CN209858976U - 一种模块化柔性负荷监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及负荷监控技术领域，具体涉及一种模块化柔性负荷监控装置，包括电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线、多个功能子模块；主控模块通过通信总线与各个功能子模块连接，实现了功能子模块与主控模块之间的自由组合，可以进行功能子模块的自由增减、更换、升级，现场使用过程中可根据使用现场需求的不同添加配置相应功能的模块，维护简单。后期还可针对新需求新技术开发新的功能模块，解决了产品升级更替麻烦的问题，还解决了现有技术中兼容性的问题，增加产品生命周期。另外，使用过程中任一功能子模块出现故障时，可以灵活替换，而不影响设备整体功能运行。功能子模块故障异常会报警，方便故障定位，减少故障处理时间。

Description

一种模块化柔性负荷监控装置

技术领域

本实用新型涉及负荷监控技术领域，具体涉及一种模块化柔性负荷监控装置。

背景技术

作为发电调度的补充,柔性负荷调度能够削峰填谷、平衡间歇式能源波动和提供辅助服务,有利于丰富电网调度运行的调节手段。从广义上说,需求侧可互动的资源很多,例如各类照明、空调、电动机等负荷,各类蓄冷、蓄热、蓄电等储能设备,以及分布式电源、电动汽车等能源替换设备等。为了对如此众多类型的设备进行用能监测及运行方式控制，传统的方案一般是安装所需监控负荷的类型针对开发不同的终端产品。同时由于现场应用安装环境的不同，需要终端具备多种有线或无线通讯（RS485、LonWorks、GPRS、4G、WIFI、以太网、有线等模式），同时为了适应技术发展还需预留兼容其他新的通信方式、控制方式的需求。如果针对不同类型终端再配合多种通信方式进行产品开发，产品种类众多生产管理不便。由于型号众多对现场安装使用人员要求较高，后期维护升级不便。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种模块化柔性负荷监控装置，便于生产管理、工程调试以及后期维护升级，具体技术方案如下：

一种模块化柔性负荷监控装置，包括电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线、多个功能子模块；所述电源模块用于提供电源；所述主控模块用于控制多个功能子模块的工作状态，采集、处理数据，实现对柔性负荷的监控，设置有多个通信总线控制接口；所述隔离485模块用于实现主控模块与通信总线之间的隔离，防止串入干扰；所述通信总线用于主控模块与各个功能子模块进行通信；所述电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线依次连接；所述多个功能子模块分别与通信总线连接。

优选地，所述功能子模块包括电源单元、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、通信总线接口、对外外接接口；所述电源单元用于为功能子模块提供电源；所述隔离485单元用于实现功能模块主控单元与通信总线之间的隔离；所述功能模块主控单元用于与主控模块进行通信以及控制功能子单元的工作状态，所述电源单元与功能模块主控单元连接；所述通信总线接口、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、对外外接接口依次连接；所述通信总线接口与通信总线连接。

优选地，所述功能子单元包括RS485通信单元、Lonwork通信单元、WIFI通信单元、GPRS通信单元、输入检测及继电器输出单元、电压电流测量取样单元、用电计量单元、红外通信单元。

优选地，所述Lonwork通信单元包括FT5000双绞线智能收发器。

优选地，所述WIFI通信单元包括ESP-12SWiFi模块。

优选地，所述GPRS通信单元包括SIM800模块。

优选地，所述电压电流测量取样单元用于采集用电设施的电压、电流数据，包括电压测量取样电路、电流测量取样电路；所述电压测量取样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压后输送至用电计量单元的电压输入通道；所述电流测量取样电路采用电流互感器隔离输入方式，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号并送至用电计量单元的电流测量通道。

优选地，所述用电计量单元包括ATT7022E计量芯片。

优选地，所述红外通信单元包括红外接收、红外发射电路。

优选地，所述电源模块包括DC-DC模块、同步降压转换器；所述DC-DC模块用于将12V输入电压转换为5V电压，为功能子模块供电；所述同步降压转换器用于将5V电压降到3.3V电压，为主控模块、隔离485模块供电。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提供了一种模块化柔性负荷监控装置，主控模块通过通信总线与各个功能子模块连接，实现了功能子模块与主控模块之间的自由组合，可以进行功能子模块的自由增减、更换、升级，现场使用过程中可根据使用现场需求的不同添加配置相应功能的模块，维护简单。后期还可针对新需求新技术开发新的功能模块，解决了产品升级更替麻烦的问题，还解决了现有技术中兼容性的问题，增加产品生命周期。另外，使用过程中任一功能子模块出现故障时，可以灵活替换，而不影响设备整体功能运行。功能子模块故障异常会报警，方便故障定位，减少故障处理时间。

主控模块多个通信总线控制接口引脚分布、引脚功能一致，大小形状一致，各功能子模块大小尺寸一致、总线接口大小形状一致，可保证任一功能模块都可和任一总线接口匹配连接。

附图说明

图1为本实用新型一种模块化柔性负荷监控装置的结构示意图；

图2为本实用新型电源模块的原理电路图；

图3-a、图3-b、为本实用新型主控模块的原理电路图；

图4为本实用新型隔离485模块的原理电路图；

图5为本实用新型功能子模块的结构示意图；

图6为本实用新型功能子模块主控单元的原理电路图；

图7为本实用新型的Lonwork通信单元的原理电路图；

图8为本实用新型的WIFI通信单元的原理电路图；

图9为本实用新型的GPRS通信单元的原理电路图；

图10为本实用新型的输入检测及继电器输出单元的原理电路图；

图11为本实用新型的电压电流测量取样单元的原理电路图；

图12为本实用新型的用电计量单元的原理电路图。

图13为本实用新型的红外通信单元的原理电路图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明：

一种模块化柔性负荷监控装置，包括电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线、多个功能子模块；电源模块用于提供电源。

主控模块用于控制多个功能子模块的工作状态，采集、处理数据，负责遥测、遥信、遥调、遥控，实现对柔性负荷的监控，设置有多个通信总线控制接口，隔离485模块用于实现主控模块与通信总线之间的隔离，防止串入干扰；通信总线用于主控模块与各个功能子模块进行通信；电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线依次连接；多个功能子模块分别与通信总线连接。子功能模块实现功能相互独立，每个功能子模块都可以和通信总线上的任一接口连接。通信总线上提供的多个接口引脚定义和引脚功能一致，通信总线控制接口提供电源以及通信总线接口，满足给功能子模块供电及通信的需要。功能子模块可以配置一个或多个，可连接至任一总线接口上。多个功能子模块位置可以安装、互换，而不影响整体功能实现。功能子模块故障后只需更换对应功能的模块即可。

每个通信总线控制接口分电源部分、通信接口部分以及GPIO部分，电源部分提供+3.3V、+5V、+12V,通信接口部分提供常用的I2C，SPI，UART,USB等接口，GPIO提供常规输入检测输出控制。主控模块多个通信总线控制接口引脚分布、引脚功能一致，大小形状一致，各功能子模块大小尺寸一致、通信总线接口大小形状一致，保证任一功能模块都可和任一总线接口匹配连接。提供多种功能的功能子模块，从而实现对各式各样柔性负荷进行监控的目的，同时标准化的通信扩展接口方便日后针对新类型的柔性负荷进行监控，只需要开发新的功能模块即可，而不需要重新设计整个装置。主控模块上所有通信总线控制接口均作隔离设计，使用过程中即使主控模块上某一个通信总线控制接口故障也不影响其他通信总线控制接口的使用。

如图2所示，电源模块包括DC-DC模块、同步降压转换器；电源模块采用外接DC12V电源的输入的方案，安全稳定可靠，使用DC-DC模块将12V输入电压转换为5V电压，为功能子模块供电。DC-DC模块具有输入电压范围宽、输出电压可调、同步效率高的优点。5V出来后端使用TI的TLV62565同步降压转换器降到3.3V，供主控模块、隔离485模块供电。DC12V满足功能子模块中的输入检测及继电器输出单元驱动继电器的需求。

如图3-a、3-b所示，主控模块采用飞思卡尔基于ARM9内核的i.MX28系列芯片，主频454MHz，支持UART、I2C、I2S、Ethernet、USB、SSP等众多通讯接口，并支持16位/24位TFT液晶显示和电阻式触摸屏，适用于通用嵌入式工业控制和消费电子市场。ARM9集成电源管理单元，可有效简化系统电源设计，降低成本，减小系统功耗，使得该ARM9非常适用于低成本、低功耗、高性能的便携设备。ARM9集成了DDR2、NANDFlash、硬件看门狗、硬件加密等，可有效缩短用户基于M28A核心板进行产品开发的周期。ARM9通过严格的EMC和高低温测试，保证核心板在严酷的环境下也能稳定工作。主控模块采用板级对插连接器，模块化，安装调试方便。由于在一幅图中绘制不下，且布线有些模糊，故将主控模块分为2幅附图提交。

如图4所示，隔离485模块采用一体化的485收发器，只带DC-DC隔离电源，稳定可靠，同时能自动换向使用简便。

如图5所示，功能子模块包括电源单元、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、通信总线接口、对外外接接口；电源单元用于为功能子模块提供电源；隔离485单元用于实现功能模块主控单元与通信总线之间的隔离；功能模块主控单元用于与主控模块进行通信以及控制功能子单元的工作状态，实现对应功能子模块的功能，电源单元与功能模块主控单元连接；通信总线接口、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、对外外接接口依次连接；通信总线接口与通信总线连接。

如图6所示，功能模块主控单元统一采用基于ARMCortex-M内核的STM32F103RCT6单片机，LQFP64封装，可用IO51个、256kflash，48kRAM、4个16位通用定时器、3个SPI、2个I2C、5个UART，工作电压2.0-3.6V。接口丰富满足各种功能模块控制需要。

功能子单元为RS485通信单元、Lonwork通信单元、WIFI通信单元、GPRS通信单元、输入检测及继电器输出单元、电压电流测量取样单元、用电计量单元、红外通信单元、数据存储单元中的一种，对应形成RS485通信子模块、Lonwork通信子模块、WIFI通信子模块、GPRS通信子模块、输入检测及继电器输出子模块、电压电流测量取样子模块、用电计量子模块、红外通信子模块、数据存储子模块。

对外连接接口包含例如WIFI通信单元的天线，电压电流测量取样单元的电压电流输入端子，输入检测及继电器输出单元的继电器控制输出、开关量输入端子等等。数据存储模块，用于存储数据，数据存储单元采用TF卡进行移动存储。

如图7所示，Lonwork通信单元包括FT5000双绞线智能收发器。FT5000双绞线智能收发器集成了一个高性能的Neuron核和一个自由拓扑双绞线收发器。FT5000双绞线智能收发器由三个独立的8位逻辑处理器组成，它们分别管理物理介质访问控制层、网络层和用户应用层。这些被称为介质访问控制（MAC）处理器、网络（NET）处理器和应用（APP）处理器。采用Lonworks通讯协议，具备开放性、互操作性、高可靠性。

如图8所示，WIFI通信单元使用基于ESP8266开发的ESP-12SWiFi模块，该模块核心处理器ESP8266在较小尺寸封装中集成了业界领先的TensilicaL106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。该模块支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

如图9所示，GPRS通信单元包括SIM800模块。SIM800模块可支持4频GSM/GPRS，工作的频段为：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。模块的尺寸只有24*24*3mm，几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。模块和用户的物理接口为68脚的焊盘，提供了模块的所有硬件接口。还具有以下功能：

（1）最多可支持50个按键一路全功能串口，可根据需要配置成两个独立的串口；

（2）一路USB接口，可模拟出一路串口，便于客户调试、下载软件；

（3）音频接口，包含一路麦克风输入和一路受话器输出；

（4）可编程的通用输入输出接口（GPIO）；

（5）一路SIM卡接口；

（6）支持蓝牙功能；

（7）PWM功能引脚；

（8）PCM接口/SD卡接口二选一（默认PCM接口）。

SIM800采用省电技术设计，在休眠模式下耗电流低至1.0毫安

图10是输入检测及继电器输出单元的原理电路图，状态输入连接到接触器辅助触点，反馈接触器的通断状态。采用DC12V作为继电器驱动电源，通过光电隔离驱动继电器，提升系统可靠性。

如图11所示，电压电流测量取样单元用于采集用电设施的电压、电流数据，包括电压测量取样电路、电流测量取样电路；电压测量取样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压后输送至用电计量单元的电压输入通道，得到符合计量芯片电压输入通道，输入要求范围的信号值，电压通道推荐输入为200mV有效值。电压信号太大，会导致串扰，以及量程溢出。电流测量取样电路采用电流互感器隔离输入方式，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号并送至用电计量单元的电流测量通道。电压和电流输入电路中电阻1.2K和电容0.01uF构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证测量时获得好的温度特性。

如图12所示，用电计量单元包括ATT7022E计量芯片。ATT7022E多功能高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。ATT7022E集成了多路二阶sigma-deltaADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。高精度，在输入动态工作范围（5000：1）内，非线性测量误差小于0.1%，有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC62053-22：2003，GB/T17215.322-2008，无功测量满足1级、2级，支持IEC62053-23：2003，GB/T17215.323-2008，可准确测量到含41次谐波的有功、无功和视在功率、电能。

如图13所示红外通信单元包括红外接收和发送两部分，红外接收用于接收学习收到的红外遥控器的指令，红外发送用于手动，自动发送学习到的红外指令，用于代替红外遥控器的功能。用于诸如分体空调等红外遥控设备的控制。红外发送时由PWM引脚产生38K调制信号，由FR_TX引脚输出相应的红外编码信息。

本实用新型基于模块化设计的思想，将整个装置按功能块划分为电源模块，主控模块，功能子模块，功能子模块可以通过标准化的通信接口和主控模块上提供的任一接口进行连接，主控模块通过功能子模块板载的的数字id检测识别基本的功能模块，加载的底层驱动程序以及业务逻辑软件。功能子模块统一设计，方便生产调试以及后期使用维护。模块化的设计可以根据不同使用环境、要求、以及监控负荷类型的不同选择对应功能的功能子模块，灵活方便。

功能子板设计成模块化形式，可与主控模块上的任意一个通信总线控制接口进行匹配连接，灵活性强，可实现所有功能子板的随意组合，位置可任意互换，为装置的生产调试以及后期项目使用维护提供便利。

本实用新型的主控模块上通信总线控制接口电气隔离相互独立，增加使用安全性，功能子模块也相互独立，有功能子模块损坏时只需要替换掉损坏的功能子模块即可；维修维护方便。

功能子模块提供RS485通信子模块、Lonwork通信子模块、WIFI通信子模块、GPRS通信子模块、输入检测及继电器输出子模块、电压电流测量取样子模块、用电计量子模块、红外通信子模块、数据存储子模块等等，满足对照明、充电桩、空调、冷水机组的用能监测以及工作模式状态的调控，适用于现场各种复杂的应用环境。

本实用新型不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并不用以限制本实用新型，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)

1.一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：包括电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线、多个功能子模块；所述电源模块用于提供电源；所述主控模块用于控制多个功能子模块的工作状态，采集、处理数据，实现对柔性负荷的监控，设置有多个通信总线控制接口；所述隔离485模块用于实现主控模块与通信总线之间的隔离，防止串入干扰；所述通信总线用于主控模块与各个功能子模块进行通信；所述电源模块、主控模块、隔离485模块、通信总线依次连接；所述多个功能子模块分别与通信总线连接。

2.根据权利要求1所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述功能子模块包括电源单元、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、通信总线接口、对外外接接口；所述电源单元用于为功能子模块提供电源；所述隔离485单元用于实现功能模块主控单元与通信总线之间的隔离；所述功能模块主控单元用于与主控模块进行通信以及控制功能子单元的工作状态，所述电源单元与功能模块主控单元连接；所述通信总线接口、隔离485单元、功能模块主控单元、功能子单元、对外外接接口依次连接；所述通信总线接口与通信总线连接。

3.根据权利要求2所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述功能子单元包括RS485通信单元、Lonwork通信单元、WIFI通信单元、GPRS通信单元、输入检测及继电器输出单元、电压电流测量取样单元、用电计量单元、红外通信单元。

4.根据权利要求3所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述Lonwork通信单元包括FT5000双绞线智能收发器。

5.根据权利要求3所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述WIFI通信单元包括ESP-12SWiFi模块。

6.根据权利要求3所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述GPRS通信单元包括SIM800模块。

7.根据权利要求3所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述电压电流测量取样单元用于采集用电设施的电压、电流数据，包括电压测量取样电路、电流测量取样电路；所述电压测量取样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压后输送至用电计量单元的电压输入通道；所述电流测量取样电路采用电流互感器隔离输入方式，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号并送至用电计量单元的电流测量通道。

8.根据权利要求3或7所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述用电计量单元包括ATT7022E计量芯片。

9.根据权利要求3所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述红外通信单元包括红外接收、红外发射电路。

10.根据权利要求1所述的一种模块化柔性负荷监控装置，其特征在于：所述电源模块包括DC-DC模块、同步降压转换器；所述DC-DC模块用于将12V输入电压转换为5V电压，为功能子模块供电；所述同步降压转换器用于将5V电压降到3.3V电压，为主控模块、隔离485模块供电。