CN112345840A - 一种低压台区分支监测系统和监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低压台区分支监测系统和监测装置。一种低压台区分支监测系统，包括交采计量模块、控制模块、通信模块和电源模块；所述交采计量模块、所述通信模块、所述电源模块分别与所述控制模块连接；所述交采计量模块包括多路三相检测单元和计量控制器，多路所述三相检测单元分别与所述计量控制器连接；所述计量控制器与所述控制模块连接；所述三相检测单元包括计量芯片、三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相外置CT、零序电流采样电路。本发明通过所述交采计量模块、所述控制模块、所述通信模块的配合使用，使用现有的计量方法即可获得分支线路上的完整的电能量数据及电能质量数据、设备运行状态信息。
Description
技术领域
本发明涉及电力配单网支路用电信息监测领域，尤其涉及一种低压台区分支监测系统和 监测装置。
背景技术
随着国家电网公司对低压配电网全景感知的精细化管理要求的日益严格和电网公司要求 全面完善低压台区管理，在现有台区分支侧内加装带有分支用电信息采集及监测、事件记录 上报，实现“变-线-分支-表箱-户表”用电信息及线损分析的全识别、全贯通，是现阶段和 未来一段时间低压配电网的重点发展方向。
目前，现有的台区内的三级结构“变压器侧-分支侧-表箱侧”主要安装的节点设备位置 为变压器侧和表箱侧，分支侧的节点设备需求量大，亟待补充。分支侧由于回路数多，安装 位置狭小，对设备提出了较高的要求，即需要同时采集多路电压、电流设备，同时具备数据 分析、存储，事件上报功能，且还要具备下级抄表功能，体积也必须满足安装要求。
申请号为CN201822123406.5的专利文献公开了一种三相分支监测终端，包括主体和电流 端子塞块，所述主体的顶端安置有大电流端子座，且主体顶端的右侧安装有测试片，所述主 体中段的内部设置有主多用槽头机牙螺钉，且主多用槽头机牙螺钉内侧衔接有电流端子，所 述主体右端的内部安置有辅多用槽头机牙螺钉，且辅多用槽头机牙螺钉的内侧安装有辅助端 子，所述电流端子塞块位于主体中段的后端，所述主体左侧顶端的上方安装有红辅助端子/连 接线。该三相分支监测终端通过开口式电流互感器监测各个分支开关的电流，直接引入各个 分支开关的电压，可监测各分支开关的状态、计量各开关的用电量，终端内置台区识别单元， 可实现台区拓朴结构识别。但是还是不能解决上述问题，无法满足相应的要求。
因而现有的分支监测存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种低压台区分支监测系统和监 测装置，能够在保证较小体积的同时，能对低压台区配电系统的主回路、分支回路的三相电 压和多路电流数据同时进行采集、处理和储存。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种低压台区分支监测系统，包括交采计量模块、控制模块、通信模块和电源模块；所 述交采计量模块、所述通信模块、所述电源模块分别与所述控制模块连接；
所述交采计量模块包括多路三相检测单元和计量控制器，多路所述三相检测单元分别与 所述计量控制器连接；所述计量控制器与所述控制模块连接；
所述三相检测单元包括计量芯片、三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相外置CT、 零序电流采样电路；所述三相电流采样电路与所述三相外置CT连接；所述三相电压采样电 路、所述三相电流采样电路、所述零序电流采样电路分别与所述计量芯片连接；所述计量芯 片与所述计量控制器连接。
优选的所述的低压台区分支监测系统，所述控制模块包括主控单元、存储芯片、复位电 路、硬件看门狗和时钟电路；所述存储单元、所述复位电路、所述硬件看门狗和所述时钟电 路分别与所述主控单元连接。
优选的所述的低压台区分支监测系统，所述电源模块包括串联的全桥整流器、电源逆变 器、高频变压器、直流稳压器；所述直流稳压器具有两个直流输出端，分别与所述主控单元、 所述硬件看门狗连接。
优选的所述的低压台区分支监测系统，所述通信模块包括RS-485通信单元、红外通信单 元、载波通信单元和USB通信单元；所述RS-485通信单元、所述红外通信单元、所述载波 通信单元和所述USB通信单元分别与所述控制模块连接。
优选的所述的低压台区分支监测系统，还包括辅助模块，与所述控制模块连接；
所述辅助模块包括指示灯、遥信单元、脉冲输出单元和定位单元；所述指示灯、所述遥 信单元、所述脉冲输出单元、所述定位单元分别与所述控制模块连接。
优选的所述的低压台区分支监测系统，所述定位单元为北斗导航模块或GPS导航模块。
一种使用所述的低压台区分支监测系统的低压台区分支监测装置，包括计量板、接口板、 电源板、外壳和外置附属器件；所述计量板和所述接口板通过插针与插座连接，均内置与所 述外壳内部；所述外置附属器件装设在所述外壳的外部，通过相应的线路与所述接口板连接；
所述交采计量模块的电路装设在所述计量板上；所述电源模块的电路装设在所述电源板 上；所述控制模块装设在所述接口板上；所述通信模块与所述接口板连接。
优选的所述的低压台区分支监测装置，所述外壳包括上盖、下盖；所述上盖与所述下盖 密封扣合；所述上盖的表面具有指示灯输出孔、载波模块安装位、USB升级模块安装位和通 信接口安装位；所述下盖包括接线柱、端子排；所述接线柱、所述端子排分别依据功能与相 应的模块电路连接。
优选的所述的低压台区分支监测装置，所述上盖和所述下盖的材料为放水放紫外线阻燃 PC材料。
优选的所述的低压台区分支监测装置，所述通信接口包括脉冲接口、遥信接口、RS-485 输出插头。
相较于现有技术，本发明提供的一种低压台区分支监测系统和监测装置，具有以下有益 效果：
1)本发明通过所述交采计量模块、所述控制模块、所述通信模块的配合使用，使用现有 的计量方法即可获得分支线路上的完整的电能量数据及电能质量数据、设备运行状态信息， 同时可采集末端负荷的电能量数据，通过和上一级的智能台区配变终端及主站配合，可实现 整个低压台区的台区拓扑自动生成、台区负荷自动识别、线损计算等功能；
2)本发明通过将三相外置CT装设在分支监测装置外，同时将电源模块进行改进，使电 源模块体积极大缩小，保证分支监测系统简洁，分支监测装置体积小，非常适合安装在空间 不大的分支箱、电表箱等台区配电末端环境，用于低压台区配电系统末端的多个回路及负荷 的数据采集与监测。
附图说明
图1是本发明提供的分支监测系统的结构框图；
图2是本发明提供的所述控制模块电路图；
图3是本发明提供的电源模块电路图；
图4是本发明提供的分支监测装置的结构侧视图；
图5是本发明提供的分支监测装置的底部结构接线柱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发 明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。
实施例1
请一并参阅图1-图3，本发明提供一种低压台区分支监测系统，包括交采计量模块4、控 制模块1、通信模块2和电源模块3；所述交采计量模块4、所述通信模块2、所述电源模块 3分别与所述控制模块1连接；
所述交采计量模块4包括多路三相检测单元和计量控制器41，多路所述三相检测单元分 别与所述计量控制器41连接；所述计量控制器41与所述控制模块1连接；优选的，所述计 量控制器41为型号是FM33A048的MCU；所述三相检测单元的数量根据现场需求设定，一 般的分支箱下接线路的数量为4，因此，所述三相检测单元的数量为4路；
所述三相检测单元包括计量芯片421、三相电压采样电路422、三相电流采样电路423、 三相外置CT424、零序电流采样电路425；所述三相电流采样电路423与所述三相外置CT424 连接；所述三相电压采样电路422、所述三相电流采样电路423、所述零序电流采样电路425 分别与所述计量芯片421连接；所述计量芯片421与所述计量控制器41连接。优选的，所述 计量芯片421的型号为HT7022E；所述三相电压采样电路422包括三组电压采样电路，分别 用于检测配电线路中A、B、C三相线路的电压，优选的每组所述电压采样电路具有电压传感 器，为本领域常用的电压互感器；所述三相外置CT424包括三个电流互感器，分别用于检测 配电线路中A、B、C三相线路的电流，由于电流互感器的体积较大，若是内置在分支监测装 置的内，则会增大装置体积，不符合相应的缩小体积的需求；所述三相电流采样电路423包 括三组电流采样电路，分别与所述三相外置CT424中的三个电流互感器对应连接；所述零序 电流采样电路425具有零序电流采样电路425，其用于检测零序线路的电流互感器也是与所 述三相外置CT424一样，外置在装置外，其具体型号的选取与所述三相外置CT424中的电流 互感器的选取相同，不做特殊限定。
具体的，基于配电线路上分线箱侧的监测需求，本发明设计了一种能适用于低压台区分 支监测的分路监测系统，能对低压台区配电系统的主回路、分支回路的三相电压和多路电流 数据同时进行采集、处理和储存，通过内部计算，获得分支线路上的完整的电能量数据及电 能质量数据、设备运行状态信息，同时可采集末端负荷的电能量数据，所有的数据可以在终 端内部汇总、计算、分析、存储，终端支持停电事件上报，通过和上一级的智能台区配变终 端及主站配合，可实现整个低压台区的台区拓扑自动生成、台区负荷自动识别、线损计算功 能。以上相应的计算均采用本领域常用技术，本发明不做限定，同时，对于以上各项数据的 获取和处理，均采用本发明中的各个模块配合实现。
作为优选方案，本实施例中，所述控制模块1包括主控单元U1、存储芯片(未示图)、复位电路(未示图)、硬件看门狗(未示图)和时钟电路(未示图)；所述存储单元、所述复 位电路、所述硬件看门狗和所述时钟电路分别与所述主控单元U1连接。优选的，所述控制 单元为MCU，进一步优选型号为R5F51138；所述存储芯片采用1片32MBIT的FLASH存储 数据；采用MAX706组成复位电路；所述时钟电路采用8025时钟芯片生成实时时钟；所述 主控单元U1通过SPI口和计量控制器41进行通信，接收交采计量数据；所述硬件看门狗用 于实时监测本系统中的所有的硬件设备是否正常，为本领域的常用技术手段，不做具体限定。
作为优选方案，本实施例中，所述电源模块3包括串联的全桥整流器BR7、电源逆变器 U5、高频变压器T2、直流稳压器(未标示)；所述直流稳压器具有两个直流输出端，分别与所述主控单元U1、所述硬件看门狗连接。一般情况下，所述电源模块3接收到的电压输入到所述全桥整流器BR7中，得到一般的高压交流电，因此只有在使用所述电源逆变器U5转换成高频交流电，然后使用所述高频变压器T2转换成低压交流电，进而通过所述直流稳压器得 到低压直流电(例如，本实施例中优选转换成12V的直流电)；若是通过正常的交流变压器 进行电压的转换，则变压器的体积太高，无法适应分支监测终端缩小体积的需求，因此，采 用本发明的电源模块3即可实现将交流电压转换获得低压直流电，同时还能保证极大缩小体 积。进而实现，220V输入到，双DC(直流)12V输出电路。当然，应当说明的是，本发明 提供的所述电源模块3为了应对不同的芯片对于电压的需求，还包括1个TPS54339DDAR电 源芯片及其附属电路(能够将DC12V转为DC5V)、1个MIC29152电源芯片及其附属电路 (能够将DC12V转为DC5V)、1个ZY0505HS-2W隔离电源芯片及其附属电路(能够将DC5V 转为DC3.3V)。
作为优选方案，本实施例中，所述通信模块2包括RS-485通信单元、红外通信单元、载 波通信单元和USB通信单元；所述RS-485通信单元、所述红外通信单元、所述载波通信单元和所述USB通信单元分别与所述控制模块1连接。优选的，所述RS-485通信单元通过2 个AZRSRS-485芯片和光耦组成2路RS-485通信电路，相应的架构组成为本领域常用的架 构方式，本发明不做限定；所述红外通信单元具有HM338R红外通信芯片，当然还具有一个 三极管开关，具体使用不做具体限定；所述载波通信单元为外挂载波通信模块2；所述USB 通信单元具有USB接口，与所述控制单元的一个USB串口连接。所述主控单元U1通过4 路串口分别和外部的2路RS-485电路、1路红外电路、1路载波电路进行通信；通过I/O口 控制1路USB口和外部进行USB通信。
作为优选方案，本实施例中，还包括辅助模块，与所述控制模块1连接；
所述辅助模块包括指示灯、遥信单元、脉冲输出单元和定位单元；所述指示灯、所述遥 信单元、所述脉冲输出单元、所述定位单元分别与所述控制模块1连接。
作为优选方案，本实施例中，所述定位单元为北斗导航模块或GPS导航模块。
优选的，所述指示灯为LED功能指示灯，数量为6个，分别用于显示分支监控系统的各 个功能状态，具体以需求设定，本发明不做限定；所述遥信单元包括2路遥信器；所述脉冲 输出单元包括4路有功电量脉冲输出器。所述主控单元U1通过I/O口控制6个指示灯、2路遥信器的遥信状态、4路有功电量脉冲和1路定位单元。其中所述主控单元U1还通过所述定位单元(北斗/GPS导航模块)获得地理位置信息、全球时钟定时信息。
实施例2
请一并参阅图4-图5，本发明还提供一种使用所述的低压台区分支监测系统的低压台区 分支监测装置，包括计量板(未示图)、接口板(未示图)、电源板(未示图)、外壳和外置附 属器件(未示图)；所述计量板和所述接口板通过插针与插座连接，均内置与所述外壳内部； 所述外置附属器件装设在所述外壳的外部，通过相应的线路与所述接口板连接；
所述交采计量模块4的电路装设在所述计量板上；所述电源模块3的电路装设在所述电 源板上；所述控制模块1装设在所述接口板上；所述通信模块2与所述接口板连接，进而与 所述控制模块1连接。所述外置附属器件为实施例1中所述三相外置CT424和零序电流互感 器，具体的装设位置不做限定，将电流互感器外置，能够将分支监测装置的体积缩小。
作为优选方案，本实施例中，所述外壳包括上盖5、下盖6；所述上盖5与所述下盖6密 封扣合；所述上盖5的表面具有指示灯输出孔、载波模块安装位、USB升级模块安装位和通 信接口安装位；所述下盖6包括接线柱51-54、端子排55-59；所述接线柱51-54、所述端子排分别依据功能与相应的模块电路连接。所述接线柱51-54用于连接三相配电线路(A、B、C、N)，进而通过三相电压采样电路422进行采样；所述端子排55-59分别用于连接所述三 相外置CT424的电流互感器，将之与相应的三相电流采样电路423连接。
作为优选方案，本实施例中，所述上盖5和所述下盖6的材料为防水防紫外线阻燃PC 材料。
作为优选方案，本实施例中，所述通信接口包括脉冲接口、遥信接口、RS-485输出插头。
具体的，所述计量板上主要装设有交采计量模块4电路、电源模块3电路。具体设计和 实现的功能如下；所述计量板在装设相应的电路时，所述交采计量模块4电路采用单计量控 制器41+计量芯片421架构，外部的3相线路的电压信号经过相应的电压互感器检测得到， 后经过压敏电阻保护电路、大电阻限流电路、采样电阻转换电路(此处三个电路均为本领域 常用的电路设计，本发明不做限定)后，转成小电压采样信号，进入该路所述三相检测单元 中的计量芯片421，所述计量芯片421的优选型号为HT7036；同时，外部的4路3相线路的 电流信号经过外部电流互感器后转成小电流信号，再经过采样电阻转换电路后，转成小电压 采样信号，再通过一阶滤波电路，分别进入计量控制板上的4路计量芯片421；至此，每个 计量芯片421都引入了3相电压信号、3相电流信号，就可以进行电压、电流、有功、无功等电能量值的分析和计算了。应当说明的是，电流采样电路中的电流采样接口采用网口式接 口以减少占用的体积，电压采样接口用通用的7.62mm接插件。外置电流互感器需采用IP66 高防护等级，250A1:4000 0.5S级，其铁芯采用坡莫合金。4路计量芯片421分别并联通过2 路SPI口和计量控制器41的控制芯片FM33A048通信，即1路SPI口并联2路计量芯片421，这样减少单路SPI口上承担的数据量，完成采样数据的传输和控制命令的交互。所述计量控制器41的控制芯片FM33A048内置FFT(傅立叶变换)算法，完成对基本电参量、谐波、闪 变等的测量与分析工作，完成数据统计、存储。所述计量控制器41通过串口和控制模块1的 主控单元U1的MCU R5F51138通信，上传4个回路的用电信息采集数据。
所述电源板上的电源模块3的输入电压AC220V，功率15w，输出隔离的DC12V和DC5V， 负责对整机系统的计量板、接口板、通信模块2供电。电源电路主要包括AC-DC开关电源模 块、DC-DC电源转换、后备电源、交采计量、拓扑信号发送模块、过零检测电路以及电源和 信号转接等单元电路。进一步的，计量板上的电源采用三相供电，电源板体积不大，上面要 完成的功能电路较多，因此AC-DC开关电源按模块化设计做成单独的一个模块，并且考虑强 弱电的电气间隙和爬电距离要求，电源模块3底部与电源板之间采用绝缘片做绝缘处理， AC-DC开关电源要求体积越小越好。
计量板与接口板通过一个2.54mm间距的2×15Pin插针插座和一根两芯线缆连接，2× 15Pin的插针插座主要用来提供主系统电源以及连接通信控制信号，两芯线缆用来将电源板的 火线和零线信号连接到上行通信模块2强电接口。端子排强电三相交采电压和三相交采电流 信号均通过线缆与计量板连接。端子排遥信端子通过线缆与接口板连接。上行通信模块2和 备用通信模块2弱电端子均通过2.54mm间距的2×6Pin插针插座与接口板连接。
接口板上主要装设有控制模块1电路、通信模块2电路、辅助模块电路。线路监测终端 按功能划分，需要具备台区拓扑识别、回路阻抗分析、数据采集管理和存储、精细线损分析、 事件上报、上行通信、下行通信、交采和电源感知模块扩展等主要功能。接口板包括主控单 元U1、上行通信模块接口、备用通信模块接口、红外通信单元、4路RS-485通信单元、1路 遥信输入单元、RTC时钟、本地LED状态指示等单元电路。
接口板上控制模块1中的主控单元U1中单片机R5F51138负责对外控制、通信，其有8 个串口，分配为计量1个、载波+微功率2个、红外1个、RS-485 2个、GPS预留1个。通 过串口与上行宽带载波模块和微功率无线模块通信，通过其与智能台区终端进行上行通信、 通过IO口完成外部遥信输入、遥控输出等工作。通过串口转换成RS-485口与外部进行通信， 使用I2C口和外置实时时钟通信，可设置年月日时间，通过IO口驱动指示灯显示运行、报警、数据通讯信息。
接口板上行通信模块强弱电接口采用2×6Pin插座与上行通信模块弱电接口连接，上行 通信模块强弱电接口采用满足《QGDW 1375.3-2013电力用户用电信息采集系统型式规范第 3部分：采集器型式规范》中A7.3章节通信模块弱电接口管脚定义以及A7.4章节通信模块 载波耦合接口定义，同时还需满足《中国南方电网计量自动化终端本地通信模块接口协议 (2016版)》附录F采集器本地通信模块弱电接口引脚定义，由于两种规范弱电接口管脚定 义不一致，因此硬件设计上需要做好兼容设计。接口板备用通信模块接口采用2×6Pin插座 设计。
2路RS-RS-485接口，均采用终端常用的加速电路设计方案，与主系统隔离，且满足380V 交流过压实验。备用通信模块基于终端维护和功能扩展考虑，其接口定义设计成跟现有分支 监测终端备用通信模块一致，主要如下：USB升级和GPS北斗双模模块，该模块可直接使用 现有分支监测终端使用的模块，可用于USB升级、定位和对时。
外壳单元如图4-5所示，如图所示，前面板挡板前面后面就是宽带载波模块、USB升级 模块(可替换为北斗GPS导航模块)。电压采样接口不变(由接线柱实现)，网口式电流采样 接口(即端子排55-59)放在下盖6板的右方位置，RS-485口、12V输出采用统一的间距5.08 的端子排，此弱电端子排放在电压强电端子排的上方。另外，前面板上有面板指示灯和红外 通信。装置外壳整体为塑料结构，电气绝缘性能比金属机壳的产品要强，但是抗静电干扰和 其他EMC性能会弱与金属机壳的产品。整机尽可能地平衡功能、结构和可制造性的约束。
综上所述，本发明提供的低压台区分支监测终端，体积较小，非常适合安装在空间不大 的分支箱、电表箱等台区配电末端环境，同时能够用于低压台区配电系统末端的多个回路及 负荷的数据采集与监测。
上述技术方案中，未与详细说明的，均是本领域的常用技术手段，本发明不做赘述。可 以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等 同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种低压台区分支监测系统，其特征在于，包括交采计量模块、控制模块、通信模块和电源模块；所述交采计量模块、所述通信模块、所述电源模块分别与所述控制模块连接；
所述交采计量模块包括多路三相检测单元和计量控制器，多路所述三相检测单元分别与所述计量控制器连接；所述计量控制器与所述控制模块连接；
所述三相检测单元包括计量芯片、三相电压采样电路、三相电流采样电路、三相外置CT、零序电流采样电路；所述三相电流采样电路与所述三相外置CT连接；所述三相电压采样电路、所述三相电流采样电路、所述零序电流采样电路分别与所述计量芯片连接；所述计量芯片与所述计量控制器连接。
2.根据权利要求1所述的低压台区分支监测系统，其特征在于，所述控制模块包括主控单元、存储芯片、复位电路、硬件看门狗和时钟电路；所述存储单元、所述复位电路、所述硬件看门狗和所述时钟电路分别与所述主控单元连接。
3.根据权利要求2所述的低压台区分支监测系统，其特征在于，所述电源模块包括串联的全桥整流器、电源逆变器、高频变压器、直流稳压器；所述直流稳压器具有两个直流输出端，分别与所述主控单元、所述硬件看门狗连接。
4.根据权利要求1所述的低压台区分支监测系统，其特征在于，所述通信模块包括RS-485通信单元、红外通信单元、载波通信单元和USB通信单元；所述RS-485通信单元、所述红外通信单元、所述载波通信单元和所述USB通信单元分别与所述控制模块连接。
5.根据权利要求1所述的低压台区分支监测系统，其特征在于，还包括辅助模块，与所述控制模块连接；
所述辅助模块包括指示灯、遥信单元、脉冲输出单元和定位单元；所述指示灯、所述遥信单元、所述脉冲输出单元、所述定位单元分别与所述控制模块连接。
6.根据权利要求1所述的低压台区分支监测系统，其特征在于，所述定位单元为北斗导航模块或GPS导航模块。
7.一种使用权利要求1-6任一所述的低压台区分支监测系统的低压台区分支监测装置，其特征在于，包括计量板、接口板、电源板、外壳和外置附属器件；所述计量板和所述接口板通过插针与插座连接，均内置与所述外壳内部；所述外置附属器件装设在所述外壳的外部，通过相应的线路与所述接口板连接；
所述交采计量模块的电路装设在所述计量板上；所述电源模块的电路装设在所述电源板上；所述控制模块装设在所述接口板上；所述通信模块与所述接口板连接。
8.根据权利要求7所述的低压台区分支监测装置，其特征在于，所述外壳包括上盖、下盖；所述上盖与所述下盖密封扣合；所述上盖的表面具有指示灯输出孔、载波模块安装位、USB升级模块安装位和通信接口安装位；所述下盖包括接线柱、端子排；所述接线柱、所述端子排分别依据功能与相应的模块电路连接。
9.根据权利要求8所述的低压台区分支监测装置，其特征在于，所述上盖和所述下盖的材料为防水防紫外线阻燃PC材料。
10.根据权利要求8所述的低压台区分支监测装置，其特征在于，所述通信接口包括脉冲接口、遥信接口、RS-485输出插头。
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