CN212515430U - 基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，包括边缘计算单元、多源互补取电单元和无线通信单元，所述的多源互补取电单元分别与边缘计算单元和无线通信单元连接，所述的边缘计算单元与无线通信单元连接，所述的无线通信单元与开关柜内的无线传感器通信连接。与现有技术相比，本实用新型具有电源工作可靠、监测数据响应快、量测精度高等优点。

Description

基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器

技术领域

本实用新型涉及电厂开关柜运行状态监测技术，尤其是涉及一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器。

背景技术

目前，对电厂用开关柜的内部监控对象，主要包括各动静触头、电缆接头、母排接头、执行机构的温度和动作执行特征、气体传感、局放等参数，主要通过无源无线传感器，进行信号与数据采集，各项数据按照一定的采集间隔周期进行采集，无源无线传感器的取电，多通过CT、硅钢片方式，环接在通电的触头、回路或相线处，通过感应的方式获得电能。

对于新建智能化开关柜，数据采集后，多通过无线方式汇总到开关柜内的继电保护装置或者具有保护功能的智能监测单元，再与外部云平台进行通信和数据分析与处理。有代表性的产品如ABB公司的iVD4产品和iGas智能开关技术与产品，通过GPRS/3G通信方式、云计算技术实现状态数据实时传输到ABB云数据服务器和云存储，实现开关设备状态的远程监测和故障预警。

对于智能化改造开关柜，数据采集后，多通过无线通信方式，汇总到开关柜外部的数据集中器，再汇集到本地监控总站和云频台，本地监控总站进行预警、判断与故障决策支持。但其缺点也较为明显：

1)在监控数据的物理连接层面，在单台套开关柜内部的数据采集点较多，数据采集间隔一般从秒级到分钟级，一般采用433MHz通用频段的Zigbee通信方式，发射功率一般为60mW，并穿透金属柜体，传输至外部的数据集中器；但一般开关柜的屏蔽和接地均良好，对信号起到很强的屏蔽作用，因此多个监测点均需远高于开阔场地的、相近的发射功率进行信号发射，容易引起EMC超标，更为重要的是对电源功率的要求急剧上升；现场部署时由于单个的无源无线传感器取电功率有限、开关柜良好的屏蔽性、和数据集中器安装位置无法做到统一，即使信号功率放大，也很容易造成信号丢失，影响底层数据采集通道的建立。

2)在监控数据的信息计算层面，由于云平台固有的层级架构，开关柜内监测采样点数据量或采样频率增加后，由于缺乏边缘计算能力，大量数据的分析、预测和决策均堆积在云平台；由于缺乏边缘侧的数据清洗与维护，云平台的数据采集效率、数据响应速度、数据有效程度等均存在诸多问题。

3)对于智能改造的开关柜，受原有柜体既有结构限制和安全性要求，很难引入市电。单个无源无线传感器的取电，多通过CT、硅钢片采用环接在通电的触头、回路或相线处，通过感应的方式获得电能，当电流过大，CT与硅钢片均容易出现磁饱和，在增加损耗的同时容易发生短路或者消磁危险；同时，两种方式取电供给无线传感器发射功率，均应满足发射功率要求，即均对最小负载电流提出了要求，当负载电流较小时，如CT所在回路电流<50A或硅钢片所在回路电流<5A，传感器获得能量不足，而无法继续工作，数据存储就会出现断档期，影响温度分析与预测。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电源工作可靠、监测数据响应快、量测精度高的基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，通过采用多源互补取电技术，来解决单个无线温度传感器发射功耗大、信号穿透与数据汇聚困难、CT或硅钢片取电时出现磁饱和或磁通量不足造成信号丢失等难题，从而保障建立关键部件运行监测数据的稳定可靠的数据采集通道。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，包括边缘计算单元、多源互补取电单元和无线通信单元，所述的多源互补取电单元分别与边缘计算单元和无线通信单元连接，所述的边缘计算单元与无线通信单元连接，所述的无线通信单元与开关柜内的无线传感器通信连接。

优选地，所述的边缘计算单元包括相互连接的主处理器MCU和RAM随机存储器，所述的多源互补取电单元分别与主处理器MCU和RAM随机存储器连接，所述的主处理器MCU与无线通信单元连接。

优选地，所述的主处理器MCU为超低功耗单片机MSP430F系列。

优选地，所述的RAM随机存储器为2Mbit的铁电RAM存储器。

优选地，所述的无线通信单元包括分别与开关柜内的无线传感器通信连接的蓝牙通信模块和Zigbee通信模块，所述的主处理器MCU分别通过UART异步串行接口与蓝牙通信模块和Zigbee通信模块连接。

优选地，所述的蓝牙通信模块为2.4GHz超低功耗的蓝牙通信模块。

优选地，所述的Zigbee通信模块为433MHz的Zigbee通信模块。

优选地，所述的多源互补取电单元包括能量收集管理器IC集成电路、温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口，所述的能量收集管理器IC集成电路分别与温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口连接。

优选地，所述的能量收集管理器IC集成电路包括相互连接的多端口升压电路和超级电容，所述的多端口升压电路分别与温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口连接，所述的超级电容分别与边缘计算单元和无线通信单元连接。

优选地，所述的超级电容与边缘计算单元之间设有二极管，其中二极管的正极与超级电容连接，负极与边缘计算单元连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、边缘控制器，通过多源互补取电，安装位置可以选择对与数据集中器通信更为有利的位置布置，取电的电源点可以选择在位置空间宽松的电缆进线和母排处，不必安装在空间狭小的断路器梅花触头内部，十分有利于工程实施。

2、传感器功耗要求大幅度降低，无源无线传感器取电电源功率降低近90％，可采用变比较大的CT和硅钢片，无磁饱和等问题。通过增加低功耗边缘控制器，无源无线传感器的发射功率从原来的Zigbee通信所需的60mW，直接降低到1mW，不用考虑在不同位置布置的传感器的信号经开关柜金属外壳屏蔽的问题，在开关柜内部，与边缘计算控制器建立非常稳定可靠的数据通道连接。

3、数据采集器获得的信号功率更大，通信更为稳定。以标准的9个传感器(进线电缆、母排、触头各3个)为例，原有总功率为720mW；采用边缘计算控制器与数据集中器的数据通信，采用100mW级或更高的发射功率，仅此单点与数据集中器通信，避免多个无源无线传感器直接与数据集中器相连，在整体功耗上降低了70％以上，并且实现了更为稳定的数据通道连接。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的具体应用示意图；

图4为现有技术的具体应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的具体如下：

1、解决单个无线温度传感器发射功耗大、信号穿透与数据汇聚困难，CT或硅钢片取电时出现磁饱和或磁通量不足造成通信失败的难题。通过增加边缘控制器，改变现有单个无线传感器分别与数据集中器直接通信的结构，仅需要通过较小的发射功率，数据通信链路先经边缘控制器汇聚后，再以较大发射功率送往数据采集器。

2、不需要引入市电，解决边缘控制器的开关柜内取电问题。

3、通过多源互补的取电方式，给边缘控制器提供稳定的电能量。通过半导体温差发电芯片，充分利用母排分支接触点附近的热量与空气间的温差发电作为一路电源输入；同时通过CT和硅钢片取电的电源作为另外几路电源输入，通过内部能量收集管理IC集成电路进行能量升压调节处理，并存储到内部的超级电容获得稳定的电能供应。

如图2所示，本实用新型多源互补取电的低功耗边缘控制器主要结构包括：边缘计算单元、多源互补取电单元、无线通信单元。

1、边缘计算单元包括主处理器MCU和2Mbit的RAM随机存储器。MCU为超低功耗单片机MSP430F系列，***存储器采用2Mbit的铁电RAM存储器，具有存取速度快，功耗低，掉电不丢失等优点，同时，MCU具有2个2线的UART异步串行接口，分别与无线通信电路中的蓝牙通信电路以及Zigbee通信电路进行数字通信，其中机柜内无线通信方式采用2.4GHz超低功耗的蓝牙，与机柜外的数据集中器通信方式采用433MHz的Zigbee。MCU和铁电RAM存储器对来自蓝牙通信接口的数据进行缓存、处理后，再发送至数据集中器。

2、多源互补取电通过2片能量收集管理器IC集成电路MAX17710实现，每个MAX17710具有2路电源输入，构成多端口升压电路。本发明充分利用母排分支接触点附近的热量与空气间的温差发电芯片的输出端作为一路电源输入，接入边缘控制器多端口升压电路的温差发电电源输入端口；同时通过CT和硅钢片取电的电源作为另外2路电源输入，分别接入多端口升压电路的CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口。通过内部能量收集管理IC集成电路进行能量升压调节处理，并存储到内部的超级电容获得稳定的电能供应。电压范围在超级电容耐压为1.8V～5V之间。

3、无线通信电路发射的短时间内，所需电能量较大，超级电容上的电压波动，造成主处理器MCU电压波动引起复位，在容量1F的超级电容与主处理器MCU电路之间，增加一1N4148信号的二极管，当超级电容电压波动时，主处理器MCU***电容存储的电容经二极管隔离，无法倒灌到超级电容，从而保障了主处理器MCU电压稳定。

4、无线通信单元包括1个2.4GHz超低功耗的蓝牙通信模块和1个433MHz的Zigbee通信模块，与机柜内的无源无线传感器通信，极大降低了机柜内无源无线传感器的功耗和发射功率；与机柜外的数据集中器通信方式采用433MHz的Zigbee。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，包括边缘计算单元、多源互补取电单元和无线通信单元，所述的多源互补取电单元分别与边缘计算单元和无线通信单元连接，所述的边缘计算单元与无线通信单元连接，所述的无线通信单元与开关柜内的无线传感器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的边缘计算单元包括相互连接的主处理器MCU和RAM随机存储器，所述的多源互补取电单元分别与主处理器MCU和RAM随机存储器连接，所述的主处理器MCU与无线通信单元连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的主处理器MCU为超低功耗单片机MSP430F系列。

4.根据权利要求2所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的RAM随机存储器为2Mbit的铁电RAM存储器。

5.根据权利要求2所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的无线通信单元包括分别与开关柜内的无线传感器通信连接的蓝牙通信模块和Zigbee通信模块，所述的主处理器MCU分别通过UART异步串行接口与蓝牙通信模块和Zigbee通信模块连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的蓝牙通信模块为2.4GHz超低功耗的蓝牙通信模块。

7.根据权利要求5所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的Zigbee通信模块为433MHz的Zigbee通信模块。

8.根据权利要求1所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的多源互补取电单元包括能量收集管理器IC集成电路、温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口，所述的能量收集管理器IC集成电路分别与温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的能量收集管理器IC集成电路包括相互连接的多端口升压电路和超级电容，所述的多端口升压电路分别与温差发电电源输入端口、CT感应电源输入端口和硅钢片感应电源输入端口连接，所述的超级电容分别与边缘计算单元和无线通信单元连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于多源互补取电的电厂开关柜用低功耗边缘控制器，其特征在于，所述的超级电容与边缘计算单元之间设有二极管，其中二极管的正极与超级电容连接，负极与边缘计算单元连接。

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