CN207200380U

CN207200380U - 一种模块化设计的电力能效监测终端

Info

Publication number: CN207200380U
Application number: CN201720884987.7U
Authority: CN
Inventors: 钱昱; 童思普; 张胜丘
Original assignee: Nanjing Xinlian Electric Energy Cloud Service Co ltd; Nanjing Xinlian Electronics Co ltd; Liupanshui Power Supply Bureau of Guizhou Power Grid Co Ltd
Current assignee: Nanjing Xinlian Electric Energy Cloud Service Co ltd; Nanjing Xinlian Electronics Co ltd; Liupanshui Power Supply Bureau of Guizhou Power Grid Co Ltd
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2027-07-20

Abstract

本实用新型是一种模块化设计的电力能效监测终端，其结构包括电源模块A、通信模块B、交采模块C；其中，电源模块A的电源输出端分别与通信模块B、交采模块C的电源输入端相连；电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端相连，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端相连。优点：1）实现了机电一体化的测量设备，大大减小现场的接线复杂程度；2）实现了电压、电流、功率、功率因数、电量、需量、谐波、温度等数据的计量；3）便于用户及时发现用电线路的异常情况，避免出现次生危害。

Description

一种模块化设计的电力能效监测终端

技术领域

本实用新型是一种模块化设计的电力能效监测终端，属于能效监测技术领域。

背景技术

为了实现精细化用电管理及需求侧响应，达到有序用电及节能降耗的目的，用电单位除了对总用电回路监测之外，还需扩展到对各分支用电回路进行监测；现有技术一般采用在各分支回路中加装电流互感器、采集器、通信模块等设备，实现对各用电回路的用电信息和电能质量的监测。

传统电力系统中的电流互感器由一次互感器和二次互感器（一般称为仪表互感器，装在采集器中）组成，体积大、成本高，受现场安装空间限制安装困难，甚至有些分支回路需要改造才能安装；用电单位的分支回路多，每回路均需接入电流互感器、采集器、通信模块等设备，设备成本高；此外采集器需要从现场各支路中接入电压信号，安装时要进行停电操作，给用电单位的生产、运营造成影响；由于接入电缆多，施工时要进行专业的布线，安装难度及工作量大、施工费用高、施工周期长。

实用新型内容

本实用新型提出的是一种模块化设计的电力能效监测终端，其目的旨在实现电能测量设备不停电安装，提供一种无通信线连接、无需调试、自组网的高效监测终端。

本实用新型的技术解决方案：模块化设计的电力能效监测终端，其结构包括电源模块A、通信模块B、交采模块C；其中，电源模块A的电源输出端分别与通信模块B、交采模块C的电源输入端相连；电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端相连，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端相连。

本实用新型的优点：最大测量电流可达到1000A；通过对穿刺取电、开口式电流互感器、电气测量、温度测量、无线传输技术的高度集成，将一二次互感器、采集器和通信模块融合，实现了机电一体化的测量设备，大大减小现场的接线复杂程度；终端内部模块之间通过共用电源和无线通信的方式进一步减小产品体积，在传统互感器的尺寸空间上实现了电压、电流、功率、功率因数、电量、需量、谐波、温度等数据的计量；模块化的设计方式使得产品配置灵活多样，当同一监测节点下的分支回路较多时，通过扩展交采模块即可实现；终端配备后备电源，可实时监测用户用电线路的断相、短线和停上电等异常事件并进行上报，因此便于用户及时发现用电线路的异常情况，避免出现次生危害。

附图说明

附图1为模块化电力能效监测终端系统框图。

附图2为监测终端内部模块之间的级联接口。

附图3为监测终端电源模块A框图。

附图4为监测终端通信模块B框图。

附图5为监测终端交采模块C框图。

附图6为开关电源电路原理图。

附图7为后备电源电路原理图。

附图8-1为交采计量电路计量芯片部分原理图。

附图8-2为交采计量电路信号输入部分原理图。

附图9-1为核心处理电路单片机部分原理图。

附图9-2为核心处理电路单片机外围电路部分原理图。

附图10为RS485通信电路原理图。

附图11为微功率无线通信电路原理图。

具体实施方式

模块化设计的电力能效监测终端，其结构包括电源模块A、通信模块B、交采模块C；其中，电源模块A的电源输出端分别与通信模块B、交采模块C的电源输入端相连；电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端相连，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端相连。

所述电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端之间通过标准RJ11接口级联线缆连接，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端之间也通过标准RJ11接口级联线缆连接；电源模块A、通信模块B、交采模块C三个模块之间通过标准RJ11接口级联线缆进行信号连接和数据传输。

所述电源模块A包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连，核心处理电路的第二信号输入端与开关电源电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路设计在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

所述电源模块A中核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路相互之间通过PCB走线进行连接；模块外壳将220V电源通过零线输入孔和刺针引入电源模块中后经开关电源电路转化为5V直流电压为电源模块供电并通过RJ11级联线缆输出为通信模块B和交采模块C供电；交采计量电路通过电阻分压采样方式采集输入的电压大小并通过芯片感应方式采集被测线缆中的电流值；核心处理电路实时读取交采计量电路中的电压电流采集信息并计算输入线缆中的功率、功率因数、电量、需量、谐波、等数据。

所述通信模块B包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、微功率无线通信电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连，核心处理电路的第二信号输入端与微功率无线通信电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、微功率无线通信电路设计在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

所述通信模块B是电力能效监测终端的主模块，通信模块B通过外接的RJ11级联线缆中的RS485总线实时采集电源模块A和交采模块C的数据并使用微功率无线信道与上行通信节点传输监测终端采集的的各项电能数据。

所述交采模块C包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路设计在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

所述通信模块B和交采模块C对各自输入线缆中的电压、电流、功率、功率因数、电量、需量、谐波、等数据的采集方式与电源模块A同理。

所述相互独立的电源模块A、通信模块B、交采模块C都具有一致的模块外壳、核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路。

所述电源模块A、通信模块B、交采模块C还各自包括一个相同的模块外壳，模块外壳具有一个电源零线输入孔、一个穿透式电流埋线孔和两个标准RJ11母座；模块外壳采用开口式设计，能在被测电缆不断电的情况下将模块外壳安装到线缆上并通过刺针刺穿被测线缆取电作为各个模块供电输入和或电压计量输入。

所述电源模块A、通信模块B、交采模块C内部均具备后备电源电路，当电源模块的输入电压正常时，开关电源电路输出5V直流电压为各模块的后备电源充电，充电10分钟后每个模块的后备电源能维持系统继续工作不低于10秒，此时各模块的核心处理电路可以检测到被测线缆的停电状态，电源模块A和交采模块C通过RS485总线将停电信息上报给通信模块B，通信模块B汇总处理后则可以通过微功率无线方式上报用户主站监测线路的断电、断线、缺相、过压、欠压等事件。

由电磁感应定理可知，电力线缆中通过电流时，周围产生与之成正比磁场；在电力线缆上套入环形磁芯并将霍尔芯片放入磁芯中，根据霍尔效应，测量霍尔芯片输出电压，即可计算出线缆中通过的电流大小。

本实用新型将穿刺取电、开口式电流互感器、电气测量、温度测量、无线传输技术高度集成，实现了电能测量设备不停电安装、无需调试、自组网、无线通信；终端可采集电压、电流、功率、功率因数、电量、需量、谐波、温度数据，支持峰谷平尖分时计量和极值统计，支持断相、短线监测和停上电事件上报。

本实用新型支持不停电安装、无通信线连接、自组网的高效监测终端是企业实现精细化用电管理和需求侧响应，达到节能降耗目的的优选设备。

工作时，电源模块A输出电压为通信模块B和交采模块C供电，通信模块B实时采集电源模块A和交采模块C的电压电流数据并进行汇总处理后通过微功率无线方式上传到用户主站；三个模块采用完全一致的模块外壳，每个模块既是监测终端的组成部分，又可作为独立功能的产品使用，每个模块的功能类似一个单相电能表，而三个模块组合后的电力能效监测终端则可实现三相电能表的功能；电源模块A输出5V电压为通信模块B和交采模块C供电，通信模块B是监测终端的主模块，通信模块B通过RS485总线通信方式实时采集电源模块A和交采模块C的数据并实现与上行节点通信传输被测线路的各项电能数据；监测终端内部模块之间通过4芯线缆进行级联实现互相供电和数据交互，级联接口为标准RJ11接口，信号线包括电源总线和485通信总线，信号定义见表1。

表1 监测终端级联接口定义表

序号	信号定义	说明
			1	VCC5V	模块电源，范围5V±0.2V
2	RS485-A	485总线
			3	RS485-B	485总线
4	GND	电源地

实施例1

对照附图1,模块化设计的电力能效监测终端，其结构包括电源模块A、通信模块B、交采模块C；三个模块各自独立，相互之间通过标准RJ11接口线缆进行信号连接和数据传输，信号线包括电源总线和RS485总线，RJ11接口示意图见附图2，接口信号定义见表1。

对照附图3，监测终端的电源模块A由模块外壳、开关电源电路、核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路和RS485通信电路组成；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路设计在电路板上，相互之间通过PCB走线进行连接，电路板安装在模块外壳中。

对照附图4，监测终端的通信模块B由模块外壳、核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路、RS485通信电路和微功率无线通信电路组成；其中，核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路、RS485通信电路、微功率无线通信电路设计在电路板上，相互之间通过PCB走线进行连接，电路板安装在模块外壳中。

对照附图5，监测终端的交采模块C由模块外壳、核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路和RS485通信电路。其中，核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路和RS485通信电路设计在电路板上，相互之间通过PCB走线进行连接，电路板安装在模块外壳中。

监测终端电源模块A、通信模块B和交采模块C的核心处理电路、交采计量电路、后备电源电路和RS485通信电路采用完全一致的设计，三个模块的外壳完全一致。

对照附图6，电源模块A的开关电源电路包括浪涌保护部分、整流滤波部分、降压转换部分；所述浪涌保护部分包括压敏电阻R36、保险丝F3、限流电阻R34；模块外壳将220V交流电压信号引入[I-1]处，整流滤波电路将输入的220V交流输入电压转换为310V左右的高压直流电压，开关芯片D10（型号VIPER06HS）将直流高压直接转换为5V直流电压作为电源模块A的工作电源,5V直流电源同时并输出到交互接口[I-2]，RJ11级联线缆将此处的电源输出引出为通信模块B和交采模块C供电。

对照附图7，电源模块A、通信模块B、交采模块C各自的后备电源电路包括充放电切换电路、超级电容、均压电路；当VCC5V输入正常时，5V电压通过限流电阻R45、R47、R49为超级电容C75、C76充电，V13、V14为2.5V稳压管，起到保证两只超级电容两端的电压都不超过2.5V，避免因电容特性差异及长期使用容量变化导致电压不平衡引起超级电容寿命降低。

对照附图8-1、8-2，电源模块A、通信模块B、交采模块C各自的交采计量电路包括电压采样电路、电流采样电路和计量芯片；模块外壳将电压信号引入到H交互接口[III-1],R14～R20电阻将220V交流电压进行分压后VAP约为220mV，计量芯片D3（型号ATT7022E）对此信号进行采样并由此计算出输入电压大小；D4、D5为霍尔芯片（型号HG-302C），同样计量芯片D3对霍尔芯片的查分输出电压Vh+和Vh-进行采样并计算出模块中通过的电流大小；计量芯片通过采集到的电压电流数据计算被测线路功率、功率因数、电量、需量、谐波等数据并通过I交互接口[III-2]与核心处理电路进行数据交互。

对照附图9-1、9-2，电源模块A、通信模块B、交采模块C各自的核心处理电路包括单片机D6（型号STM32F401RET6）、电源监测芯片D7（型号TPS3823-33DBVT）、存储芯片D8（型号MX25L1606E）、线性稳压器件D9（型号SPX1117M3-L-3.3）、LED指示灯、温度采集电路；单片机D6通过交互接口[IV-1]读取交采计量电路的测量数据。单片机带12bit ADC输入接口，在TP1和TN1之间焊接NTC热敏电阻并将其固定在模块外壳中，单片机即可采集模块中穿过线缆的表面温度。

对照附图10，RS485通信电路包括RS485芯片（型号SN65HVD82DR）和外围电路，核心处理电路和RS485通信电路之间通过交互接口[V-2]进行数据传输；交互接口[V-1]连接到模块外壳上的两个RJ11母座，可实现电源模块A对通信模块B和交采模块C的供电和通信模块B对电源模块A和交采模块C的数据抄读。

对照附图11，微功率无线通信电路包括射频芯片D2（型号SX1278）、切换开关D1（型号PE4259）、射频收发电路；通信模块B的核心处理电路通过交互接口[VI-1]控制微功率无线通信电路将监测终端的采集数据上传到主站供用户查看。

Claims

1.模块化设计的电力能效监测终端，其特征是包括电源模块A、通信模块B、交采模块C；其中，电源模块A的电源输出端分别与通信模块B、交采模块C的电源输入端相连；电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端相连，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端相连。

2.根据权利要求1所述的模块化设计的电力能效监测终端，其特征是所述电源模块A的信号输入输出端与通信模块B的第一信号输入输出端之间通过标准RJ11接口级联线缆连接，交采模块C的信号输入输出端与通信模块B的第二信号输入输出端之间也通过标准RJ11接口级联线缆连接。

3.根据权利要求1所述的模块化设计的电力能效监测终端，其特征是所述电源模块A包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连，核心处理电路的第二信号输入端与开关电源电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、开关电源电路处在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

4.根据权利要求1所述的模块化设计的电力能效监测终端，其特征是所述通信模块B包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、微功率无线通信电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连，核心处理电路的第二信号输入端与微功率无线通信电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路、微功率无线通信电路设计在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

5.根据权利要求1所述的模块化设计的电力能效监测终端，其特征是所述交采模块C包括核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路；其中，核心处理电路的第一信号输入输出端与交采计量电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第二信号输入输出端与RS485通信电路的信号输入输出端相连，核心处理电路的第一信号输入端与后备电源电路的信号输出端相连；核心处理电路、交采计量电路、RS485通信电路、后备电源电路设计在电路板上，电路板安装在模块外壳中。

6.根据权利要求1所述的模块化设计的电力能效监测终端，其特征是所述电源模块A、通信模块B、交采模块C还各自包括一个相同的模块外壳，模块外壳具有一个电源零线输入孔、一个穿透式电流埋线孔和两个标准RJ11母座；模块外壳采用开口式设计，能在被测电缆不断电的情况下将模块外壳安装到线缆上并通过刺针刺穿被测线缆取电作为各个模块供电输入和或电压计量输入。