CN107807563A - 一种配电参数监测控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电参数监测控制***及控制方法，包括人机交互单元；用以实现监测信息处理、记录和报警控制的实时控制单元；用以实现配电***进线回路及各出线回路数据采样分析的电参数采集单元；所述人机交互单元与所述实时控制单元采用RS485总线连接实现数据通讯；所述实时控制单元与所述电参数采集单元采用SPI总线连接实现数据通讯；本发明技术使配电参数监测控制***通讯结构简单，扩展性好，工业现场抗干扰性强，保证了电参数监控的精确性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电参数监测控制***及控制方法，属于配电监控技术领域。
背景技术
随着配电机房、楼宇配电间、网络服务器监控中心对供电质量监测要求的日益提高，配电监控技术得到了日渐广泛的应用。配电列头柜是机房、配电间、监控中心的主要设备之一。市电进线回路经过配电列柜分流出若干出线回路，设备通过连接出线回路获取供电电源，配电列头柜通过采集进线回路和出线回路的电参数，分析并比较预设阀值实现对配电***的监控，配电参数监测控制***是配电列头柜的核心部分。
面对复杂多样的配电参数采样需求，原有的独立作业的简易配电参数监测控制***逐步被淘汰，现如今的配电参数监测控制***逐渐朝着多采样回路、多参数种类、高集成度的方向发展。为了应对机房配电列柜布线精密、严谨、追求资源有效利用的需求，人们对多功能、小尺寸并且检测回路能够根据需要添加、减少的配电参数监测控制***的需求大大增加。
发明内容
针对已有配电参数监测控制***监测参数种类单一、精度低、采样模块体积大、模块采样回路数固定不可更改，导致监控效益低，且现有控制***存在报警种类少、反应慢等缺点。本发明提供一种监测参数种类多、精度高，采样模块体积小、采样模块硬件回路数可更改，报警种类多且灵敏，并保证***运行的可靠性的配电参数监测控制***及控制方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种配电参数监测控制***，包括人机交互单元；用以实现监测信息处理、记录和报警控制的实时控制单元；用以实现配电***进线回路及各出线回路数据采样分析的电参数采集单元；所述人机交互单元与所述实时控制单元采用RS485总线连接实现数据通讯；所述实时控制单元与所述电参数采集单元采用SPI总线连接实现数据通讯；所述电参数采集单元采用电阻分压采样的方式对电压参数进行采样，采用对经过外部工作现场交流互感器的二次电流采样的方式对电流参数进行采样。
所述的人机交互单元包括液晶显示屏、触摸屏、基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***、USB接口、以太网接口和数据中心通讯RS485接口；所述的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***分别通过线路与液晶显示屏、触摸屏、USB接口、以太网接口和数据中心通讯RS485接口相连；所述的人机交互单元利用以太网接口或数据中心通讯RS485接口分别通过线路与数据中心相连实现数据通讯。所述人机交互单元，以嵌入式QT GUI界面为***人机交互平台，用于显示配电监测控制***的状态信息；用于设置各项参数报警阀值，并根据实时控制***反馈的报警信息操控继电器报警输出；用于通过预留的RS485端口与数据中心监控***实现数据传递。所述的人机交互单元具有数据输入端和数据输出端，所述的数据输入端通过触摸屏输入数据，存储于基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***。所述的数据输出端有液晶显示屏、以太网接口和数据中心通讯RS485接口。
所述实时控制单元包括基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器、铁电存储器、防雷器输入端口、继电器输出端口；所述的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器分别通过线路与铁电存储器、防雷器输入端口、继电器输出端口相连，所述的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器通过RS485总线与人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***相连实现数据通讯。所述实时控制单元，用于储存基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块中电能计量芯片的校表参数，并通过SPI总线写入电能计量芯片上的校表寄存器；用于通过SPI总线读取电参数采集单元数据；用于通过对比采样参数和报警阀值实现报警信息反馈；用于控制外部异常报警器实现报警；用于采集外部防雷器输入端口所采集的状态信息判断防雷器报警。所述的实时控制单元中，对***电路进行实时监控，并实时反馈给人机交互单元，显示在液晶显示屏上，对反常的电能数据进行反馈报警。所述实时控制单元中，用于通讯的模块包括基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器、电能计量芯片的SPI总线和实时控制单元与人机交互单元通讯的485总线；所述的实时控制单元的输出端主要是向人机交互单元的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***发送获得的电能计量数据和向电参数采集单元中的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块的电能计量芯片输入校表参数，继电器输出端口用于提醒是否触发报警。
所述电参数采集单元包括基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块；所述的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块通过SPI总线与实时控制单元中的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器相连实现数据通讯；基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块通过电阻分压的方式采样回路电压值、通过电流互感器变比的方式采样回路电流值，通过计算可得到监测回路电压、电流、功率、电量、谐波相关电参数；电参数采集单元与实时控制单元之间通过SPI总线进行数据传输，根据SPI总线物理层面上包括数据输入线DIN、数据输出线DOUT、同步信号线SCLK三条公共线和若干条片选信号线CS的特点，电参数采集单元可以通过使用实时控制单元预留的多余片选信号线CS的方式对基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块个数进行扩展，从而实现对监测回路数的扩展。所述电参数采集单元，用于对电压、电流参数进行自动采集；用于实现电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波含量参数的测量；用于实现有功电能、无功电能、视在电能信息的记录。所选的电能计量芯片能够与基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器通过SPI通讯，对获得电能计量数据进行实时传输。该***可根据SPI总线的扩展特性，最多扩展对72路出线回路的监测。
一种配电参数监测控制***的控制方法，包括如下步骤：
1）根据控制***所需监测的回路数，利用电参数采集单元的SPI总线扩展特性，组装小于等于72路出线回路的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块；
2）由液晶显示屏显示，通过操作将每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块对应的电能计量芯片的校表参数通过USB接口导入基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***内，并通过RS485总线写入基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器的寄存器内，最终根据步骤1）所组装基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块的顺序将校表参数值保存在铁电存储器内；
3）***上电启动时，实时控制单元中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器将读取步骤2）中保存于铁电存储器内的校表参数值，对电参数采集单元进行软件配置；
4）通过人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***对***进行正确的参数设置，内容包括电压阀值、电流阀值、功率阀值；
5）所述电参数采集单元通过对回路采样点电压、电流进行采样，计算回路电压、电流、功率、谐波电参数；所述实时控制单元中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器通过SPI总线，对每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块中的各电能计量芯片计算数据进行读取；所述人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***通过RS485总线，采用Modbus-RTU通讯协议对实时控制单元中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器所读取数据进行请求，并将请求得到的数据显示在液晶显示屏上；
6）根据步骤4）设置的参数信息，实时控制单元中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器通过比较采集的电参数值与相应的报警阀值生成报警或非报警状态信息，通过RS485总线把状态信息送到人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***；人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元中相应继电器输出端口状态；
7）当有防雷器报警信息输入经防雷器输入端口时，实时控制单元中的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器通过RS485总线把报警信息送到人机交互单元中的基于ARMCortex-A8的嵌入式Linux操作***；人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元中相应继电器输出端口状态；
8）人机交互单元通过以太网接口或数据中心通讯RS485接口与数据中心动力环境监控***连接；数据中心动力环境监控***通过TCP/IP或Modbus-RTU协议与人机交互单元中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***数据通讯，实现对配电列头柜的动力环境监控。
本发明的有益效果主要表现在：本发明利用SPI总线的扩展特性，实时控制单元可根据实际需要配合使用相应个数的电参数采集单元；电参数采集单元通过电能计量芯片获取进线回路与出线回路的电参数，进行特定协议的数据处理，提供详尽的电参数；实时控制单元通过比较采集到的电参数值与设定的报警阀值，做出“报警”与“非报警”的状态判断；人机交互单元根据从实时控制单元读取到的报警状态，控制继电器输出状态以实现外部报警。采用高精度电能计量芯片为核心的电参数采集单元在输入动态工作范围内，非线性测量误差小，能够保持设备的采样精度。采样SPI总线实现以ARM处理器为核心的实时控制单元对电参数采集单元的参数读取，采用RS485总线实现实时控制单元和人机交互单元间的通讯，能够实现对电能参数的实时监测并实时显示在人机交互单元上，能够反映整个监测***的工作状态并对发生的反常状态进行实时报警，这对发现故障并有效的解决问题具有重要意义。电参数采集单元采用模块化设计，并结合SPI总线的可扩展性特征，实时控制单元可根据实际需要配合使用相应个数的电参数采集单元，从而配合监测相应个数的出线回路，提高了实用性，适合广泛推广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种配电参数监测控制***，包括人机交互单元1；用以实现监测信息处理、记录和报警控制的实时控制单元2；用以实现配电***进线回路及各出线回路数据采样分析的电参数采集单元；所述人机交互单元1与实时控制单元2采用RS485总线连接实现数据通讯；所述实时控制单元2与电参数采集单元采用SPI总线连接实现数据通讯；所述电参数采集单元采用电阻分压采样的方式对电压参数进行采样，采用对经过外部工作现场交流互感器的二次电流采样的方式对电流参数进行采样。
所述的人机交互单元1包括液晶显示屏4、触摸屏5、基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6、USB接口7、以太网接口8和数据中心通讯RS485接口9；所述的基于ARMCortex-A8的嵌入式Linux操作***6分别通过线路与液晶显示屏4、触摸屏5、USB接口7、以太网接口8和数据中心通讯RS485接口9相连；所述的人机交互单元1利用以太网接口8或数据中心通讯RS485接口9分别通过线路与数据中心相连实现数据通讯。所述人机交互单元1，以嵌入式QT GUI界面为***人机交互平台，用于显示配电监测控制***的状态信息；用于设置各项参数报警阀值，并根据实时控制***反馈的报警信息操控继电器报警输出；用于通过预留的RS485端口与数据中心监控***实现数据传递。所述的人机交互单元1具有数据输入端和数据输出端，所述的数据输入端通过触摸屏5输入数据，存储于基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6。所述的数据输出端有液晶显示屏4、以太网接口8和数据中心通讯RS485接口9。
所述实时控制单元2包括基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10、铁电存储器11、防雷器输入端口12、继电器输出端口13；所述的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10分别通过线路与铁电存储器11、防雷器输入端口12、继电器输出端口13相连，所述的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器10通过RS485总线与人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6相连实现数据通讯。所述实时控制单元2中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10用于储存基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3中电能计量芯片的校表参数，并通过SPI总线写入电能计量芯片上的校表寄存器；用于通过SPI总线读取电参数采集单元数据；用于通过对比采样参数和报警阀值实现报警信息反馈；用于控制外部异常报警器实现报警；用于采集外部防雷器输入端口12所采集的状态信息判断防雷器报警。所述的实时控制单元2中，对***电路进行实时监控，并实时反馈给人机交互单元1，显示在液晶显示屏4上，对反常的电能数据进行反馈报警。所述实时控制单元2中，用于通讯的模块包括基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10、电能计量芯片的SPI总线和实时控制单元2与人机交互单元1通讯的485总线；所述的实时控制单元2的输出端主要是向人机交互单元1的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6发送获得的电能计量数据和向电参数采集单元中的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3的电能计量芯片输入校表参数，继电器输出端口13用于提醒是否触发报警。
所述电参数采集单元包括基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3；所述的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3通过SPI总线与实时控制单元2中的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器10相连实现数据通讯；基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3通过电阻分压的方式采样回路电压值、通过电流互感器变比的方式采样回路电流值，通过计算可得到监测回路电压、电流、功率、电量、谐波相关电参数；电参数采集单元与实时控制单元2之间通过SPI总线进行数据传输，根据SPI总线物理层面上包括数据输入线DIN、数据输出线DOUT、同步信号线SCLK三条公共线和若干条片选信号线CS的特点，电参数采集单元可以通过使用实时控制单元2预留的多余片选信号线CS的方式对基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3个数进行扩展，从而实现对采集监测回路数的扩展。所述电参数采集单元，用于对电压、电流参数进行自动采集；用于实现电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波含量参数的测量；用于实现有功电能、无功电能、视在电能信息的记录。所选的电能计量芯片能够与基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10通过SPI通讯，对获得电能计量数据进行实时传输。该***可根据SPI总线的扩展特性，最多扩展对72路出线回路的监测。
一种配电参数监测控制***的控制方法，包括如下步骤：
1）根据控制***所需监测的回路数，利用电参数采集单元的SPI总线扩展特性，组装小于等于72路出线回路的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3；
2）由液晶显示屏4显示，通过操作将每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3对应的电能计量芯片的校表参数通过USB接口7导入基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6内，并通过RS485总线写入基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10的寄存器内，最终根据步骤1）所组装基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3的顺序将校表参数值保存在铁电存储器11内；
3）***上电启动时，实时控制单元2中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10将读取步骤2）中保存于铁电存储器11内的校表参数值，对电参数采集单元进行软件配置；
4）通过人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6对***进行正确的参数设置，内容包括电压阀值、电流阀值、功率阀值；
5）所述电参数采集单元通过对回路采样点电压、电流进行采样，计算回路电压、电流、功率、谐波电参数；所述实时控制单元2中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10通过SPI总线，对每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块3中的各电能计量芯片计算数据进行读取；所述人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6通过RS485总线，采用Modbus-RTU通讯协议对实时控制单元2中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10所读取数据进行请求，并将请求得到的数据显示在液晶显示屏4上；
6）根据步骤4）设置的参数信息，实时控制单元2中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器10通过比较采集的电参数值与相应的报警阀值生成报警或非报警状态信息，通过RS485总线把状态信息送到人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6；人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元2中相应继电器输出端口13状态；
7）当有防雷器报警信息输入经防雷器输入端口12时，实时控制单元2中的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器10通过RS485总线把报警信息送到人机交互单元1中的基于ARMCortex-A8的嵌入式Linux操作***6；人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元2中相应继电器输出端口13状态；
8）人机交互单元1通过以太网接口8或数据中心通讯RS485接口9与数据中心动力环境监控***连接；数据中心动力环境监控***通过TCP/IP或Modbus-RTU协议与人机交互单元1中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***6数据通讯，实现对配电列头柜的动力环境监控。
本实施例利用SPI总线的扩展特性，实时控制单元可根据实际需要配合使用相应个数的电参数采集单元；电参数采集单元通过电能计量芯片获取进线回路与出线回路的电参数，进行特定协议的数据处理，提供详尽的电参数；实时控制单元通过比较采集到的电参数值与设定的报警阀值，做出“报警”与“非报警”的状态判断；人机交互单元根据从实时控制单元读取到的报警状态，控制继电器输出状态以实现外部报警。采用高精度电能计量芯片为核心的电参数采集单元在输入动态工作范围内，非线性测量误差小，能够保持设备的采样精度。采样SPI总线实现以ARM处理器为核心的实时控制单元对电参数采集单元的参数读取，采用RS485总线实现实时控制单元和人机交互单元间的通讯，能够实现对电能参数的实时监测并实时显示在人机交互单元上，能够反映整个监测***的工作状态并对发生的反常状态进行实时报警，这对发现故障并有效的解决问题具有重要意义。电参数采集单元采用模块化设计，并结合SPI总线的可扩展性特征，实时控制单元可根据实际需要配合使用相应个数的电参数采集单元，从而配合监测相应个数的出线回路，提高了实用性，适合广泛推广。
Claims (5)
1.一种配电参数监测控制***，其特征在于：包括人机交互单元(1)；用以实现监测信息处理、记录和报警控制的实时控制单元(2)；用以实现配电***进线回路及各出线回路数据采样分析的电参数采集单元；所述人机交互单元(1)与所述实时控制单元(2)采用RS485总线连接实现数据通讯；所述实时控制单元(2)与所述电参数采集单元采用SPI总线连接实现数据通讯。
2.如权利要求1所述的一种配电参数监测控制***，其特征在于：所述的人机交互单元(1)包括液晶显示屏(4)、触摸屏(5)、基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)、USB接口(7)、以太网接口(8)和数据中心通讯RS485接口(9)；所述的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)分别通过线路与液晶显示屏(4)、触摸屏(5)、USB接口(7)、以太网接口(8)和数据中心通讯RS485接口(9)相连；所述的人机交互单元(1)利用以太网接口(8)或数据中心通讯RS485接口(9)分别通过线路与数据中心相连实现数据通讯。
3.如权利要求1所述的一种配电参数监测控制***，其特征在于：所述实时控制单元(2)包括基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)、铁电存储器(11)、防雷器输入端口(12)、继电器输出端口(13)；所述的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)分别通过线路与铁电存储器(11)、防雷器输入端口(12)、继电器输出端口(13)相连，所述的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)通过RS485总线与人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)相连实现数据通讯。
4.如权利要求1所述的一种配电参数监测控制***，其特征在于：所述电参数采集单元包括基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)；所述的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)通过SPI总线与实时控制单元(2)中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)相连实现数据通讯。
5.一种配电参数监测控制***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据控制***所需监测的回路数，利用电参数采集单元的SPI总线扩展特性，组装小于等于72路出线回路的基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)；
2)由液晶显示屏(4)显示，通过操作将每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)对应的电能计量芯片的校表参数通过USB接口(7)导入基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)内，并通过RS485总线写入基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)的寄存器内，最终根据步骤1)所组装基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)的顺序将校表参数值保存在铁电存储器(11)内；
3)***上电启动时，实时控制单元(2)中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)将读取步骤2)中保存于铁电存储器(11)内的校表参数值，对电参数采集单元进行软件配置；
4)通过人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)对***进行正确的参数设置，内容包括电压阀值、电流阀值、功率阀值；
5)所述电参数采集单元通过对回路采样点电压、电流进行采样，计算回路电压、电流、功率、谐波参数；所述实时控制单元(2)中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)通过SPI总线，对每个基于高精度电能计量芯片的电参数采集模块(3)中的各电能计量芯片计算数据进行读取；所述人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)通过RS485总线，采用Modbus-RTU通讯协议对实时控制单元(2)中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)所读取数据进行请求，并将请求得到的数据显示在液晶显示屏(4)上；
6)根据步骤4)设置的参数信息，实时控制单元(2)中的基于ARM Cortex-M0的嵌入式控制器(10)通过比较采集的电参数值与相应的报警阀值生成报警或非报警状态信息，通过RS485总线把状态信息送到人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)；人机交互单元(1)中的基于ARMCortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元(2)中相应继电器输出端口(13)状态；
7)当有防雷器报警信息输入经防雷器输入端口(12)时，实时控制单元(2)中的基于ARMCortex-M0的嵌入式控制器(10)通过RS485总线把报警信息送到人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)；人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)再根据设置的参数信息，通过RS485总线控制实时控制单元(2)中相应继电器输出端口(13)状态；
8)人机交互单元(1)通过以太网接口(8)或数据中心通讯RS485接口(9)与数据中心动力环境监控***连接；数据中心动力环境监控***通过TCP/IP或Modbus-RTU协议与人机交互单元(1)中的基于ARM Cortex-A8的嵌入式Linux操作***(6)进行数据通讯，实现对配电列头柜的动力环境监控。
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