CN219372454U - 一种用于电能质量监管的边缘计算网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能检测设备技术领域，特别是涉及一种用于电能质量监管的边缘计算网关，由以下组成部分构成，包括：电源模块、处理器模块、通讯模块、存贮模块、电能参数采集模块、温度测量模块以及输出模块，所述处理器模块与其余单元之间电连接；通过以上模块单元的组合，可以构建一种用于电能质量监管的边缘计算网关。可实现对电能质量数据的实时采集、处理和分析，以及对电力系统进行实时监管和管理，有助于提高电能质量监管的效率和可靠性，为电力系统的稳定运行和电能供应质量的保证提供了有力的技术支持。

Description

一种用于电能质量监管的边缘计算网关

技术领域

本实用新型涉及电能检测设备技术领域，特别是涉及一种用于电能质量监管的边缘计算网关。

背景技术

随着我国国民经济的蓬勃发展，电力负荷急剧加大，换流装置在各领域广泛应用，各种冲击性和非线性负荷日益增加，这些非线性负荷造成电力系统电流波形畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题，给电力系统的安全运行造成严重危害。所以，为了保障生产生活用电的安全和正常进行，电能质量监管措施必不可少。

电能质量监管是指采用电能质量监测设备对电力系统中电能的各种参数进行实时监测和分析，以保证电力系统稳定运行和电能供应的质量。传统的电能质量监测仪主要功能是对电网的谐波、电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能等进行测量。一些功能较为强大的产品还具备远程传输的功能。这些产品本质上是一个测量仪表，不具备对采集到的信息进行分析和处理的能力。

以上背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于电能质量监管的边缘计算网关，可实现对电能质量数据的实时采集、处理和分析，以及对电力系统进行实时监管和管理，有助于提高电能质量监管的效率和可靠性，为电力系统的稳定运行和电能供应质量的保证提供了有力的技术支持。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于电能质量监管的边缘计算网关，包括：

处理器模块，采用RK3568处理器，主要用于接收传感器节点采集到的数据，并进行实时处理和分析；

电源模块，采用AC-DC电源以及DC-DC电源，DC-DC电源与RK3568处理器电连接，用于给处理器模块供电；

通讯模块，与RK3568处理器的扩展接口连接，用于和上位机或云平台无线数据传输；

存贮模块，SD卡作为扩展的文件系统存贮介质，用于保存日志和一些需要存贮在本地的数据文件；

电能参数采集模块，采用ADE9000芯片，用于采集各种电能参数外；

温度测量模块，采用PT100温度传感器，对监控目标的温度数据进行采集和传输；

输出模块，采用2路继电器触点输出，此接口用于输出控制某些只支持开关量的外部设备，用于实现全自动控制。

优选的技术方案中，所述电源模块还包括后备电源，后备电源与DC-DC电源连接，后备电源采用超级电容贮能。

优选的技术方案中，所述通讯模块包括以太网通讯模块、WIFI通讯模块以及4G通讯模块其中一种或多种组合，所述太网通讯模块、WIFI通讯模块、4G通讯模块用于连接上位机或云平台。

优选的技术方案中，所述通讯模块还包括RS485通讯模块，为RK3568处理器上的串行通信接口，用于控制连接外部设备。

优选的技术方案中，PT100温度传感器采用一颗51核单片机进行信号的采集和运算，通过串口将数据传给RK3568处理器。

优选的技术方案中，输出模块采用2路继电器触点输出，每路都可支持常开和常闭型输出，可以用于控制某些只支持开关量的外部设备，如电磁阀、电动机、灯光等，通过控制继电器的通断状态，可以实现对外部设备的开关控制，从而实现全自动控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本申请中提供的一种边缘计算网关是一种位于电力系统边缘的计算设备，它可以实现对电能质量数据的实时采集、处理和分析，以及对电力系统进行实时监管和管理。边缘计算网关具有如下优点：

数据处理和分析在边缘进行，避免了数据传输延迟和带宽占用过大的问题；

边缘计算网关具有一定的自主决策能力，可以根据电能质量数据进行实时管理和控制；

边缘计算网关可以通过与云平台的协同工作，轻松组建智能分布式电能质量监管网络，实现对电力系统的智能化管理和优化控制。

综上，这种边缘计算网关可以实现实时监测和分析电能质量问题，提供快速、准确的数据分析和反馈，帮助电力系统实现更高效、更可靠的供电质量，将有助于提高电能质量监管的效率和可靠性，为电力系统的稳定运行和电能供应质量的保证提供了有力的技术支持。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型实施例中边缘计算网关的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中边缘计算网关的原理框图。

具体实施方式

电能质量监管是电力系统中非常重要的一项工作，为确保电力系统的稳定运行和供电质量，需要对电力系统中的各种电能质量问题进行监测和分析。边缘计算是一种将计算和数据处理推向网络边缘的新型计算模式，可以提供更快速、更实时的数据处理和分析能力，因此可以应用于电能质量监管领域。

本实用新型实施例中公开了一种用于电能质量监管的边缘计算网关，以实现对电能质量数据的实时采集、处理和分析，以及对电力系统进行实时监管和管理，有助于提高电能质量监管的效率和可靠性，为电力系统的稳定运行和电能供应质量的保证提供了有力的技术支持。

下面将结合本实用新型实施例中的附图1-2，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做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。

如图1、2所示，一种用于电能质量监管的边缘计算网关由以下组成部分构成，包括：电源模块、处理器模块、通讯模块、存贮模块、电能参数采集模块、温度测量模块以及输出模块，所述处理器模块与其余单元之间电连接；通过以上模块单元的组合，可以构建一种用于电能质量监管的边缘计算网关。这种边缘计算网关可以实现实时监测和分析电能质量问题，提供快速、准确的数据分析和反馈，帮助电力系统实现更高效、更可靠的供电质量。

在一具体的实施方式中，所述处理器模块，通过对多家公司的芯片进行比较，最后选择瑞芯微RK3568处理器，主要用于接收传感器节点采集到的数据，并进行实时处理和分析；通过对多家公司的芯片进行比较，RK3568处理器采用Cortex-A55架构，主频率可达2.0GHz，内置GPU(图形协处理器)和NPU(神经网络协处理器)，具有较强的图形和AI性能。RK3568处理器中采用这种将处理器核心部分做成独立PCB板的方案，也称为核心板模块化设计，是一种常见的电子产品设计方案。它将处理器的核心部分和常用接口部分分开，使得这些接口可以根据具体产品需求进行定制，从而实现产品的差异化。同时，核心板模块的设计可以提高设计的可重用性和灵活性，降低整机成本和开发周期。在产品设计中，核心板模块也被广泛应用于嵌入式系统、智能终端等领域。

具体的，RK3568处理器选用RK3568核心板，RK3568核心板是一种基于RockchipRK3568处理器的开发板。Rockchip RK3568是一款高性能、低功耗的64位ARM处理器，采用了1.8GHz的四核Cortex-A55 CPU和2.0GHz的四核Mali-G52 GPU，支持4K H.265/VP9视频解码和编码，最大支持8GB LPDDR4和4K HDMI输出等功能。RK3568核心板提供了丰富的接口和外设，方便开发人员快速搭建各种应用和系统。RK3568核心板通常包括一些常见的接口，如USB、Ethernet、HDMI、MicroSD卡槽、GPIO等，还可以通过扩展接口扩展更多的外设，如WiFi、蓝牙、摄像头等。RK3568核心板适用于各种应用场景，如智能家居、智能机器人、工业控制、嵌入式系统等。开发人员可以使用RK3568核心板来快速搭建原型，验证设计，加速产品上市。

在一具体的实施方式中，电源模块采用AC-DC电源以及DC-DC电源，DC-DC电源与RK3568处理器电连接，用于给处理器模块供电；AC-DC电源和DC-DC电源都是电子电源，用于将电网或电池等电源的电能转换为低电压、高电流、可控的直流电；具体的，AC-DC电源将交流电源(AC)转换为直流电源(DC)，DC-DC电源则将直流电源(DC)转换为与RK3568处理器适配的直流电源，输出电压和电流可以通过调整开关元件的占空比来控制。DC-DC电源也可以分为线性型和开关型两种，本实施例中，DC-DC电源采用开关型，具有高效率和较好的电压稳定性。

进一步的实施方式中，所述电源模块还包括后备电源，后备电源与DC-DC电源连接，后备电源采用超级电容贮能。具体的，后备电源模块是用来保障设备在突然停电的情况下能够保持运行并保存数据的模块。它采用超级电容贮能的方案，可以在设备掉电后保持供电一段时间，这段时间内设备能够继续工作并完成一些必要的操作，比如将缓冲区里的数据同步到存储介质中，避免数据丢失或者损坏。

超级电容具有高电容、低内阻、长寿命等优点，它的充放电速度非常快，可以在很短的时间内为后备电源提供足够的电能。超级电容与电池相比，具有更长的寿命和更高的安全性，不会像电池一样存在爆炸、泄露等风险。

后备电源模块的实现需要考虑电容的容量大小和供电时间，还需要通过应用程序监测电源状态，及时检测到掉电事件，并做出相应的处理。通过后备电源模块的加入，可以提高设备的可靠性和稳定性，确保设备在意外情况下的正常运行和数据安全

在一具体的实施方式中，通讯模块包括以太网通讯模块、WIFI通讯模块以及4G通讯模块其中一种或多种组合，所述太网通讯模块、WIFI通讯模块、4G通讯模块用于和上位机或云平台通讯，实现数据的远程传输和控制。在实际应用中，可以将4G接口用于物联网、智能家居、远程监控等场景，实现设备的远程控制和数据采集。

其中，4G模块是一种常用的移动通信模块，可以实现无线数据传输，适用于很多嵌入式系统的通讯需求。4G模块的接口类型有串口和USB两种，不同接口类型具有不同的特点和适用场景。针对RK3568的特点，可以选择USB接口的4G模块。相对于串口接口，USB接口具有数据传输速度快、稳定性高等优点，可以更好地适应RK3568的高性能和高速通信需求。同时，由于4G是选配功能，可以选择PCIE接口型4G模块，用户可以根据实际需求自行加装。

WIFI模块是一种无线网络通信模块，可以实现无线数据传输，适用于很多嵌入式系统的通讯需求。根据不同的接口类型，WIFI模块可以分为几种，如UART、SPI、SDIO、USB等。不同接口类型具有不同的特点和适用场景。针对RK3568的特点，可以选择USB接口的RTL8723模块扩展出WIFI网口。相对于UART、SPI、SDIO等接口，USB接口具有数据传输速度快、稳定性高等优点，可以更好地适应RK3568的高性能和高速通信需求。而且RTL8723模块已经内置天线，方便使用。

以太网通讯模块采用RK3568芯片，RK3568芯片内置千兆MAC，只需要选择一款合适的PHY芯片搭配。综合考虑成本和工作环境的要求，选用RELTEK公司的RTL8211F-CG千兆PHY芯片。

进一步的实施方式中，所述通讯模块还包括RS485通讯模块，为RK3568处理器上的串行通信接口，用于控制连接外部设备。

具体的，RS485是一种常用的串行通信接口，常用于工业自动化和控制系统中。它可以支持多点通信和长距离传输，具有较高的抗干扰性和稳定性，因此被广泛应用于工业环境中。为了适应工业环境中的要求，本产品提供了2路RS485接口，并采用了光隔离技术，能够有效隔离电路间的干扰，提高系统的可靠性和安全性。此外，产品还要求RS485接口支持最高波特率为115200，能够满足较高速度数据传输的需求。通过这个接口，边缘计算网关可以控制外部设备，实现自动控制和数据采集等功能。例如，可以通过RS485接口与PLC、变频器、传感器等设备连接，实现对工业生产过程的监控和控制。

在一具体的实施方式中，考虑到文件系统的可靠性，存贮模块选用SD卡作为扩展的文件系统存贮介质。SD卡是一种常用的存储介质，它具有容量大、体积小、可插拔等优点，适用于很多嵌入式系统的文件存储需求。

相对于软件实现的NAND FLASH文件系统，SD卡具有更高的可靠性。这是因为SD卡内部主控制器带有差错控制、磨损平均等功能，可以有效提高SD卡的可靠性和使用寿命。而软件实现的NAND FLASH文件系统则需要借助操作系统等软件实现差错控制和数据管理等功能，相对复杂且容易出现错误。

因此，选择SD卡作为扩展的文件系统存储介质，可以提高文件系统的可靠性和稳定性。在实际使用中，可以将SD卡用于保存日志和一些需要存储在本地的数据文件，例如配置文件、历史数据等。同时，为了进一步提高SD卡的可靠性，需要注意以下几点：

1)选择高质量的SD卡：应选择品牌信誉好、质量可靠的SD卡，避免因SD卡本身质量问题导致数据丢失或损坏。

2)合理设计文件系统：需要根据具体需求合理设计SD卡文件系统，包括分区、文件系统类型、文件管理等。建议使用常见的文件系统类型，如FAT32等，以便与其他系统兼容。

3)做好备份和数据恢复：需要定期备份SD卡上的数据，并做好数据恢复的准备工作，以便在发生故障时能够及时恢复数据。

通过以上措施的实施，可以提高SD卡的可靠性和稳定性，为系统的正常运行提供保障。

在一具体的实施方式中，电能参数采集模块，采用ADI公司的ADE9000芯片，用于采集各种电能参数外；ADI公司的ADE9000芯片是一种高性能的电能参数采集芯片，具有高精度、低功耗、低噪声等特点。除了能够采集各种电能参数外，还能够输出原始采样数据，这为实现谐波分析提供了硬件基础。谐波分析是电能质量监测中的重要内容，可以用于检测电网中的谐波扰动，分析谐波源和谐波产生的原因，并采取相应的措施进行治理和改善。

在一具体的实施方式中，温度测量模块带6路PT100信号调理电路，可外接多至6路PT100温度传感器，对监控目标的温度数据进行采集和传输；PT100是一种常用的温度传感器，能够在工业环境中广泛应用。为了实现温度数据的采集和传输，可以采用一颗51核单片机进行信号的采集和运算，并通过串口将数据传输给RK3568。进一步的，为了提高系统的可靠性和安全性，此电路模块采用了光电隔离技术，能够有效地隔离电路间的干扰，避免因电气干扰导致的误差和故障。

在一具体的实施方式中，输出模块采用2路继电器触点输出，每路都可支持常开和常闭型输出，可以用于控制某些只支持开关量的外部设备，如电磁阀、电动机、灯光等，通过控制继电器的通断状态，可以实现对外部设备的开关控制，从而实现全自动控制。

需要说明的是，本实用新型中涉及到的电子元器件以及其内设的电子电路，为本领域技术人员均可根据现有技术中类似控制程序的原理实现在本实用新型场景的应用，均不是本实用新型的创造性所在，无需赘言，本实用新型保护的内容也不涉及对于软件、算法和方法的改进。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，包括：

处理器模块，采用RK3568处理器，主要用于接收传感器节点采集到的数据，并进行实时处理和分析；

电源模块，采用AC-DC电源以及DC-DC电源，DC-DC电源与RK3568处理器电连接，用于给处理器模块供电；

通讯模块，与RK3568处理器的扩展接口连接，用于和上位机或云平台无线数据传输；

存贮模块，SD卡作为扩展的文件系统存贮介质，用于保存日志和一些需要存贮在本地的数据文件；

电能参数采集模块，采用ADE9000芯片，用于采集各种电能参数外；

温度测量模块，采用PT100温度传感器，对监控目标的温度数据进行采集和传输；

输出模块，采用2路继电器触点输出，此接口用于输出控制某些只支持开关量的外部设备，用于实现全自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，所述电源模块还包括后备电源，后备电源与DC-DC电源连接，后备电源采用超级电容贮能。

3.根据权利要求1所述的一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，所述通讯模块包括以太网通讯模块、WIFI通讯模块以及4G通讯模块其中一种或多种组合，所述太网通讯模块、WIFI通讯模块、4G通讯模块用于连接上位机或云平台。

4.根据权利要求3所述的一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，所述通讯模块还包括RS485通讯模块，为RK3568处理器上的串行通信接口，用于控制连接外部设备。

5.根据权利要求1所述的一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，PT100温度传感器采用一颗51核单片机进行信号的采集和运算，通过串口将数据传给RK3568处理器。

6.根据权利要求1所述的一种用于电能质量监管的边缘计算网关，其特征在于，输出模块采用2路继电器触点输出，每路都可支持常开和常闭型输出，可以用于控制某些只支持开关量的外部设备，如电磁阀、电动机、灯光等，通过控制继电器的通断状态，可以实现对外部设备的开关控制，从而实现全自动控制。