CN110247479A - 馈线终端线损装置及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种馈线终端线损装置，包括电源模块、电压隔离采样模块、电流隔离采样模块、控制模块和隔离通信模块；电源模块供电；电压隔离采样模块隔离采样外部电压信号并上传控制模块；电流隔离采样模块隔离采样外部电流信号并上传控制模块；控制模块控制馈线终端线损装置工作；隔离通信模块用于馈线终端线损装置与外部进行隔离通信。本发明还公开了所述馈线终端线损装置的数据处理方法。本发明通过可靠的电路设计，实现了电压电流隔离采样和隔离通信，提高了装置的安全性和可靠性；而且本发明的电路简单，***集成度高，成本低廉。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种馈线终端线损装置及其数据处理方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电能的稳定可靠供应，就成为了电力***最重要的任务之一。
线损是电力***的重要指标之一，其能够反映电网的安全可靠运行和效率运行。因此，实时监控电力***的线损变化，将是电力***的重要监控任务之一。
馈线终端(简称FTU)，是安装在配电网馈线回路的柱上和开关柜等处，并具有遥信、遥测、遥控和馈线自动化功能的配电自动化终端。馈线终端的线损装置安装于馈线终端内部，用于提供线损计算所需信息的装置。馈线终端线损装置是配电网计算线损的数据来源，需满足高计量准确度、高安全性和可靠性的要求。
但是，传统的馈线终端线损装置，其动态范围较小，小电流计量时误差较大，无法满足配电网高准确度计量要求；而且，其内部电信号与外部电压电流信号隔离，安全性和可靠性不高。传统的馈线终端线损装置由于***方案集成度不高，导致外形尺寸较大，无法满足部分内部空间小的馈线终端的安装要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种集成度高、可靠性高、准确性高、且安全稳定的馈线终端线损装置。
本发明的目的之二在于提供一种所述馈线终端线损装置的数据处理方法。
本发明提供的这种馈线终端线损装置，包括电源模块、电压隔离采样模块、电流隔离采样模块、控制模块和隔离通信模块；电压隔离采样模块、电流隔离采样模块和隔离通信模块均与控制模块连接；电源模块给所述馈线终端线损装置供电；电压隔离采样模块用于隔离采样外部电压信号并上传控制模块；电流隔离采样模块用于隔离采样外部电流信号并上传控制模块；控制模块用于控制所述馈线终端线损装置工作；隔离通信模块用于所述馈线终端线损装置与外部设备之间进行隔离通信。
所述的馈线终端线损装置还包括存储模块；存储模块与控制模块连接，用于存储所述馈线终端线损装置的工作参数。
所述的存储模块为由型号为M24256-BRP的存储芯片构成的电路。
所述的电源模块包括开关电源电路、电源掉电监测电路、线性稳压电源电路和电池供电电路；开关电源电路与电源掉电检测电路和线性稳压电源电路连接；电源掉电检测电路与控制模块相连；开关电源电路用于将外部提供的24V或48V直流电转换为两路隔离的直流电源；电源掉电监测电路用于外部输入电源状态监测；线性稳压电源电路用于将***电源转换为控制模块电源；电池供电电路用于在外部直流电断电时为控制模块的时钟电路提供后备电源。
所述的电压隔离采样模块包括电压偏置电路和电压隔离采样电路；电压偏置电路用于给电压隔离采样电路提供偏置电压，从而保证控制模块能够对采样的电压信号进行模数转换；电压隔离采样电路包括三路电压采样电路，每一路电压采样电路均包括若干个一次侧电阻、电压互感器电路和输出滤波电路，若干个一次侧电阻串联后，再与电压互感器电路、输出滤波电路连接；一次侧电阻串接一次侧电压，再通过电压互感器电路进行电压采样，最后通过输出滤波电路进行滤波后，上传至控制模块。
所述的电流隔离采样模块包括三路电流采样电路；每一路电流采样电路包括电流互感器电路和输出抗混叠滤波电路；电流互感器电路与输出抗混叠滤波电路相连；电流互感器电路用于采样线路的电流信号并输出采样信号；输出采样信号通过输出抗混叠滤波电路进行滤波后上传至控制模块。
所述的控制模块包括时钟电路和控制器电路；时钟电路与控制器电路连接，用于给所述控制器电路提供标准时钟信息；控制器电路用于控制所述馈线终端线损装置的工作。
所述的时钟电路为由型号为RX-8025T的时钟芯片构成的电路。
所述的控制器电路为由型号为MKM33Z128ACLH5的控制器芯片构成的电路。
所述的隔离通信模块包括隔离芯片电路、RS485通信电路和RS232通信电路；隔离芯片电路将控制模块信号与外部通信信号进行电气隔离；经过隔离的控制模块信号同时连接到RS485通信电路和RS232通信电路；RS485通信电路用于与外部设备进行RS485总线通信，RS232通信电路用于与外部设备进行RS232总线通信。
所述的隔离芯片电路为由型号为ISO7721的隔离芯片构成的电路。
所述的RS485通信电路为由型号为MAX13085E的通信收发器芯片构成的电路。
所述的RS232通信电路为由型号为UM232EE的通信收发器芯片构成的电路。
本发明还提供了一种所述馈线终端线损装置的数据处理方法，包括如下步骤：
S1.馈线终端线损装置通过隔离采样模块采集线路电压和电流；
S2.馈线终端线损装置通过控制模块将采集的电压模拟量和电流模拟量转换为电压数字量数据和电流数字量数据；
S3.馈线终端线损装置根据电压和电流的数字量数据，计算得到有功电能、无功电能、有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值等用于线损计算的基础数据；
S4.馈线终端线损装置将计算得到的用于线损计算的基础数据通过隔离通信模块向馈线终端发送；
S5.馈线终端将用于线损计算的基础数据转发至智能配电网监测主站；
S6.智能配电网监测主站获得同一时刻各馈线终端提供的用于线损计算的基础数据，并根据这些基础数据计算各线路段线损。
本发明提供的这种馈线终端线损装置及其数据处理方法，通过可靠的电路设计，实现了电压电流隔离采样和隔离通信，提高了装置的安全性和可靠性；而且本发明的电路简单，***集成度高，成本低廉。
附图说明
图1为本发明装置的功能模块图。
图2为本发明装置的一路电压采样电路的电路原理示意图。
图3为本发明装置的一路电流采样电路的电路原理示意图。
图4为本发明装置的电压偏置电路的电路原理示意图。
图5为本发明装置的时钟电路的电路原理示意图。
图6为本发明装置的开关电源电路的电路原理示意图。
图7为本发明装置的电源掉电监测电路的电路原理示意图。
图8为本发明装置的线性稳压电源电路的电路原理示意图。
图9为本发明装置的电池供电电路的电路原理示意图。
图10为本发明装置的存储模块的电路原理示意图。
图11为本发明装置的控制器电路的电路原理示意图。
图12为本发明装置的隔离芯片电路的电路原理示意图。
图13为本发明装置的RS485通信电路和RS232通信电路的电路原理示意图。
图14为本发明方法的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明装置的功能模块图：本发明提供的这种馈线终端线损装置，包括电源模块、电压隔离采样模块、电流隔离采样模块、控制模块、隔离通信模块和存储模块；电压隔离采样模块、电流隔离采样模块和隔离通信模块均与控制模块连接；电源模块给所述馈线终端线损装置供电；电压隔离采样模块用于隔离采样外部电压信号并上传控制模块；电流隔离采样模块用于隔离采样外部电流信号并上传控制模块；控制模块用于控制所述馈线终端线损装置工作；隔离通信模块用于所述馈线终端线损装置与外部设备之间进行隔离通信，比如用于所述馈线终端线损装置与馈线终端之间进行隔离通信；存储模块与控制模块连接，用于存储所述馈线终端线损装置的工作参数，比如用于存储电量数据、冻结数据、***参数等。
具体实施时，电源模块包括开关电源电路、、电源掉电监测电路、线性稳压电源电路和电池供电电路；开关电源电路与电源掉电检测电路和线性稳压电源电路连接；电源掉电检测电路与控制模块相连；开关电源电路用于将外部提供的24V或48V直流电转换为两路隔离的直流电源；电源掉电监测电路用于外部输入电源状态监测；线性稳压电源电路用于将***电源转换为控制模块电源；电池供电电路用于在外部直流电断电时为控制模块的时钟电路提供后备电源。控制模块包括时钟电路和控制器电路；时钟电路与控制器电路连接，用于给所述控制器电路提供标准时钟信息；控制器电路用于对采样的电压和电流信号进行模数转换以及控制所述馈线终端线损装置的工作。隔离通信模块包括隔离芯片电路、RS485通信电路和RS232通信电路；隔离芯片电路将控制模块信号与外部通信信号进行电气隔离；经过隔离的控制模块信号同时连接到RS485通信电路和RS232通信电路；两种通信方式仅能选其一使用，RS485通信电路用于与外部设备进行RS485总线通信，RS232通信电路用于与外部设备进行RS232总线通信。
如图2所示为本发明装置的一路电压采样电路的电路原理示意图：电压隔离采样电路包括三路电压采样电路，每一路电压采样电路均包括若干个一次侧电阻(图中标示RA11～RA17)、电压互感器电路(图中标示PT3和RA8)和输出滤波电路(图中标示CA6)，若干个一次侧电阻串联后，再与电压互感器电路、输出滤波电路连接；一次侧电阻串接一次侧电压，再通过电压互感器电路进行电压采样，最后通过输出滤波电路进行滤波后，信号VA将上传至控制模块；图中的RV2为压敏电阻，用于保护后端的电路；图中的信号VREF/2为电压偏置电路的输出信号。
如图3所示为本发明装置的一路电流采样电路的电路原理示意图：电流隔离采样模块包括三路电流采样电路；每一路电流采样电路包括电流互感器电路(图中标示CT1、CA1、RA1和RA2)和输出抗混叠滤波电路(图中标示RA3、RA6、CA3和CA4)；电流互感器电路与输出抗混叠滤波电路相连；电流互感器电路用于采样线路的电流信号并输出采样信号；输出采样信号通过输出抗混叠滤波电路进行滤波后上传至控制模块。
如图4所示为本发明装置的电压偏置电路的电路原理示意图：图中的VREFO为控制模块输出的基准电压信号；该信号通过电容C5接地滤波后，再通过电阻R15和R19进行分压后，送入由运放U1构成的电压跟随器进行电压跟随和隔离，同时也提升带负载能力；通过电压跟随器后，输出的信号再通过R1和C48构成的低通滤波器进行滤波后，输出偏置电压信号VREF/2；电压偏置电路用于给电压隔离采样电路提供偏置电压，从而保证控制模块能够对采样的电压信号进行模数转换。
如图5所示为本发明装置的时钟电路的电路原理示意图：时钟电路为由型号为RX-8025T的时钟芯片构成的电路；芯片的2脚连接控制模块的I2C总线通信接口的SCL引脚，芯片的4脚直接接地，芯片的6脚连接电池供电电路输出的电源信号VDD，同时也通过电容C18接地滤波；芯片的7脚、8脚、9脚、11脚和14脚均直接接地；芯片的13脚直接连接控制模块的I2C总线通信接口的SDA引脚；芯片的10脚输出一路时钟信号/INT；时钟电路通过I2C总线与控制模块通信。
如图6所示为本发明装置的开关电源电路的电路原理示意图：图中，Vin+和Vin-连接外部24V或48V直流电；压敏电阻VAR1用于保护后级电路，电阻Ra起限流保护作用，二极管D6在外部输入直流电极性错误时起保护作用，瞬态电压抑制管TVS1用于保护后级电路；直流电输入后，通过电阻R17和电感L1进行滤波后，输入到变压器原边的1脚，变压器原边的3脚则连接开关电源芯片U4(型号为MP6002)的8脚；二极管D1和电阻R26、R27以及电容C3抑制变压器原边产生的尖峰电压；变压器原边的第二绕组的4脚直接接地，5脚连接整流二极管D3，电阻R8和电容C14、C53及二极管D5调整和稳定输出电压后直接连接开关电源芯片的6脚并供电；芯片的5脚通过电阻R7接地，并通过电容C5接地；芯片的7脚作为高压启动电路电源输入引脚直接连接直流母线并取电；芯片的1脚直接接地，2脚通过电阻R3接直流母线，并通过电阻R28接地；芯片的3脚作为反馈引脚，连接经变换后的输出电压的采样信号；变压器的第一副边绕组输出的信号通过二极管D2整流后，再通过电容C3稳压，再通过电容组C32和C6进行滤波后输出电源信号V_T和G_T(正通信电源信号和负通信电源信号)；变压器的第二副边绕组输出的信号通过二极管D4整流后，再通过电容C34稳压，在通过电容组C10和C40进行滤波后输出***电源信号+VCC；电阻R16和R18在电源空载时起到降低纹波的作用；同时，***电源信号通过光耦U2构成的隔离采样电路变换后，输入到开关电源芯片U4的3脚，从而对电源输出电压进行闭环控制。
如图7所示为本发明装置的电源掉电监测电路的电路原理示意图：***电源信号+VCC的电压通过电阻R62和R63进行分压后，再通过电容C8滤波后得到电源电压监测信号(POWER_DOWN)，并送入控制模块采样。
如图8所示为本发明装置的线性稳压电源电路的电路原理示意图：开关电源电路输出的***电源+VCC信号通过电容C15和C7接地滤波后，再通过二极管VD104输入到电源芯片U22(型号为HT7533-2)的输入引脚2脚，电源芯片的1脚直接接地，电源芯片的3脚为输出引脚，输出控制模块电源DVBB并通过滤波电容C13和C20接地滤波后对外提供电源。法拉电容EC1在外部提供的直流电源断电后，为控制模块提供短暂的后备电源，电阻R43起到限流作用，二极管VD103、VD104和VD105起到防止电流反向流动作用。
如图9所示为本发明装置的电池供电电路的电路原理示意图：电池BAT1的负极接地，正极通过电阻R13和电容C2滤波后，通过二极管VD102连接MOSFET管Q2的源极；同时，电池的电压通过电阻R60和R61进行分压后，再通过电容C29滤波后得到电池电压监测信号(BAT_ALARM)，并送入控制模块采样。线性稳压电源电路的输出端通过二极管VD101输出电源信号VDD，同时也通过电阻R5连接MOSFET管Q2的栅极；外部提供的直流电源断电后，***电源DVBB电压逐渐降低，当MOSFET管Q2的源极电压高于栅极电压一定数值时，MOSFET管导通，电池BAT1立刻为后端设备提供电源信号VDD。
如图10所示为本发明装置的存储模块的电路原理示意图：存储模块为由型号为M24256-BRP的存储芯片构成的电路；芯片的1脚连接控制模块电源信号DVBB；芯片的2脚～4脚均直接接地；芯片的8脚直接连接控制模块电源信号DVBB；芯片的7脚作为写操作控制脚、6脚和5脚则作为芯片的I2C总线通信接口引脚，直接连接控制模块；同时，7脚～5脚均通过各自的上拉电阻(R12～R10)连接控制模块电源信号DVBB。
如图11所示为本发明装置的控制器电路的电路原理示意图：控制器电路为由型号为MKM33Z128ACLH5的控制器芯片构成的电路；芯片的8脚和15脚均连接控制模块电源信号DVBB；芯片的12脚连接电池供电电路的电池电压监测信号(BAT_ALARM)，从而实时获取电池的电压状态；芯片的14脚连接电源掉电监测电路的电源电压监测信号(POWER_DOWN)，从而实时获取外部输入电源状态；芯片的16脚和17脚之间连接晶振电路(X1和C28、C30)，用于获取基准时钟信号；芯片的22脚和23脚连接A相电流隔离采样模块的输出端，并获取A相电流采样信号；芯片的24脚和25脚连接B相电流隔离采样模块的输出端，并获取B相电流采样信号；芯片的28和29脚连接C相电流隔离采样模块的输出端，并获取C相电流采样信号；芯片的40～42脚连接电压隔离采样模块的输出端，并获取三相电压的采样信号；芯片的43脚和44脚则作为通信引脚，直接连接隔离通信模块并对外进行隔离通信；芯片的52～53脚为I2C总线通信接口引脚，连接I2C总线信号(SCL和SDA)。
如图12所示为本发明装置的隔离芯片电路的电路原理示意图：隔离芯片的1脚和7脚直接接地；3脚连接控制模块电源信号DVBB；芯片的4脚和5脚连接控制器模块的通信引脚(RXD0和TXD0)，同时为了提高通信引脚的电平信号稳定性，4脚和5脚还通过上拉电阻R32和R33连接控制模块电源信号DVBB；芯片的12脚和13脚则作为电气隔离的通信引脚连接后端电路；芯片的16脚和14脚则连接电源模块输出的正通信电源信号和负通信电源信号。
如图13所示为本发明装置的RS485通信电路和RS232通信电路的电路原理示意图：RS485通信电路为由型号为MAX13085E的通信收发器芯片构成的电路；RS232通信电路为由型号为UM232EE的通信收发器芯片构成的电路。
图中的下部分为RS485通信电路：其中，控制器输出的收发控制信号485RE/DE通过光耦N2隔离后，连接到RS485通信收发器芯片(U8)的2脚和3脚，从而控制RS485通信收发器芯片的工作状态；RS485通信收发器芯片的1脚连接隔离芯片的隔离通信引脚RXDD，RS485通信收发器芯片的4脚连接隔离芯片的隔离通信引脚TXDD，RS485通信收发器芯片的8脚直接连接正通信电源信号V_T，同时RS485通信收发器芯片的5脚直接连接负通信电源信号G_T；RS485通信收发器芯片的6脚和7脚则作为RS485总线引脚，通过热敏电阻RT3和RT4与外部通信总线相连(TX/A和RX/B)。
图中的上部分则为RS232通信电路；RS232通信电路的通信收发器芯片为U7；RS232通信收发器芯片的1脚和3脚之间连接电容C43；4脚和5脚之间连接电容C44；6脚通过电容C45连接负通信电源信号G_T；7脚和8脚则作为RS232总线引脚，通过热敏电阻RT3和RT4与外部通信总线相连(TX/A和RX/B)。RS232通信收发器芯片的9脚和10脚则连接隔离芯片的隔离通信引脚(TXDD和RXDD)；RS232通信引脚的15脚连接负通信电源信号G_T，16脚连接正通信电源信号V_T。
如图14所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明还提供了一种所述馈线终端线损装置的数据处理方法，包括如下步骤：
S1.馈线终端线损装置通过隔离采样模块采集线路电压和电流；
S2.馈线终端线损装置通过控制模块将采集的电压模拟量和电流模拟量转换为电压数字量数据和电流数字量数据；
S3.馈线终端线损装置根据电压和电流的数字量数据，计算得到有功电能、无功电能、有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值等用于线损计算的基础数据；
S4.馈线终端线损装置将计算得到的用于线损计算的基础数据通过隔离通信模块向馈线终端发送；
S5.馈线终端将用于线损计算的基础数据转发至智能配电网监测主站；
S6.智能配电网监测主站获得同一时刻各馈线终端提供的用于线损计算的基础数据，并根据这些基础数据计算各线路段线损。
Claims (10)
1.一种馈线终端线损装置，其特征在于包括电源模块、电压隔离采样模块、电流隔离采样模块、控制模块和隔离通信模块；电压隔离采样模块、电流隔离采样模块和隔离通信模块均与控制模块连接；电源模块给所述馈线终端线损装置供电；电压隔离采样模块用于隔离采样外部电压信号并上传控制模块；电流隔离采样模块用于隔离采样外部电流信号并上传控制模块；控制模块用于控制所述馈线终端线损装置工作；隔离通信模块用于所述馈线终端线损装置与外部设备之间进行隔离通信。
2.根据权利要求1所述的馈线终端线损装置，其特征在于还包括存储模块；存储模块与控制模块连接，用于存储所述馈线终端线损装置的工作参数；存储模块为由型号为M24256-BRP的存储芯片构成的电路。
3.根据权利要求1所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的电源模块包括开关电源电路、电源掉电监测电路、线性稳压电源电路和电池供电电路；开关电源电路与电源掉电检测电路和线性稳压电源电路连接；电源掉电检测电路与控制模块相连；开关电源电路用于将外部提供的24V或48V直流电转换为两路隔离的直流电源；电源掉电监测电路用于外部输入电源状态监测；线性稳压电源电路用于将***电源转换为控制模块电源；电池供电电路用于在外部直流电断电时为控制模块的时钟电路提供后备电源。
4.根据权利要求3所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的电压隔离采样模块包括电压偏置电路和电压隔离采样电路；电压偏置电路用于给电压隔离采样电路提供偏置电压，从而保证控制模块能够对采样的电压信号进行模数转换；电压隔离采样电路包括三路电压采样电路，每一路电压采样电路均包括若干个一次侧电阻、电压互感器电路和输出滤波电路，若干个一次侧电阻串联后，再与电压互感器电路、输出滤波电路连接；一次侧电阻串接一次侧电压，再通过电压互感器电路进行电压采样，最后通过输出滤波电路进行滤波后，上传至控制模块。
5.根据权利要求3所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的电流隔离采样模块包括三路电流采样电路；每一路电流采样电路包括电流互感器电路和输出抗混叠滤波电路；电流互感器电路与输出抗混叠滤波电路相连；电流互感器电路用于采样线路的电流信号并输出采样信号；输出采样信号通过输出抗混叠滤波电路进行滤波后，上传至控制模块。
6.根据权利要求1～5之一所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的控制模块包括时钟电路和控制器电路；时钟电路与控制器电路连接，用于给所述控制器电路提供标准时钟信息；控制器电路用于控制所述馈线终端线损装置的工作。
7.根据权利要求6所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的时钟电路为由型号为RX-8025T的时钟芯片构成的电路；控制器电路为由型号为MKM33Z128ACLH5的控制器芯片构成的电路。
8.根据权利要求1～5之一所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的隔离通信模块包括隔离芯片电路、RS485通信电路和RS232通信电路；隔离芯片电路将控制模块信号与外部通信信号进行电气隔离；经过隔离的控制模块信号同时连接到RS485通信电路和RS232通信电路；RS485通信电路用于与外部设备进行RS485总线通信，RS232通信电路用于与外部设备进行RS232总线通信。
9.根据权利要求8所述的馈线终端线损装置，其特征在于所述的隔离芯片电路为由型号为ISO7721的隔离芯片构成的电路；RS485通信电路为由型号为MAX13085E的通信收发器芯片构成的电路；RS232通信电路为由型号为UM232EE的通信收发器芯片构成的电路。
10.一种权利要求1～9之一所述的馈线终端线损装置的数据处理方法，包括如下步骤：
S1.馈线终端线损装置通过隔离采样模块采集线路电压和电流；
S2.馈线终端线损装置通过控制模块将采集的电压模拟量和电流模拟量转换为电压数字量数据和电流数字量数据；
S3.馈线终端线损装置根据电压和电流的数字量数据，计算得到有功电能、无功电能、有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值等用于线损计算的基础数据；
S4.馈线终端线损装置将计算得到的用于线损计算的基础数据通过隔离通信模块向馈线终端发送；
S5.馈线终端将用于线损计算的基础数据转发至智能配电网监测主站；
S6.智能配电网监测主站获得同一时刻各馈线终端提供的用于线损计算的基础数据，并根据这些基础数据计算各线路段线损。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111965420A (zh) * | 2020-08-26 | 2020-11-20 | 威胜集团有限公司 | 随器电能计量电路、方法及装置 |
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-
2019
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