CN215067046U - 一种电缆终端设备在线监测装置 - Google Patents

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周伟
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Abstract

本实用新型公开一种电缆终端设备在线监测装置,其包括CPU板和背板,还包括:一CPU处理单元,安装在CPU板上;一直流电源供电模块,安装在背板上并与CPU处理单元电性连接;一遥信输入模块,安装在背板上并分别与CPU处理单元和直流电源供电模块电性连接;一遥控输出模块,安装在背板上并分别与CPU处理单元和直流电源供电模块电性连接;一模拟量采集模块,安装在背板上并与CPU处理单元电性连接;一直流量采集模块,安装在CPU板上并分别与CPU处理单元和直流电源供电模块电性连接;4G无线通信模块,安装在背板上并分别与CPU处理单元和直流电源供电模块电性连接。

Description

一种电缆终端设备在线监测装置
技术领域
本实用新型涉及电力技术领域,具体而言,涉及电缆检测技术,更具体地为一种电缆终端设备在线监测装置。
背景技术
随着经济持续增长、城市电网迅猛发展以及现代城市对供电的可靠性和环境美化等方面的要求,电缆线路以其运行维护工作量小、不占空间走廊等优点投运的数量在快速增加。但是,在实际运行时,电缆线路也会存在故障查找慢、故障速度恢复慢、检修周期长等不足。高压接地箱是用于汇集高压接地电缆、接地线的连接设备,目前,大部分的高压接地箱摆放的位置离市区都比较远,通常都设置在人烟稀少的地方,这给接地箱的安全运行带来了很大隐患,一旦有设备失窃不能马上知晓,只有在线路检修的时候才能发现,严重影响着电网运行的安全。
实用新型内容
为了解决上述问题,本实用新型根据电力系统的需要,结合电缆终端线路的运行情况,提供一种电缆终端设备在线监测装置,其能够针对电缆终端出线同时监测电缆运行电流、感应电压、接地线回流电流及电缆表面温度等运行参数,用以实现分散监测、集中管理,能够有效地提高电缆线路的巡视效率,减轻运维人员的劳动强度,做到准确及时掌握运行设备的健康状况,并提前处理事故隐患,保障电力电网安全供电。
为了达到上述目的,本实用新型提供了一种电缆终端设备在线监测装置,其包括CPU板和背板,还包括:
一CPU处理单元,安装在所述CPU板上;
一直流电源供电模块,安装在所述背板上并与所述CPU处理单元电性连接;
一遥信输入模块,安装在所述背板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
一遥控输出模块,安装在所述背板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
一模拟量采集模块,安装在所述背板上并与所述CPU处理单元电性连接;
一直流量采集模块,安装在所述CPU板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
4G无线通信模块,安装在所述背板上并分别所述与CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接。
在本实用新型一实施例中,其中,所述CPU处理单元包括高性能32位 CPU,具体为ARM Cortex-M4F。
在本实用新型一实施例中,其中,所述直流电源供电模块的输入为12V 电压直流电,输出包括第一电源输出、第二电源输出、第三电源输出和3.3V 电压输出,其中:
所述第一电源输出为通过第一直流电源转换模块输出的5V电压直流电,用于为CPU处理单元和4G无线通信模块供电;
所述第二电源输出为通过第二直流电源转换模块将所述第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为遥信输入模块和遥控输出模块供电;
所述第三电源输出为通过第三直流电源转换模块将所述第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为直流量采集模块供电;
所述3.3V电压输出为通过低压差线性稳压器芯片将第一电源输出转化的3.3V电压直流电。
在本实用新型一实施例中,其中,所述直流电源供电模块还包括:
差模抗浪涌干扰电路,压敏电阻(RV2)和气体放电管(T2)串联后连接到12V输入的正负极之间;
共模抗浪涌干扰电路,两个压敏电阻(RV1和RV3)串联后连接到12V 输入的正负极之间,气体放电管(T3)的一端连接到所述两个压敏电阻(RV1 和RV3)之间,所述气体放电管(T3)的另一端连接到地线;
差模信号滤波电路,共模电感(LH1)的正极输入端和负极输入端分别连接到滤波电容(EC8)的两端,所述共模电感(LH1)的正极输出端和负极输出端分别连接到滤波电容(EC6)的两端;
共模信号滤波电路,滤波电容(C29)的一端连接到12V输入的正极另一端连接到地线,滤波电容(C30)的一端连接到12V输入的负极另一端连接到地线;
输入保护电路,所述共模电感(LH1)的正极输入端通过保险丝(F1) 连接到单向二极管(D28)的阴极,所述单向二极管(D28)的阳极连接到12V 输入的正极;
稳压电路,滤波电容(C28)的两端连接在12V输入的正负极之间,稳压电容(E7)的正极连接到所述共模电感(LH1)的正极输入端,稳压电容 (E7)的负极连接到所述共模电感(LH1)的负极输入端,稳压电容(E2) 的正极连接到所述共模电感(LH1)的正极输出端,稳压电容(E2)的负极连接到所述共模电感(LH1)的负极输出端;
过压保护电路,快速瞬变二极管(D24)的两端分别与所述共模电感(LH1) 的两个输出端连接。
在本实用新型一实施例中,其中,所述遥信输入模块包括4路遥信量输入,其中任一路遥信量输入电路具体为:
隔离光耦(U4)的阳极极输入端通过限流电阻(R7)连接到第二电源输出的正极,所述隔离光耦(U4)的阴极输入端串联限流电阻(R11)和磁珠 (L1)后连接到遥信输入端子座(J3),且所述隔离光耦(U4)阳极输入端与阴极输入端之间连接分压电阻(R12);二极管(D4)的阴极连接到隔离光耦(U4)的阳极输入端,其阳极连接到所述隔离光耦(U4)阴极输入端;
所述隔离光耦(U4)的集电极输出端与所述CPU处理单元连接,隔离光耦(U4)的发射极输出端连接到所述第一电源输出的负极,且在所述隔离光耦(U4)集电极输出端与所述3.3V电压输出之间串联上拉电阻(R9)。
在本实用新型一实施例中,其中,所述遥控输出模块包括4路遥控输出接点,其中任一路遥控输出电路具体为:
启动继电器电路,隔离光耦(U16)的阳极输入端串联下拉电阻(R53) 后连接到第一电源输出的负极,所述隔离光耦(U16)的阴极输入端串联上拉电阻(R48)后连接到所述3.3V电压输出;继电器(G5)的两个控制端与续流二极管(D21)并联;所述续流二极管(D21)的阴极与第二电源输出的正极连接,其阳极与所述隔离光耦(U16)的集电极输出端连接;所述隔离光耦(U16)的阳极输入端和阴极输入端还分别与两根信号线连接。
出口继电器电路,继电器(G4)的两个控制端与续流二极管(D20)并联;所述续流二极管(D20)的阴极连接到继电器(G5)的一个常开端,其阳极与隔离光耦(U15)的集电极输出端连接;所述隔离光耦(U15)的阳极输入端串联限流电阻(R46)后作为继电器(G4)的一控制输入端(SM3) 连接到所述CPU处理单元控制的锁存器输出端口,所述隔离光耦(U15)的阴极输入端连接到第一电源输出的负极。
在本实用新型一实施例中,其中,所述模拟量采集模块包括6路电流输入的采集和3路电压输入的采集,具体为:
任一路电流输入的采集包括高压电缆的运行电流和接地环流的采集,采集信号均为交流信号,采样电路具体为:电流互感器(CT3)、快速瞬变二极管(D6)与采样电阻(R8)并联后的其中一端串联低通电阻(R10)后作为电流采样输出与所述CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端,且在所述电流采样输出与所述模拟公共端之间设置滤波电容(C7);
任一路电压输入的采集包括高压电缆的感应电压的采集,采集信号为交流信号,采样电路具体为:电压互感器(PTA1)的两个输入端分别串联一限流电阻(R35和R39)后连接到电压输入端子(J8),快速瞬变二极管(D23) 和采样电阻(R31)并联后连接到电压互感器(PTA1)的两个输出端,其中电压互感器(PTA1)的一个输出端串联低通电阻(R30)后作为电压采样输出与所述CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端,且在所述电压采样输出与所述模拟公共端之间设置滤波电容(C12)。
在本实用新型一实施例中,其中,所述直流量采集模块用于采集Pt100 铂电阻和外部温湿度传感器输出的4~20mA直流量信号,其包括:
外部温湿度传感器输出采集电路,具体为外部温湿度传感器的接线端子座(J14)的两个脚分别与第三电源输出的正负极连接,另一脚依次串联滤波电感(L6)、两个低通电阻(R60和R57)和滤波电容(C26)后连接到第一电源输出的负极,低通电阻(R57)和滤波电容(C26)之间作为外部温湿度传感器采集输出端与所述CPU处理单元连接;在外部温湿度传感器的接线端子座(J14)与滤波电感(L6)之间连接滤波电容(CP5),滤波电容(CP5) 另一端连接到地线(PE);滤波电感(L6)的两端分别连接快速瞬变二极管 (D33)和快速瞬变二极管(D30),快速瞬变二极管(D33)和快速瞬变二极管(D30)的另一端连接到第一电源输出的负极,采样电阻(R63)与快速瞬变二极管(D30)并联;肖特基二极管(D26)的公共端连接到两个低通电阻(R60和R57)之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极和所述3.3V 电压输出连接;
Pt100铂电阻采集电路,具体为外部Pt100铂电阻的接线端子座(J10) 的一端依次串联两个低通电阻(R66和R67)和滤波电容(C31)后与第一电源输出的负极连接,低通电阻(R67)和滤波电容(C31)之间作为外部Pt100 铂电阻的采集输出与所述CPU处理单元连接;在外部Pt100铂电阻的接线端子座(J10)与低通电阻(R66)之间连接精密电阻(R65),精密电阻(R65) 另一端与所述3.3V电压输出连接;肖特基二极管(D38)的公共端连接到两个低通电阻(R66和R67)之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极和所述3.3V电压输出连接。
在本实用新型一实施例中,其中,所述4G无线通信模块包括插入的手机流量卡,还包括:
4G无线模块(U1),其电压输入端连接到第一电源输出的正极,且与稳压电容(E1)和滤波电容(C1)并联后的正极连接,所述稳压电容(E1)的负极与第一电源输出的负极连接;上拉电阻(R5)的一端连接到所述4G无线模块(U1)的复位端,另一端与所述3.3V电压输出连接;
RS485串行通信电路,包括485芯片(U2)和单路反向器(U3),其中, 485芯片(U2)的RO端与肖特基二极管(D1)的阴极连接,肖特基二极管 (D1)的阳极串联上拉电阻(R1)后连接到所述3.3V电压输出;485芯片(U2) 的DI端和单路反向器(U3)的A端连接上拉电阻(R2)的一端,上拉电阻 (R2)的另一端连接到所述3.3V电压输出;485芯片(U2)的B端串联下拉电阻(R6)后连接到第一电源输出的负极,485芯片(U2)的A端串联上拉电阻(R3)后连接到第一电源输出的正极;485芯片(U2)的RE端和DE 端与单路反向器(U3)的Y端连接,485芯片(U2)的DI端与所述4G无线模块(U1)的UTXD1端连接;所述4G无线模块(U1)的URXD1端还连接到肖特基二极管(D1)的阳极。
本实用新型的电缆终端设备在线监测装置与现有技术相比,具有以下优点:
1)作为嵌入式实时多任务操作系统,通过软件和硬件的良好配合,实时、可靠、稳定、高效地完成电缆监测和通信处理任务;
2)能够实现分布式监测,数据集中管理的模式,大大降低了运维成本;
3)还可以增加统计、查询和打印各类表格的功能,提高维护和管理水平,有效地提高工作效率;
4)能够实现及时报警、自动排障,并能实时掌握系统所属各端局设备的维护作业等运行情况;
5)能够确保受监控电缆的安全,当电缆在超过门限值时能够及时告警;
6)能够取代传统的环流检测方式,由人工检查升级到到了实时在线自动监测。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一实施例的电缆检测装置的系统架构图;
图2为本实用新型一实施例的直流电源供电模块电路图;
图3为本实用新型一实施例的遥信输入模块电路图;
图4为本实用新型一实施例的遥控输出模块电路图;
图5为本实用新型一实施例的模拟量采集模块电路图;
图6为本实用新型一实施例的直流量采集模块电路图;
图7为本实用新型一实施例的4G无线通信模块电路图。
附图标记说明:10~CPU处理单元;20~直流电源供电模块;30~遥信输入模块;40~遥控输出模块;50~模拟量采集模块;60~直流量采集模块;70~4G 无线通信模块;P1~第一直流电源转换模块;P2~第二直流电源转换模块;P3~第三直流电源转换模块;+12V~12V输入的正极;G+12V~12V输入的负极; RV1、RV2、RV3~压敏电阻;T2、T3~气体放电管;PE~地线;LH1~共模电感;EC3、EC4、EC5、EC6、EC8~滤波电容;E1、E2、E3、E4、E5、E6、 E7、E8~稳压电容;C1、C4、C5、C7、C12、C17、C19、C24、C26、C28、C29、C30、C31~滤波电容;F1~保险丝;D28~单向二极管;D6、D23、D24、 D30、D33~快速瞬变二极管;+5V~第一电源输出的正极;G+5V~第一电源输出的负极;CP1、CP2、CP3、CP5~电容;+24V~第二电源输出的正极; G+24V~第二电源输出的负极;+24V-3~第三电源输出的正极;G3+24V~第三电源输出的负极;U13~低压差线性稳压器芯片;U4、U15、U16~隔离光耦; R7、R8、R9、R10、R11、R12、R30、R31、R35、R39、R46、R48、R53、 R57、R60、R63、R65、R66、R67~电阻;D2、D4、D7、D9、D11~二极管; J3~遥信输入端子座;L1、L2、L3、L4~磁珠;CT3~电流互感器;PTA1~电压互感器;J6~遥控出口接线端子;G4、G5~继电器;D20、D21~续流二极管; J8~电压输入端子;J10~外部Pt100铂电阻的接线端子座;J14~外部温湿度传感器的接线端子座;D26、D38~肖特基二极管;U1~4G无线模块;U2~485 芯片;U3~单路反向器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
图1为本实用新型一实施例的电缆检测装置的系统架构图,如图1所示,本实施例提供了一种电缆终端设备在线监测装置,其包括CPU(central processing unit,中央处理器)板和背板(BB背板),还包括:
一CPU处理单元(10),安装在CPU板上;
一直流(Direct Current,DC)电源供电模块(20),安装在背板上并与 CPU处理单元(10)电性连接;
一遥信输入(Digital Input,DI,又称数字量输入)模块(30),安装在背板上并分别与CPU处理单元(10)和直流电源供电模块(20)电性连接;
一遥控输出(Digital Onput,DO,又称数字量输出)模块(40),安装在背板上并分别与CPU处理单元(10)和直流电源供电模块(20)电性连接;
一模拟量采集(Analogy Input,AI,又称模拟量输入)模块(50),安装在背板上并与CPU处理单元(10)电性连接;
一直流(DC)量采集模块(60),安装在CPU板上并分别与CPU处理单元(10)和直流电源供电模块(20)电性连接;
4G(the 4th generation mobile communication technology,第四代移动通信技术)无线通信模块(70),安装在背板上并分别与CPU处理单元(10)和直流电源供电模块(20)电性连接。
在本实施例中,其中,CPU处理单元(10)包括高性能的32位CPU,具体为ARMCortex-M4F,由于CPU的主频可以达到120MHz,因此,能够满足数据处理速度的要求。
图2为本实用新型一实施例的直流电源供电模块电路图,如图2所示,在本实施例中,其中,直流电源供电模块(20)的输入为12V电压直流电,输出包括第一电源输出、第二电源输出、第三电源输出和3.3V电压输出,具体为:
第一电源输出为通过第一直流电源转换模块(P1)输出的5V电压直流电,用于为CPU处理单元(10)和4G无线通信模块(70)供电;
第二电源输出为通过第二直流电源转换模块(P2)将第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为遥信输入模块(30)和遥控输出模块(40)供电;
第三电源输出为通过第三直流电源转换模块(P3)将第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为直流量采集模块(60)供电;
3.3V电压输出为通过低压差线性稳压器芯片(U13)将第一电源输出转化的3.3V电压直流电。
本实施例采用的电源输入与输出隔离的方案,能够满足3000V的隔离直流电压,且能够满足EMC(Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容性)性能检测试验的要求。
再如图2所示,在本实施例中,其中,直流电源供电模块(20)的电路还包括:
差模抗浪涌干扰电路,压敏电阻(RV2)和气体放电管(T2)串联后连接到12V输入的正极(+12V)与负极(G+12V)之间;
共模抗浪涌干扰电路,两个压敏电阻(RV1和RV3)串联后连接到12V 输入的正极(+12V)与负极(G+12V)之间,气体放电管(T3)的一端连接到两个压敏电阻(RV1和RV3)之间,气体放电管(T3)的另一端连接到地线(PE);
差模信号滤波电路,共模电感(LH1)的正极输入端(1)和负极输入端 (2)分别连接到滤波电容(EC8)的两端,共模电感(LH1)的正极输出端 (4)和负极输出端(3)分别连接到滤波电容(EC6)的两端;
共模信号滤波电路,滤波电容(C29)的一端连接到12V输入的正极 (+12V)另一端连接到地线(PE),滤波电容(C30)的一端连接到12V输入的负极(G+12V)另一端连接到地线(PE),滤波电容(C29)、滤波电容(C30)与共模电感(LH1)组成共模信号滤波电路;
输入保护电路,共模电感(LH1)的正极输入端(1)通过保险丝(F1) 连接到单向二极管(D28)的阴极,单向二极管(D28)的阳极连接到12V输入的正极(+12V),共模电感(LH1)的另一个输入端(2)连接到12V输入的负极(G+12V);在本实施例中,保险丝(F1)起到输入电流过流的保护作用,单向二极管(D28)起到电源正负极防插反的作用。
稳压电路,滤波电容(C28)的两端连接在12V输入的正极(+12V)与负极(G+12V)之间,稳压电容(E7)的正极连接到共模电感(LH1)的正极输入端(1),稳压电容(E7)的负极连接到共模电感(LH1)的负极输入端(2),稳压电容(E2)的正极连接到共模电感(LH1)的正极输出端(4),稳压电容(E2)的负极连接到共模电感(LH1)的负极输出端(3);
过压保护电路,快速瞬变二极管(D24)的两端分别与共模电感(LH1) 的两个输出端连接,能够起到起到输入电压过压的保护作用。
本实施例的直流电源供电模块(20)的电路还包括电源输入端子座(J15),且各电压输出电路具体为:
第一电源输出电路,第一直流电源转换模块(P1)的电压输入端(Vin) 连接到共模电感(LH1)的正极输出端(4),流电源转换模块(P1)的接地端(GND)连接到共模电感(LH1)的负极输出端(3),直流电源转换模块 (P1)的正极输出端(+Vo)连接到第一电源输出的正极(+5V)并通过电容(CP2)连接到共模电感(LH1)的正极输出端(4),直流电源转换模块(P1)的负极输出端(0V)连接到第一电源输出的负极(G+5V)并通过电容(CP1) 连接到共模电感(LH1)的负极输出端(3),且在第一电源输出的正极(+5V) 和负极(G+5V)之间并联稳压电容(E5)和滤波电容(C24)用以稳定电源的输出电压;
第二电源输出电路,第二直流电源转换模块(P2)的电压输入端(Vin) 连接到第一电源输出的正极(+5V),第二直流电源转换模块(P2)的接地端(GND)连接到第一电源输出的负极(G+5V),第二直流电源转换模块(P2) 的正极输出端(+Vo)连接到第二电源输出的正极(+24V),第二直流电源转换模块(P2)的负极输出端(0V)连接到第二电源输出的负极(G+24V),并且在第二直流电源转换模块(P2)的电压输入端(Vin)和接地端(GND) 之间连接稳压电容(E6),在第二电源输出的正极(+24V)和负极(G+24V) 之间连接稳压电容(E4);
第三电源输出电路,第三直流电源转换模块(P3)的两个电压输入端(Vin) 连接到第一电源输出的正极(+5V),第三直流电源转换模块(P3)的两个接地端(GND)连接到第一电源输出的负极(G+5V),第三直流电源转换模块(P3)的正极输出端(+Vo)连接到第三电源输出的正极(+24V-3),第三直流电源转换模块(P3)的负极输出端(0V)连接到第三电源输出的负极 (G3+24V),并且在第三直流电源转换模块(P3)的电压输入端(Vin)和接地端(GND)之间连接稳压电容(E3),在第三电源输出的正极(+24V-3) 和负极(G3+24V)之间连接稳压电容(E8);
3.3V电压输出电路,LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器) 芯片(U13)的电压输入端(Vin)连接到第一电源输出的正极(+5V),LDO 芯片(U13)的接地端(GND)连接到第一电源输出的负极(G+5V),LDO 芯片(U13)的两个电压输出端(VOUT)输出3.3V电压(+3V3),并且在 LDO芯片(U13)的电压输入端(Vin)和接地端(GND)之间并联滤波电容 (EC5)和滤波电容(C19),在LDO芯片(U13)的电压输出端(VOUT) 与第一电源输出的负极(G+5V)之间并联滤波电容(EC3)、滤波电容(EC4) 和滤波电容(C17),在第一电源输出的负极(G+5V)与地线之间连接电容 (CP3)。
本实施例在现场安装时,监测主机的供电可采用太阳能供电设计,且预留有自取电电源接口,为极端条件下的取电工况留有解决方案,供电方式方式灵活。
图3为本实用新型一实施例的遥信输入模块电路图,如图3所示,在本实施例中,其中,遥信输入模块(30)包括4路遥信量输入(KR1、KR2、 KR3和KR4),其中任一路遥信量输入电路具体为:
隔离光耦(U4)的阳极极输入端通过限流电阻(R7)连接到第二电源输出的正极(+24V),隔离光耦(U4)的阴极输入端串联限流电阻(R11)和磁珠(L1)后连接到遥信输入端子座(J3),且隔离光耦(U4)阳极输入端与阴极输入端之间连接分压电阻(R12),用以保护隔离光耦(U4)的输入发光二极管处于安全的工作电压范围;
二极管(D4)的阴极连接到隔离光耦(U4)的阳极输入端,二极管(D4) 的阳极连接到隔离光耦(U4)阴极输入端,用以限定隔离光耦(U4)的输入发光二极管的反向电压在安全范围内;
隔离光耦(U4)的集电极输出端(IN1)与CPU处理单元(10)连接,用以将采集到的遥信状态送至CPU处理单元(10),隔离光耦(U4)的发射极输出端连接到第一电源输出的负极(G+5V),且在隔离光耦(U4)集电极输出端(IN1)与3.3V电压输出之间(+3V3)串联上拉电阻(R9),用以和隔离光耦(U4)的光敏三极管组成分压电路,当上拉电阻(R9)使遥信无输入时,会有一个稳定的高电平信号。
以上为第一路遥信输入(KR1)电路,第二路遥信输入(KR2)、第三路遥信输入(KR3)和第四路遥信输入(KR4)的电路与其相同,每一路遥信输入通过磁珠(L1、L2、L3和L4)连接到遥信输入端子座(J3)的偶数脚(2、4、6和8),遥信输入端子座(J3)的奇数脚(1、3、5和7)连接到第二电源输出的负极(G+24V),且每对遥信输入端子座脚之间反接一二极管(D2、D7、D9和D11),即二极管(D2、D7、D9和D11)的阳极连接到遥信输入端子座(J3)的奇数脚(1、3、5和7),二极管(D2、D7、 D9和D11)的阴极连接到遥信输入端子座(J3)的偶数脚(2、4、6和8)。在本实施例中,遥信输入模块(30)实现无源开关信号量采集功能,是对现场状态量的采集,如箱门打开或关闭等。
图4为本实用新型一实施例的遥控输出模块电路图,如图4所示,在本实施例中,遥控输出模块为无源开关接触点输出,控制现场的继电器或报警器的导通与关断,其中,遥控输出模块(40)包括4路遥控输出接点,其中任一路遥控输出电路具体为:
启动继电器电路,隔离光耦(U16)的阳极输入端(1)串联下拉电阻(R53) 后连接到第一电源输出的负极(G+5V),隔离光耦(U16)的阴极输入端(2) 串联上拉电阻(R48)后连接到3.3V电压输出(+3V3);继电器(G5)的两个控制端(1和4)与续流二极管(D21)并联;续流二极管(D21)的阴极与第二电源输出的正极(+24V)连接,其阳极与隔离光耦(U16)的集电极输出端(4)连接;隔离光耦(U16)的阳极输入端(1)和阴极输入端(2) 还分别与两根信号线(EN-Q+和EN-Q-)连接,用于由信号线(EN-Q+和EN-Q-) 控制启动继电器电路,提高电路的抗干扰性能,启动继电器(G5)工作后,出口继电器电路才能得到+24V工作电源,从而防止出口继电器误动作。
出口继电器电路,继电器(G4)的两个控制端(1和16)与续流二极管 (D20)并联;续流二极管(D20)的阴极连接到继电器(G5)的一个常开端 (3),其阳极与隔离光耦(U15)的集电极输出端(4)连接;隔离光耦(U15) 的阳极输入端(1)串联限流电阻(R46)后作为继电器(G4)的一控制输入端(SM3)连接到所述CPU处理单元控制的锁存器输出端口,隔离光耦(U15) 的阴极输入端(2)连接到第一电源输出的负极(G+5V)。
另外,隔离光耦(U15)和隔离光耦(U16)的发射极输出端均连接到第二电源输出的负极(G+24V)。以上是一路遥控输出电路,其他三路与其相同,遥控出口接线端子(J6)与出口继电器(G4)的常开端(5、8、9、12 等)连接,在启动继电器(G5)工作后,控制输入端(SM3)再提供高电平使能信号,出口继电器(G4)才会做出保护动作,从而使出口继电器有了双重保障作用。
图5为本实用新型一实施例的模拟量采集模块电路图,如图5所示,模拟量采集模块为高压电缆运行电流、感应电压、接地环流等交流输入信号采集,信号送入CPU处理单元经过AD采样和运算,计算出电压、电流等电气量遥测数据。在本实施例中,其中,模拟量采集模块(50)包括6路电流输入的采集和3路电压输入的采集,具体为:
任一路电流输入的采集包括高压电缆的运行电流和接地环流的采集,采集信号均为交流信号,采样电路具体为:电流互感器(CT3)、快速瞬变二极管(D6)与采样电阻(R8)并联后的其中一端串联低通电阻(R10)后作为电流采样输出(AD10)与CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端 (ACOM),且在电流采样输出(AD10)与模拟公共端(ACOM)之间设置滤波电容(C7);
任一路电压输入的采集包括高压电缆的感应电压的采集,采集信号为交流信号,采样电路具体为:电压互感器(PTA1)的两个输入端分别串联一限流电阻(R35和R39)后连接到电压输入端子(J8),快速瞬变二极管(D23) 和采样电阻(R31)并联后连接到电压互感器(PTA1)的两个输出端,其中电压互感器(PTA1)的一个输出端串联低通电阻(R30)后作为电压采样输出(AD9)与CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端(ACOM),且在电压采样输出(AD9)与模拟公共端(ACOM)之间设置滤波电容(C12)。
本实施例中的两个快速瞬变二极管(D23和D6)分别用于保护电压互感器(PTA1)和电流互感器(CT3)的输出交流信号在安全电压范围内,电流监测传感器采用单匝穿芯电流传感器,实现全隔离无残压的取样方式,采用最先进的设计手段,对监测信号进行了线性化处理,并且进行了精密补偿,保证了数据的准确性和可靠性。
图6为本实用新型一实施例的直流量采集模块电路图,如图6所示,直流量采集模块为对Pt100铂电阻和4~20mA直流量的采集,实现高压电缆三相温度和现场环境温湿度、水位高低的数据采集。在本实施例中,其中,直流量采集模块(60)用于采集Pt100铂电阻和外部温湿度传感器输出的 4~20mA直流量信号,其包括:
外部温湿度传感器输出采集电路,具体为外部温湿度传感器的接线端子座(J14)的两个脚(5和6)分别与第三电源输出的正负极(+24V-3和G3+24V) 连接,用于给外部温湿度传感器供电,另一脚(4)依次串联滤波电感(L6)、两个低通电阻(R60和R57)和滤波电容(C26)后连接到第一电源输出的负极(G+5V),其中,滤波电感(L6)用于滤除高频干扰信号,两个低通电阻 (R60和R57)和滤波电容(C26)组成低通滤波电路,低通电阻(R57)和滤波电容(C26)之间作为外部温湿度传感器采集输出端(AD1)与CPU处理单元(10)连接,用于将4~20mA信号经采集电路转换后的直流电压信号送至CPU处理器单元,又一脚(3)连接到第一电源输出的负极(G+5V);
在外部温湿度传感器的接线端子座(J14)与滤波电感(L6)之间连接滤波电容(CP5)滤波电容(CP5),另一端连接到地线(PE),用于滤除接口处的干扰信号;
滤波电感(L6)的两端分别连接快速瞬变二极管(D33)和快速瞬变二极管(D30),快速瞬变二极管(D33)和快速瞬变二极管(D30)的另一端连接到第一电源输出的负极(G+5V),采样电阻(R63)与快速瞬变二极管 (D30)并联,其中,快速瞬变二极管(D33)用于保护接口处的电压在安全范围内,快速瞬变二极管(D30)用于进一步保护输入到CPU处理器单元的电压在安全范围内,采样电阻(R63)用于将4~20mA电流信号转换为电压信号送到CPU处理器单元;
肖特基二极管(D26)的公共端连接到两个低通电阻(R60和R57)之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极(G+5V)和3.3V电压输出(+3V3) 连接,用于保护输出端(AD1)的电压信号在安全电压范围内;
Pt100铂电阻采集电路,具体为外部Pt100铂电阻的接线端子座(J10) 的一端依次串联两个低通电阻(R66和R67)和滤波电容(C31)后与第一电源输出的负极(G+5V)连接,低通电阻(R67)和滤波电容(C31)之间作为外部Pt100铂电阻的采集输出(AD13)与CPU处理单元(10)连接,用于将Pt100铂电阻经采集电路转换后的直流电压信号送至CPU处理器单元,两个低通电阻(R66和R67)和滤波电容(C31)组成通滤波电路;在外部 Pt100铂电阻的接线端子座(J10)与低通电阻(R66)之间连接精密电阻(R65),精密电阻(R65)另一端与3.3V电压输出(+3V3)连接,用于与Pt100铂电阻组成分压电路;肖特基二极管(D38)的公共端连接到两个低通电阻(R66 和R67)之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极(G+5V)和3.3V电压输出(+3V3)连接,用于保护“AD13”电压信号在安全电压范围内。
图7为本实用新型一实施例的4G无线通信模块电路图,如图7所示,4G无线通信模块用于将CPU处理单元将采集电路采集的数据处理后发送到监控后台,从而实现高压电缆运行状况的大数据分析和运行故障提前预警。在本实施例中,其中,4G无线通信模块(70)插入一手机流量卡,用于远距离无线通信,以实现将电缆监测装置采集的高压电缆的铠甲温度、运行电流、感应电压、接地环流等实时遥测数据通过4G无线通信模块电路实时上送至电脑监控后台,进行大数据分析工作,还包括:
4G无线模块(U1),其电压输入端(VIN)连接到第一电源输出的正极 (+5V),且与稳压电容(E1)和滤波电容(C1)并联后的正极连接,稳压电容(E1)的负极与第一电源输出的负极(G+5V)连接,用于为4G无线模块提供稳定的工作电压;上拉电阻(R5)的一端连接到4G无线模块(U1) 的复位端(RESET),另一端与3.3V电压输出(+3V3)连接,用于使4G无线模块(U1)处于工作状态;
RS485串行通信电路,包括485芯片(U2)和单路反向器(U3),其中, 485芯片(U2)的RO端与肖特基二极管(D1)的阴极连接,肖特基二极管 (D1)的阳极串联上拉电阻(R1)后连接到3.3V电压输出(+3V3);485 芯片(U2)的DI端和单路反向器(U3)的A端连接上拉电阻(R2)的一端,上拉电阻(R2)的另一端连接到3.3V电压输出(+3V3);485芯片(U2) 的B端串联下拉电阻(R6)后连接到第一电源输出的负极(G+5V),485 芯片(U2)的A端串联上拉电阻(R3)后连接到第一电源输出的正极(+5V); 485芯片(U2)的RE端和DE端与单路反向器(U3)的Y端连接,485芯片(U2)的DI端与4G无线模块(U1)的UTXD1端连接;
另外,3.3V电压输出(+3V3)和第一电源输出的负极(G+5V)之间连接滤波电容(C5),第一电源输出的正极(+5V)和第一电源输出的负极(G+5V) 之间连接滤波电容(C4);肖特基二极管(D1)的阳极还连接到4G无线模块(U1)的URXD1端,从而组成RS485串行通信电路,用以提高数据通讯的抗干扰性能力。
本实用新型的电缆终端设备在线监测装置作为嵌入式实时多任务操作系统,通过软件和硬件的良好配合,实时、可靠、稳定、高效地完成电缆监测和通信处理任务;能够实现分布式监测,数据集中管理的模式,大大降低了运维成本;还可以具有统计,查询和打印各类表格的功能,提高维护和管理水平,有效地提高工作效率;能够实现及时报警、自动排障,并能实时掌握系统所属各端局设备的维护作业等运行情况;能够确保受监控电缆的安全,当电缆在超过门限值时能够及时告警;能够取代传统的环流检测方式,由人工检查升级到到了实时在线监测。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中,也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块,也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电缆终端设备在线监测装置,其特征在于,包括CPU板和背板,还包括:
一CPU处理单元,安装在所述CPU板上;
一直流电源供电模块,安装在所述背板上并与所述CPU处理单元电性连接;
一遥信输入模块,安装在所述背板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
一遥控输出模块,安装在所述背板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
一模拟量采集模块,安装在所述背板上并与所述CPU处理单元电性连接;
一直流量采集模块,安装在所述CPU板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接;
4G无线通信模块,安装在所述背板上并分别与所述CPU处理单元和所述直流电源供电模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,在所述CPU处理单元包括高性能32位CPU,具体为ARM Cortex-M4F。
3.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述直流电源供电模块的输入为12V电压直流电,输出包括第一电源输出、第二电源输出、第三电源输出和3.3V电压输出,其中:
所述第一电源输出为通过第一直流电源转换模块输出的5V电压直流电,用于为CPU处理单元和4G无线通信模块供电;
所述第二电源输出为通过第二直流电源转换模块将所述第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为遥信输入模块和遥控输出模块供电;
所述第三电源输出为通过第三直流电源转换模块将所述第一电源输出转化的24V电压直流电,用于为直流量采集模块供电;
所述3.3V电压输出为通过低压差线性稳压器芯片将第一电源输出转化的3.3V电压直流电。
4.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述直流电源供电模块还包括:
差模抗浪涌干扰电路,压敏电阻RV2和气体放电管T2串联后连接到12V输入的正负极之间;
共模抗浪涌干扰电路,两个压敏电阻RV1和RV3串联后连接到12V输入的正负极之间,气体放电管T3的一端连接到所述两个压敏电阻RV1和RV3之间,所述气体放电管T3的另一端连接到地线;
差模信号滤波电路,共模电感LH1的正极输入端和负极输入端分别连接到滤波电容EC8的两端,所述共模电感LH1的正极输出端和负极输出端分别连接到滤波电容EC6的两端;
共模信号滤波电路,滤波电容C29的一端连接到12V输入的正极另一端连接到地线,滤波电容C30的一端连接到12V输入的负极另一端连接到地线;
输入保护电路,所述共模电感LH1的正极输入端通过保险丝F1连接到单向二极管D28的阴极,所述单向二极管D28的阳极连接到12V输入的正极;
稳压电路,滤波电容C28的两端连接在12V输入的正负极之间,稳压电容E7的正极连接到所述共模电感LH1的正极输入端,稳压电容E7的负极连接到所述共模电感LH1的负极输入端,稳压电容E2的正极连接到所述共模电感LH1的正极输出端,稳压电容E2的负极连接到所述共模电感LH1的负极输出端;
过压保护电路,快速瞬变二极管D24的两端分别与所述共模电感LH1的两个输出端连接。
5.根据权利要求3所述的监测装置,其特征在于,所述遥信输入模块包括4路遥信量输入,其中任一路遥信量输入电路具体为:
隔离光耦U4的阳极极输入端通过限流电阻R7连接到第二电源输出的正极,所述隔离光耦U4的阴极输入端串联限流电阻R11和磁珠L1后连接到遥信输入端子座J3,且所述隔离光耦U4阳极输入端与阴极输入端之间连接分压电阻R12;二极管D4的阴极连接到隔离光耦U4的阳极输入端,其阳极连接到所述隔离光耦U4阴极输入端;
所述隔离光耦U4的集电极输出端与所述CPU处理单元连接,隔离光耦U4的发射极输出端连接到所述第一电源输出的负极,且在所述隔离光耦U4集电极输出端与所述3.3V电压输出之间串联上拉电阻R9。
6.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述遥控输出模块包括4路遥控输出接点,其中任一路遥控输出电路具体为:
启动继电器电路,隔离光耦U16的阳极输入端串联下拉电阻R53后连接到第一电源输出的负极,所述隔离光耦U16的阴极输入端串联上拉电阻R48后连接到所述3.3V电压输出;继电器G5的两个控制端与续流二极管D21并联;所述续流二极管D21的阴极与第二电源输出的正极连接,其阳极与所述隔离光耦U16的集电极输出端连接;所述隔离光耦U16的阳极输入端和阴极输入端还分别与两根信号线连接;
出口继电器电路,继电器G4的两个控制端与续流二极管D20并联;所述续流二极管D20的阴极连接到继电器G5的一个常开端,其阳极与隔离光耦U15的集电极输出端连接;所述隔离光耦U15的阳极输入端串联限流电阻R46后作为继电器G4的一控制输入端SM3连接到所述CPU处理单元控制的锁存器输出端口,所述隔离光耦U15的阴极输入端连接到第一电源输出的负极。
7.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述模拟量采集模块包括6路电流输入的采集和3路电压输入的采集,具体为:
任一路电流输入的采集包括高压电缆的运行电流和接地环流的采集,采集信号均为交流信号,采样电路具体为:电流互感器CT3、快速瞬变二极管D6与采样电阻R8并联后的其中一端串联低通电阻R10后作为电流采样输出与所述CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端,且在所述电流采样输出与所述模拟公共端之间设置滤波电容C7;
任一路电压输入的采集包括高压电缆的感应电压的采集,采集信号为交流信号,采样电路具体为:电压互感器PTA1的两个输入端分别串联一限流电阻R35和R39后连接到电压输入端子J8,快速瞬变二极管D23和采样电阻R31并联后连接到电压互感器PTA1的两个输出端,其中电压互感器PTA1的一个输出端串联低通电阻R30后作为电压采样输出与所述CPU处理单元连接,另一端连接到模拟公共端,且在所述电压采样输出与所述模拟公共端之间设置滤波电容C12。
8.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述直流量采集模块用于采集Pt100铂电阻和外部温湿度传感器输出的4~20mA直流量信号,其包括:
外部温湿度传感器输出采集电路,具体为外部温湿度传感器的接线端子座J14的两个脚分别与第三电源输出的正负极连接,另一脚依次串联滤波电感L6、低通电阻R60、低通电阻R57和滤波电容C26后连接到第一电源输出的负极,低通电阻R57和滤波电容C26之间作为外部温湿度传感器采集输出端与所述CPU处理单元连接;在外部温湿度传感器的接线端子座J14与滤波电感L6之间连接滤波电容CP5,滤波电容CP5另一端连接到地线PE;滤波电感L6的两端分别连接快速瞬变二极管D33和快速瞬变二极管D30,快速瞬变二极管D33和快速瞬变二极管D30的另一端连接到第一电源输出的负极,采样电阻R63与快速瞬变二极管D30并联;肖特基二极管D26的公共端连接到低通电阻R60和低通电阻R57之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极和所述3.3V电压输出连接;
Pt100铂电阻采集电路,具体为外部Pt100铂电阻的接线端子座J10的一端依次串联低通电阻R66、低通电阻R67和滤波电容C31后与第一电源输出的负极连接,低通电阻R67和滤波电容C31之间作为外部Pt100铂电阻的采集输出与所述CPU处理单元连接;在外部Pt100铂电阻的接线端子座J10与低通电阻R66之间连接精密电阻R65,精密电阻R65另一端与所述3.3V电压输出连接;肖特基二极管D38的公共端连接到低通电阻R66和低通电阻R67之间,其阳极和阴极分别与第一电源输出的负极和所述3.3V电压输出连接。
9.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述4G无线通信模块包括插入的手机流量卡,还包括:
4G无线模块U1,其电压输入端连接到第一电源输出的正极,且与稳压电容E1和滤波电容C1并联后的正极连接,所述稳压电容E1的负极与第一电源输出的负极连接;上拉电阻R5的一端连接到所述4G无线模块U1的复位端,另一端与所述3.3V电压输出连接;
RS485串行通信电路,包括485芯片U2和单路反向器U3,其中,485芯片U2的RO端与肖特基二极管D1的阴极连接,肖特基二极管D1的阳极串联上拉电阻R1后连接到所述3.3V电压输出;485芯片U2的DI端和单路反向器U3的A端连接上拉电阻R2的一端,上拉电阻R2的另一端连接到所述3.3V电压输出;485芯片U2的B端串联下拉电阻R6后连接到第一电源输出的负极,485芯片U2的A端串联上拉电阻R3后连接到第一电源输出的正极;485芯片U2的RE端和DE端与单路反向器U3的Y端连接,485芯片U2的DI端与所述4G无线模块U1的UTXD1端连接;所述4G无线模块U1的URXD1端还连接到肖特基二极管D1的阳极。
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