一种用于极柱断路器的低功耗智能FTU的制作方法

一种用于极柱断路器的低功耗智能ftu
技术领域
1.本实用新型涉及ftu技术领域，具体是一种用于极柱断路器的低功耗智能ftu。


背景技术：

2.随着配电网设备的一二次融合进程逐步推进，一体化故障隔离装置等新型开关设备也逐步得到推广应用；传统的故障隔离装置通常由断路器本体、ftu测控终端、电磁式电压互感器这三部分组成，采用双侧取电模式，使一体化故障隔离装置与取能装置一体化设计，减少了现场施工接线错误的风险，但目前各相关断路器厂家产品电容取电功率最大约为25w，最小则为6w左右，而现有的ftu功耗约为20w左右，因此取电电容不能满足断路器本体和测控终端的整机工作功耗，还需增加额外的取电装置（如太阳能取电装置）作为补充，一方面提高了设备成本，另一方面且太阳能取能不稳定，随天气而变化。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的是为了解决传统ftu功耗过高，而导致需要额外增加取电装置的问题，提供一种用于极柱断路器的低功耗智能ftu。
4.本实用新型的具体方案是：一种用于极柱断路器的低功耗智能ftu，包括电压电流采集调理电路、模数转换电路、电源供电模块、低功耗mcu、隔离电路、驱动电路、线损模块、gprs模块、后备电池；所述电压电流采集调理电路用于采集极柱断路器的电压电流数据，所述电源供电模块取电端与极柱断路器开关的高压电容取能模块连接，电源供电模块的供电端与低功耗mcu连接，为低功耗mcu提供电源；所述驱动电路的输出端与极柱断路器的开关连接用于控制断路器的开或关。
5.本实用新型所述电压电流信号采集调理电路中，u20采用adi的低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，其具有低噪声、低功耗的特点，最大电源电流为1.3ma；rz1为气体放电管，防浪涌干扰，保障信号采集的真实稳定性。z1为tvs瞬变抑制二极管，防止静电放电干扰破坏，保证信号采集的稳定性。同时，电路采用了rc滤波电路，可有效滤除高频干扰，提高了装置的采样精度。
6.本实用新型所述隔离电路采用光电耦合器来进行信号的隔离传输，保证信号的一致性，也有效的保护了后级电路免受外部干扰信号的干扰破坏，提高装置的可靠性，也防止了装置信号的误报和误动作，另外，该光电耦合器的驱动电路小，功耗小，也降低了装置的整体功耗。
7.本实用新型所述后备电池充电管理电路由电阻r1、r2、r3、r4、r5、电容c1、c2、驱动三极管q1、开关mos管q2、保护二极管d1组成。电路利用驱动三极管q1的开关效应，通过r3电阻两端电压来驱动q1导通，间接驱动q2的导通关断，来为后备电池充电，电池充电电流以r3的阻值来计算i=0.5/r3；电路简洁，有效的将电池的充电电流限制在150ma（可以根据高压取能电容的输出功率来调整电池的充电功率），避免了因为电池充电功率过大而导致取能装置输出电压被拉低的问题，同时电路自身的损耗也极小，减小了装置的整体功耗。
8.本实用新型所述后备电池充电管理电路由电阻、电容、驱动三极管、开关mos管、保护二极管组成；电路利用驱动三极管的开关效应，通过r3电阻两端电压来驱动q1导通，间接驱动q2的导通关断，来为后备电池充电，电池充电电流以r3的阻值来计算i=0.5/r3；电路简洁，有效的将电池的充电电流限制在150ma（可以根据高压取能电容的输出功率来调整电池的充电功率），避免了因为电池充电功率过大而导致取能装置输出电压被拉低的问题，同时电路自身的损耗也极小，减小了装置的整体功耗。
9.本实用新型所述模数转换电路采用adi的集成ad芯片ad7606，具有八个通道的16位、同步采样、模数数据采集系统（das），器件包含模拟输入钳位保护、二阶抗混叠模拟滤波器、采样保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近模数转换器(adc)、灵活的数字滤波器、2.5v基准电压源和基准缓冲区以及高速串行和并行接口。另外，芯片采用单一的5v电源供电，可以适应
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10v和
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5v 真正双极性输入信号。
10.本实用新型所有通道都能以高达200ksps的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受高达
±
16.5v的电压。无论使用何种采样频率，ad7606 都有1mω模拟输入阻抗。由于采用单电源供电、片内滤波和高输入阻抗，所以无需驱动运算放大器和外部双极性电源。同时，其具有低功耗特性，低功耗模式下功耗100mw，待机模式下仅25mw，大大减小了装置的功耗。
11.本实用新型所述驱动电路采用光电耦合器作为信号隔离驱动器，有效的消除干扰信号对装置的影响，避免装置的误动作，而带来的停电事故。同时驱动装置开关的继电器，采用的是欧姆龙继电器，该继电器具有高灵敏度、高容量（可带16a负载），线圈吸合操作次数不小于100000次，保证了装置的使用寿命。
12.本实用新型所述集成式gprs模块，内部采用集成无线ic模组，满足dl/t634.5101-2002和dl/t634.5104-2009通信要求，无线通信模块与sim卡的接口符合gsm11.11的要求，与sim卡交互数据符合gsm11.14要求，兼容2g/3g/4g制式，支持端口数据监视功能，具备网络中断自动重连功能。同时，也支持本地维护功能，可通过本地维护接口调试、参数设置、状态查询和软件升级操作。另外，无线通讯模块平均工作功耗小于0.4w，启动及通讯过程中瞬时最大功耗不大于5w。
13.本实用新型所述线损模块采用了tvs瞬态抑制二极管，气体放电管等保护器件，保护模块免受静电和浪涌的干扰。该模块使用了微型mcu-v8530，其集成了cortex-m0核，256kb flash，32kb sram，uart/spi/i2c 接口，lcd，wdt 和rtc，支持多种低功耗工作模式，支持rtc电源独立供电。另外，模块使用了ic芯片v9203，作计量采集，其具有计量精度高，提供各种测量数据，支持全波有功功率分段比差校正（三段）和二次补偿（offset校正），支持全波/基波无功功率和基波有功功率比差校正和二次补偿（offset校正），还支持深睡眠模式，芯片电源完全关断后，此时芯片典型工作电流为0.2μa，最大化的降低了功率损耗。
14.本实用新型对目前常规型ftu的功耗进行测量分析，计算出各模块的实际功耗占比，分析结果表明电源模块和核心单元占据了终端的大部分功耗。然后从电源模块和核心单元两方面进行改进，提出一种低功耗ftu的设计方案，采用超低功耗型器件，经过理论分析该设计方案的工作功耗可以满足一二次深度融合型ftu的运行条件，并实现功能需求。
15.本实用新型中低功耗终端核心单元设计，采用低功耗型mcu，信号调理采样使用超低功耗型运放，dc电源使用高效的24vdc/5vdc、5vdc/
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5vdc、5vdc/3.3vdc，模块电路电源
采用受控电源，对功耗加以控制，减小功耗。低功耗电源模块设计，电源模块是ftu整机系统供电的核心模块，用于实现各种输入电压的管理和分配、输出电压给系统各模块供电、蓄电池的充电，来实现对装置电池的充放电管理。
16.本实用新型相比现有技术具有以下优点：低功耗智能ftu整机功耗小于1.2w，固封极柱内置高压电容取能装置完全满足其低功耗运行，不需要额外增加取电装置，降低了制造成本。
附图说明
17.图1是本实用新型的主拓扑电路图；
18.图2是本实用新型电压电流信号采集调理电路示意图；
19.图3是本实用新型信号隔离电路示意图；
20.图4是本实用新型后备电池放电管理电路示意图；
21.图5是本实用新型电池充电管理电路示意图；
22.图6是本实用新型模数转换电路示意图；
23.图7是本实用新型开关驱动电路示意图。
具体实施方式
24.参见图1，本实施例是一种用于极柱断路器的低功耗智能ftu，包括电压电流采集调理电路、模数转换电路、电源供电模块、低功耗mcu、隔离电路、驱动电路、线损模块、gprs模块、后备电池；所述电压电流采集调理电路用于采集极柱断路器的电压电流数据，所述电源供电模块取电端与极柱断路器开关的高压电容取能模块连接，电源供电模块的供电端与低功耗mcu连接，为低功耗mcu提供电源；所述驱动电路的输出端与极柱断路器的开关连接用于控制断路器的开或关。
25.参见图2，所述电压电流信号采集调理电路中，u20采用adi的低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，其具有低噪声、低功耗的特点，最大电源电流为1.3ma；rz1为气体放电管，防浪涌干扰，保障信号采集的真实稳定性。z1为tvs瞬变抑制二极管，防止静电放电干扰破坏，保证信号采集的稳定性。同时，电路采用了rc滤波电路，可有效滤除高频干扰，提高了装置的采样精度。
26.参见图3，所述隔离电路采用光电耦合器来进行信号的隔离传输，保证信号的一致性，也有效的保护了后级电路免受外部干扰信号的干扰破坏，提高装置的可靠性，也防止了装置信号的误报和误动作，另外，该光电耦合器的驱动电路小，功耗小，也降低了装置的整体功耗。
27.参见图4，所述后备电池放电管理电路中，芯片u35、储能电容c143、c144、稳压管d9、电阻r139、r140组成电池电压检测芯片u35的驱动电路；芯片u35、电阻r147、r148、r149、电容c145组成电池关断电压检测电路；芯片u35、开关mos管q5、驱动三极管q6、电阻r141、r142、r144组成电池的输出电路。其中芯片u35采用cn301，具有极低功耗的特性；该电路工作原理是：当key+、key-闭合时，稳压管d9为芯片u35提高恒定工作电压，芯片u35检测电池电压大于预制的关断电压时，打开开关mos管q5，电池输出电压打开；反之，则关闭开关mos管q5，电池输出电压关闭。该电路可以实时监测电池电压，电池电压低于预制的关断电压，
就立马关断电池输出，有效的避免了电池过度放电问题。
28.参见图5，所述后备电池充电管理电路由电阻r1、r2、r3、r4、r5、电容c1、c2、驱动三极管q1、开关mos管q2、保护二极管d1组成。电路利用驱动三极管q1的开关效应，通过r3电阻两端电压来驱动q1导通，间接驱动q2的导通关断，来为后备电池充电，电池充电电流以r3的阻值来计算i=0.5/r3；电路简洁，有效的将电池的充电电流限制在150ma（可以根据高压取能电容的输出功率来调整电池的充电功率），避免了因为电池充电功率过大而导致取能装置输出电压被拉低的问题，同时电路自身的损耗也极小，减小了装置的整体功耗。
29.参见图6，所述模数转换电路采用adi的集成ad芯片ad7606，具有八个通道的16位、同步采样、模数数据采集系统（das），器件包含模拟输入钳位保护、二阶抗混叠模拟滤波器、采样保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近模数转换器(adc)、灵活的数字滤波器、2.5v基准电压源和基准缓冲区以及高速串行和并行接口。另外，芯片采用单一的5v电源供电，可以适应
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10v和
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5v 真正双极性输入信号。
30.同时，所有通道都能以高达200ksps的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受高达
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16.5v的电压。无论使用何种采样频率，ad7606 都有1mω模拟输入阻抗。由于采用单电源供电、片内滤波和高输入阻抗，所以无需驱动运算放大器和外部双极性电源。同时，其具有低功耗特性，低功耗模式下功耗100mw，待机模式下仅25mw，大大减小了装置的功耗。
31.参见图7，所述驱动电路采用光电耦合器作为信号隔离驱动器，有效的消除干扰信号对装置的影响，避免装置的误动作，而带来的停电事故。同时驱动装置开关的继电器，采用的是欧姆龙继电器，该继电器具有高灵敏度、高容量（可带16a负载），线圈吸合操作次数不小于100000次，保证了装置的使用寿命。
32.所述集成式gprs模块，内部采用集成无线ic模组，满足dl/t634.5101-2002和dl/t634.5104-2009通信要求，无线通信模块与sim卡的接口符合gsm11.11的要求，与sim卡交互数据符合gsm11.14要求，兼容2g/3g/4g制式，支持端口数据监视功能，具备网络中断自动重连功能。同时，也支持本地维护功能，可通过本地维护接口调试、参数设置、状态查询和软件升级操作。另外，无线通讯模块平均工作功耗小于0.4w，启动及通讯过程中瞬时最大功耗不大于5w。
33.所述线损模块采用了tvs瞬态抑制二极管，气体放电管等保护器件，保护模块免受静电和浪涌的干扰。该模块使用了微型mcu-v8530，其集成了cortex-m0核，256kb flash，32kb sram，uart/spi/i2c 接口，lcd，wdt 和rtc，支持多种低功耗工作模式，支持rtc电源独立供电。另外，模块使用了ic芯片v9203，作计量采集，其具有计量精度高，提供各种测量数据，支持全波有功功率分段比差校正（三段）和二次补偿（offset校正），支持全波/基波无功功率和基波有功功率比差校正和二次补偿（offset校正），还支持深睡眠模式，芯片电源完全关断后，此时芯片典型工作电流为0.2μa，最大化的降低了功率损耗。
34.本实施例对目前常规型ftu的功耗进行测量分析，计算出各模块的实际功耗占比，分析结果表明电源模块和核心单元占据了终端的大部分功耗。然后从电源模块和核心单元两方面进行改进，提出一种低功耗ftu的设计方案，采用超低功耗型器件，经过理论分析该设计方案的工作功耗可以满足一二次深度融合型ftu的运行条件，并实现功能需求。
35.本实施例中低功耗终端核心单元设计，采用低功耗型mcu，信号调理采样使用超低功耗型运放，dc电源使用高效的24vdc/5vdc、5vdc/
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5vdc、5vdc/3.3vdc，模块电路电源采
用受控电源，对功耗加以控制，减小功耗。低功耗电源模块设计，电源模块是ftu整机系统供电的核心模块，用于实现各种输入电压的管理和分配、输出电压给系统各模块供电、蓄电池的充电，来实现对装置电池的充放电管理。