低压电力电网载波智能控制系统分站的制作方法

本实用新型涉及一种智能控制系统分站，尤其涉及基于低压电力电网复杂工况作业环境的载波工业控制系统的分站。

背景技术：

随着工业技术4.0+互联网技术的发展，在工业生产自动化应用领域，工业电气设备的网络控制越来越多的得到了运用。这些控制系统大多由集中控制器经过GPRS连接的点对点的数据交互，例如，电力电表用户终端就是这样的通信模式。这种工作模式仅用于居民区和商用办公的电能表的抄表和局部的路灯控制，无法适用于工业现场的每一个设备，更不能够用于工业现场电磁干扰的工况环境的设备控制和检测。然而，在工业应用领域以及危及人身生命和财产安全的爆炸性危险场所，对于每一台运行的设备进行安全性能和状态的实时监控，是保障安全生产的必要技术手段。因此，在这种工业环境中，在线的设备的检测、控制、数据和信息的交换等，必须在同一个网络平台上全方位实现联网与控制。

随着电力线载波通信技术(PLC：Power Line Communication)的发展，电力线载波通信是以电力网作为通信通道进行载波通信的一种有线通信方式。当前，如在防爆电器等应用领域内的用电设备、照明控制、通讯系统、安全防范监控系统、危险场所的环境监测、重点设备的实时控制与监控等，仍采用的是人工传统的控制方式、仍采用独立运作的互不协同的工作形式、以及人工分断的操作方式，不利于自动化的检测和控制，也无法实现安全高效、节能减排的目标，从而造成大量的人力和物力的浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供基于690V及以下低压电网电力载波技术实现的低压电力网智能控制系统分站。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种低压电力电网载波智能控制系统分站，所述分站的数量为其所属主站下的N＝2ⁿ，n为大于等于0的整数；

所述分站之间通过二级电力线、中继器连接或无线连接；

所述分站与所述主站之间通过一级电力线连接；

所述分站与所辖终端之间通过三级电力线连接；

所述分站包括低功耗载波收发单元、自适应组网算法单元、自适应多频段通信单元、终端群组网单元以及编解码单元；

其中低功耗载波收发单元用于与所述主站以及所述终端进行通讯；

所述自适应组网算法单元用于根据检测的各相电力线的通讯状态选择合适相的电力线进行组网通讯；

所述自适应多频段通信单元用于根据各相电力线的通讯状态自适应地选择合适的频段进行载波通讯；

所述终端群组网单元用于根据电力线的频谱情况选择最优的路径，与所述终端保持实时沟通；

所述编解码单元用于在所述主站和所述终端之间进行信息或指令的解码与传送。

优选地，所述分站还包括TCP/IP通讯模块和/或光纤光缆通讯模块和/或CAN总线通讯模块和/或RS-485总线和/或USB数据总线和/或WIFI通讯模块；

所述自适应组网算法单元，用于在检测的各相电力线的载波通讯状态符合预设条件时，选择TCP/IP通讯模块或光纤光缆通讯模块或CAN总线通讯模块或RS-485总线或USB数据总线或WIFI通讯模块实现所述分站之间、所述分站与所述主站之间、所述分站与所述终端之间的通讯。

优选地，所述分站还包括上电时钟校时单元，用于在上电时完成时钟的同步。

优选地，所述分站还包括人机交互界面，用于接收用户输入的信息并显示所述分站获取或计算得到的信息。

优选地，所述人机交互界面为防爆触摸屏，所述防爆触摸屏由LCD显示器、钢化玻璃触摸感应板和安全栅电路组成；

所述钢化玻璃触摸感应板包括两层钢化玻璃，所述两层钢化玻璃中间涂覆有透明的光学粘结树脂胶，所述钢化玻璃的触摸面上蚀刻有第一电阻线条并覆有透明的绝缘胶片，所述绝缘胶片上蚀刻有与所述第一电阻线条垂直的第二电阻线条，所述第二电阻线条上覆有透明触摸胶片。

优选地，所述分站还包括RFID通讯单元，用于通过RFID通讯方式与外界设备进行通信；

和/或；

所述分站还包括数据存储单元，用于将获取或计算得到的数据进行保存；

和/或；

所述分站还包括数据二次加密及解密单元，用于对要发送的数据进行加密并对接收的数据进行解密。

优选地，所述分站还包括终端地理位置信息甄别单元，用于甄别和区分各个终端在地理信息坐标系统上的位置信息。

优选地，所述分站还包括应急通信与控制单元，用于在应急状态下建立通信和保障安全；

和/或；

所述分站还包括异常报警单元，用于在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号。

优选地，所述分站还包括终端维护与离网安全操作单元，用于在终端出现故障或有异常情况时，将故障的终端分离或移除出网络进行维护。

优选地，所述分站还包括终端程序化设定单元，用于完成预先设置的程序化运行的指令或动作。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型智能控制系统分站充分利用电力线作为物理导体，以电力线为基本元素，构建成为任意形态的树状结构拓扑，形成向上一级控制系统中心站上传信息、数据，向下一级分站和网络终端传送命令，接收反馈数据和信息，根据低压电力网线的载波通讯技术的实效性，自主选择最优的频段和时域，结合不同的网络权限和路由，可将相同或者不同级别的单元有机的、实时地组合在一起，实现网络通讯的最优化，保障系统控制、通讯的及时性和可靠性。对于复杂的工业现场环境的“通讯孤岛”自动启用安全的无线通信方案构成或者疏通信息孤岛，构建成适应能力强大的载波通讯控制系统，充分启用自身配置的各种资源，将各主站、分站和终端设备得以有效的联接起来，达到高效、节能和协同工作的可靠网络基础和环境。

附图说明

图1是低压电力网载波智能控制系统主站与台变连接关系示意图；

图2是低压电力网载波智能控制系统四级结构原理框图；

图3是低压电力网载波智能控制系统中主站、分站和终端的三级拓展示意图；

图4是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站通讯逻辑结构图；

图5是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站与终端之间的一种连接的示意图；

图6是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站组成结构图；

图7是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站自适应组网流程图；

图8是是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站对下一级时钟校准的流程图；

图9是本实用新型的低压电力电网载波智能控制系统分站的外部结构图。

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型适用于690V及以下电力变压器配电系统低压电网，或者直流供电网络所组成的T型、Y型或树状结构拓扑。

如图1和图2所示，本实用新型中提及的低压电力网载波智能控制系统包括控制中心站、主站、分站、系统终端四级结构，每级之间分别通过电力线进行通信连接。控制中心站与安装在某一现场的台变通过电力线相连接，如图1所示，台变可以是一台变压器，也可以是多台，控制中心站可以设置一个，也可设置多个(图1所示为多个)，当设置多个控制中心站时，每个控制中心站之间也可通过电力线相连接，当某个控制中心站出现故障时，其他控制中心站可根据预设的自主寻踪路由算法替代故障的控制中心工作。

如图2和图3所示，N个分站分别通过一级电力线与主站连接，在此将此级电力线称为一级电力线。根据电力载波通信技术，N＝2ⁿ，n为大于等于0的整数，即每个主站可通过一级电力线挂接N个分站，每个分站的物理地址设定为0～2ⁿ，n＝0、1、2、...(正自然数)，也就是每个对应的主站根据控制中心站A调制耦合到一级电力线上地址为N个主站的数据，通过其相应的解调以获取其有效信息。

分站之间通过二级电力线进行连接。具体的，其通过690V及以下的电力变压器配电系统在同一级电网相连接，也可以工作于相同电压等级的直流供电线路中。各同级别的分站有效数据耦合到低压电力电网载波智能控制系统主站和分站所辖的终端。本实用新型中分站之间还可通过同一电网变压器相连接。本实用新型分站采用单频点、多频点和跳频的工作方式。

系统终端是受控对象，其位于整个智能控制系统的第四级，通过现有的电力线与对应的分站进行通信连接。每个分站通过三级电力线相通信连接所辖终端。根据电力载波通信技术，在每个分站节点，通过三级电力线可挂接M＝2^m，m＝0、1、2、...(正自然数)，对应一个分站节点下的每个终端的物理地址设定为0～M(正自然数)，每个分站通过从三级电力线从主站接收有效数据以保持有序工作。

上述的各种电力线为三相三线制、三相四线制或三相五线制。

图4为分站通讯逻辑结构图。在具体实施时，控制中心站、主站、分站能够挂接下一级节点的数量取决于其自身的微处理器，当控制中心站、主站和/或分站中的MCU为8位情况下，其下一级节点的物理地址可分配为0～255；当该节点为16位MCU，下一节点的物理地址可分配为0～512；当该节点为32位MCU情况下，下一节点的物理地址可分配0～1024，依此类推。

图4所示的具体实施例，是分站的微处理器为8位的情况。在这个具体实施例中，该分站所辖终端的物理地址可分配为0～255，即终端1至终端256。

分站与终端之间还可以通过中继器连接或无线连接。图5示出了分站与终端之间采用中继器进行连接的示例。当分站与终端之间的通信连接状态较差时，可以绕道采用中继器进行通信。

如图6所示，本实用新型主站包括低功耗载波收发单元11、自适应组网算法单元12、自适应多频段通信单元13、终端群组网单元14以及编解码单元15。

低功耗载波收发单元11用于与所属主站以及所辖终端进行通讯。该单元结合电力线的特点，采用高隔离度和绝缘强度高的绝缘材料和布局，选择高Q值得谐振品质因数，让耦合到电力线上要发送的信号和从电力线上接收的信号衰减要小，对于静电和浪涌扰动，不影响系统的稳定工作。

自适应组网算法单元12用于根据检测的各相电力线的通讯状态选择合适相的电力线进行组网通讯。该通信单元中包括与主站通信和所辖终端通信的网络通讯逻辑算法。根据该逻辑算法，经由自适应多频段宽带、窄带传输至主站，向下一级终端发送控制信息和向上一级主站传送各终端上报的数据和设备管理信息等。

如图7所示，该分站组网逻辑算法，主要在于实时地在线测试电力线网络的通讯环境，以及网络闲暇阶段通讯的成功率，判断A、B、C三相载波通讯的状况，自动选择通讯链路。如果选择好的相线出现了严重干扰通讯的情况，则自动更换为中继器进行通讯。

自适应多频段通信单元13用于根据各相电力线的通讯状态自适应地选择合适的频段进行载波通讯。该单元主要根据电力线的通讯状态，寻找最佳时机和主动规避线路的干扰，开启和关闭被干扰的频点，与主站或终端进行通信。

分站所辖的各个终端需要与分站及时保持通信的畅通，终端群组网单元14根据电力线的频谱情况选择最优的路径，与各个终端保持实时沟通。

编解码单元15用于在所述主站和所述终端之间进行信息或指令的解码与传送。分站是承上启下的重要设备之一。其需要对主站发送来的指令或信息进行解码，再传送至相应的终端。同样地，终端上传给分站的信息也需要编码后再上行，发送至主站。

在优选的实施例中，分站还包括其他通讯单元16，具体的如TCP/IP通讯单元和/或光纤光缆通讯单元和/或CAN总线通讯单元和/或RS-485总线和/或USB数据总线和/或WIFI通讯单元。

在该实施例中，自适应组网算法模块11用于在检测的各相电力线的载波通讯状态符合预设条件时，选择TCP/IP通讯单元或光纤光缆通讯单元或CAN总线通讯单元或RS-485总线或USB数据总线或WIFI通讯单元实现分站之间、分站与所属主站之间、分站与所辖终端之间的通讯。

对于复杂的工业现场环境的“通讯孤岛”自动启用安全的无线通信方案构成或者疏通信息孤岛，构建成适应能力强大的载波通讯控制系统，充分启用自身配置的各种资源，将各主站、分站和终端设备得以有效的联接起来，达到高效、节能和协同工作的可靠网络基础和环境。

在另一个优选的实施例中，该分站还包括上电时钟校时单元17，其用于在上电时完成时钟的同步。其具体工作流程如图8中所示。

在优选的实施例中，该分站还包括人机交互界面18，用于接收用户输入的信息并显示该分站获取或计算得到的信息；为适应工业化环境需求，该人机交互界面具体可以为防爆触摸屏，该防爆触摸屏由LCD显示器、钢化玻璃触摸感应板以及本质安全的安全栅电路组成。LCD显示器采用RS-232或者RS-485标准接口的。钢化玻璃触摸感应板由2层钢化玻璃中间涂覆以透明的光学粘结树脂胶，在玻璃的向对面的周边放置防止粘结的树脂胶溢出的透明胶框，其厚度与所涂覆的透明胶相一致。在钢化玻璃的触摸面上蚀刻电阻线条，辅以透明的绝缘胶片，在其上再蚀刻垂直方向的电阻线条，之后再在其上辅以高强度的透明触摸胶片即可。

该分站还包括RFID通讯单元19，用于通过RFID通讯方式与外界设备进行通信。即在系统各站点数据的存取、系统维护、设备管理、系统升级和系统维护等可辅助于FRID通讯实现。

为适应于数据收发、存贮的需求，该分站还可以包括数据存储单元20，用于将获取或计算得到的数据进行保存。例如，所辖各个终端上传的数据和信息，经由该分站缓存，再由该分站上传至主站。

此外，该分站还可以包括数据二次加密及解密单元21，用于对要发送的数据进行加密并对接收的数据进行解密。该分站可以对主站传送来的指令进行解密，然后选择合适的ID地址发送至所辖的目标终端。该分站也可以将从终端的目标接收到的数据进行加密，上传至主站。

在优选的实施例中，该分站还包括终端地理位置信息甄别单元22，用于甄别和区分各个终端在地理信息坐标系统上的位置信息。各个终端在地理信息坐标系统上存在一定的矢量关系，并且其所处的位置是一定的，但是终端的ID是可以变化的。因此，需要终端地理位置信息甄别单元22对于终端的ID信息与其地理信息系统的坐标进行甄别和区分。

根据本实用新型的其他方面，该分站还包括应急通信与控制单元23，用于在应急状态下建立通信和保障安全，确保在应急状态下可靠、准确无误、快捷、有效地工作。

在优选的实施例中，该分站还包括异常报警单元24，用于在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号。异常状态分为终端直接检测到的和系统分析推论产生的，针对不同的检测方式将采取不同的处理方法，并且报警的方法和方式也会不同。具体地，根据终端上报的信息，分站可对终端设备的运行情况进行判断，在根据接收的信息判断到有异常情况出现时，输出异常报警信号进行报警。此外，分站还可以根据具体判断情况对终端进行控制操作、权限分配等，如关闭、开启等，还可将该信息上报至主站、控制中心站。

另外，该分站还可以包括终端维护与离网安全操作单元25，用于在终端出现故障或有异常情况时，将故障的终端分离或移除出网络进行维护。

在一些实施例中，该分站还包括终端程序化设定单元26，用于完成预先设置的程序化运行的指令或动作。根据实际需要，该分站中会设置一些预置程序。例如，这些预置程序主要是根据系统用户的实际需求，设置的程序化运行的管理程序。这样的管理程序有些是有实效性的，有些是阶段性的。但是，这些必须是与系统时钟同步的。譬如：在某一年内，某月某日某时起，某个设备运转，到某月某日某时停止。或者是到某月某日某时起，到本月某日某时停止。允许是间歇性的、周期性地运转或者停止。

该分站还包括无线链路中继器和/或载波自适应多频段路由及中继器，以此形成网络拓扑等结构。本实用新型中分站的通讯网络架构为T型、Y型或树状结构拓扑。本实用新型中分站会自动动态测试链路通讯状态和中继路由的功能，选择最佳通讯频段和中继进行组网。

本实用新型分站还具备管理员入口的数据管理系统，实现数据和信息的读写、设备管理、历史数据查询、生成数据图表等功能。

与上述功能相配套的，本实用新型分站中可以设置有自适应组网算法、自适应多频段通信算法、终端群组网算法、终端和主站指令的编解码算法、数据存取与加密算法、设备初始化管理算法、设备录入与删除算法、GIS地图管理算法、控制命令迂回收转算法、自动时序广播算法、系统校时算法、系统优先级点名算法、故障报警算法、紧急故障处理算法、故障声光提示算法、自动中继算法和路由组织算法等。

本实用新型分站还具有调度、指挥和控制功能。

对于调度，其是指，从上而下发布指挥命令时，根据系统内的管理权限，约定每一级的指挥权利。系统发送指令时，根据每一级的ID特征字作为下属设备自动识别的信息，解析到了这个主要特征信息后，即行分析指令做出正确的判断与动作。同时，侦测网络的通讯情况，在允许的情况下，及时将响应的信息和结果告知上一级。

对于指挥，其可以是系统指挥某一终端，也可以是命令只发送到要执行级的上一级。作为中间的执行单元的这一级，其内部已经是灌注了代理级约定的指令、简洁指令或者操作指令字代码。同样，有了指挥的命令，就要有一个检验执行指令效果的上传信息。

对于控制，其是指直接上级或者系统逻辑上定义的最高一级的需要对外有输出操作结果的一切信息指令。例如：系统可以直接关闭或者开启任意主站，任意分站，以及任意终端。主站依次关断或者开启任意分站、任意终端。分站可以任意开启，或者关闭任意终端。

如图9还示出了本实用新型分站的一种具体外部结构图。

本实用新型低压电力电网载波智能控制系统分站可以应用于多种领域，如照明系统、防爆电器自动化控制、电气设备之间的交互式通讯、联调联动自组网等。其可辅助于相应的自组网、自适应的路由和中继算法软件实现。主站采用单频点、多频点和跳频的工作方式，避免各类干扰、解决通讯不畅和通讯困难的问题。

本实用新型低压电力电网载波智能控制系统分站利用传统的电力网线作为通讯的载体，把电力线作为网络的基本元素，根据载波技术的有限性，设置不同的网络权限，根据不同的网络权限又定义不同逻辑处理能力的控制单元，把这些具有不同逻辑处理能力的单元有机的组织在一起，实现网络的最优联网解决方案。它是以物理的树状结构联网的，并不依赖于并行的组网方式，有别于目前的电力数字化电能表的抄表和路灯的控制方式，减少额外的网络布线和可方便地在原有的低压电力电网中进行升级与改造。本实用新型的载波通讯系统可以实现窄带低速、窄带高速、宽带低速和宽带高速的应用需求，实现通讯与控制的基本需要。本实用新型能够满足行业应用的技术条件，也能满足低压电网载波通讯的行业约定的通讯规约和技术标准。

本实用新型的分站可以在网络内，控制任何一个注册了的设备和系统终端，也可以随机增加或者删除，通过GIS地理信息系统管理与显示，任意一个设备都具有自动联网、自动中继、自动路由、遇忙绕行的通讯算法，便于系统的管理与可靠的通讯与控制，每一个设备在网络内都被赋予了一定的工作权限和临时的权限代理职能，例如，主站可以是系统终端、分站或者是控制中心，系统中心可以是分站或者是主站等。

本实用新型的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。