CN112882424B - 电力系统数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统数据采集系统及方法，其中采集系统包括主板、子板和背板，背板上设有主板槽位和多个子板槽位，主板和子板通过槽位安装在背板上；主板，用于将所有子板的采集信号统一成时钟、片选、转换信号和数据，以M‑LVDS电平形式通过背板传输到各个子板；子板包括模拟量采集板卡和开关量采集板卡，用于根据主板的采集信号采集开关量信号和模拟量信号，并发送给主板解析。本发明提高了资源利用率，大大增加了系统的灵活性。

Description

电力系统数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种电力系统数据采集系统及方法。

背景技术

电力系统是一个复杂而庞大的系统，为了保障电力系统安全而高效的运行，电力系统数据采集至关重要的作用，目前很多数据采集方法根据具体电力系统采集要求因地制宜采取措施，采集方法不够灵活多变，板卡之间互插性不高，针对不同电力系统需要开发新的数据采集系统，增加了开发任务，增加了人力物力财力的投入，容易造成资源浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对目前电力系统采集方法灵活性低、资源利用率低的缺陷，提供一种可增加系统灵活性的电力系统数据采集系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种电力系统数据采集系统，包括主板、子板和背板，背板上设有主板槽位和多个子板槽位，主板和子板通过槽位安装在背板上；

子板包括模拟量采集板卡和开关量采集板卡，用于采集开关量信号和模拟量信号；

主板包括将所有子板的采集信号统一成时钟、片选、转换信号和数据，以M-LVDS电平形式通过背板传输到各个子板；各子板的地址通过子板槽位决定。

接上述技术方案，主板包括电源、中央控制器和mLVDS主收发器，中央控制器与主板槽位之间通过I2C总线连接；中央控制器发送的时钟信号、片选信号、转换信号通过mLVDS收发器转换为差分信号，并通过背板发给各个子板。

接上述技术方案，每个模拟量采集板卡包括电源、采集芯片、mLVDS子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；mLVDS子收发器通过背板获取主板的时钟、片选、转换信号，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的模拟量数据通过mLVDS子收发器发送给主板。

接上述技术方案，每个开关量采集板卡包括电源、采集芯片、mLVDS子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；mLVDS子收发器通过背板获取主板的时钟、片选，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的开关量数据通过mLVDS子收发器发送给主板。

接上述技术方案，存储器为EEPROM，地址位为3bit。

接上述技术方案，EEPROM的地址位在子板上接上拉电阻到电源，背板上槽位地址位通过接下拉电阻和悬空配置，当子板插入子板槽位时，对应地址由子板上的上拉电阻和背板上的下拉电阻决定。

接上述技术方案，每个子板槽位包括8个子板插口。

接上述技术方案，子板槽位为可扩展位，包括多路I2C接口。

接上述技术方案，开关量采集板卡采用并行转串行移位寄存器，将多路并行开关量信号转换为串行信号输出，模拟量采集板卡采用串行输出方式输出数据。

本发明还提供一种电力系统数据采集方法，该方法采用主板、子板、背板的架构，主要包括以下步骤：

主板将所有子板采集信号统一成时钟、片选、转换信号、数据，并以M-LVDS电平形式通过背板连接到各个子板，所有子板的时钟、片选、转换信号共用，仅数据信号分开；

子板根据主板的信号采集开关量信号和模拟量信号，并发送给主板；

主板通过子板上存储器存储的板卡类型来区别对应槽位插的子板类型，并根据子板类型对采集数据进行解析。

本发明产生的有益效果是：本发明采用主板、子板、背板的架构，主板信号以M-LVDS电平形式通过背板连接到各个子板，所有子板的时钟、片选、转换信号共用，仅数据信号分开。背板每个槽位信号统一，各背板槽位不仅可插开关量采集板卡还可以插模拟量采集板卡，用户根据需求选择不同数量和类型的板卡即可满足要求，整个设计灵活多变，提高了资源利用率，大大增加了系统的灵活性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例电力系统数据采集系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

如图1所示，为本发明的整体结构框图。整个设计采用主板+背板+子板的架构，背板上设有主板槽位和多个子板槽位，主板和子板通过槽位安装在背板上；子板包括模拟量采集板卡和开关量采集板卡，用于采集开关量信号和模拟量信号。

主板和子板均通过面板连接器与外部连接，该面板连接器是外部信号输入接口连接器，或跟外部通信、显示接口连接器，是跟外部信号连接的一个接口统称。比如主板的面板接口对外的可能是通信接口(网口、RS485、调试串口等)和设备运行状态灯指示，那么对应的面板连接器可能是RJ45连接器或者DB9的端子，以及LED灯座。子板中的“面板连接器”就是接输入信号的连接器，是模拟量信号输入接口或者开关量输入接口。

主板到子板的采集信号分为时钟、片选、转换信号和数据，采集信号以M-LVDS(多点低电压差分信号)的电平形式走背板。

主板包括电源、中央控制器和mLVDS主收发器，中央控制器与主板槽位之间通过I2C总线连接；中央控制器发送的时钟信号、片选信号、转换信号通过mLVDS收发器转换为差分信号，并通过背板发给各个子板。

每个模拟量采集板卡包括电源、采集芯片、mLVDS子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；mLVDS子收发器通过背板获取主板的时钟、片选、转换信号，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的模拟量数据通过mLVDS子收发器发送给主板。

每个开关量采集板卡包括电源、采集芯片、mLVDS子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；mLVDS子收发器通过背板获取主板的时钟、片选，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的开关量数据通过mLVDS子收发器发送给主板。

存储器可选用EEPROM，主板跟子板上的EEPROM通信采用I2C接口形式。EEPROM地址跟背板槽位地址保持一致，主板可根据子板EEPROM存储的板卡类型信息，对采集的数据执行不同的数据解析程序。模拟量板卡统一采用ADC芯片AD7606采集数据，开关量板卡统一用移位寄存器将多路开关量信号转换成串行数据输出。

主板到子板的采集信号分为时钟、片选、转换信号和数据，每个子板槽位信号完全一致，子板之间可随意互插。

采集信号通过M-LVDS收发器转换成M-LVDS电平通过背板到子板，子板上也采用M-LVDS收发器将M-LVDS电平转换成单端电平到采集芯片。M-LVDS是差分电平形式，抗干扰能力强，通过背板传输信号采用差分电平形式可靠性高。

进一步地，M-LVDS支持点到多，支持32个节点，可保证多个槽位时钟、片选、转换信号共用，M-LVDS总线上的节点最多不能超过32个即可。节点数超标时，可重新扩展一路时钟、片选、转换信号，依此类推。

子板上的选用I2C接口带地址位的EEPROM，I2C接口支持一主多从，总线上可挂128个节点，一路I2C总线可挂多个EEPROM。常用I2C接口的EEPROM一般有3bit地址，A2，A1，A0，只能扩展到8个槽位，如需扩展更多槽位可增加一路I2C接口，依次类推可扩展到多个槽位，一般采集系统子板16槽位足够，主板采用两路I2C接口即可。

进一步地，每个子板上EEPROM地址跟背板槽位地址一一对应，EEPROM地址A2、A1、A0在子板上接上拉电阻到电源，背板上槽位地址通过接下拉电阻和悬空配置，当子板插入背板槽位时，对应地址由子板上的上拉电阻和背板下拉电阻决定。

进一步地，子板上的EEPROM在出厂前写入板卡类型，主板通过I2C接口读取对应槽位地址所属板卡类型，根据不同的板卡类型执行不同的数据解析程序。对于模拟量板卡，EEPROM上还可以存储各通道校正系数，出厂后无需在现场校正。

模拟量板卡可分为各种类型和量程的板卡，交流电压和电流采集板卡、直流电压和电流采集板卡，也可分为不同量程，0～150V交流电压采集，0～100A交流电流采集、4～20mA直流电流信号采集、0～10V直流电压采集等。不同类型不同量程的模拟量板卡均采用ADC芯片AD7606采集信号，AD7606设计上采用串行数据输出，仅需时钟、片选、转换信号、数据即可。每个模拟量板卡上可采用多片AD7606，时钟、片选、转换信号共用，数据分开。K片AD7606需要K路数据通道。背板槽位的信号时钟、片选、转换信号都各只有一路差分信号，对于子板上有K片AD7606芯片的情况下，每路差分数据信号(时钟、片选、转换信号)需要用K路M-LVDS收发器，一路差分信号转成多路单端信号驱动AD7606。

开关量板卡，采用移位寄存器将并行输入的开关量信号转换成串行数据输出，移位寄存器的控制信号只需要时钟、片选、数据，一般单片移位寄存器只有8个通道，实现多个开关量通道输入，可采用多片移位寄存器级联，将第一片移位寄存器的输出接第二片移位寄存器的串行输入端，第一片移位寄存器的的串行输入端接地即可。所有的移位寄存器共用一路时钟和片选，将最后一片移位寄存器的数据输出通过背板传输到主控板。开关量板可根据实际需要设计成24V、110V、220V开关量板卡，采集方法一样。根据实际需求配置不同量程板卡即可。

基于上述采用主板、子板、背板的架构的数据采集系统，其数据采集方法，主要包括以下步骤：

主板将所有子板采集信号统一成时钟、片选、转换信号、数据，并以M-LVDS电平形式通过背板连接到各个子板，所有子板的时钟、片选、转换信号共用，仅数据信号分开；

子板根据主板的信号采集开关量信号和模拟量信号，并发送给主板；

主板通过子板上存储器存储的板卡类型来区别对应槽位插的子板类型，并根据子板类型对采集数据进行解析。

综上，本发明克服了目前电力系统采集方法灵活性低、资源利用率低的情况，提供了一种用户根据需求可选择不同数量和类型的板卡进行扩展的设计架构，灵活多变，提高了资源利用率，大大增加了系统的灵活性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种电力系统数据采集系统，其特征在于，包括主板、子板和背板，背板上设有主板槽位和多个子板槽位，主板和子板通过槽位安装在背板上；

主板，用于将所有子板的采集信号统一成时钟、片选、转换信号和数据，以M-LVDS电平形式通过背板传输到各个子板；

子板包括模拟量采集板卡和开关量采集板卡，用于根据主板的采集信号采集开关量信号和模拟量信号，并发送给主板解析；

每个模拟量采集板卡包括电源、采集芯片、子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；子收发器通过背板获取主板的时钟、片选、转换信号，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的模拟量数据通过子收发器发送给主板；

每个开关量采集板卡包括电源、采集芯片、子收发器和存储器，存储器通过I2C总线与背板上的子板槽位连接；子收发器通过背板获取主板的时钟、片选，并发送给采集芯片，采集芯片将采集的开关量数据通过子收发器发送给主板。

2.根据权利要求1所述的电力系统数据采集系统，其特征在于，存储器为EEPROM，地址位为3bit。

3.根据权利要求2所述的电力系统数据采集系统，其特征在于，EEPROM的地址位在子板上接上拉电阻到电源，背板上槽位地址位通过接下拉电阻和悬空配置，当子板插入子板槽位时，对应地址由子板上的上拉电阻和背板上的下拉电阻决定。

4.根据权利要求1所述的电力系统数据采集系统，其特征在于，每个子板槽位包括8个子板插口。

5.根据权利要求1所述的电力系统数据采集系统，其特征在于，子板槽位为可扩展位，包括多路I2C接口。

6.根据权利要求1所述的电力系统数据采集系统，其特征在于，开关量采集板卡采用并行转串行移位寄存器，将多路并行开关量信号转换为串行信号输出，模拟量采集板卡采用串行输出方式输出数据。

7.一种电力系统数据采集方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的电力系统数据采集系统，主要包括以下步骤：

主板将所有子板采集信号统一成时钟、片选、转换信号、数据，并以M-LVDS电平形式通过背板连接到各个子板，所有子板的时钟、片选、转换信号共用，仅数据信号分开；

子板根据主板的信号采集开关量信号和模拟量信号，并发送给主板；

主板通过子板上存储器存储的板卡类型来区别对应槽位插的子板类型，并根据子板类型对采集数据进行解析。