CN109217479A - 一种接线方式自适应的配电终端线损模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于配网终端技术领域，具体涉及一种接线方式自适应的配电终端线损模块，包括多个独立的计量回路、MCU控制模块、IO驱动电路、电压通道选择电路、MCU数据隔离高速发送电路、RS485通信电路以及RS232通信电路，每个计量回路包括电压采样电路、电流采样电路、信号调理电路和计量芯片，电压采样电路和电流采样电路的输出端通过信号调理电路后与计量芯片的输入端连接，计量芯片的输出端通过SPI通信与MCU控制模块的输入端连接；MCU控制模块通过RS485通信电路和RS232通信电路进行对外通信。本发明实现了配电线损模块的线路自适应，可以广泛应用于配电领域。

Description

一种接线方式自适应的配电终端线损模块

技术领域

本发明属于配网终端技术领域，具体涉及一种接线方式自适应的配电终端线损模块。

背景技术

高压配电网线路中配电变压器、电缆、开关设备、无功补偿设备损耗、以及各连接点的阻抗、电磁辐射等因素均会产生电能损耗，随着配电设备、保护设备的增多而日趋严重，高效开展配电网线损的计算，可优化电网结构、调度运行方式和降损分析，提高经济效益等。配电网线损模块主要功能是向电力部门提供可供分析的大量准确的、实时数据及历史数据，以协助电力部门对局部配电网有效管理。

目前国内生产的配电线损模块均需要根据供电方式不同进行额定电压标定，即出厂时需要标定配电线损模块的计量模式是三相三线制或三相四线制，在配电终端等设备生产过程中，需要提前确定现场的安装方式，这给配电生产厂家和现场安装调试造成了非常大的麻烦，一旦现场的接线方式信息提供不准确或设计方案变更，配电终端设备需要现场更换不同线制的线损模块，给现场施工和调试带来非常大的麻烦，既影响工期，又产生了二次工作量。

发明内容

为适应电力设备领域的实际需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为一种接线方式自适应的配电终端线损模块。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种接线方式自适应的配电终端线损模块，包括多个独立的计量回路、MCU控制模块、IO驱动电路、对外通信电路，每个所述计量回路包括电压采样电路、电流采样电路、电压通道选择电路、信号调理电路和计量芯片，所述电压采样电路的输出端经电压通道选择电路、信号调理电路后，与所述计量芯片的输入端连接；所述电流采样电路的输出端通过信号调理电路后与所述计量芯片的输入端连接，所述计量芯片的输出端通过SPI通信与所述MCU控制模块的输入端连接；所述IO驱动电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号来控制各个计量芯片的片选CS，还用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号，控制所述电压通道选择电路对电压通道进行选择，所述MCU控制模块通过对外通信电路进行对外通信。

所述电压采样电路包括6个电流型电压互感器，所述电流采样电路包括3个电流互感器，所述电压互感器的输出信号经电压通道选择电路后，和电流互感器的输出信号分别经RC低通滤波电路后输出到所述计量芯片，所述RC低通滤波电路由阻值为1k的电路与容值为0.033uF的电容组成，截止频率为4.8kHz。

所述计量芯片的型号为ATT7022E，所述计量芯片的26管脚SEL与所述MCU控制模块的输出端连接，所述计量芯片的12管脚处设置有电容滤波电路，所述IO驱动电路的主芯片型号为MC74LCX245DT。

所述电压通道选择电路包括模拟开关芯片ADG1634BRUZ，所述模拟开关芯片ADG1634BRUZ的控制端通过所述IO驱动电路与所述MCU控制模块连接。

所述MCU控制模块的主芯片为STM32F417，所述主芯片STM32F417采用无源8MHz外置晶体振荡器倍频后为MCU提供工作时钟；采用S-80126CLMC-JIZ芯片作为复位监管电路，采用S-80146CLMC-JIZ作为低压检测电路，外挂IIC通信器件3个，其中两个为EEPROM，分别用于存储计量相关参数和电能量数据，另一个为RTC时钟芯片，所述主芯片STM32F417还外挂了用于存储SPI通信FALSH。

所述对外通信电路包括MCU数据隔离发送电路、MCU数据隔离接收电路、MCU数据控制电路、RS485芯片、RS232芯片、总线防护电路和总线选择电路。

所述MCU控制模块用于根据计量芯片的输入信号，读取各相电压和计量芯片的分相功率，并根据读取的分相功率和相电压，判定线损模块的接线方式，并根据接线方式，对计量芯片进行模式整定设置。

所述MCU控制模块根据计量芯片的输入信号，读取各相电压和计量芯片的分相功率，并根据读取的分相功率和相电压，判定线损模块的接线方式的具体方法为：

当某一相的相功率为0，该相的电压采样为0，且另两项的输入电压范围100V±20％时，判定接线方式为2PT/2CT；

当三个分相均有功率，并且三相电压均在57.7V±20％，判定接线方式为3PT/3CT；

当各相电压值在57.7V±20％以内，但某一相电流为零时，判定接线方式为3PT，并且每秒对电流通道进行一次电流模式判断，直到接收到明确指令或确定电流采样模式为止；

接线方式确定后，MCU控制模块对计量芯片进行整定设置，将其计量模式设置为三相三线运行或三相四线运行模式。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种接线方式自适应的配电终端线损模块，通过设置多路独立的计量回路，可以实现多路计量的自由组合，并且对计量精度无影响；无需出厂额定电压线制标定，可以实现配电线路全电压范围(100V或者57.7V)，全电流范围(0.3A-1.2A或1.5A-6A)计量的准确性；该线损模块内自带软件识别，可以实现配电线损模块的线路自适应。

附图说明

图1为本发明提出的一种接线方式自适应的配电终端线损模块的结构示意图；

图2为本发明实施例中计量回路的电路连接示意图；

图3为本发明实施例中电压通道选择电路的连接示意图；

图4为本发明实施例中IO驱动电路的电路连接示意图；

图5为本发明实施例中MCU控制模块的结构示意图；

图6为本发明实施例中电源模块的结构框图；

图7为本发明实施例中对外通信电路的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种接线方式自适应的配电终端线损模块，包括8个独立的计量回路、MCU控制模块、IO驱动电路、对外通信电路，每个所述计量回路包括电压采样电路、电流采样电路、电压通道选择电路、信号调理电路和计量芯片，所述电压采样电路的输出端经电压通道选择电路、信号调理电路后，与所述计量芯片的输入端连接；所述电流采样电路的输出端通过信号调理电路后与所述计量芯片的输入端连接，所述计量芯片的输出端通过SPI通信与所述MCU控制模块的输入端连接；所述IO驱动电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号来控制各个计量芯片的片选CS，还用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号，控制所述电压通道选择电路选择的电压通道，所述MCU控制模块通过对外通信电路进行对外通信。

具体地，8路独立计量回路中，计量芯片采用钜泉光电科技(上海)股份有限公司的ATT7022E多功能高精度三相电能专用计量芯片，内部集成7通道独立16bitADC，采样速率达可28.8kHz,芯片与MCU之间通过SPI进行数据交换，通信速率可达到10Mbps。该芯片适用于三相三线和三相四线应用。原有三相计量芯片需要硬件对三相三线和三相四线进行标定，此芯片通过对芯片26管脚SEL，外部接入高电平，可实现软件对模式进行随时更改。即：在外部引脚SEL＝1时，通过寄存器ModSel控制位进行工作模式判别。ModSel＝0为三相四线制；ModSel＝1为三相三线制。每个计量单元的12管脚AVCC计量模拟电源处，通过1个大容值电解电容并联1个小容值电容进行滤波，保证模拟电路的工作稳定，芯片5管脚放大器基准电源REFCAP做同样去耦处理。

本发明的计量回路具体以下特点：

(1)如图2所示，每个计量回路中，电压采样通过6个电流型电压互感器(PT1-PT6)二次侧电流转换成电压信号，额定输入2mA，额定输出2mA，线性范围0～1000V，线性度≤0.2％，采样电阻均采用51欧精密低温漂电阻，通道输入电流部分，通过高精度低温漂电阻采样后，最后通过RC低通滤波器输入至计量芯片的采样管脚；电流信号通过三个电流互感器(CT1-CT3)分别采集A、B、C三相电流，电流互感器的输入额定电流5A，额定输出2.5mA，变比2000:1，相位差≤20＇，线性范围0～20A，线性度0.2％，精准度-0.2％≤f≤0.2％。通道输入电流部分，通过高精度低温漂电阻(RA1、RA2)采样转换成电压信号再经过RC低通滤波器后输入至计量芯片的采样管脚；

(2)计量芯片模拟信号电源和放大器基准电源的滤波处理：

计量芯片电压VD7022经过10欧电阻，CA13和CA14滤波整形后输入到AVCC，REFCAP管脚用CA15和CA16电容进行滤波，保证基准电压的稳定，计量芯片工作电源VDD与VCC同REFCAP引脚设计，输入电源滤波处理后引入。

(3)RC低通滤波的电阻和电容的选取：RC低通滤波的选取是计量回路精度的重要保证部分，本方案选取1k与0.033uF电容组成，如图2中电阻RA3和电容CA1，截止频率4.8kHz左右。

(4)芯片相线选择管脚的电平状态；此处是整个电路的设计重点，必须保证计量每路芯片的SEL管脚高电平输入；SLE管脚直接与计量芯片电源相连。

也就是说，本发明实施例的每个计量回路中，电压采样电路包括6个电流型电压互感器，电流采样电路包括3个电流互感器，所述电压互感器先经过电压通道选择电路后，和电流互感器的输出信号分别经RC低通滤波电路后输出到所述计量芯片，所述RC低通滤波电路由阻值为1k的电路与容值为0.033uF的电容组成，截止频率为4.8kHz。所述计量芯片的26管脚SEL与所述MCU控制模块的输出端连接，所述计量芯片的12管脚处设置有电容滤波电路。

如图3所示，所述电压通道选择电路包括模拟开关芯片ADG1634BRUZ，所述模拟开关芯片ADG1634BRUZ的控制端通过所述IO驱动电路与所述MCU控制模块连接。考虑现场接入采集路数较多，特设计8路独立的计量方式，但现场会存在2路输入电压的情况，为方便现场设置，特设计电压回路增加模拟开关ADG1634BRUZ来实现8路计量回路中电压的分配。模拟开关设计时主要考虑-5V稳压电源的提供和开关的内阻，因本方案线损模块要求采样精度较高，因此需要选取开关内阻极低的器件来保证计量的准确性。

进一步地，如图4所示，所述IO驱动电路的主芯片型号为MC74LCX245DT。MCU控制模块与8路计量芯片采用SPI总线数据通信，通信过程通过控制每个计量芯片的片选CS来决定与哪个计量芯片通信，为保证数据通信的质量，因此使用主芯片为MC74LCX245DT的IO驱动电路进行驱动，以实现MCU控制模块选择通信管脚CS，此外，IO驱动电路中，还有一个芯片MC74LCX245DT用于根据MCU控制模块输出的控制信号，控制各个计量回路中的模拟开关芯片，选择电压采集电路中两路电压中的其中一路。

进一步地，如图5所示，为本实施例中MCU控制模块的结构示意图，所述MCU控制模块的主芯片为STM32F417，此芯片为ARM32-bit Cortex-M4内核，内置浮点运算单元(FPU)。工作电压范围1.8V to 3.6V，最大工作平率168MHz。所述主芯片STM32F417采用无源8MHz外置晶体振荡器倍频后为MCU提供工作时钟；采用S-80126CLMC-JIZ芯片作为复位监管电路，芯片保护电压为2.6V，低于2.2V芯片OUT管脚输出低电平，并且维持50mS。采用S-80146CLMC-JIZ作为低压检测电路，当检测到5V电压低于4.6V时，由芯片OUT管脚输出低电平，并维持200mS，用于处理掉电相关处理。外挂IIC通信器件3个，分别是两个512KB的EEPROM和RTC芯片。1个EEPROM用于存储8路计量相关参数，包括校表数据等；另1个EEPROM用于存储各类电能量数据，备份的电能量数据。RTC采用爱普生的集成时钟芯片，时钟精度根据外部温度自动补偿，无需人工干预，同时具备闰年自动转换。所述主芯片STM32F417还外挂了用于存储SPI通信FALSH。

此外，线损模块现场接线方式有以下两种：电压接线方式有：3PT(VN接线)接法和2PT(VV接线)两种接法；电流接线方式有：3CT输出电流和2CT输出电流接法两种；如现场为三相三线，标定电压输入A/B/C外部接线接入线损模块为A/N/C。

I：3PT(3CT)模式

此模式下，输入相电压为57.7V；

II：2PT(2CT)

此模式下，输入线电压为100V；

本发明实施例中，所述MCU控制模块内置了识别软件，该用于根据计量芯片的输入信号，读取各相电压和计量芯片的分相功率，并根据读取的分相功率和相电压，判定线损模块的接线方式，并根据接线方式，对计量芯片进行模式整定设置。其具体判定方式如下：MCU控制模块上电默认计量芯片三相四线制模式，首先读取各相电压，然后MCU控制模块读取计量芯片分相功率：

(1)如B相功率为0，B相电压采样0，并且A、C相输入电压范围100V±20％，确定为2PT(2CT)模式。

(2)反之如果分相A、B、C相均有功率，并且A、B、C相电压均在57.7V±20％，确定为3PT(3CT)模式，后续不再对模式进行更正。

(3)如出现输入各相电压值在57.7V±20％以内，但B相电流为零的情况下，模式按照电压确定模式运行，在主站(现场调试软件)没有确定模式情况下，MCU每秒对电流通道进行一次电流模式判断，直到接收到明确指令或确定电流采样模式为止。

在最终明确运行状态后，通过MCU对计量芯片模式进行整定设置，调整为三相三线运行或三相四线运行模式。

本发明方案结合现场配电终端调试软件，确定线损模块的工作状态，可完全避免因为现场接线方式不同造成的工作量，大幅提高配电终端设备的现场安装和调试周期，减少了配电终端现场安装故障率。

此外，如图6所示，本发明实施例的电源模块中，外接48V电压经防雷过压滤波保护电路输入，经48V转5V隔离电源模块转换为5V电压后，经第一5V转3.3V低压差线性LDO电源转化为3.3V电压给MCU控制模块供电，经第二5V转3.3V低压差线性LDO电源转化为3.3V电压给计量芯片供电，经第三5V转3.3V低压差线性LDO电源转化为3.3V电压给其它IC模块供电，同时经5V转5V隔离电源为电路中的隔离放大器供电；经第一5V转3.3V低压差线性LDO电源转化输出3.3V电压还用于给RTC芯片供电，以及给超级电容充电，掉电后超级电容放电，给MCU控制模块和实时时钟供电。

本发明实施例中，设置有高速标准RS485和RS232通信接口；通信速率标准速率4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s、38400bit/s可选；接口通信遵循DL/T 634.5101—2002协议。如图7所示，为对外通信电路的结构框图，对外通信电路包括MCU数据隔离发送电路、MCU数据隔离接收电路、MCU数据控制电路、RS485芯片、RS232芯片、总线防护电路和总线选择电路。

(1)RS485通信电路

高速隔离光耦的RS485通信接口，通信速率最高可达38400bps。电路设计主要考虑光耦的特性，R30、R31、R32、R33和R34的设计非常重要，确保在高温下保证通信质量。TVS的设计用来保护差模浪涌电压，电压钳位在6.8V，避免电路过压损坏。

(2)RS232通信电路

RS232通过跳线UART和COM进行RS485通信和RS232通信选择，本方案仅支持一种通信模式，RS232采用型号为SMBJ22CA的TVS，抑制总线共模干扰。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，包括多个独立的计量回路、MCU控制模块、IO驱动电路、对外通信电路，每个所述计量回路包括电压采样电路、电流采样电路、电压通道选择电路、信号调理电路和计量芯片，所述电压采样电路的输出端经电压通道选择电路、信号调理电路后，与所述计量芯片的输入端连接；所述电流采样电路的输出端通过信号调理电路后与所述计量芯片的输入端连接，所述计量芯片的输出端通过SPI通信与所述MCU控制模块的输入端连接；所述IO驱动电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号来控制各个计量芯片的片选CS，还用于根据所述MCU控制模块输出的控制信号，控制所述电压通道选择电路对电压通道进行选择，所述MCU控制模块通过对外通信电路进行对外通信。

2.根据权利要求1所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述电压采样电路包括6个电流型电压互感器，所述电流采样电路包括3个电流互感器，所述电压互感器的输出信号经电压通道选择电路后，和电流互感器的输出信号分别经RC低通滤波电路后输出到所述计量芯片，所述RC低通滤波电路由阻值为1k的电路与容值为0.033uF的电容组成，截止频率为4.8kHz。

3.根据权利要求2所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述计量芯片的型号为ATT7022E，所述计量芯片的26管脚SEL与所述MCU控制模块的输出端连接，所述计量芯片的12管脚处设置有电容滤波电路，所述IO驱动电路的主芯片型号为MC74LCX245DT。

4.根据权利要求3所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述电压通道选择电路包括模拟开关芯片ADG1634BRUZ，所述模拟开关芯片ADG1634BRUZ的控制端通过所述IO驱动电路与所述MCU控制模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述MCU控制模块的主芯片为STM32F417，所述主芯片STM32F417采用无源8MHz外置晶体振荡器倍频后为MCU提供工作时钟；采用S-80126CLMC-JIZ芯片作为复位监管电路，采用S-80146CLMC-JIZ作为低压检测电路，外挂IIC通信器件3个，其中两个为EEPROM，分别用于存储计量相关参数和电能量数据，另一个为RTC时钟芯片，所述主芯片STM32F417还外挂了用于存储SPI通信FALSH。

6.根据权利要求1所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述对外通信电路包括MCU数据隔离发送电路、MCU数据隔离接收电路、MCU数据控制电路、RS485芯片、RS232芯片、总线防护电路和总线选择电路。

7.根据权利要求1所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述MCU控制模块用于根据计量芯片的输入信号，读取各相电压和计量芯片的分相功率，并根据读取的分相功率和相电压，判定线损模块的接线方式，并根据接线方式，对计量芯片进行模式整定设置。

8.根据权利要求7所述的一种接线方式自适应的配电终端线损模块，其特征在于，所述MCU控制模块根据计量芯片的输入信号，读取各相电压和计量芯片的分相功率，并根据读取的分相功率和相电压，判定线损模块的接线方式的具体方法为：

当某一相的相功率为0，该相的电压采样为0，且另两项的输入电压范围100V±20％时，判定接线方式为2PT/2CT；

当三个分相均有功率，并且三相电压均在57.7V±20％，判定接线方式为3PT/3CT；

当各相电压值在57.7V±20％以内，但某一相电流为零时，判定接线方式为3PT，并且每秒对电流通道进行一次电流模式判断，直到接收到明确指令或确定电流采样模式为止；

接线方式确定后，MCU控制模块对计量芯片进行整定设置，将其计量模式设置为三相三线运行或三相四线运行模式。