CN206237196U - 低压电力电网载波智能控制系统主站 - Google Patents

低压电力电网载波智能控制系统主站 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种低压电力电网载波智能控制系统的主站，包括三相低功耗载波收发模块、自适应组网算法模块、自适应多频段通信模块、PA功放模块、数据传送编译模块。主站通过与三相三线制、三相四线制或三相五线制的电力线连接，且主站每一级节点可扩充为N＝2n(n＝0、1、2...)个节点，从而形成具有双向电力载波自组网、多频段通讯的网络系统主站，其向系统控制中心站的通讯还可采用TCP/IP、无线链路通讯、CAN总线、RS‑485数据总线等接口实现，通过设置不同的网络权限，将分站有机的组织在一起，实现网络的T型、Y型和树状结构的优化联网拓扑形式。对于复杂现场环境或通讯的孤岛则使用无线通信的方式相结合，充分利用了现场的电力线，达到高效、节能和协同工作。

Description

低压电力电网载波智能控制系统主站
技术领域
本实用新型涉及一种智能控制系统主站，尤其涉及基于低压电力电网复杂工况作业环境的载波工业控制系统的系统主站。
背景技术
随着工业技术4.0+互联网技术的发展，在工业生产自动化应用领域，工业电气设备的网络控制越来越多的得到了运用。这些控制系统大多由集中控制器经过GPRS连接的点对点的数据交互，例如，电力电表用户终端就是这样的通信模式。这种工作模式仅用于居民区和商用办公的电能表的抄表和局部的路灯控制，无法适用于工业现场的每一个设备，更不能够用于工业现场电磁干扰的工况环境的设备控制和检测。然而，在工业应用领域以及危及人身生命和财产安全的爆炸性危险场所，对于每一台运行的设备进行安全性能和状态的实时监控，是保障安全生产的必要技术手段。因此，在这种工业环境中，在线的设备的检测、控制、数据和信息的交换等，必须在同一个网络平台上全方位实现联网与控制。
随着电力线载波通信技术(PLC：Power Line Communication)的发展，电力线载波通信是以电力网作为通信通道进行载波通信的一种有线通信方式。当前，如在防爆电器等应用领域内的用电设备、照明控制、通讯系统、安全防范监控系统、危险场所的环境监测、重点设备的实时控制与监控等，仍采用的是人工传统的控制方式、仍采用独立运作的互不协同的工作形式、以及人工分断的操作方式，不利于自动化的检测和控制，也无法实现安全高效、节能减排的目标，从而造成大量的人力和物力的浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供基于690V及以下低压电网电力载波技术实现的低压电力网智能控制系统主站。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种低压电力电网载波智能控制系统主站，所述主站的数量为N＝2n，n为大于等于0的整数；
所述主站之间通过二级电力线连接；
所述主站与控制系统中心站通过一级电力线连接；
所述主站与控制系统分站通过三级电力线连接；
所述主站包括三相低功耗载波收发模块、自适应组网算法模块、自适应多频段通信模块；
所述自适应组网算法模块，用于根据检测的各相电力线的通讯状态选择合适相的电力线进行组网通讯；
所述自适应多频段通讯模块，用于自适应选择合适的频段进行载波通讯；
所述三相低功耗载波收发模块，用于与所述控制系统中心站以及所述分站进行通讯。
优选的，所述主站还包括TCP/IP通讯模块和/或光纤光缆通讯模块和/或CAN总线通讯模块和/或RS485总线和/或USB数据总线和/或wifi通讯模块；
所述自适应组网算法模块，用于在检测的各相电力线的载波通讯状态符合预设条件时，选择TCP/IP通讯模块或光纤光缆通讯模块或CAN总线通讯模块或RS485总线或USB数据总线或wifi通讯模块实现所述主站之间、所述主站与所述中心站之间、所述主站与所述分站之间的通讯。
优选的，所述主站还包括时钟基准发生器，用于向所述分站广播时钟同步命令，并计算所述分站的各个计时基准时间。
优选的，所述主站还包括人机交互界面，用于接收用户输入的信息并显示所述主站获取或计算得到的信息；
优选的，所述人机交互界面为防爆触摸屏，所述防爆触摸屏由LCD显示器和钢化玻璃触摸感应板组成；
所述钢化玻璃触摸感应板包括两层钢化玻璃，所述两层钢化玻璃中间涂覆有透明的光学粘结树脂胶，所述钢化玻璃的触摸面上蚀刻有第一电阻线条并覆有透明的绝缘胶片，所述绝缘胶片上蚀刻有与所述第一电阻线条垂直的第二电阻线条，所述第二电阻线条上覆有透明触摸胶片。
优选的，所述主站还包括RFID通讯单元，用于通过RFID通讯方式与外界设备进行通信；
和/或；
所述主站还包括数据存储单元，用于将获取或计算得到的数据进行保存；
和/或；
所述主站还包括数据加密及解密单元，用于对要发送的数据进行加密并对接收的数据进行解密。
优选的，所述主站还包括异常报警单元，用于在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号。
优选的，所述主站还包括预置程序管理模块，用于对预先设置的程序化运行的程序进行管理。
优选的，所述主站还包括无线链路中继器和/或载波自适应多频段路由及中继器。
优选的，所述主站之间通过690V及以下的电力线进行连接。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型智能控制系统主站充分利用电力线作为物理导体，以电力线为基本元素，构建成为任意形态的树状结构拓扑，形成向上一级控制系统中心站上传信息、数据，向下一级分站和网络终端传送命令，接收反馈数据和信息，根据低压电力网线的载波通讯技术的实效性，自主选择最优的频段和时域，结合不同的网络权限和路由，可将相同或者不同级别的单元有机的、实时地组合在一起，实现网络通讯的最优化，保障系统控制、通讯的及时性和可靠性。对于复杂的工业现场环境的“通讯孤岛”自动启用安全的无线通信方案构成或者疏通信息孤岛，构建成适应能力强大的载波通讯控制系统，充分启用自身配置的各种资源，将各主站、分站和终端设备得以有效的联接起来，达到高效、节能和协同工作的可靠网络基础和环境。
附图说明
图1为低压电力网载波智能控制系统中心站与台变连接关系示意图；
图2为低压电力网载波智能控制系统四级结构原理框图；
图3为低压电力网载波智能控制系统中控制中心站、主站与分站三级拓展示意图；
图4为本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站通讯逻辑结构图；
图5为本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站组成结构图；
图6为本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站自适应组网流程图；
图7为本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站对下一级时钟校准流程图；
图8为本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站外部结构图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述：
本实用新型适用于690V电力变压器配电系统低压电网，或者直流供电网络所组成的T型、Y型或树状结构拓扑。
如图1和图2所示，本实用新型中提及的低压电力网载波智能控制系统包括控制中心站、主站、分站、系统终端四级结构，每级之间分别通过电力线进行通信连接。控制中心站与安装在某一现场的台变通过电力线相连接，如图1所示，台变可以是一台变压器，也可以是多台，控制中心站可以设置一个，也可设置多个(图1所示为多个)，当设置多个控制中心站时，每个控制中心站之间也可通过电力线相连接，当某个控制中心站出现故障时，其他控制中心站可根据预设的自主寻踪路由算法替代故障的控制中心工作。
如图2和图3所示，N个主站分别通过一级电力线与控制中心站连接，在此将此级电力线称为一级电力线。根据电力载波通信技术N＝2n，n为大于等于0的整数，即每个控制中心站A可通过一级电力线挂接N个主站，每个主站的物理地址设定为0～2n，n＝0、1、2、...(正自然数)，也就是每个对应的主站根据控制中心站A调制耦合到一级电力线上地址为N个主站的数据，通过其相应的解调以获取其有效信息。
主站之间通过二级电力线进行连接。具体的，其通过690V及以下的及以下的及以下电力变压器配电系统在同一级电网相连接，也可以工作于相同电压等级的直流供电线路中。各同级别的主站有效数据耦合到低压电力电网载波智能控制系统中心站和主站的下一级各自所属的分站。本实用新型中主站之间还可通过同一电网变压器相连接。本实用新型主站采用单频点、多频点和跳频的工作方式。
每个主站通过三级电力线相通信连接多个分站。根据电力载波通信技术，在每个主站节点，通过三级电力线可挂接M＝2m，m＝0、1、2、...(正自然数)，对应一个主站节点下的每个分站的物理地址设定为0～(正自然数)，每个分站通过从三级电力线从主站接收有效数据以保持有序工作。
上述电力线为三相四线制或三相五线制。
受控对象--系统终端位于整个系统的第四级，其通过现有的电力线与对应的分站进行通信连接。同样根据电力载波通信技术，在每个分站节点，通过四级电力线同样可连接(正自然数)多个系统终端，即L＝2l，l＝0、1、2、...(正自然数)，对应一个分站节点下的每个系统终端的物理地址设定为0～L。
图4为主站通讯逻辑结构图。
在具体实施时，控制中心站、主站、分站能够挂接下一级节点的数量取决于其自身的微处理器，当控制中心站、主站和/或分站中的MCU为8位情况下，其下一级节点的物理地址可分配为0～255；当该节点为16位MCU，下一节点的物理地址可分配为0～512；当该节点为32位MCU情况下，下一节点的物理地址可分配0～1024，依此类推。
本实用新型主要对主站进行介绍。如图5所示，本实用新型主站包括：
三相低功耗载波收发模块11、自适应组网算法模块12、自适应多频段通信模块13；
所述自适应组网算法模块11，用于根据检测的各相电力线的通讯状态选择合适相的电力线进行组网通讯。
所述自适应多频段通讯模块12，用于自适应选择合适的频段进行载波通讯。
所述三相低功耗载波收发模块13，用于与所述控制系统中心站以及所述分站进行通讯。
具体的，主站自适应组网算法模块11根据预设组网逻辑算法，经由自适应多频段宽带、窄带传输至中心站，向下一级分站发送控制信息和向上一级控制中心站传送各分站上报的数据和设备管理信息等。
主站预设组网逻辑算法，主要在于实时在线测试电力线网络的通讯环境，以及网络闲暇阶段通讯的成功率，判断A、B、C三相载波通讯的状况，自动选择通讯链路。如果选择好的相线出现了严重干扰通讯的情况，则自动换相线尝试通讯。假如，此种方式仍有通讯困难，那就自动选择载波频率通讯，确保通讯的链路畅通。具体过程如图6所示。
优选的，所述主站还包括其他通讯模块14，具体的如TCP/IP通讯模块和/或光纤光缆通讯模块和/或CAN总线通讯模块和/或RS485总线和/或USB数据总线和/或wifi通讯模块；
所述自适应组网算法模块11，用于在检测的各相电力线的载波通讯状态符合预设条件时，选择TCP/IP通讯模块或光纤光缆通讯模块或CAN总线通讯模块或RS485总线或USB数据总线或wifi通讯模块实现所述主站之间、所述主站与所述中心站之间、所述主站与所述分站的通讯。对于通过防爆标准认证的WIFI及无线通讯等产品。
对于复杂的工业现场环境的“通讯孤岛”自动启用安全的无线通信方案构成或者疏通信息孤岛，构建成适应能力强大的载波通讯控制系统，充分启用自身配置的各种资源，将各主站、分站和终端设备得以有效的联接起来，达到高效、节能和协同工作的可靠网络基础和环境。
优选的，主站还包括时钟基准发生器15，用于向所述分站广播时钟同步命令，并计算所述分站的各个计时基准时间。
主站的下一级不带有时钟基准，为了每次工作之前的时间基准同步，主站先广播发送时间计时的基准信息命令。主站记录发送时刻的标准时间与下一级回馈回来信息的时间，减去所属设备分别回馈信息的时间与主站的计时标准之差，标记为下属设备的各个计时基准时间。其中需减去载波网络中的传输延时，由系统内部的多次数据传送测试的平均时间为准。其工作流程如图7所示。
所述主站还包括人机交互界面16，用于接收用户输入的信息并显示所述主站获取或计算得到的信息；为适应工业化环境需求，该人机交互界面具体可以为防爆触摸屏，所述防爆触摸屏由LCD显示器和钢化玻璃触摸感应板组成。LCD显示器采用RS-232或者RS-485标准接口的。钢化玻璃触摸感应板由2层钢化玻璃中间涂覆以透明的光学粘结树脂胶，在玻璃的向对面的周边放置防止粘结的树脂胶溢出的透明胶框，其厚度与所涂覆的透明胶相一致。在钢化玻璃的触摸面上蚀刻电阻线条，辅以透明的绝缘胶片，在其上再蚀刻垂直方向的电阻线条，之后再在其上辅以高强度的透明触摸胶片即可。
所述主站还包括RFID通讯单元17，用于通过RFID通讯方式与外界设备进行通信。即在系统各站点数据的存取、系统维护、设备管理、系统升级和系统维护等可辅助于FRID通讯实现。
适应数据收发、存贮的需求，所述主站还包括数据存储单元18，用于将获取或计算得到的数据进行保存。
进一步的，所述主站还包括数据加密及解密单元19，用于对要发送的数据进行加密并对接收的数据进行解密。
根据分站上报的信息，主站可对分站以及终端设备的运行情况进行判断，具体的，所述主站还包括异常报警单元20，用于在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号进行报警。更进一步的，主站可根据具体判断情况对分站进行控制操作、权限分配等，如关闭、开启等，还可将该信息上报至中心站。
主站中根据需要会设置一些预置程序，预置程序主要是根据系统用户的实际需求，设置的程序化运行的管理程序。这样的管理程序有些是有实效性的，有些是阶段性的。但是，这些必须是与系统时钟同步的。譬如：在某一年内，某月某日某时起，某个设备运转，到某月某日某时停止。或者是到某月某日某时起，到本月某日某时停止。允许是间歇性的、周期性地运转或者停止。
针对此，所述主站还包括预置程序管理模块21，用于对预先设置的程序化运行的程序进行管理。
所述主站还包括无线链路中继器和/或载波自适应多频段路由及中继器，以此形成网络拓扑等结构。本实用新型主站通讯网络架构为T型、Y型或树状结构拓扑。本实用新型中主站会自动动态测试链路通讯状态和中继路由的功能，选择最佳通讯频段和中继进行组网。
本实用新型的主站还具备地理位置信息显示和GIS地图预览功能，既可以在主界面显示各个下属设备如分站和终端的位置信息，又可以在GIS地图上显示各个下属设备如分站和终端的地理位置并标记注释。
本实用新型主站还具备管理员入口的数据管理系统，实现数据和信息的读写、设备管理、历史数据查询、生成数据图表等功能。
与上述功能相配套的，本实用新型主站中设置有自适应组网算法、数据存取与加密算法、设备初始化管理算法、设备录入与删除算法、GIS地图管理算法、控制命令迂回收转算法、自动时序广播算法、系统校时算法、系统优先级点名算法、故障报警算法、紧急故障处理算法、故障声光提示算法、自动中继算法和路由组织算法等。
本实用新型主站还具有调度指挥和控制功能。
调度：从上而下发其布指挥命令时，根据系统内的管理权限，约定每一级的指挥权利。系统发送指令时，根据每一级的ID特征字作为下属设备自动识别的信息，解析到了这个主要特征信息后，即行分析指令做出正确的判断与动作。同时，侦测网络的通讯情况，在允许的情况下，及时将响应的信息和结果告知上一级；
指挥：可以是系统指挥某一主站、某一分站、某一终端，也可以是命令只发送到要执行级的上一级。作为中间的执行单元的这一级，其内部已经是灌注了代理级约定的指令、简洁指令或者操作指令字代码。同样，有了指挥的命令，就要有一个检验执行指令效果的上传信息；
控制：是指直接上级或者系统逻辑上定义的最高一级的需要对外有输出操作结果的一切信息指令。例如：系统可以直接关闭或者开启任意主站，任意分站，以及任意终端。主站依次关断或者开启任意分站、任意终端。分站可以任意开启，或者关闭任意终端。
如图8还示出了本实用新型主站的一种具体外部结构图。
本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站可以应用于多种领域，如照明系统、防爆电器自动化控制、电气设备之间的交互式通讯、联调联动自组网等。其可辅助于相应的自组网、自适应的路由和中继算法软件实现。主站采用单频点、多频点和跳频的工作方式，避免各类干扰、解决通讯不畅和通讯困难的问题。
本实用新型低压电力电网载波智能控制系统主站利用传统的电力网线作为通讯的载体，把电力线作为网络的基本元素，根据载波技术的有限性，设置不同的网络权限，根据不同的网络权限又定义不同逻辑处理能力的控制单元，把这些具有不同逻辑处理能力的单元有机的组织在一起，实现网络的最优联网解决方案。它是以物理的树状结构联网的，并不依赖于并行的组网方式，有别于目前的电力数字化电能表的抄表和路灯的控制方式，减少额外的网络布线和可方便地在原有的低压电力电网中进行升级与改造。本实用新型的载波通讯系统可以实现窄带低速、窄带高速、宽带低速和宽带高速的应用需求，实现通讯与控制的基本需要。本实用新型能够满足行业应用的技术条件，也能满足低压电网载波通讯的行业约定的通讯规约和技术标准。
本实用新型的主站可以在网络内，控制任何一个注册了的设备和系统终端，也可以随机增加或者删除，通过GIS地理信息系统管理与显示，任意一个设备都具有自动联网、自动中继、自动路由、遇忙绕行的通讯算法，便于系统的管理与可靠的通讯与控制，每一个设备在网络内都被赋予了一定的工作权限和临时的权限代理职能，例如，主站可以是系统终端、分站或者是控制中心，系统中心可以是分站或者是主站等。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站的数量为N＝2n，n为大于等于0的整数；
所述主站之间通过二级电力线连接；
所述主站与控制系统中心站通过一级电力线连接；
所述主站与控制系统分站通过三级电力线连接；
所述主站包括三相低功耗载波收发模块、自适应组网算法模块、自适应多频段通信模块；
所述自适应组网算法模块，用于根据检测的各相电力线的通讯状态选择合适相的电力线进行组网通讯；
所述自适应多频段通讯模块，用于自适应选择合适的频段进行载波通讯；
所述三相低功耗载波收发模块，用于与所述控制系统中心站以及所述分站进行通讯。
2.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括TCP/IP通讯模块和/或光纤光缆通讯模块和/或CAN总线通讯模块和/或RS485总线和/或USB数据总线和/或wifi通讯模块；
所述自适应组网算法模块，用于在检测的各相电力线的载波通讯状态符合预设条件时，选择TCP/IP通讯模块或光纤光缆通讯模块或CAN总线通讯模块或RS485总线或USB数据总线或wifi通讯模块实现所述主站之间、所述主站与所述中心站之间、所述主站与所述分站之间的通讯。
3.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括时钟基准发生器，用于向所述分站广播时钟同步命令，并计算所述分站的各个计时基准时间。
4.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括人机交互界面，用于接收用户输入的信息并显示所述主站获取或计算得到的信息。
5.根据权利要求4所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述人机交互界面为防爆触摸屏，所述防爆触摸屏由LCD显示器和钢化玻璃触摸感应板组成；
所述钢化玻璃触摸感应板包括两层钢化玻璃，所述两层钢化玻璃中间涂覆有透明的光学粘结树脂胶，所述钢化玻璃的触摸面上蚀刻有第一电阻线条并覆有透明的绝缘胶片，所述绝缘胶片上蚀刻有与所述第一电阻线条垂直的第二电阻线条，所述第二电阻线条上覆有透明触摸胶片。
6.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括RFID通讯单元，用于通过RFID通讯方式与外界设备进行通信；
和/或；
所述主站还包括数据存储单元，用于将获取或计算得到的数据进行保存；
和/或；
所述主站还包括数据加密及解密单元，用于对要发送的数据进行加密并对接收的数据进行解密。
7.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括异常报警单元，用于在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号。
8.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括预置程序管理模块，用于对预先设置的程序化运行的程序进行管理。
9.根据权利要求2所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站还包括无线链路中继器和/或载波自适应多频段路由及中继器。
10.根据权利要求1所述的低压电力电网载波智能控制系统主站，其特征在于：
所述主站之间通过690V及以下的电力线进行连接。
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