记录等功能有准确的时标。该模块的设计选用了Dallas公司推出的低成本、高精度实时时钟芯片DS3231，内部集成了带温度温补的振荡器、实时时钟逻辑和一个32.768kHz的晶体，能够在工业级温度范围内提供优于士2分钟/年的定时精度。DS3231通过其I2C接口与STM32进行通信，因为DS3231的SDA和SCL均为漏极开路的引脚，所以要外接上拉电阻。32K_OUT引脚输出32kHz的时钟信号，可以作高精度系统时基。DS3231可以设置两个可编程闹钟，INT引脚是闹钟中断输出，还可以将INT引脚设置为500Hz的方波，用于软件校准。VBAT是实时时钟的备用电池，在主电源断电时自动切换到电池供电，保障系统失电时终端正常走时。

Claims (3)

1.一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，其特征在于：其包括主控板及设置在主控板上的电压电流接口、负载电流采集板、遥控及告警接口、遥信及RS485通讯板、电容器投切接口、GPRS通讯板、电力载波通讯板，所述主控板分别与电压电流接口、负载电流采集板、遥控及告警接口、遥信及RS485通讯板、电容器投切接口、GPRS通讯板、电力载波通讯板连接，所述主控板内设置有以微控制器，所述微控制器分别与实时时钟、系统监控、端口扩展、存储扩展连接。

2.根据权利要求1所述的一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，其特征在于：所述端口扩展包含输入口扩展和输出口扩展，所述输入口扩展和输出口扩展分别与微控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种配电变压器工况监测和用电监测优化终端，其特征在于：所述存储扩展包括NAND存储器、静态随机存储器、铁电存储器，所述NAND存储器、静态随机存储器、铁电存储器分别与微控制器连接。