一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端，电流型监测终端安装在各条馈线侧，电压型监测终端安装在10kV母线侧，将10kV电压经电压互感器降压后接入电压型监测终端，将馈线电流经电流互感器转换成较小的电流信号接入电流型监测终端，电压型监测终端从10kV母线侧的电压互感器的二次侧取三相电压和零序电压，电流型监测终端从10kV馈线侧的电流互感器的二次侧取三相电流和零序电流，电流型监测终端与电压型监测终端采用主从方式通信。本实用新型的系统分布式架构有利于减少互感器二次侧电缆线路的布线，而利用简单的通信线路予以替代，具有简化现场安装接线，抗干扰能力强，降低投资和运行维护成本等优点。
【专利说明】
一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种故障监测终端，特别是一种基于以太网的10kV馈线故障监测 终端。
【背景技术】
[0002] 我国中压10kV电压等级的接地方式采用小电流接地方式，主要的故障类型是单相 接地故障。由于发生单相接地故障，故障选线和定位困难，高阻接地难以判断，因此电力系 统规程允许单相接地故障时，带故障运行1~2小时。但是，单相接地故障引起的非故障相电 压升高，以及常常伴随弧光接地等现象，对人身和设备存在巨大的安全隐患。因此，对10kV 馈线和母线的实时监测显得尤为重要。这将为故障选线和定位提供宝贵的现场数据，也便 于事后运行人员根据故障波形分析故障原因。
[0003] 现有的10kV馈线故障监测系统可以分为集中式和分布式。集中式的监测系统将互 感器二次侧的模拟信号通过电缆集中传输至工控机，但存在模拟信号路数多，安装复杂，易 受干扰等问题。分布式的监测系统在装置安装处将模拟信号转换成数字信号，采用通信电 缆传输至集中器，再由集中器发送至远方监控平台。由于装置的数目与馈线数目有关，分布 式监测系统的成本相对较高。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种有利于减少互感器 二次侧电缆线路的布线，而利用简单的通信线路予以替代，具有简化现场安装接线，抗干扰 能力强，降低投资和运行维护成本等优点的一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端。
[0005] -种基于以太网的10kV馈线故障监测终端，包括有电流型监测终端及电压型监测 终端，电流型监测终端安装在各条馈线侧，电压型监测终端安装在10kV母线侧，将10kV电压 经电压互感器降压后接入电压型监测终端，将馈线电流经电流互感器转换成较小的电流信 号接入电流型监测终端，电压型监测终端从10kV母线侧的电压互感器的二次侧取三相电压 和零序电压，电流型监测终端从10kV馈线侧的电流互感器的二次侧取三相电流和零序电 流，电流型监测终端与电压型监测终端采用主从方式通信，两者通过总线相连，电压型监测 终端与远程监控平台通信连接。
[0006] 本实用新型的一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端，通过电压型监测终端与 电流型监测终端相互结合，利用电压型监测终端既具有母线电压采集的功能，又具有通信 管理机的功能，比通常的分布式监测系统少了一台通信管理机，具有结构简单，投资及运行 成本低的优点。
[0007] 所述的电流型监测终端与电压型监测终端采用RS-485主从方式实现通信，硬件上 通过485总线相连。
[0008] 所述的电流型监测终端包括有CPU板卡、开关量输入输出板卡、电流采集板卡及母 板，CPU板卡、开关量输入输出板卡、电流采集板卡分别与母板相连，实现馈线三相电流和零 序电流实时采集，以及与电压型监测终端的信息交互。
[0009] 所述的电压型监测终端包括有CPU板卡、开关量输入输出板卡、电压采集板卡及母 板，CPU板卡、开关量输入输出板卡、电压采集板卡分别与母板相连，对母线三相电压和零序 电压实时采集，并与电流型监测终端和远方监控平台保持数据交互。
[0010] 所述的CPU板卡内部包括微控制器M⑶模块、RS-485通信模块、以太网通信模块、人 机交互模块、AD米样模块、外部存储器模块、开关量输入输出模块和电源模块，RS-485通信 模块、以太网通信模块、人机交互模块、AD采样模块、外部存储器模块、开关量输入输出模块 分别与微控制器MCU模块相连，电源模块给整个CPU板卡供电。
[0011] 综上所述的，本实用新型相比现有技术如下优点：
[0012] 本实用新型一种基于以太网的l〇kV馈线故障监测终端可以实现对10kV馈线和母 线的监测，通过RS-485和以太网通信方式，接线简易方便，对现场的适应性强。系统分布式 架构有利于减少互感器二次侧电缆线路的布线，而利用简单的通信线路予以替代，具有简 化现场安装接线，抗干扰能力强，降低投资和运行维护成本等优点。监测终端采用板卡拔插 式，扩展性强，类型多样，不仅可以实现电压和电流的采集，还可以实现开关状态监测，实现 变电站10kV电压等级主要一次设备故障期间的状态信息监测，便于运行人员从整体上分析 故障原因。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型的电流型监测终端及电压型监测终端与电网的连接图。
[0014] 图2是电流型监测终端与电压型监测终端及远程监控平台的通信连接关系。
[0015] 图3是电流型监测终端的框架图。
[0016] 图4是电压型监测终端的框架图。
[0017]图5是一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端的CPU板卡内部结构图。
[0018] 图6是微控制器M⑶模块的内部结构图。
[0019] 图7是本实用新型实施例的以太网通信模块示意图。
[0020] 图8是本实用新型实施例的RS-485通信模块示意图。
[0021 ]图9是本实用新型实施例的人机交互模块示意图。
[0022]图10是本实用新型实施例的AD采样模块示意图。
[0023] 图11是本实用新型实施例的外部存储器模块示意图。
[0024] 图12是本实用新型实施例的开关量输入输出模块示意图。
[0025] 图13是本实用新型实施例的电源模块示意图。
[0026]图14是本实用新型实施例的电流米集板卡不意图。
[0027] 图15是本实用新型实施例的电压采集板卡示意图。
[0028] 图16是本实用新型实施例的开关量输入输出板卡示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合实施例对本实用新型进行更详细的描述。
[0030] 实施例1
[0031] -种基于以太网的10kV馈线故障监测终端，包括有电流型监测终端及电压型监测 终端，电流型监测终端安装在各条馈线侧，电压型监测终端安装在lOkV母线侧，将lOkV电压 经电压互感器降压后接入电压型监测终端，将馈线电流经电流互感器转换成较小的电流信 号接入电流型监测终端，电压型监测终端从10kV母线侧的电压互感器的二次侧取三相电压 和零序电压，电流型监测终端从10kV馈线侧的电流互感器的二次侧取三相电流和零序电 流，电流型监测终端与电压型监测终端采用RS-485主从方式通信，两者通过485总线相连， 电压型监测终端与远程监控平台采用以太网通信方式，通过网线等以太网设备相连。
[0032] 图1所示为两种监测终端与电网的连接关系。电流型监测终端安装在各条馈线侧， 电压型监测终端安装在10kV母线侧。G表示系统侧等效电源，电压等级为110kV;T表示主变 压器，将电压等级从110kV降至10kV;PT表示10kV母线侧的电压互感器，将10kV电压降压后 接入电压型监测终端;CT表示10kV馈线侧的电流互感器，将电流转换成较小的电流信号接 入电流型监测终端。电压型监测终端从10kV母线侧的电压互感器的二次侧取三相电压和零 序电压，电流型监测终端从1 OkV馈线侧的电流互感器的二次侧取三相电流和零序电流。
[0033] 图2所示两种监测终端的通信连接关系。电流型监测终端与电压型监测终端采用 RS-485主从方式实现通信，硬件上通过485总线相连。电压型监测终端与远程监控平台采用 以太网通信方式，通过网线等以太网设备相连。
[0034] 所述的一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端由多个PCB板卡构成。PCB板卡分 成:CPU板卡、电流采集板卡、电压采集板卡、开关量输入输出板卡、母板。如图3所示，电流型 监测终端由CPU板卡、开关量输入输出板卡、电流采集板卡、母板组成，实现馈线三相电流和 零序电流实时采集，以及与电压型监测终端的信息交互。如图4所示，电压型监测终端由CPU 板卡、开关量输入输出板卡、电压采集板卡、母板组成，对母线三相电压和零序电压实时采 集，并与电流型监测终端和远方监控平台保持数据交互，这样节省了一台专门用于数据通 信管理的集中器。
[0035] 图5为所述的一种基于以太网的10kV馈线故障监测终端的CPU板卡内部结构图。所 述的CPU板卡包括微控制器M⑶模块、RS-485通信模块、以太网通信模块、人机交互模块、AD 采样模块、外部存储器模块、开关量输入输出模块和电源模块等。
[0036] (1)如图6所示，所述的微控制器M⑶模块由晶振电路、复位电路、SWD接口电路、掉 电保持电路等组成。
[0037] 1)微控制器MCU采用意法半导体公司生产的32位单片机STM32F407VGT6,工作电压 为+3.3V。微控制器M⑶芯片内置1MB的Flash存储器用于存储程序代码和196KB的静态随机 存取存储器SRAM用于存储数据。同时集成有3个高速(37.5Mbits/s)的串行外设接口 SPI，4 个通用同步/异步串行接收/发送器USART，17个定时器等外设。
[0038] 2 )所述的晶振电路采用外部晶振8MHz和32.768kHz作为微控制器MCU的时钟源， 8MHz晶振和MCU的外部振荡器引脚0SC_IN和0SC_0UT相连，32.768kHz晶振和MCU的LSE振荡 器引脚0SC32_IN和0SC32_0UT相连。8MHz作为MCU的主时钟，经倍频后得到MCU的主频。 32.768kHz为实时时钟RTC提供低功耗且精准的时钟源。
[0039] 3)所述的复位电路采用美国頂P公司生产的MP706作为MCU微控制器的电源监控 芯片，实现上电复位、掉电复位、硬件看门狗等功能。MCU通过PC0引脚与頂P706芯片的WDI引 脚相连，实现对頂P706定时器的清零，8卩"喂狗"。頂P706的复位引脚_与MCU的NRST引脚 相连，实现对MCU的复位。
[0040] 4)所述的SWD接口电路采用SEGGER公司生产的J-Link仿真器与MCU的时钟信号 SWCLK、双向数据信号SWDI0、外部复位NRST引脚相连，实现对MCU的程序烧写。
[0041 ] 5)所述的掉电保持电路采用3.6V的电池经高速开关二极管1N4148接入M⑶的VBAT 引脚，实现电源断电后，为MCU的实时时钟RTC和备份寄存器提供电源。
[0042]所述的通信模块由以太网通信模块和RS-485通信模块组成。
[0043] 1)如图7所示，所述的以太网通信模块采用成都浩然电子有限公司生产的HS- NM5200A。以太网模块具有支持硬件TCP/IP协议，支持8个独立的Socket同时工作，内置32KB 的存储器用于发送/接收数据缓存，内嵌10/lOOBase TX以太网物理层，工作电压3.3V，带内 置网络变压器的RJ-45座，并具有以太网连接LED指示和数据通信LED指示等特点。以太网通 信模块与MCU接口采用高速SPI总线，M⑶作为SPI通信方式的主机，以太网通信模块作为从 机，时钟信号SCLK由主机M⑶产生。以太网通信模块的主机输入从机输出MIS0、主机输出从 机输入M0SI、时钟信号SCLK分别与MCU的SPI3的MIS0、M0SI、SCLK引脚相连。以太网通信模块 的其他辅助引脚:片选兔改、中断INT、复位RST、功率控制PWDN分别与MCU的PB6、PD7、PD6和 PD5引脚相连。
[0044] 如图8所示，所述的RS-485通信模块采用广州致远电子股份有限公司生产的嵌入 式隔离RS-485收发器1^104850^1^-485通信模块具有工作电压3.3V，至少可连接32个节 点，温宽-40°〇+85°(：。1?-485通信模块与MCU的接口采用USART方式中的异步串行通信方 式。RS-485通信模块的发送端T)(D、接收端RXD、控制端C0N分别与MCU的USART3的发送数据输 出TX、接收数据输入RX和PA15引脚相连。
[0045] 如图9所示，所述的人机交互模块由状态指示电路和拨码开关电路组成。
[0046] 1)所述的状态指示电路由4个LED灯组成，分别用于指示监测终端的供电状态 LED1、以太网连接状态LED2、RS-485连接状态LED3和异常状态LED4。一旦CPU板卡上电，则 LED1点亮，指示板卡处于正常供电状态。由MCU的PE5、PE6和PC13引脚分别控制LED2、LED3和 LED4〇
[0047] 2)所述的拨码开关电路通过6位的拨码开关设置监测终端的地址和监测终端类 型，最高位用于设置监测终端类型（电压型监测终端或者电流型监测终端），其余5位用于设 置监测终端的地址，最大寻址为32个。6路的拨码开关状态输入至MCU的H)15、PC6、PC7、PC8、 PC9和PA8引脚，MCU根据引脚的高低电平获取监测终端的地址。
[0048]如图10所示，所述的AD采样模块采用ADI亚德诺公司生产的AD7606模数转换芯片， 用于将经电流采集板卡或电压采集板卡输出的电压信号(VI~V8)转换成数字信号送至MCU。 AD7606芯片支持8路同步16位双极性模拟信号输入，输入范围有± 10V和± 5V可选，最高采 样率为每秒200k个采样点，工作电压需要2.5V的基准电压源、2.3V~5V单模拟电源。AD7606 芯片与M⑶接口采用高速SPI总线，M⑶作为SPI通信方式的主机，AD7606芯片作为从机，时钟 信号SCLK由主机MCU产生。AD7606芯片的串行接口数据输出引脚D0UTA、时钟线SCLK分别与 M⑶的SPI1的主机输入从机输出MIS0、时钟信号SCLK相连。AD7606芯片的转换开始输入A通 道⑶NVST A和转换开始输入B通道C0NVST B相连一起接入MCU的PC4引脚，由PC4引脚启动8 路模拟输入通道的转换。AD7606芯片的片选6|、输出忙BUSY、复位RESET、过采样模式0S0、 031、052分别与]\〇]的?六4、？03、？六7、？81、？80、？05引脚相连。其中片选捏用于选中六07606芯 片；输出忙BUSY用于指示模数转换结束，可以准备读取数字信号；复位RESET用于复位 AD7606芯片;过采样模式0S0、0S1、0S2-起实现对AD7606芯片采样率的设置。直流电压5V作 为单模拟电源接入AD7606,直流电压2.5V作为基准电压源与AD7606的REFIN引脚相连。 [0049]如图11所示，所述的外部存储器模块采用SST硅存储技术公司生产的SST25VF032B 串行闪存芯片，用于存储故障数据。对于电压型监测终端的外部存储器用于存储故障期间 本母线下各条馈线的三相电流和零序电流数据，以及本母线的三相电压和零序电压数据。 对于电流型监测终端的外部存储器用于存储故障期间本馈线的三相电流和零序电流数据。 SST25VF032B芯片的存储容量为32Mbit，支持SPI的工作模式0和工作模式3,时钟频率最高 可达80MHz，温宽-40°0+85°C。SST25VF032B芯片与MCU接口采用高速SPI总线，MCU作为SPI 通信方式的主机，SST25VF032B芯片作为从机，时钟信号SCLK由主机MCU产生。SST25VF032B 芯片的串行数据输出S0、串行数据输入SI、串行时钟SCK分别与MCU的SPI2的主机输入从机 输出MIS0、主机输出从机输入M0SI、时钟信号SCLK相连。SST25VF032B芯片的片选CS、写保护 WP、保持HOLD分别与MCU的ro9、roiO、PD8引脚相连。其中片选CS用于选中SST25VF032B芯片； 写保护WP用于保护SST25VF032B芯片内存储数据不被误修改;保持HOLD用于暂时停止MCU与 SST25VF032B的串行通信。
[0050] 如图12所示，所述的开关量输入输出模块由开关量输入模块和开关量输出模块组 成，用于隔离和控制输入输出开关量，提高信号的抗干扰能力。
[0051] 1)所述的开关量输入模块，开关量输入输出板卡的5路开关量输入信号经母板至 CHJ板卡上的端子，接入JIN1~JIN5引脚。再经5路光耦TLP127隔离后得到SW_IN1~SW_IN5信 号，分别与MCU的？￡0、？￡1、？￡2、？￡3、？￡4引脚相连。1'1^127采用日本东芝公司生产的耐高压 达林顿输出光耦，最大集电极_发射极电压为300V，电流传输比1000%，隔离电压有效值 2500V〇
[0052] 2)所述的开关量输出模块，MCU的洲11、？810、？￡15、？￡14、？￡13引脚与开关量输出 模块的SW_0UT1~SW_0UT5相连，分别经5路光耦TLP127输出至板卡上的接线端子，再通过母 板接入开关量输入输出板卡。其中MCU的PE12引脚经光耦PC817作为开关量输出的公共控制 端COM，防止终端上电时电压不稳引起开关量输出误动。PC817采用日本夏普公司生产的光 耦，电流传输比50%，隔离电压有效值5000V。
[0053]如图13所示，所述的电源模块由AD/DC电源模块、DC/DC电源模块、稳压电路等组 成，作为微控制器MCU模块、通信模块、人机交互模块、AD采样模块、外部存储器模块、开关量 输入输出模块等供电电源。
[0054] 1)所述的AD/DC电源模块采用深圳市耀华电源技术有限公司生产的YAW10S05将交 流电压2 20V转换成直流电压5 V，作为监测终端的直流供电电源。YAW10 S0 5的交流电压输入 范围为85V~265V，输出功率10W，输出电压5.05V，输出电流2A，典型转换效率为76%。
[0055] 2)所述的DC/DC电源模块采用深圳市耀华电源技术有限公司生产的DY05S24-1W将 直流电压5V转换成直流电压24V，作为开关量输入输出模块的24V隔离电源。DY05S24-1W的 输入电压范围4.5V~5.5V，输出电压24V，输出功率1W。
[0056] 3)所述的稳压电路由3个稳压芯片组成。采用National Semiconductor美国国家 半导体公司生产的LM2596S-ADJ稳压芯片，根据其数据手册推荐电路设计参数将直流电压 5V转换为直流电压4.27。11125963-401稳压芯片的温宽-40°〇+125°(：，最大负荷电流为3八。 采用CYSTEKEC台湾全宇昕科技公司生产的LM1117-3.3稳压芯片将直流电压5V转换成直流 电压3.3V。LM1117-3.3稳压芯片的温宽-65 °0+150 °C，输出电流可达1A。
[0057] 如图14所示，所述的电流采集板卡包括5个电流变换器，分别用于测量馈线三相电 流、大量程零序电流和小量程零序电流。电流变换器采用湖北天瑞电子有限公司生产的录 波用电压输出电流变换器TR0101-4G、TR0115 3-2G和TR01116-2BA。TR010-4G将100A电流转 换成3.53V电压，额定电流为100A，测量精度为0.1级，最大过载电流为6000A，耐压为3000V/ min，工作温度为-25°0+65°C，工作频率为45Hz~1500HZJR01153-2G将40A电流转换成 3.53V电压，电流测量范围1A~40A，测量精度为0.3级，最大过载电流为2400A，耐压为3000V/ min，工作温度为-25°0+65 °C，工作频率为45Hz~1500Hz。TR01116-2BA将5A电流转换成 3.53V电压，电流测量范围0.02A~5A，测量精度为0.5级。3个TR0101-4G将馈线三相电流(A 相、B相、C相电流)转换成电压信号。1个TR01153-2G和1个TR01116-2BA均将馈线零序电流转 换成电压信号，前者用于测量幅值较大的零序电流，称为大量程零序电流;后者用于测量幅 值较小的零序电流，称为小量程零序电流。转换后电压信号经母板送入CPU板卡的AD采样模 块。
[0058] 如图15所示，所述的电压采集板卡包括4个电压变换器，分别用于测量母线三相电 压和零序电压。电压变换器采用湖北天瑞电子有限公司生产的录波用电压输出电压变换器 TR1101-4GJR1101-4G将200V电压转换成3.53V电压，额定电压为200V，测量精度为0.1级， 最大过载电压为400V，耐压2500V/min，工作温度为-25°0+65°C，工作频率为45Hz~1500Hz。 4个TR1101-4G分别将母线三相电压(A相、B相、C相电压）和零序电压转换成较低的电压信 号。转换后的电压信号经母板送入CPU板卡的AD采样模块。
[0059] 如图16所不，所述的开关量输入输出板卡包括5路的开关量输入和5路的开关量输 出。开关量输入中含有5个光親TLP127,开关量输出中含有5个继电器。终端外部5路开关量 输入信号IN1~IN5经端子接入开关量输入输出板卡，经光耦TLP127隔离后，从母板送入CPU 板卡的开关量输入模块。CPU板卡的开关量输出模块将5路控制信号J0UT1~J0UT5经母板送 入开关量输入输出板卡的继电器，通过继电器的触点控制终端外部信号。每个继电器控制 输出接有2个引脚，共有5个继电器，故有10个引脚(RELAY 1_1 ~RELAY5_2 )。其中继电器采用 的是宏发科技股份有限公司生产的超小型中功率继电器HF32F-G/024-HS，触点形式为1个， 线圈电压为24V，最大切换电流为10A，最大切换电压250V交流电压或者30V直流电压，温宽-40°O+85°C。
[0060] 本实施例未述部分与现有技术相同。
【主权项】
1. 一种基于以太网的IOkV馈线故障监测终端，其特征在于:包括有电流型监测终端及 电压型监测终端，电流型监测终端安装在各条馈线侧，电压型监测终端安装在IOkV母线侧， 将IOkV电压经电压互感器降压后接入电压型监测终端，将馈线电流经电流互感器转换成电 流信号接入电流型监测终端，电压型监测终端从IOkV母线侧的电压互感器的二次侧取三相 电压和零序电压，电流型监测终端从IOkV馈线侧的电流互感器的二次侧取三相电流和零序 电流，电流型监测终端与电压型监测终端采用主从方式通信，两者通过总线相连，电压型监 测终端与远程监控平台采用以太网通信方式，通过网线以太网设备相连。2. 根据权利要求1所述的基于以太网的IOkV馈线故障监测终端，其特征在于:所述的电 流型监测终端与电压型监测终端采用RS-485主从方式实现通信，硬件上通过485总线相连。3. 根据权利要求2所述的基于以太网的IOkV馈线故障监测终端，其特征在于:所述的电 流型监测终端包括有CPU板卡、开关量输入输出板卡、电流采集板卡及母板，CPU板卡、开关 量输入输出板卡、电流采集板卡分别与母板相连，实现馈线三相电流和零序电流实时采集， 以及与电压型监测终端的信息交互。4. 根据权利要求3所述的基于以太网的IOkV馈线故障监测终端，其特征在于:所述的电 压型监测终端包括有CPU板卡、开关量输入输出板卡、电压采集板卡及母板，CPU板卡、开关 量输入输出板卡、电压采集板卡分别与母板相连，对母线三相电压和零序电压实时采集，并 与电流型监测终端和远方监控平台保持数据交互。5. 根据权利要求4所述的基于以太网的IOkV馈线故障监测终端，其特征在于：所述的 CPU板卡内部包括微控制器M⑶模块、RS-485通信模块、以太网通信模块、人机交互模块、AD 采样模块、外部存储器模块、开关量输入输出模块和电源模块，RS-485通信模块、以太网通 信模块、人机交互模块、AD采样模块、外部存储器模块、开关量输入输出模块分别与微控制 器MCU模块相连，电源模块给整个CPU板卡供电。
【文档编号】G01R31/08GK205506996SQ201620048938
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月19日
【发明人】蔡晓榆, 许建昆, 王文祝, 佘永红, 陈坤洲, 蔡奕龙, 潘顺发, 杨冬明
【申请人】国网福建省电力有限公司, 国家电网公司, 国网福建石狮市供电有限公司, 福州大学