CN207868872U - 基于嵌入式技术的电网信息处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了基于嵌入式技术的电网信息处理装置，包括电源模块以及分别与所述电源模块连接的中央处理器、数据保护模块、扩展功能模块和通信模块；所述中央处理器为嵌入式工业芯片组，所述数据保护模块包括自纠错模块和抗干扰模块，所述扩展功能模块包括通信扩展模块和电源扩展模块。本实用新型基于嵌入式技术的电网信息处理装置，在高速处理器和智能存储器的基础上，结合现场配电设备的实际工况，能通过较低的成本和便捷的安装，提高数据传输的自纠错与灵活性，使处理装置进一步智能化、现代化和高效化。
Description
技术领域
本实用新型涉及电网信息通信与处理技术领域，尤其涉及基于嵌入式技术的电网信息处理装置。
背景技术
随着智能配电网及新一代智能变电站技术的发展及工程应用实践，具有较强数据处理能力、较灵活通信接入/转出能力的基于IEC61850建模标准系列保护控制及自动装置研制技术的逐步成熟完善，各种测控系统对通信系统、信息处理系统的要求趋于统一。另一方面，通信技术和计算机技术发展日新月异，飞速发展。无线传感及自组网技术、现场总线组网技术日趋成熟，光纤通信带宽业已到100Gbit/s，以太网通信接口带宽达到40Gbit/s，嵌入式处理器工作频率达到1GHz，高集成度及强大运算能力的多核技术，通信信息技术逐步走向融合。
专利号为201420208637.5的专利涉及电力技术领域，特别是智能终端配电管理系统，包括处理器、电源单元和多路串行口，所述电源单元和多路串行口均与所述处理器连接，还包括有用来采集开关、插座电流电压信号的传感单元，所述传感单元通过采集执行单元与处理器连接；所述处理器还连接有内部时钟单元和E2PROM数据存储单元。采用上述结构后，可以精确的检测电源电压、电流、功率等电气参数，对出现电流超限运行回路做出精确判断，并发出即时指令关闭该回路电源，提高了安全性。
通信信息技术的迅猛发展已经能满足电力系统自动化技术应用所需要的软硬件能力，电网系统也需要一种结构更加简单，效率更高，共用性增加的信息处理装置。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供基于嵌入式技术的电网信息处理装置，在高速处理器和智能存储器的基础上，结合现场配电设备的实际工况，能通过较低的成本和便捷的安装，提高数据传输的自纠错与灵活性，使处理装置进一步智能化、现代化和高效化。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于嵌入式技术的电网信息处理装置，包括电源模块以及分别与所述电源模块连接的中央处理器、数据保护模块、扩展功能模块和通信模块；所述中央处理器为嵌入式工业芯片组，所述数据保护模块包括自纠错模块和抗干扰模块，所述扩展功能模块包括通信扩展模块和电源扩展模块。
进一步地，所述嵌入式工业芯片组包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、现场可编程逻辑PLC器件、FPGA处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合，所述嵌入式工业芯片组连接大容量存储器和人机交互界面。
进一步地，所述自纠错模块包括网络冗余处理器、数据延时处理器、自纠错开关电源、工业级缓存器、电源异常检测器，所述电源异常检测器包括设置于电源模块上的测温传感器和输出电压异常侦测电路。
进一步地，所述抗干扰模块包括光耦隔离模块、智能滤波模块和接地装置。
进一步地，所述通信模块包括远程传输模块和本地数据采集模块，所述本地数据采集模块包括JTAG接口和系统总线，所述远程传输模块包括LTE通信组件和光纤通信单元。
进一步地，所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。
进一步地，所述系统总线包括星状、网状、双星、两组双星的多种总线拓扑结构，并支持多种基于数据包的交换式总线，所述系统总线设置数据加密装置。
进一步地，所述通信扩展模块包括多路网络数据接口和多路I/O接口。
进一步地，所述电源扩展模块包括感应取能模块以及与所述感应取能模块连接的充电电容、光伏充电板。
进一步地，所述人机交互界面包括LED阵列和控制键盘。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型在高速处理器和智能存储器的基础上，结合现场配电设备的实际工况，能通过对现有基本功能组件的组合运用，以较低的成本和便捷的安装，实现提高数据传输的自纠错与灵活性，可以满足多态应用需求，能灵活实现主动配电网源网荷各侧元件处的全面信息处理；满足灵活采集需求，能灵活适应不同电气模拟了采集、数字量采集的需求；满足通信灵活接入需求，能灵活接入各种异构通信接口的智能设备；满足柔性调控需求，能灵活依据现场工况制定用户可维护的调控逻辑策略；满足信息通信及建模标准化需求，建模及通信满足电力系统数据通信及建模的技术发展要求，使处理装置进一步智能化、现代化和高效化，值得广泛推广与使用。
附图说明
图1是本实用新型的装置结构图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，基于嵌入式技术的电网信息处理装置，包括电源模块1以及分别与电源模块1连接的中央处理器2、数据保护模块、扩展功能模块18和通信模块15；中央处理器为嵌入式工业芯片组，数据保护模块包括自纠错模块9和抗干扰模块5，扩展功能模块包括通信扩展模块16和电源扩展模块17。
嵌入式工业芯片组包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、现场可编程逻辑PLC器件、FPGA处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合，嵌入式工业芯片组连接大容量存储器3和人机交互界面4。人机交互界面包括LED阵列和控制键盘。
本实用新型基于嵌入式硬件技术，采用一种基于嵌入式技术的可灵活配置硬件设计方案，以高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC等不同系列处理器，现场可编程逻辑器件，FPGA,CPLD为中央处理器核心，配套中央处理器的辅助配件，包括模拟信号处理组件、二进制输入组件、控制输出组件、信号组件，通过连接人机接口组件，电源组件，网络通讯组件，形成了一整套适合电力系统及工业自动化间隔层设备的嵌入式电网信息处理装置。嵌入式技术的使用，使其在硬件结构上可以重新配置，模块级的组合使其构成的测量，控制、保护功能、通信模块以及嵌入式操作系统等都可以灵活配置，增强了装置的性能，更好地适应电力用户复杂多变的需求。
中央处理器连接大容量存储器，大容量存储器包括可编程逻辑处理器和16位的高速串口高精度AD。电源模块采用优质高标准的逆变电源，及对电源状态的实时监视。数据保护的硬件构成上采用模拟回路双重化，软硬双通道累加合自检，多路电源自检，解决模拟回路元件损坏，AD出大数等造成的保护误拒动。独特的出口回路自检，及采用国际上高可靠的出口继电器，及二取二的出口回路，彻底杜绝出口回路元件损坏造成的装置误动，电磁兼容的环境适应能力达到或超过国家标准的要求，达到国际先进水平。
在具体实施时，中央处理器的主控芯片可以选择P2020处理器，该处理器具有极高性能功耗比，可用于多种应用，尤其适用于这些有严格散热限制的应用。 凭借其-40°C至125°C的有效结点温度范围，这些设备可用于注重功耗的军事以及工业应用以及这些缺乏保护的户外环境。 P2设备凭借其低功耗设计以及单线程高性能，非常适合控制层面的诸多应用。
自纠错模块6包括网络冗余处理器10、数据延时处理器11、自纠错开关电源12、工业级缓存器13、电源异常检测器14，电源异常检测器14包括设置于电源模块上的测温传感器和输出电压异常侦测电路。
网络冗余处理器处理网络数据冗余的问题，系统使用冗余网络接入同样的数据，利用数据筛选技术保证不被重复处理，并保证某一数据在任一网络上传输正常时，系统就能得到有效数据。
数据延时处理器主要用于：当数据在网络上传输时，会产生延时，而且当网络环境不同时，延时时间会有离散性。为了生成断面数据，需要等待所有数据就绪后方能处理。因此需要在满足实时性门槛下对数据进行缓存、匹配检查、延时处理，从而提升整体的自纠错。
工业级ECC缓存器的使用：电力二次装置需要长期不间断的运行，缓存是系统中重要的部件之一，它是与中央处理器进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在缓存中进行的，因此缓存的性能对计算机的影响非常大。同时缓存还用于暂时存放中央处理器中的运算数据。只要计算机在运行中，中央处理器就会把需要运算的数据调到缓存中进行运算，当运算完成后中央处理器再将结果传送出来，缓存的运行也决定了计算机的稳定运行。而普通缓存的高速读写不可避免出现数据以及程序出错的问题，ECC缓存有效验和纠错功能，从而保证装置的容错性，保证了装置在出现故障时，有强大的自我恢复能力。装置的自纠错和稳定得到了更加充分的保障，这样能保证系统稳定，正常的运行，避免了很多数据出错程序死机等问题。
电源模块上设有测温传感器，可以对模块内部的工作温度进行检测。测量结果经内部I2C总线接口输出至总线(SDA,SCL,AD0,AD1)。此外模块内部还有输出电压异常侦测电路，可以对外提供异常输出告警信号（PG端口）和告警接点。模块内置输出并机功能电路可以保证并机模块在接入过程中不会产生瞬间相互干扰和掉电，并支持在带电条件下进行热插拔操作。此外，任何一组电源模块在本身失效情况下（其中任何一个器件在开路或短路失效情况下），供电系统不会垮掉。并机电路使用专用IC驱动MOS开关，产生的额外损耗极低，对整机效率的影响几乎可以忽略。
除了上述装置模块外，自纠错模块还可以设置高自纠错开关电源12：开关电源是电力二次装置的主要功能模块，开关电源的性能好坏直接影响着装置的可靠运行，本方案选用的开关电源型号是XJ961-2，这是一种符合电力系统规范要求而设计的特规产品。具有比一般开板式电源效率高、抗干扰能力强、寿命长及保护功能齐全等特点，其内置100瓦高效全砖模块，具有并机热插拔功能。可方便组成冗余系统。XJ961-12模块在45度环境下满负荷工作的设计使用寿命可以保证16年以上。
抗干扰模块5包括光耦隔离模块6、智能滤波模块7和接地装置8。对硬件进行抗电磁干扰设计是主动配电网全面量测终端装置应用环境下提高设备工作稳定性的有效方法，针对主动配电网全面量测终端装置所采用的硬件抗干扰措施主要有：使用电磁兼容器件、重点隔离容易受干扰的元器件、利用滤波技术去除干扰、终端接地以及在印刷电路板时进行合理布线等手段。
对于和外界电路有直接电气连接的电路可以通过隔离技术来进行抗干扰设计，例如与终端装置进行通信的RS-485接口电路，应用隔离技术可以避免内部数字系统受到外界电磁干扰。本方案使用光耦来进行主动配电网全面量测终端装置内外电气电路的隔离。
电源是终端硬件设备中的一个主要噪声来源，印刷电路板中的分布电容会将电源产生的脉冲耦合到硬件电路中去，对元器件的正常工作产生影响。本设计方案使用滤波技术去除电源所带来的低频与高频干扰。
在使用接地技术的同时，将数字信号与模拟信号相分离，可以避免数字信号通过地线与模拟信号耦合所产生的对原有模拟信号的干扰。本设计方案的硬件设计使用较粗的地线与电源线来提升主动配电网全面量测终端的抗干扰能力。
通信模块15包括远程传输模块和本地数据采集模块，本地数据采集模块包括JTAG接口和系统总线，远程传输模块包括LTE通信组件和光纤通信单元。LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。
系统总线包括星状、网状、双星、两组双星的多种总线拓扑结构，并支持多种基于数据包的交换式总线，系统总线设置数据加密装置，系统总线设置数据加密装置，一方面，在安全接入和安全传输方面，建立加密网关，从而通信方和接收方都能安全、可靠的收发数据，另一方面，通过使用设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全等有利保证。总线协议选择上，支持多种基于数据包的交换式总线，例如：万兆以太网、光纤传输、StarFabric、InfiniBand、PCI-Express和RapidIO等，针对新一代网络应用提供了更充裕的扩充性与空间。
在上述硬件基础上，为满足处理装置“灵活通信接入”的设计目标，借鉴电信设备研制的经验，增加扩展功能模块18，从通信总线扩展、电源分配和系统管理等方面实现强大的通信适配接入和显著提高的散热能力和更高的运算性能，将模块化通信平台技术推向了一个全新的高度。利用高速互联网络配合系统级总线，对各模块进行管理和冗余备份，形成一种全开放、可互操作的电信工业标准，采用了全新的设计标准，在自纠错、抗干扰以及开放性方面有独特的优势。
通信扩展模块16包括多路网络数据接口和多路I/O接口。多路网络数据接口可以实现各类IED、信息子系统的接入，并实现与主动配电网主站系统的信息上传及接收远方的控制命令。该模块具有以太网RJ-45、RS-232、RS-485物理接口，实现常见外部设备的通信方式信息接入。多路I/O接口采用能灵活适应I/O通道数多变的智能I/O模块设计，通过可自由扩展模块方式，根据源网荷端实际I/O数量决定I/O模块个数，每个I/O模块插入装置后，自动发送身份信息，由综合决策单元通过配置在线识别。
电源扩展模块17包括感应取能模块以及与感应取能模块连接的充电电容、光伏充电板，通过感应取能模块直接从现场的电缆取电，并给智能电源模块上的超级电容器充电，同时由外置的光伏板作为备用电源，也给智能电源模块上的超级电容器充电，超级电容器作为装置供电缓冲池，其输出接入装置的电源总线，为装置供电。
本装置的电源模块有两个电源输入源，一个是交流电220V AC，另一个是由四节可充电锂电池组合而成的4.8V DC。在该系统中，220VAC 采用的三相四线电源，连接到终端装置之后通过一个三相的 AC-DC 模块，将三相 220V AC转换为直流的+12V和+5V，整个终端装置总线的电源系统都由这两个直流供电，模块采用金升阳的高隔离超宽输入电压范围AC-DC电力电源模块LO10-26D0512-04，该模块的输入范围极宽，达到了65～460V AC/90～650V DC，输出电流为5V/3.6A、12V/1.2A，对于该终端装置，该供电功率是足够的，任意两路之间隔离电压可达4000V AC，产品符合IEC/EN61000标准群脉冲(4kV)、浪涌（2kV/4kV）、传导、辐射EN55022 Class B等技术标准要求。
同时，中央处理器电源为+3.3V，外围的众多模块都采用+5V供电，这样外围模块与处理器之间就需要一个电平转换，+12V主要是用于外围设备监测单元的供电，主要是为了隔离处理器电源，信号的传递几乎都是采用光电耦合器，这样就实现了隔离监测的目的。通常情况下，终端装置由交流220V AC转换出来的直流12V和5V供电，同时也给锂电池充电，当线路故障或者220V AC突然掉电情况下，系统会很快切换到锂电池供电。切换电路要求两路供电电源切换速度快，且过程中保证处理器不会掉电重启，锂电池的充电电源也是由配电变压器的二次侧低压220V提供，该方案可以使用+5V或者+12V 对锂电池进行充电，市场上这样的充电芯片也很多，使用也很方便。本设计中使用的充电芯片为TI公司的BQ2000锂电池充电芯片，该芯片结构简单、充电电流可调，很便于使用。
与此同时，本实用新型在外形设计定义上也预留了更大的空间，可以设计增加冗余风扇和温度监控管理，以增强系统散热能力。这些设计不仅有效地保证了通信设备获得电信级的稳定性，不会因为散热问题而导致设备失效，还使得通信设备可以使用多核或更高速率的中央处理器，提供更强大的处理能力。在插槽、电源、风扇等方面均采用双备份机制，让单一板卡故障不会蔓延至整个机箱，进一步提高了设备的自纠错。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本领域的一般技术人员将认识到，使用本实用新型的方案还可以实现许多可选的实施例。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：包括电源模块以及分别与所述电源模块连接的中央处理器、数据保护模块、扩展功能模块和通信模块；所述中央处理器为嵌入式工业芯片组，所述数据保护模块包括自纠错模块和抗干扰模块，所述扩展功能模块包括通信扩展模块和电源扩展模块。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述嵌入式工业芯片组包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、现场可编程逻辑PLC器件、FPGA处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合，所述嵌入式工业芯片组连接大容量存储器和人机交互界面。
3.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述自纠错模块包括网络冗余处理器、数据延时处理器、自纠错开关电源、工业级缓存器、电源异常检测器，所述电源异常检测器包括设置于电源模块上的测温传感器和输出电压异常侦测电路。
4.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述抗干扰模块包括光耦隔离模块、智能滤波模块和接地装置。
5.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述通信模块包括远程传输模块和本地数据采集模块，所述本地数据采集模块包括JTAG接口和系统总线，所述远程传输模块包括LTE通信组件和光纤通信单元。
6.如权利要求5所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。
7.如权利要求5所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述系统总线包括星状、网状、双星、两组双星的多种总线拓扑结构，并支持多种基于数据包的交换式总线，所述系统总线设置数据加密装置。
8.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述通信扩展模块包括多路网络数据接口和多路I/O接口。
9.如权利要求1所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述电源扩展模块包括感应取能模块以及与所述感应取能模块连接的充电电容、光伏充电板。
10.如权利要求2所述的基于嵌入式技术的电网信息处理装置，其特征在于：所述人机交互界面包括LED阵列和控制键盘。
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| CN114844215A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-02 | 中国人民解放军63660部队 | 一种可远距离实时监测控制的多路直流电源装置 |
| CN117872027A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-12 | 国网山西省电力公司营销服务中心 | 一种用于光伏连接的配电网状态感知方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |