CN216291294U - 支持5g通信的单对以太网电力信息采集卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，包括顺序连接的单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块；所述采集控制模块通过MAC接口与单对以太网通信模块连接，通过PCI‑E接口与5G通信模块连接；所述单对以太网通信模块包括顺序连接的MAC芯片、PHY芯片和滤波单元，所述MAC芯片与采集控制模块连接，所述滤波单元通过以太网接口与以太网电力节点连接。本实用新型用于实现电力节点数据的高效采集和传输，通过单对以太网和5G新技术的应用，使电力数据采集系统结构简化，解决了传统电力采集系统布线复杂，多种总线接入导致互操作性差的问题，具备高实时和便捷集成的特点，具有广泛的应用价值。

Description

支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡

技术领域

本实用新型涉及电力数据采集及传输领域，具体涉及一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡

背景技术

当前的电力采集大多采用分布式到集中的方式，通过分布式的终端节点进行数据采集，将采集后的数据集中到数据集中器，并通过有线或无线的方式传输到监控中心。电力数据采集的集中器是数据采集的中转站，起到收集数据、整理数据和传输的作用，起初，集中器数据传输大多采用的是有线的方式，但大量电力终端和集中器布置分散，测仪、电能表等处于户外或边远地区，分布广，没有相对完整的网络线路铺设到现场，无法通过有线通讯方式进行设备信息地实时传输，且节点众多，给设计和施工带来了很多麻烦。基于上述原因，电力采集场景的无线传输方式应运而生，无线传输优点是布线简单，不受位置的限制，能提供高速、永远在线、透明数据传输的专用网络，适合大量分散的电力节点的场合。

随着GPRS和3G/4G在网络上的应用，电力数据测传输可依托无线网络，将电力集中器数据通过无线传输网络传送到控制中心，这样就可以自动、高效、及时地掌握变电站设备运行状态，实行科学的电力营销和管理。但是，电力行业应用人工智能、大数据分析和无人值守等新兴技术的需求越来越强烈，原有的GPRS和3G/4G已不能满足当前电力运营对数据海量数据和高实时的要求。

在采集终端节点方面，当前的采集节点终端几乎通过分布式总线的方式，将采集数据汇聚到集中器，总线通常选择CAN、Modbus等常用的总线，能实现基本的电力节点数据采集，但总线通信的速率较低，大量实时的数据传输受到限制；以太网能够实现实时数据的传输，但以太网的功耗较大，网络布置复杂，限制了以太网在电力采集的应用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，主要涉及电力数据的高效实时采集和无线传输。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，包括顺序连接的单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块；

所述采集控制模块通过MAC接口与单对以太网通信模块连接，通过PCI-E 接口与5G通信模块连接；

所述单对以太网通信模块包括顺序连接的MAC芯片、PHY芯片和滤波单元，所述MAC芯片与采集控制模块连接，所述滤波单元通过以太网接口与以太网电力节点连接。

所述单对以太网通信模块包括多个MAC芯片，所述多个MAC芯片级联。

第i个MAC芯片的主控制端口与第i+1个MAC芯片的过程端口连接，第N 个MAC芯片的主控制端口与采集控制模块连接；i＝1、…、N；

所述MAC芯片通过过程端口与PHY芯片连接。

所述MAC芯片的过程端口为MAC接口MII/RMII，某一MAC接口MII/RMII与一个PHY芯片连接。

所述滤波单元为共模扼流圈，所述共模扼流圈的两个输入端与PHY芯片的发送信号接口、接收信号接口连接，共模扼流圈的第一输出端、第二输出端分别与以太网接口连接。

所述共模扼流圈的第一输出端与以太网接口之间、第二输出端与以太网接口之间分别设有电容。

所述以太网接口通过非屏蔽双绞线与以太网电力节点连接。

采集卡控制模块包括MCU以及与其连接的时钟源、看门狗芯片、EEPROM和安全芯片；所述MCU通过MAC接口与单对以太网通信模块中第N个MAC芯片的主控制端口连接。

所述5G通信模块包括通信模组以及与其连接的SIM卡接口、外部天线接口和I²C接口，所述通信模组通过PCI-E接口与MCU连接，通过外部天线接口与 5G天线连接，通过SIM卡接口与SIM卡连接。

本实用新型是用来实现支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，为电力行业人工智能和大数据分析应用提供了保证。它具有如下优点：

1.具备高实时、大量数据的发送的能力。该实用新型采用5G通信模块与控制器连接，控制器控制5G通信模块将采集终端节点的实时数据传输给电力监控中心，数据传输流量大、实时性高，为电力运营的人工智能和大数据分析应用提供有力的数据保障。

2.采集终端易集成、低功耗、实时性好。该实用新型采用单对以太网PHY 芯片与MAC芯片进行连接，通过单对双绞线实现终端节点的接入，电力采集终端节点集成容易，功耗低、实时性好，网络布线简单。

3.端口扩展容易，系统设计简单。该实用新型以太网实时模块中MAC芯片采用级联的方式，能够容易扩展端口的数量，特别适合电力大量数据采集终端节点接入的应用场景。

附图说明

图1是本实用新型支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡结构图；

其中，1为单对以太网通信模块、2为采集卡控制模块、3为5G通信模块、 4为电源模块、5为电力节点接入模块、CMC为共模扼流圈、UTP为非屏蔽双绞线；

图2是本实用新型MAC芯片的级联结构；

图3是本实用新型支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡工作流程图；

图4是本实用新型电力数据采集应用的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

随着智能化的技术不断发展，原有的GPRS和3G/4G已不能满足当前电力运营对数据海量数据和高实时的要求，由于5G通信网络的传输速率将超过当前4G 网络的百倍以上，减少了采集终端数据交互的时间，使得各种终端由现在的控制信号逐渐转变为多元的信息交互，5G通信网络不但能够支持终端设备的直接互联以及高频段的数据互动，还具备了多天线传输等先进的通信网络技术，能够实现终端通信方式的多元化，本实用新型专利选择5G作为集中器的输出方式，即满足电力行业对大容量高效数据传输的特点，还能满足集中器通讯模块的小型化、微型需求。

随着单对以太网技术的发展，单对以太网以其低功耗、布线简单等优点在测控系统得到了应用。单对以太网最初的开发是为了满足汽车行业的需求，用于从自适应巡航控制、停车辅助、自动驾驶和其他车载系统中涉及的众多传感器传输数据。单对以太网在自动化系统中提供单个开放、可扩展的基于以太网的网络，使用单对以太网只需要两根电线即可获得数据和电源，这大大降低了复杂性和成本，并能够超越现有边界，便捷集成，特别适合电力节点的数据采集，因此，本实用新型选择单对以太网作为数据采集的节点数据获取方式。

本实用新型将新兴的5G技术和单对以太网技术进行结合，实现在采集侧通过单对以太网进行数据采集，解决现有总线采集速率低、集成困难的问题；应用5G技术实现集中数据的无线传输，满足电力行业对海量电力数据和高实时传输的需求。本实用新型通过单对以太网和5G新技术的应用，使电力数据采集系统结构简化，解决了传统电力采集系统布线复杂，多种总线接入导致互操作性差的问题，具备便捷集成的特点，具有广泛的应用价值。

一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，包括单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块和电源模块。

所述支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，通过单对以太网采集电力节点数据，并通过5G网络将数据传输给电力监控中心。

所述单对以太网通信模块与电力节点接入模块和采集卡控制模块连接，电力节点将电力数据传输给单对以太网通信模块，单对以太网通信模块将数据传输给采集控制模块；

所述采集控制模块通过标准MAC接口与单对以太网通信模块连接，通过 PCI-E接口与5G通信模块连接，采集控制模块控制5G通信模块，将采集数据通过5G网络传输给数据监控室；

所述电源模块为单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块和电力节点接入模块提供3.3V、2.5V和1.2V电源。

单对以太网通信模块采用单对双绞线的方式，能支持不少于7路单对以太网电力数据节点的接入。

单对以太网双绞线接入到单对以太网接口，通过滤波电容和共模扼流圈接入到PHY芯片。

所述单对以太网MAC芯片选用恩智浦的SJA1105，PHY芯片选用恩智浦的 TJA1100；

所述单对以太网接口1-4通过PHY芯片接入到第一个MAC芯片MAC1，单对以太网接口5-7通过PHY芯片接入到第二个MAC芯片MAC2；

所述第一个MAC芯片和第二个MAC芯片级联，第二个MAC芯片接入到采集卡控制模块的MCU。

所述PHY芯片通过标准MAC接口与MAC芯片连接；

所述MAC1芯片与MAC2芯片进行级联，MAC1芯片的主控制端口通过支持 IEEE802.3的1000M标准MAC接口与MAC2芯片的通用过程端口连接，实现对采集端口数量的扩展。所述MAC2芯片的主控制端口通过支持IEEE802.3的 10M/100M标准MAC接口与采集卡控制模块MCU连接。

采集卡控制模块的主控制MCU选择恩智浦的MPC5748G，时钟源、看门狗芯片、EEPROM和安全芯片连接到主控制MCU。

所述安全芯片采用同方的自主过程安全芯片TF32A09，支持国产SM1加密算法。

5G通信模块采用华为的MH5000-31模组，MH5000-31模组通过PCI-E接口与主控制芯片进行连接，外部天线接口、SIM卡接口、I²C和电源管理连接到 MH5000-31模组。

电源模块为通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块和电力节点接入模块提供电源，提供的电压主要包括3.3V、2.5V和1.2V电源。

本实用新型实现支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，如图1所示，分为单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块和电源模块。

支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，通过单对以太网采集电力节点数据，并通过5G通信将数据传输给电力数据监控室。

单对以太网通信模块与电力节点接入模块和采集卡控制模块连接，电力节点将电力数据传输给单对以太网通信模块，单对以太网通信模块将数据传输给采集控制模块。单对以太网通信模块采用单对双绞线的方式，能实现不少于7 路单对以太网电力数据节点的接入，单对以太网双绞线接入到单对以太网接口，通过滤波电容和共模扼流圈接入到PHY芯片，单对以太网MAC芯片选用恩智浦的SJA1105，PHY芯片选用恩智浦的TJA1100，单对以太网接口1-4通过PHY芯片接入到MAC1芯片，单对以太网接口5-7通过PHY芯片接入到MAC2芯片，PHY 芯片通过支持IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口MII/RMII与MAC芯片连接， MAC1芯片通过支持IEEE802.3的1000M标准MAC接口RGMII与MAC2芯片进行级联，MAC2芯片通过支持IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口MII/RMII与采集卡控制模块芯片连接，将采集的数据传输给控制芯片。

采集控制模块通过支持IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口MII/RMII与单对以太网通信模块连接，通过PCI-E接口与5G通信模块连接，采集控制模块控制5G通信模块，将采集数据通过5G网络传输给电力监控中心。采集卡控制模块的主控制芯片选择恩智浦的MPC5748G，时钟源、看门狗芯片、EEPROM和安全芯片接入主控芯片，安全芯片采用同方的自主过程安全芯片TF32A09，支持国产SM1加密算法。

5G通信模块采用华为的MH5000-31模组，MH5000-31模组通过PCI-E接口与主控制芯片进行连接，外部天线接口、SIM卡接口、I²C和电源管理连接到 MH5000-31模组。

电源模块为通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块和电力节点接入模块提供电源，提供的电压主要包括3.3V、2.5V和1.2V电源。

接入到采集卡的节点为单对以太网节点，通过单对以太网的形式将采集到的电力数据传输给采集模块，单对以太网节点通过以太网取电，功耗低，实时性高，特别适合高实时大量数据传输的电力数据采集场合。

图2是本实用新型MAC芯片的级联结构。

MAC1芯片包含Part0-Part4 5个MAC接口，MAC2芯片包含Part0-Part4 5 个MAC接口，MAC1的Part1-Part4连接单对以太网接口1-4，MAC2的Part2-Part4 连接单对以太网接口5-7，MAC1的Part0连接MAC2的Part1，实现两片MAC的级联，MAC2芯片的Part0连接主控芯片MCU，实现与主控芯片的通信，MAC1和 MAC2的Part0-Part4支持IEEE802.3标准MAC接口，其中MAC1和MAC2级联通过支持IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口，MAC2芯片的Part0通过支持 IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口连接主控芯片MCU，其余接口选择支持 IEEE802.3的10M/100M标准MAC接口MII/RMII。

图3为本实用新型支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡工作流程图。

电力数据采集节点采集电力基础设施的电力数据，通过单对以太网的形式，将数据传输给单对以太网节点通信模块，单对以太网通信模块将数据传输给采集卡控制模块，采集卡控制模块将数据进行处理，并控制5G通信模块将数据通过无线的方式传输，电力监控中心通过5G网络接收采集数据，并进行数据处理及分析。

图4是本实用新型电力数据采集应用的实施例示意图。

随着国家经济的不断进步，国家对电力的需求与日俱增，智能电网技术随之迅速发展。数字化的变电站是智能电网的重要基础和支撑，数字化变电站对上接收着高压电网的电源输入，对下要完成变电站和用户的电源分配，并同时具备接受上级调度中心的信息传递、自动控制、智能调节等功能。因此，变电站的电力参数监测至关重要，有助于供电部门及时了解变电站的运行情况。

本实施例结合某地区电力数据采集的实际需求，选择其中某一个变电站作为实施对象，为了体现本专利设计思想，提炼基本采集及传输功能，简化了某变电站电力数据采集系统的组成，采集系统示意图如4所示。

在某变电站中，通过采集节点采集电力基础设施的主要参数，包括母线电压、线路电压、线路电流、线路的有功和无功功率，线路的断路器状态和隔离开关状态，母线总的功率等。上述电力信息采集节点通过单对以太网的形式接入到电力采集卡，通过采集卡内部的单对以太网模块将数据传输给采集卡控制模块，采集卡控制模块将数据进行处理，通过控制5G通信模块将数据通过无线网络传输给电力监控中心，电力监控中心的5G通信模块接收变电站的电力数据，将数据传输给工作站，工作站进行电力数据的分析和处理。

通过本实施例，应用单对以太网和5G新技术，可以实现电力节点数据的高效采集和传输，使电力数据采集系统结构简化，具备高实时和便捷集成的特点，具有广泛的应用价值。

Claims (9)

1.一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，包括顺序连接的单对以太网通信模块、采集卡控制模块、5G通信模块；

所述采集卡控制模块通过MAC接口与单对以太网通信模块连接，通过PCI-E接口与5G通信模块连接；

所述单对以太网通信模块包括顺序连接的MAC芯片、PHY芯片和滤波单元，所述MAC芯片与采集控制模块连接，所述滤波单元通过以太网接口与以太网电力节点连接。

2.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述单对以太网通信模块包括多个MAC芯片，所述多个MAC芯片级联。

3.根据权利要求1或2所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，第i个MAC芯片的主控制端口与第i+1个MAC芯片的过程端口连接，第N个MAC芯片的主控制端口与采集控制模块连接；i＝1、…、N；

所述MAC芯片通过过程端口与PHY芯片连接。

4.根据权利要求3所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述MAC芯片的过程端口为MAC接口MII/RMII，某一MAC接口MII/RMII与一个PHY芯片连接。

5.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述滤波单元为共模扼流圈，所述共模扼流圈的两个输入端与PHY芯片的发送信号接口、接收信号接口连接，共模扼流圈的第一输出端、第二输出端分别与以太网接口连接。

6.根据权利要求5所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述共模扼流圈的第一输出端与以太网接口之间、第二输出端与以太网接口之间分别设有电容。

7.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述以太网接口通过非屏蔽双绞线与以太网电力节点连接。

8.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述采集卡控制模块包括MCU以及与其连接的时钟源、看门狗芯片、EEPROM和安全芯片；所述MCU通过MAC接口与单对以太网通信模块中第N个MAC芯片的主控制端口连接。

9.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的单对以太网电力信息采集卡，其特征在于，所述5G通信模块包括通信模组以及与其连接的SIM卡接口、外部天线接口和I²C接口，所述通信模组通过PCI-E接口与MCU连接，通过外部天线接口与5G天线连接，通过SIM卡接口与SIM卡连接。

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