CN212541566U - 一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，包括导轨安装外壳、内置通讯模块、主控板和负荷控制开关，导轨安装外壳包括导轨安装上盖与导轨安装底壳，采用DIN导轨安装模式，一体化程度高，接线端子采用提篮抱紧方式。内置通讯模块与主控板进行数据交互，负荷控制开关物理分割各回路，形成多个独立可控大电流回路，在极宽工作电压范围内，以极低功耗运行，同时各独立回路开关动作一致，可靠地定位和切断异常用电点，提升电网安全运行水平和解决用户用电安全问题，尤其对经济相对落后的国家和地区，能够帮助电力公司在较少资金投入的情况下，以低成本解决其电网安全运行水平和用户安全用电水平快速提升的方案。

Description

一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关

技术领域

本实用新型属于低压用电领域，具体涉及一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关。

背景技术

在全球各国家都大力推进智能电网建设的大背景下，围绕高级计量架构AMI，载波、无线作为目前主流的下行通道实现了表端对表端的数据通讯，智能电表作为其核心，实现精准计量及用户用电监控，通过终端设备的上行公网或专网信道到主站，实现多种智能应用，是目前最广泛的选择。但需要考虑到各国家的经济发展水平，用户用电环境和习惯都不尽相同，对经济相对落后的国家和地区，其暂时无法直接建设相对投资很大且对管理水平要求很高的AMI系统，同时又迫切需要提升电网安全运行水平和用户安全用电水平的矛盾问题。因此，本领域技术人员提供了一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，以解决上述背景技术中提出的问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型在现有用电环境并且不更换已有的计量设备的前提下，提供一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关。

本实用新型的技术方案是一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，包括：导轨安装外壳、内置通讯模块、主控板和负荷控制开关。

进一步地所述导轨安装外壳，符合DIN导轨标准，采用DIN导轨安装，一体化程度高，防护等级IP54，适用多种安装条件，拆装灵活且节省空间，可以安装在电线杆外挂箱、配电柜内和变电站墙体。接线端子采用提篮抱紧方式，能够可靠连接4mm²到25mm²的外接供电线，适用多种现场电流规格，通过内部和外部回路分割隔离墙，增加爬电距离，确保每一电流回路绝缘性能，防止用户错误接线带来的回路间短路，确保施工安全，提高了恶劣环境下，产品的耐久性和安全性。采用高强度、阻燃环保PC+玻纤材料,具有较高的绝缘强度和耐腐蚀性。

进一步地所述内置通讯模块包括：模拟前端、自组网策略、标准通讯接口。模拟前端由信号放大、频率变换、调制、解调、邻频处理、电平调整与控制及混合功能组成，可提高信噪比、消除邻频干扰、降低误码率、提升通讯速率，为不同国家或地区配置不同方案的模拟前端，达到对使用环境的精准定位功能。自组网策略由节点信标、路由信息、中继、多跳、监听和设备地址组成，完成下行信道自组网、地址识别、自动中继和网络鲁棒性功能。标准通讯接口由统一UART串口、应用层通讯协议和12PIN双排2.54mm连接器接口与主控板插接并固定，实现与主控板间的数据交互，降低模块和主板之间的连接阻抗，提升通讯的效果及向后兼容性功能。内置通讯模块建立系统通讯的下行信道，实现主站与目标设备间的远程通讯功能。

进一步地所述主控板模块包括：供电电源、接口电路、主控芯片和嵌入式软件。供电电源由PFC开关电源芯片，整流电路，滤波电路，开关变压器，反馈电路，过压保护电路，欠压保护电路，过流保护电路，自动重启及稳压电路组成，在工作电压80Vac～265Vac范围内使设备静态功耗小于1W下工作，在供电异常时自主保护，避免设备损坏，适用各国电力系统电压。接口电路由继电器控制芯片、过零检测电路、24位ADC采样电路、标准连接器组成，实现继电器的可靠通断响应，用户用电状态监控及多回路同步控制反馈，连接适配不同的内置通讯模块功能。主控芯片由高速数据处理中央单元、程序存储器、数据存储器、UART串口、内置看门狗和时钟电路组成，实现设备异常自恢复，提高抗干扰能力，低功耗下高速浮点运算，同时支持自写升级，自动切换程序存储器和数据存储器容量功能。嵌入式软件由boot、协议解析、数据存储扩展、中断管理、IO控制、自校验、采样处理、小波分析算法、定时器和同步控制算法组成，完成回路自由组合配置，实时用电状态监测、组合回路同步控制、通讯协议解析与响应、boot式程序远程可靠升级，达到产品远程控制和上报及远程单、三相及多用户的配置变更功能，实现快速精准的上报，通过邻域和整体大数据，实时获取电网运行情况，实施精准异常定位和异常点切断，监控用户的分布式能源使用情况，避免电网和分布式能源的不协调造成的设备损坏，提升了用户的多电源接入时的用电安全水平。主控板模块适用于各国电力系统标称电压条件，准确监控用户用电状态，控制回路开关，数据存储，协议解析和命令响应。

作为优选方案，主控板通过24位ADC采样电路对电网和用户电压波形采样，配合过零检测电路，结合主控板嵌入式软件小波分析技术对上述数据的处理，实时监控用户用电和电网状态并记录异常点，供终端获取并上报主站系统，解决用电异常情况的上报，同时通过主站系统对邻域的数据分析，可以确定用电异常的原因，从而对用户用电实施管制措施，如切断异常负荷及限制用电。在实施了用户用电管制后，智能开关自动切换到用户侧分布式能源监控模式，当有分布式能源并网时，反向限制电网接入，适应多种分布式能源有效安全使用。

进一步地所述负荷控制开关由多组单回路大功率磁保持继电器、多组独立控制端口和独立检测采样端口组成，物理分割各回路，实现某一回路异常状态下不影响其他回路，提高复杂供电情况的适应性及各回路间的抗干扰能力，提升用户用电安全，负荷控制开关用于切断或恢复用户负载。所述物理分割各回路，包括外壳内部的分割隔离墙结构形成的独立回路空间、独立大功率磁保持继电器、控制绕组连接端口和检测采样连接端口，实现各回路开关部分的独立控制、独立检测及独立空间，整个回路的开关部分在软件、硬件上、结构上相互独立，互不影响。同时支持单回路用户扩展为多回路用户配置，配合过零检测等手段，确保多回路用户各回路开关动作的一致性，动作延时小于10ms。

作为优选方案，通过DIN导轨安装结构优化设计和各部件硬连接设计，减少了各部件的连接阻抗，使每个回路均可长期持续通过100A电流，且承受短时过流峰值7000A，持续时间0.1s的冲击。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：易安装，不同通讯模块兼容性强，宽工作电压范围，多回路灵活配置，适应多种用电环境。与建设高级计量架构AMI系统相比，由本实用新型与现有计量设备组成的系统无需替换现有计量设备，同时允许多个用户共享内置通讯模块和主控板，可以节省80％的资金。本实用新型的监控能力更强，开关动作实时性更可控，还具有单三相合一，用电异常上报，独立控制等优点，结合主站系统的邻域和大数据分析，更可靠地定位和切断异常用电点，从而提升电网安全运行水平和解决用户用电安全问题，帮助电力公司在较少资金投入情况下，解决实际问题，提升电网安全运行和用户安全用电的水平，提升经济收益，并获得良好的社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的总装结构示意图；

图2为本实用新型的隔离结构展示图；

图3为本实用新型的内置模块插针与主控板插座连接标准展示图；

图4为本实用新型的开关同步时间测试图；

图5为本实用新型的过流冲击施加波形图；

图中：1、导轨安装外壳上盖，2、内置通讯模块，3、主控板，4、负荷控制开关，5、导轨安装外壳底壳，6、内置通讯模块插针，7、主控板插座。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明:

根据图1所示，本实施例所述的一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，包括导轨安装外壳上盖1、导轨安装外壳底壳5、内置通讯模块2、主控板3和负荷控制开关4，各部件单一方向硬连接组装，易于全自动化生产。

导轨安装外壳符合DIN导轨标准，采用DIN导轨安装，一体化程度高，防护等级IP54，适用多种安装条件，拆装灵活且节省空间，可以安装在电线杆外挂箱、配电柜内和变电站墙体。接线端子采用提篮抱紧方式，能够可靠连接4mm²到25mm²的外接供电线，适用多种现场电流规格。如图2所示，本实施例各回路之间增加分割隔离墙，使各回路从结构上拥有独立空间，分别包裹各回路金属导体部分，增加了绝缘爬电距离，确保每一电流回路绝缘性能，防止用户错误接线带来的回路间短路，确保施工安全，提高了恶劣环境下，产品的耐久性和安全性。采用高强度、阻燃环保PC+玻纤材料,具有较高的绝缘强度和耐腐蚀性。

内置通讯模块2包括：模拟前端、自组网策略、标准通讯接口。模拟前端由信号放大、频率变换、调制、解调、邻频处理、电平调整与控制及混合功能组成，提高信噪比、消除邻频干扰、降低误码率、提升通讯速率，可为不同国家或地区配置不同方案的模拟前端，达到对使用环境的精准定位功能。自组网策略由节点信标、路由信息、中继、多跳、监听和设备地址组成，完成下行信道自组网、地址识别、自动中继和网络鲁棒性功能。标准通讯接口由统一UART串口、应用层通讯协议和12PIN双排2.54mm连接器接口与主控板3插接并固定，实现与主控板3间的数据交互，降低模块和主板之间的连接阻抗，提升通讯的效果及向后兼容性功能。内置通讯模块建立系统通讯的下行信道，实现主站与目标设备间的远程通讯功能。

主控板3包括：供电电源、接口电路、主控芯片和嵌入式软件。供电电源由PFC开关电源芯片，整流电路，滤波电路，开关变压器，反馈电路，过压保护电路，欠压保护电路，过流保护电路，自动重启及稳压电路组成，在工作电压80Vac～265Vac范围内使设备静态功耗小于1W下工作，在供电异常时自主保护，避免设备损坏，适用各国电力系统电压。接口电路由继电器控制芯片、过零检测电路、24位ADC采样电路、标准连接器组成，实现继电器的可靠通断响应，用户用电状态监控及多回路同步控制反馈，连接适配不同的内置通讯模块功能。主控芯片由高速数据处理中央单元、程序存储器、数据存储器、UART串口、内置看门狗和时钟电路组成，实现设备异常自恢复，提高抗干扰能力，低功耗下高速浮点运算，同时支持自写升级，自动切换程序存储器和数据存储器容量功能。嵌入式软件由boot、协议解析、数据存储扩展、中断管理、IO控制、自校验、采样处理、小波分析算法、定时器和同步控制算法组成，完成回路自由组合配置，实时用电状态监测、组合回路同步控制、通讯协议解析与响应、boot式程序远程可靠升级，达到产品远程控制和上报及远程单、三相及多用户的配置变更功能，实现快速精准的上报，通过邻域和整体大数据，实时获取电网运行情况，实施精准异常定位和异常点切断，监控用户的分布式能源使用情况，避免电网和分布式能源的不协调造成的设备损坏，提升了用户的多电源接入时的用电安全水平。主控板3适用于各国电力系统标称电压条件，准确监控用户用电状态，控制回路开关，数据存储，协议解析和命令响应。

主控板3通过24位ADC采样电路对电网和用户电压波形采样，配合过零检测电路，结合主控板嵌入式软件小波分析技术对上述数据的处理，实时监控用户用电和电网状态并记录异常点，供终端获取并上报主站系统，解决用电异常情况的上报，同时通过主站系统对邻域的数据分析，可以确定用电异常的原因，从而对用户用电实施管制措施，如切断异常负荷及限制用电。在实施了用户用电管制后，智能开关自动切换到用户侧分布式能源监控模式，当有分布式能源并网时，反向限制电网接入，适应多种分布式能源有效安全使用。

如图3所示为本实施例所述的内置通讯模块插针6与主控板插座7连接固定方式，内置通讯模块可以通过简易插拔实现安装和拆卸，可以根据客户定制化要求配置内置通讯模块方案。

负荷控制开关4由多组单回路大功率磁保持继电器、多组独立控制端口和独立检测采样端口组成，用于切断或恢复用户负载。物理分割各回路，包括外壳内部的分割隔离墙结构形成的独立回路空间、独立大功率磁保持继电器、控制绕组连接端口和检测采样连接端口，实现各回路开关部分的独立控制、独立检测及独立空间，整个回路的开关部分在软件、硬件上、结构上相互独立，互不影响。某一回路异常的状态不影响其他回路，提高复杂供电情况的适应性及各回路间的抗干扰能力，提升用户用电安全。同时支持单回路用户扩展为多回路用户配置，配合过零检测等手段，确保多回路用户各回路开关动作的一致性，动作延时小于10ms。

本实施例所述的回路组合间的延时测试数据，如图4所示，当操作单路跳合闸时，没有控制延时时间，数据为实际延时情况。当操作双路或三路或四路跳合闸时，增加了各回路间延时控制功能，跳合闸延时不超过10ms，开关延时一致性更优。

如图5所示，本实施例所述的单回路抗冲击电流能力测试结果，施加峰值7000A，0.1秒的冲击后，产品仍可正常工作，可以有效地防止产品安装时由于用户侧设备故障而产生短路等情况的出现。

以上结合附图对本实用新型进行了详细说明，但本实用新型不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域的普通技术人员可以对所描述的具体实施例进行修改或补充或采用类似的方式替代，但都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，其特征在于：包括导轨安装外壳、内置通讯模块、主控板和负荷控制开关，

其中导轨安装外壳包括导轨安装上盖与导轨安装底壳，采用DIN导轨安装模式，接线端子采用提篮抱紧方式；

内置通讯模块包括模拟前端、自组网策略、标准通讯接口；

主控板包括供电电源、接口电路、主控芯片和嵌入式软件；

负荷控制开关由多组单回路大功率磁保持继电器、多组独立控制端口和独立检测采样端口组成，物理分割各回路。

2.根据权利要求1所述的一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，其特征在于：所述接线端子可靠连接4mm²到25mm²的外接供电线。

3.根据权利要求1所述的一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，其特征在于：内置通讯模块采用12PIN双排2.54mm硬插针与主控板上相对应的插座插接并固定，降低模块和主控板之间的连接阻抗，防尘防水等级为IP54。

4.根据权利要求1所述的一种基于内置通讯模块实现远程监控用户用电的智能开关，其特征在于：主控板供电电源由PFC开关电源芯片、整流电路、滤波电路、开关变压器、反馈电路、过压保护电路、欠压保护电路、过流保护电路、自动重启及稳压电路组成，接口电路由继电器控制芯片、过零检测电路、24位ADC采样电路、标准连接器组成，主控芯片由高速数据处理中央单元、程序存储器、数据存储器、UART串口、内置看门狗和时钟电路组成，嵌入式软件由boot、协议解析、数据存储扩展、中断管理、IO控制、自校验、采样处理、小波分析算法、定时器和同步控制算法组成。

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