CN206991535U - 新型智能抄表采集传输装置 - Google Patents

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张英超
石伟
刘进
朱迷颖
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Abstract

本实用新型公布了新型智能抄表采集传输装置,它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表,所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接OLT设备;所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力ONU模块;所述电力ONU模块连接智能电表;所述电力ONU模块包括EPON处理器模块,所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口;所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表。能实现实时信息采集和传输功能,信号损耗小,传输距离长。

Description

新型智能抄表采集传输装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于电子技术领域,具体为新型智能抄表采集传输装置。
背景技术
[0002] 用电信息采集系统建设是国家电网公司推进“两个转变”、实施“三集五大”的必然 选择,是坚强智能电网建设的重要内容,是支撑阶梯电价政策执行的基础条件。电力光纤到 户(PFTTH)建设工程是国家电网公司智能电网的重要组成部分,配合无源光网络(P0N)技 术,承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务。
[0003] 经过多年来的投资建设,我国电力通信系统的主干网络己基本实现了传输媒介光 纤化,业务承载网络化,运行监视和管理自动化和信息化。而其中最重要的接入层网络,却 因为诸多因素的影响,制约了智能配用电业务的应用。
[0004]接入层网络是用电信息采集系统实现的关键,现在远程接入网主要采用的有 GPRS/3G技术、230MHz无线通信专网、电力线载波技术(PLC)和无源光网络技术等。以上各种 技术在我国电信运营商网络和智能电网试点工程中得到应用,提高了传输带宽的可靠性; 现将各种配电通信网接入技术比较如下:PLC电力载波通信面临的主要问题是高频信号在 低压台区电力线上的传输信号衰减较快;GPRS能提供的带宽很低(一般只有几十千比特), 且存在不稳定性,满足不了实时采集的要求。
[0005] 为此把EP0N技术引入到用电信息采集系统中。EP0N技术下行采用广播方式、上行 采用时分多址方式,可以灵活地组成树形、星形和总线形等拓扑结构,EP0N系统提供双向 1.25Gbps带宽,具有传输过程损耗小,无需中继设备,传输距离可达20km的优点。由于采用 无源光纤传输方式,可以较好的避免电磁干扰和雷电影响,且无源光网络设备简单,一次性 投资,运行维护成本低。
[0006] 现有EP0N技术主要应用于宽带用户业务,采用点到多点结构和IEEE802 • 3通信标 准,与用户的接口也多是以太网接口,所以不适用于电力信息采集环境。 实用新型内容
[0007] 本实用新型结合居民用电信息采集系统的需求及EP0N技术的优点,提供了一种适 用于电力信息采集环境的新型智能抄表采集传输装置,能实现实时信息采集和传输功能, 信号损耗小,传输距离长。
[0008] 为实现以上目的,本实用新型采用的技术方案是:新型智能抄表采集传输装置,它 包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表,所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干 网连接0LT设备;所述0LT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力0NU模块;所述电力 0NU模块连接智能电表;所述电力0NU模块包括EP0N处理器模块,所述EP0N处理器模块连接 有0NU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口;所述 串口扩展与电平转换模块连接智能电表。
[0009] 进一步的,所述电力0NU模块通过RS232接口连接电表的基表;所述基表通过RS485 电缆连接智能电表。
[0010] 进一步的,所述EP0N处理器模块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
[0011] 进一步的,所述数据存储模块内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
[0012] 进一步的,所述串口扩展与电平转换模块内设置有12C转UART模块。
[0013]本实用新型的有益效果:
[0014]本实用新型可用于电力信息采集环境,实现实时信息采集和传输功能,传输过程 损耗小,无需中继设备,传输距离可达20km的优点。由于采用无源光纤传输方式,可以较好 的避免电磁干扰和雷电影响,且无源光网络设备简单,一次性投资,运行维护成本低。
附图说明
[0015]图1为EP0N用电信息采集系统架构。
[0016]图2为电力0NU模块结构图。
[0017] 图3为芯片控制接口电路图。
[0018] 图4为EP0N接口电路图。
[0019] 图5为LED接口电路图。
[0020] 图6为GPI0接口电路图。
具体实施方式
[0021] 为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案,下面结合附图对本实 用新型进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本实用新型的保护范围 有任何的限制作用。
[0022] 如图1-图6所示,本实用新型的具体结构为:新型智能抄表采集传输装置,它包括 用电信息采集主站及与之相连的智能电表,所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连 接0LT设备;所述0LT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力0NU模块;所述电力0NU 模块连接智能电表;所述电力0NU模块包括EP0N处理器模块,所述EP0N处理器模块连接有 0NU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口;所述串 口扩展与电平转换模块连接智能电表。
[0023] 优选的,所述电力0NU模块通过RS232接口连接电表的基表;所述基表通过RS485电 缆连接智能电表。
[0024] 优选的,所述电力0NU模块包括EP0N处理器模块,所述EP0N处理器模块连接有0NU 光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口;所述串口 扩展与电平转换模块连接智能电表。
[0025] 优选的,所述EP0N处理器模块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
[0026] 优选的,所述数据存储模块内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
[0027]优选的,所述串口扩展与电平转换模块内设置有12C转UART模块。
[0028] 本实用新型具体原理:
[0029]采用EP0N技术改进的用电信息采集系统如图1所示,分为三级:
[0030] 1)第一级为用电伯息米集主站与OLT (Optical Line Terminal)设备之间的通信 链路:该链路由SDH光纤骨干网承担,利用SDH光纤干线传输网搭建骨干数据网平台,通信协 议为Q/GDW 376.1-2009M (主站与采集终端通信协议)。
[°031] ⑵第二级为0LT设备与电力0NU之间的通信链路,在该链路中以电力0NU代替了传 统的集中器和采集器。0LT通过0DN(无源光分路器)连接远端用户侧的电力0NU设备,其光分 比可为1:16和1:32,传输速率1 • 25Gbps,采用Q/GDW 376.1-2009协议进行通信。
[0032] (3)第三级为电力0NU与智能电表之间的通信链路:电力0NU以模块的形式直接外 挂于基表上,其接口为RS232,基表上内置RS232转RS485[6]电路,使得基表通过RS485电缆连 接其他智能电表。该链路采用的通信协议为DL/T 645 _2007[7](多功能电能表通信协议)。 [0033]由电力0NU在通信链路中所处的位置可知,电力0NU的主要功能之一是完成DL/T 645 -2007协议与Q/GDW 376.1-2009协议的相互转换,以建立0LT与智能电表的双向通信链 路。在第二级光纤链路中,0LT工作于服务器模式,电力0NU工作于客户端模式,电力0NU开始 工作后首先发起TCP连接请求以建立可靠的通信链路,0LT设备接收到主站请求后,采用TDM 广播方式发送命令给电力0NU,电力0NU对该命令进行解析,如果是对0NU本身的操作,则进 行相应的处理并返回数据;如果是对下级电表的操作,则将数据帧转换为DL/T 645 -2007 协议格式,然后通过RS485总线发送给相应的电能表并等待回应,最终将电能表的返回数据 解析封装为Q/GDW 376.1-2009协议格式数据帧以1.25Gbps速率突发发送给0LT设备。
[0034] 基于上述,本实用新型利用EPON建立了用电信息采集与智能电表间的协议转换链 路,并在电力〇NU (Optical Network Unit)和智能电表间建立RS485总线接口,实现信息的 传输。
[0035] 硬件架构图如图2所示:
[0036] 电力0NU包括EP0N处理器模块、DBG调试接口、0NU光收发模块、数据存储模块、12C 转UART模块、UART电平转换模块、电源模块、时钟模块及电源监测模块。
[0037] EP0N处理器模块是系统核心控制部件,采用的是Cortina公司的第二代高性能以 太网无源光网络(EP0N)交换芯片CS8016E,其主要面向光纤入户和光纤到大楼应用。 CS8016E 0NU是一个高密度的0NU解决方案,完全兼容IEEE802 • 3ah规约,设有片上帧缓存用 来存储数据包,采用优先级队列上报机制来支持动态带宽分配算法,可以胜任数据包分类、 交换、流量监管、队列管理及调度等功能。CS8016E集成了一个GEP0N 口和一个主频125Mhz的 arm9内核,内核总线上挂有多个外设用以功能扩展,有FLASH/SRAM接口、UART接口、I2C接 口、SPI借口、LED接口、GPI0接 口等。
[0038] (0NU光收发模块采用的是海信公司的光收发一体化模块LTB34D3,模块与主控芯 片采用两对差分信号线进行数据传输,固定传输速率为l.25Gbps,采用I2C总线接口进行控 制欲状态信息交互。具备远距离传输功能(1000BASE-PX10规格可以传输l〇km,1000BASE-PX10规格可以传输20km);
[0039] 数据存储模块分为两部分:Nor Flash模块和PSRAM模块。Nor Flash模块用于存储 bootloader镜像、系统及用户配置参数、操作系统及应用程序镜像等,采用ST公司的 2MbX16bit规格的M29W320EB系列芯片。PSRAM主要用来存储系统中的可读写变量、系统线 程的堆栈以及动态内存分配,采用的是EMLSI公司的lMxl6bit规格的EM7164SU16系列芯 片。
[0040] 串口扩展与电平转换模块从EP0N控制芯片上扩展出两路UART口,用于与智能电表 进行连接。该模块选用的是Exar Corporation公司的I2C/SPI转UART芯片XR2〇Ml 172,使用 典型的14 • 7456Mhz晶振,通过软件配置,最高可得到3 • 68Mbps的波特率。由于扩展出的uart 为3_3v TTL电平,而电能表采用的是5v CMOS电平,为了使ONU能够与智能电表正常通信,必 须在0NU处进行3_3v到5v电平的转换。如图3所示,采用MMBT2907ALT1型号的PNP三极管对 TXA/TXB信号进行升压操作。当TX信号为1 (3.3v)时,PNP管截止,输出信号为丨(5V),当TX信 号为〇时,PNP管导通,输出信号为〇。对于RX信号,输入信号为5v,只需一个分压电路,即可产 生3.3v的输出。
[0041]电源模块将基表提供的1巧电压经过TPS5420 DC-DC稳压器输出3.3v电压,用于系 统大部分芯片供电;经LR78L〇5系列LD0芯片输出5v电压,用于为基表的隔离光耦以及为 3 • 3v转5v电路提供电压;3 • 3v经LP385〇l-ADJ系列LD0芯片输出1 • 〇v用于EP0N控制芯片内核 供电;经过测试,本系统的功耗小于2.5w。
[0042]电压转换模块设计:
[0043]电压转换模块为整个系统提供适当的工作电压,是系统稳定工作的前提。对系统 的各个模块进行分析后,可以得出系统电源需要提供四种电压:12V、3.3V、l.〇Vm&5.〇v。 其中12v为整个系统提供电压,由外部提供;3.3v用于大部分的芯片供电,包括arm控制器的 非内核部分供电、FLASH、PSRAM、串口扩展芯片、电源监测芯片等供电;;l . 0v为arn^制器内 核供电,以及内部集成的SerDes模块供电;根据对主要模块的选型及功耗分析,3 • 3v最大供 电电流60〇11^,1_〇¥需要供电最大25〇11^,5¥需要供电5〇111八;最大功耗大约2.5¥,小于《三相智 能电能表(光纤)技术规范》标准中规定的3W,因此此硬件选型方案可行。
[0044]本设计中,根据标准规定,I2v电源是由基表提供给〇NU模块,本板需要将此转换为 3 • 3v、1 • 0v和5v给系统的各个模块进行供电。我们采取的电压转换方案如下:
[0045] (1) 12v转3 • 3v部分是本板芯片最常用的电压,几乎所有的芯片都要用3 • 3v进行供 电,本设计选用的是H公司的TPS5420 DC-DC稳压器。DC-DC转换器的优点是效率高、可以^ 出大电流、静态电流小。该稳压器输入电压范围为5.5v〜36v,输出电压可调,最低可至 l_22v,精度1.5%;能持续输出2A电流,最大峰值可达到3A,转换效率高达95%;转换频率固定 500kHz。由于1 • 〇v电压将从3 • 3v转换得出,因此,本设计将3 • 3v输出电压设定峰值为8〇〇mA。 [0046] (2)1. 〇v供电电压从3 _3v降压得到,我们采用National Semiconductor的 LP38501-ADJ系列LD0芯片,该系列芯片输入电压范围为2.7v〜5.5v,输出电压可调,可输出 0.6v〜5v,最大输出电流3A,校正电压精度达到±1_5%。本设计需要的输出电流最大为 250mA,输出电压1 .〇v,因此本芯片符合设计需求。
[0047] 一(3) 5.0v电压主要有两个用途,一是用于为基表的隔离光耦供电,最大电流为 50mA, 一疋为3 • 3v转5v电路提供供电电压,此部分电流很小,可以忽略不计。本设计采用的 是LRC公司的LRMLO5系列LD0芯片,该系列芯片最高可提供100mA输出电流。
[0048] EP0N控制器电路设计:
[0049] 1、系统控制接口
[0050]系统控制接口主要完成系统复位控制,时钟信号的输入,光口和网口工作模块控 制,镜像下载模式控制等功能。其原理图如图3所示。其主要引脚及功能如下:
[0051] ⑴Boot—ROM: CS8016E支持从内部ROM启动和外部FLASH启动,当该引脚接高电平 时从内部ROM启动,反之,从外部FLASH启动。当芯片第一次启动时必须从内部R0M启动,内部 ROM固化有bootloader;因此外部FLASH在第一次启动钱没有镜像。该引脚主要用于调试用。
[0052] (2) IMAGE_D0WNLA0D[1:0]:在芯片启动后,应用程序镜像文件可以从外部FLASH、 网口或者串口加载。该引脚对即用来选择镜像加载方式:[00]时为Debug模式;[01]时从 UART口下载镜像;[10]时从网口下载镜像;[11]时从外部FLASH加载镜像。当芯片首次启动 时,从内部ROM启动,且只能从串口加载镜像,
[0053] (3)P0N_IF_M0DE[1:0] :CS8016E提供了一个内置的 1.25Gbps的SerDes和TBI/GMII 接口,用于P0N连接。我们既可以直接连接内部的SerDes到一个光收发模块,也可以通过TBI 口连接到外部的SerDes专用芯片,再通过外部SerDes连接到光收发模块。本设计采用的是 前者。其各种接法功能如下:[01]表示使用内部SerDes; [10]表示使用GMII接口; [11]表示 使用TBI接口。
[0054] 2、P0N 接口
[0055] 在上面的系统控制引脚的配置中,我们选择了使用内部SerDes,内部SerDes通过 两对1.25Gbps的差分信号线连接到外部的光模块,此外还需要几个专用的控制引脚连接到 光模块,用以控制和读取光模块的工作状态。其原理图如图4所示。其主要引脚功能如下: [0056] (1) ERX_SIGL0SS引脚:光模块接收器信号检测指示。
[0057] (2)ETX_nBURST引脚:光收发模块突发模式控制。在EP0N系统中,0NU的发送是突发 模式,不是连续发送的。当有数据要发送,且得到0LT的时隙授权,才可以发送数据。
[0058] (3)1况总线引脚:I2C总线连接至光模块内部的EEPR0M,其中存放了光模块的所有 配置参数,系统启动后,主控芯片连接到光模块,并通过I2C总线读取EEPR0M中的配置信息, 并配置自身的相关寄存器,然后才可以控制光模块进行正常收发操作。
[0059] 3. LED接口
[0060] CS8016提供了4路LED接口,其中两路用于指示P0N口工作状态,两路用于指示网口 工作状态,本设计使用了与P0N 口相关的两路接□。如图5所示,其功能分别为:
[0061] (1)LED_P0N_REGED:用于指示0NU是否己经注册到0LT。当0NU己注册后,该Lm)呈常 亮状态。 t〇〇62] (2)LED_P0N_LINK:用于指示ONU P0N口链路的工作状态,当P0N口工作正常时,该 LED呈闪烁状态。
[0063] 4. GPI0接口
[0064] CS8016E共有16个GPI0 口,可以单独配置,用以监视和控制不同的外设器件。当某 一个GPI0引脚的信号状态发生改变时,中断控制器将产生一个中断信号,中断信号的极性 是可编程的。本设计需要用到众多的GPI0 口用于控制和状态指示,其原理图如图6所示。各 个GPI0 口的功能如下:
[0065] (1) LOCAL:本地串口发送数据指示灯;
[0066] (2) RS485_INT_1:串口扩展芯片的中断引脚;
[0067] (3) REMOTE:本地光口发送数据指示灯;
[0068] (4) RS485_RE/DE: RS485 收发控制引脚;
[0069] (5)EVEN0UT:事件上报引脚;
[0070] (6) P0N_SHUTD0WN:光口电源关闭控制引脚;
[0071] ⑺SW_RESET:软件复位引脚;
[0072] ⑻DYING_GASP:低电压中断触发引脚
[0073]需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而 且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。
[0074]本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述,以上实例的 说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选 实施方式,应当指出,由于文字表达的有限性,而客观上存在无限的具体结构,对于本技术 领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进、润饰 或变化,也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合;这些改进润饰、变化或组合,或未 经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均应视为本实用新型的保护 范围。

Claims (4)

1.新型智能抄表采集传输装置,它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表,其 特征在于,所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接用于运行通信协议Q/GDW 376.1-2009的OLT设备;所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的用于完成DL/T 645 -2007协议与Q/GDff 376.1-2009协议的相互转换,并建立0LT设备与智能电表的双向通 信链路的电力0NU模块;所述电力0NU模块连接智能电表;所述电力〇NU模块包括EP0N处理器 模块,所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电 平转换模块、DBG调试接口;所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表;所述电力〇NU模块 通过RS232接口连接电表的基表;所述基表通过RS485电缆连接智能电表。
2.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置,其特征在于,所述EP0N处理器模 块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
3.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置,其特征在于,所述数据存储模块 内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
4.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置,其特征在于,所述串口扩展与电 平转换模块内设置有12C转UART模块。
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CN110855758A (zh) * 2019-10-28 2020-02-28 湖南文理学院 一种油浸式智能电力变压器数据处理系统
CN111882851A (zh) * 2020-09-02 2020-11-03 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司 一种单相智能费控电能表光纤远程抄表系统

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