專利名稱：多功能集中器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種多功能集中器，是一種用以借助電力線載波通訊實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程抄讀，并集合配電監(jiān)測(cè)管理以及配變電能計(jì)量考核的多功能集中器，屬于電力監(jiān)管設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
據(jù)申請(qǐng)人了解，目前現(xiàn)有的電能量遠(yuǎn)程采集僅僅集合了配變監(jiān)測(cè)與大用戶電表電能量的采集，不能直接采集變壓器出線端的電能量，不能直接通過低壓載波抄讀并監(jiān)控居民電表。已有的居民低壓載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)也不能直接對(duì)配變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能直接采集變壓器出線端的電能量，并且該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)電表、精確計(jì)算臺(tái)區(qū)線損等方面也有很多不合理之處。因此，在實(shí)際使用過程存在以下諸多不便1)系統(tǒng)建設(shè)成本高——建設(shè)電能量遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)需要安裝終端及信道設(shè)備，如要實(shí)現(xiàn)采集變壓器出線端的電能量，需要增加安裝電表(即使如此依然無法通過低壓載波抄讀居民電表)；建設(shè)居民用電低壓載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)需要安裝采集終端、載波集中器及信道設(shè)備，如要獲取配變檢測(cè)數(shù)據(jù)，需要增加安裝配變監(jiān)測(cè)終端；如要采集變壓器出線端的電能量，需要增加安裝電表。
2)資源不能共享——居民電表的抄讀與管理、配變的運(yùn)行狀態(tài)、大用戶的用電管理、臺(tái)變的線損情況對(duì)供電營銷部門來說都是非常重要的，而相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)使得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不能共享，使用起來非常繁瑣，難以滿足現(xiàn)代化管理的需要。
3)信道資源浪費(fèi)——相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)信道不能共享，增加系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。
檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N01107528.7的中國本發(fā)明公開了一種網(wǎng)絡(luò)型水、電、氣表數(shù)據(jù)采集器，該采集器由機(jī)殼、機(jī)殼上、下翻蓋、通訊線接插口計(jì)量表信號(hào)輸入接插口、閥門控制信號(hào)輸出接插口、電路板共同連接構(gòu)成；其連接關(guān)系為機(jī)殼上、下翻蓋通過連接銷與機(jī)殼構(gòu)成可拆卸活動(dòng)連接；各接插口裝于機(jī)殼底座并分別與電路板各相應(yīng)點(diǎn)連接，并通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)電纜與網(wǎng)絡(luò)相連接；其電路由電源電路、以太網(wǎng)控制電路、主控微處理器電路、存儲(chǔ)電路、局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)、抄表網(wǎng)站、集中抄表服務(wù)器通過各自信號(hào)線相連接。該專利雖在原有技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但顯然網(wǎng)絡(luò)的建立投資較大，且不具有臺(tái)區(qū)變壓器電能采集、監(jiān)測(cè)的功能。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)所有電表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、并對(duì)變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及電能計(jì)量采集的多功能集中器，從而為建立功能完備的電表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，可以大大方便供電營銷部門的電力管理。
為了達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型的多功能集中器包括電源電路，單片機(jī)電路，外部通訊接口電路，所述單片機(jī)電路由單片機(jī)及外圍時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元構(gòu)成，此外，還含有外接電力輸送線路的載波耦合電路、外接待采集監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)變壓器的電能采集模塊以及電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊，所述載波耦合電路經(jīng)載波調(diào)制解調(diào)電路接所述單片機(jī)電路的載波通訊端，所述電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊的通訊端接所述單片機(jī)電路的監(jiān)控通訊端。
這樣，當(dāng)通過集中器的外部通訊口與監(jiān)控中心的主機(jī)連接、通過載波耦合電路以及功能模塊與輸電力線路連接后，便可將集中抄表、多功能電表和臺(tái)變監(jiān)測(cè)有機(jī)結(jié)合起來，彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)欠缺的功能，以電力線載波為主要信道，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電表數(shù)據(jù)的采集、臺(tái)區(qū)變壓器電能采集和監(jiān)測(cè)等功能，大大方便供電營銷部門的電力管理。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。


圖1為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為圖1實(shí)施例中的單片機(jī)電路原理圖。
圖3為圖1實(shí)施例中的載波調(diào)制解調(diào)電路和三相載波耦合電路原理圖。
圖4為圖1實(shí)施例中的電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊電路原理圖。
圖5為圖1實(shí)施例中的開關(guān)量輸出和模擬量輸入電路原理圖。
圖6為圖1實(shí)施例中的外部通訊接口電路原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一本實(shí)施例的多功能集中器如圖1所示，主要由電源電路、單片機(jī)電路、外部通訊接口電路、載波耦合電路、電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊、開關(guān)量輸出和模擬量輸入電路、以及顯示電路組成。其中的單片機(jī)電路由32位單片機(jī)芯片及其外圍的硬件時(shí)鐘、RAM存儲(chǔ)單元構(gòu)成。外部通訊接口電路包括與單片機(jī)連接的并行MODEM接口、RS232接口、RS485接口、紅外接口、GPRS/GSM接口、以及以太網(wǎng)接口，因此具有良好的適應(yīng)性，可通過包括網(wǎng)絡(luò)連接在內(nèi)的各種通訊連接方式與主機(jī)連接。單片機(jī)中載波端口的串行接口經(jīng)載波調(diào)制解調(diào)電路通過三相載波耦合電路與三相輸電線路耦合連接，單片機(jī)電路中的單片機(jī)作為通訊端的串行接口通過電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊接輸電線路。此外，單片機(jī)的I/O口和A/D端口分別通過開關(guān)量輸出和模擬量輸入電路外接需控制和監(jiān)測(cè)器件。
圖2所示的單片機(jī)電路中U9可以是PHILIPS、三星等公司基于ARM內(nèi)核的32位單片機(jī)芯片，選用此類CPU可以在低成本和功耗的基礎(chǔ)上獲得更快更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。外部時(shí)鐘源由晶振XT1、電容C32和C33、電阻R21組成，此時(shí)鐘源通過CPU內(nèi)部的PLL(鎖相環(huán))，可以得到高達(dá)320MHz的內(nèi)部時(shí)鐘。JP1為單片機(jī)的JTAG調(diào)試接口，用于方便程序的調(diào)試。U6為帶有手動(dòng)復(fù)位功能的單片機(jī)監(jiān)控芯片，例如SP708SCN等。由U6為核心，與K3、R14、C18、R15、N1、R16、R19、N2、R18組成單片機(jī)的復(fù)位電路。其中，單片機(jī)監(jiān)控芯片U6的復(fù)位控制端8腳接兩三極管N1、N2的基極，并由此兩三極管的集電極分別接單片機(jī)芯片U9的復(fù)位端135和43腳。LED1用于指示復(fù)位的狀態(tài)。
圖3為載波通訊部分——即調(diào)制解調(diào)電路和三相載波耦合電路原理圖。為節(jié)省成本，本集中器的調(diào)制解調(diào)電路只采用了一片載波調(diào)制解調(diào)芯片U8，該載波調(diào)制解調(diào)芯片U8的通訊端34、35腳分別與單片機(jī)芯片的對(duì)應(yīng)端口連接，其信號(hào)接收端通過與非門U11分別與三相載波耦合電路中的載波發(fā)送電路切換連接，其信號(hào)接收端通過模擬開關(guān)U18分別與三相載波耦合電路中的載波接收電路切換連接，借以實(shí)現(xiàn)切換載波發(fā)送和載波接收的相別。
由光電隔離器U10、整流二極管D27、電阻R24-R26、電容C18構(gòu)成的采集A相50Hz同步信號(hào)的電路，B相和C相的檢測(cè)電路與A相完全一樣。該電路實(shí)現(xiàn)了本集中器獨(dú)有的判斷現(xiàn)場(chǎng)抄表終端所在相別的功能?，F(xiàn)場(chǎng)抄表終端每次載波發(fā)送都是在所在相別50Hz信號(hào)的下降沿開始，這樣集中器可以根據(jù)收到現(xiàn)場(chǎng)抄表終端命令的時(shí)間和ABC三相同步信號(hào)就可以判斷出發(fā)命令的現(xiàn)場(chǎng)抄表終端所在相別。J7為載波調(diào)制解調(diào)芯片U8的ISP(在系統(tǒng)編程)接口。
T4、T5、T7分別為ABC三相載波耦合線圈，對(duì)應(yīng)的電路分別是ABC三相載波接收發(fā)送電路。以A相為例加以說明，B相和C相可以類推。
載波耦合電路的電力線載波信號(hào)通過電力線A(B、C)、L輸入，經(jīng)過耦合電容C25、耦合變壓器T4耦合至電壓瞬間抑止器D29，然后再經(jīng)過電阻R30、電容C27和C28、電感L3、二極管D32和D33、電容C31耦合至由電阻R32-R35、電容C32、三極管N8組成的信號(hào)放大電路，構(gòu)成載波接收電路，通過模擬開關(guān)U18A切換連接到載波調(diào)制解調(diào)芯片U8。載波調(diào)制解調(diào)芯片U8的輸出信號(hào)APSK_OUT通過與非門U11A，經(jīng)電容C29和C30、電阻R15和R31、穩(wěn)壓二極管D20和D30，以及三極管N1、N2、N5、N6，二極管D16、D28構(gòu)成的放大電路，經(jīng)電容C26耦合到耦合線圈T4，再經(jīng)電容C25耦合到電力線上去，由此構(gòu)成載波發(fā)送電路。
圖4為三相電量和電網(wǎng)參數(shù)采集部分——即電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊電路原理圖。圖中U2為高精度三相電參數(shù)和電量采集芯片(例如ADE7758)，U2通過SPI接口與單片機(jī)通訊連接，交換數(shù)據(jù)。U1為串行非易失性存儲(chǔ)器，可以是鐵電FRAM或EEPROM。U1用于存儲(chǔ)校正ABC三相采集電路和計(jì)量精度時(shí)的設(shè)定值，這樣在每次系統(tǒng)停電后重新上電時(shí)，單片機(jī)讀取U1內(nèi)保存的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)2的設(shè)置單元，使U2立刻按照校正的精度采集和計(jì)算參數(shù)。將U1和U2設(shè)計(jì)在一起，使每臺(tái)集中器的采集板可以互換，而不影響精度。電流互感器L1、電阻R1、R2、R3、R16，以及電容C1、C2組成A相差分式電流采樣電路，B相和C相的電流采樣電路與A相完全一樣。采用差分式采樣電路為集中器能夠計(jì)算出四象限無功電能量提供硬件基礎(chǔ)。電壓互感器T1，電阻R4-R11，電容C7組成A相電壓采樣電路，B相和C相的電壓采樣電路與A相完全一樣。以上電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊中的三相電參數(shù)和電量采集芯片對(duì)應(yīng)端口分別通過差分式電流采樣電路和電壓采樣電路外接待采集和監(jiān)控的臺(tái)區(qū)變壓器。
圖5的開關(guān)量輸出和模擬量輸入電路中，開關(guān)量輸出通道共三路，三路硬件完全一樣，單片機(jī)電路的單片機(jī)芯片I/O口接驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，驅(qū)動(dòng)電路與執(zhí)行電路通過光電耦合器耦合。電阻R1、R2，三級(jí)管N1，光電耦合器U1組成開關(guān)量輸出的驅(qū)動(dòng)電路。二極管D1，繼電器K1，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1，接線端子J1組成開關(guān)量輸出的執(zhí)行電路部分。通過連接J1的1-2腳和1-3腳可以實(shí)現(xiàn)常開常閉的選擇。模擬量輸入電路的輸出端接單片機(jī)電路單片機(jī)芯片的A/D口，模擬量的輸入通道共兩路，可以配置采樣不同的模擬信號(hào)(例如油溫、油壓等)。二極管D4和D5、D6和D7分別限制兩路輸入模擬信號(hào)的幅值。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F4是限制外部傳感器的吸入電流，確保集中器系統(tǒng)供電不受外界影響。
圖6的外部通訊接口電路中，U7、C19、C22、C23、C24、C25和九芯頭組成RS232接口電路，U7為RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)CPU輸出的串口TTL電平通過U7轉(zhuǎn)換成RS232電平。U1、C2、R6、R7、R8、R9、R10、J7組成PSTN(公共電話網(wǎng)接口)。U1為低功耗工業(yè)級(jí)嵌入式MODEM，以TTL電平與單片機(jī)CPU通訊。VCC與3.3V共地，但VCC為5V，而單片機(jī)斷口為3.3V，所以用R6-R10在嵌入式MODEM的輸出口限流進(jìn)行電壓匹配。U4-U7、R3-R13、R97、D13、J4組成RS485接口電路。U7為半雙工差分RS485收發(fā)器。U4-U6為光電隔離器，提高系統(tǒng)的EMC性能。D13為瞬間電壓抑止器(TVS)，R10、R11為聚合物自回復(fù)保險(xiǎn)絲。通過D13、R10、R11的保護(hù)，確保在遠(yuǎn)距離RS485通訊時(shí)，U7能安全穩(wěn)定工作。R22-R25、N3-N5、D7組成紅外通訊接口。N3為紅外接收管，D7為紅外發(fā)送管，PWM2為紅外發(fā)送38K調(diào)制信號(hào)輸入端。
由于單片機(jī)只能提供一個(gè)串口供外部通訊接口使用，而從上面所述外部通訊接口需要四個(gè)串口，所以本集中器設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本高效的一串口轉(zhuǎn)4串口的接口電路。該電路較專用一串口轉(zhuǎn)多串口芯片成本大幅降低，而性能不打折。本實(shí)施例采用高速模擬開關(guān)，構(gòu)成母串口(TXD0、RXD0)和子串口(TD1、RD1；TD2、RD2；TD3、RD3；TD4、RD4)的接口硬件。SEL1-SEL4信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)為高電平，則對(duì)應(yīng)子串口就可以與母串口接通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)接口電路與單片機(jī)的通訊。為了實(shí)現(xiàn)串口間的自動(dòng)切換，則需要將子串口的接收端與單片機(jī)的外部中斷收入端口相連。具體工作原理如下在外部通訊接口都沒有收到數(shù)據(jù)的時(shí)候，母串口始終與子串口4(TD4、RD4)相連(SEL1-SEL3為低電平，SEL4為高電平)。這樣做是因?yàn)榧衅鞴ぷ鳝h(huán)境中紅外線無處不在，對(duì)于集中器來說都是干擾信號(hào)。如果母串口沒有與子串口4相連的時(shí)候紅外干擾就會(huì)迫使集中器進(jìn)行串口的切換，這樣就造成了集中器頻繁切換串口，使通訊效率和成功率下降。當(dāng)子串口1～子串口3的數(shù)據(jù)接收端(RD1-RD3)由信號(hào)存在的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)外部中斷輸入口就會(huì)立刻會(huì)向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)對(duì)應(yīng)的中斷程序，通過數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)判斷，選擇實(shí)際需要通訊的子串口，進(jìn)行與外部接口的通訊。母串口與其中一個(gè)子串口通訊時(shí)，不再響應(yīng)其它子串口的通訊請(qǐng)求，直到該串口通訊結(jié)束母串口回到與串口4(紅外)連接的時(shí)候，子串口1～子串口3再進(jìn)行再一次的串口通訊申請(qǐng)。
需要說明的是，上述實(shí)施例的詳細(xì)說明，是非限制性的，除上述實(shí)施例外，本實(shí)用新型還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種多功能集中器，包括電源電路，單片機(jī)電路，外部通訊接口電路，所述單片機(jī)電路由單片機(jī)及外圍時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元構(gòu)成，其特征在于還含有外接電力輸送線路的載波耦合電路、外接待采集監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)變壓器的電能采集模塊以及電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊，所述載波耦合電路經(jīng)載波調(diào)制解調(diào)電路接所述單片機(jī)電路的載波通訊端，所述電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊的通訊端接所述單片機(jī)電路的監(jiān)控通訊端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能集中器，其特征在于所述調(diào)制解調(diào)電路采用一片載波調(diào)制解調(diào)芯片，所述載波調(diào)制解調(diào)芯片的信號(hào)接收端通過與非門分別與三相載波耦合電路中的載波發(fā)送電路切換連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多功能集中器，其特征在于所述載波調(diào)制解調(diào)芯片的信號(hào)接收端通過模擬開關(guān)分別與三相載波耦合電路中的載波接收電路切換連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述多功能集中器，其特征在于所述電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊含有三相電參數(shù)和電量采集芯片，所述三相電參數(shù)和電量采集芯片的對(duì)應(yīng)端口分別通過差分式電流采樣電路和電壓采樣電路外接待采集和監(jiān)控的臺(tái)區(qū)變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能集中器，其特征在于所述外部通訊接口電路包括RS232接口電路、公共電話網(wǎng)接口電路、RS485接口電路和紅外通訊接口電路，所述單片機(jī)電路中的單片機(jī)芯片通過一轉(zhuǎn)多串口芯片分別與所述各接口電路連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述多功能集中器，其特征在于還含有開關(guān)量輸出和模擬量輸入電路，所述單片機(jī)電路的單片機(jī)芯片I/O口接所述開關(guān)量輸出電路的驅(qū)動(dòng)電路輸入端，所述驅(qū)動(dòng)電路與執(zhí)行電路通過光電耦合器耦合；所述單片機(jī)電路的單片機(jī)芯片A/D口接所述模擬量輸入電路的輸出端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及到一種多功能集中器，屬于電力監(jiān)管設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域。該集中器包括電源電路，單片機(jī)電路，外部通訊接口電路，所述單片機(jī)電路由單片機(jī)及外圍時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元構(gòu)成，此外，還含有外接電力輸送線路的載波耦合電路、外接待采集監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)變壓器的電能采集模塊以及電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊，所述載波耦合電路經(jīng)載波調(diào)制解調(diào)電路接所述單片機(jī)電路的載波通訊端，所述電能采集模塊和電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控模塊的通訊端接所述單片機(jī)電路的監(jiān)控通訊端。本實(shí)用新型以電力線載波為主要信道，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電表數(shù)據(jù)的采集、臺(tái)區(qū)變壓器電能采集和監(jiān)測(cè)等功能，大大方便供電營銷部門的電力管理。
文檔編號(hào)G01R11/00GK2870030SQ20062006917
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者吳惠昌, 王曄 申請(qǐng)人:南京超表科技有限公司