专利名称：多功能集中器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到一种多功能集中器，是一种用以借助电力线载波通讯实现电表数据远程抄读，并集合配电监测管理以及配变电能计量考核的多功能集中器，属于电力监管设施技术领域。
背景技术：
据申请人了解，目前现有的电能量远程采集仅仅集合了配变监测与大用户电表电能量的采集，不能直接采集变压器出线端的电能量，不能直接通过低压载波抄读并监控居民电表。已有的居民低压载波远程抄表系统也不能直接对配变进行监测，不能直接采集变压器出线端的电能量，并且该系统在动态监控现场电表、精确计算台区线损等方面也有很多不合理之处。因此，在实际使用过程存在以下诸多不便1)系统建设成本高——建设电能量远程采集系统需要安装终端及信道设备，如要实现采集变压器出线端的电能量，需要增加安装电表(即使如此依然无法通过低压载波抄读居民电表)；建设居民用电低压载波远程抄表系统需要安装采集终端、载波集中器及信道设备，如要获取配变检测数据，需要增加安装配变监测终端；如要采集变压器出线端的电能量，需要增加安装电表。
2)资源不能共享——居民电表的抄读与管理、配变的运行状态、大用户的用电管理、台变的线损情况对供电营销部门来说都是非常重要的，而相对独立的系统使得现场数据不能共享，使用起来非常繁琐，难以满足现代化管理的需要。
3)信道资源浪费——相对独立的系统信道不能共享，增加系统运行费用。
检索发现，申请号为CN01107528.7的中国本发明公开了一种网络型水、电、气表数据采集器，该采集器由机壳、机壳上、下翻盖、通讯线接插口计量表信号输入接插口、阀门控制信号输出接插口、电路板共同连接构成；其连接关系为机壳上、下翻盖通过连接销与机壳构成可拆卸活动连接；各接插口装于机壳底座并分别与电路板各相应点连接，并通过网络数据电缆与网络相连接；其电路由电源电路、以太网控制电路、主控微处理器电路、存储电路、局域网/广域网、抄表网站、集中抄表服务器通过各自信号线相连接。该专利虽在原有技术上取得了长足的进步，但显然网络的建立投资较大，且不具有台区变压器电能采集、监测的功能。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提出一种可以实现台区所有电表数据的远程采集、并对变压器进行远程监测及电能计量采集的多功能集中器，从而为建立功能完备的电表数据远程管理系统奠定基础，可以大大方便供电营销部门的电力管理。
为了达到以上目的，本实用新型的多功能集中器包括电源电路，单片机电路，外部通讯接口电路，所述单片机电路由单片机及外围时钟、存储单元构成，此外，还含有外接电力输送线路的载波耦合电路、外接待采集监测台区变压器的电能采集模块以及电网参数监控模块，所述载波耦合电路经载波调制解调电路接所述单片机电路的载波通讯端，所述电能采集模块和电网参数监控模块的通讯端接所述单片机电路的监控通讯端。
这样，当通过集中器的外部通讯口与监控中心的主机连接、通过载波耦合电路以及功能模块与输电力线路连接后，便可将集中抄表、多功能电表和台变监测有机结合起来，弥补现有系统欠缺的功能，以电力线载波为主要信道，实现远程电表数据的采集、台区变压器电能采集和监测等功能，大大方便供电营销部门的电力管理。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型一个实施例的结构框图。
图2为图1实施例中的单片机电路原理图。
图3为图1实施例中的载波调制解调电路和三相载波耦合电路原理图。
图4为图1实施例中的电能采集模块和电网参数监控模块电路原理图。
图5为图1实施例中的开关量输出和模拟量输入电路原理图。
图6为图1实施例中的外部通讯接口电路原理图。
具体实施方式
实施例一本实施例的多功能集中器如图1所示，主要由电源电路、单片机电路、外部通讯接口电路、载波耦合电路、电能采集模块和电网参数监控模块、开关量输出和模拟量输入电路、以及显示电路组成。其中的单片机电路由32位单片机芯片及其外围的硬件时钟、RAM存储单元构成。外部通讯接口电路包括与单片机连接的并行MODEM接口、RS232接口、RS485接口、红外接口、GPRS/GSM接口、以及以太网接口，因此具有良好的适应性，可通过包括网络连接在内的各种通讯连接方式与主机连接。单片机中载波端口的串行接口经载波调制解调电路通过三相载波耦合电路与三相输电线路耦合连接，单片机电路中的单片机作为通讯端的串行接口通过电能采集模块和电网参数监控模块接输电线路。此外，单片机的I/O口和A/D端口分别通过开关量输出和模拟量输入电路外接需控制和监测器件。
图2所示的单片机电路中U9可以是PHILIPS、三星等公司基于ARM内核的32位单片机芯片，选用此类CPU可以在低成本和功耗的基础上获得更快更强的数据处理能力。外部时钟源由晶振XT1、电容C32和C33、电阻R21组成，此时钟源通过CPU内部的PLL(锁相环)，可以得到高达320MHz的内部时钟。JP1为单片机的JTAG调试接口，用于方便程序的调试。U6为带有手动复位功能的单片机监控芯片，例如SP708SCN等。由U6为核心，与K3、R14、C18、R15、N1、R16、R19、N2、R18组成单片机的复位电路。其中，单片机监控芯片U6的复位控制端8脚接两三极管N1、N2的基极，并由此两三极管的集电极分别接单片机芯片U9的复位端135和43脚。LED1用于指示复位的状态。
图3为载波通讯部分——即调制解调电路和三相载波耦合电路原理图。为节省成本，本集中器的调制解调电路只采用了一片载波调制解调芯片U8，该载波调制解调芯片U8的通讯端34、35脚分别与单片机芯片的对应端口连接，其信号接收端通过与非门U11分别与三相载波耦合电路中的载波发送电路切换连接，其信号接收端通过模拟开关U18分别与三相载波耦合电路中的载波接收电路切换连接，借以实现切换载波发送和载波接收的相别。
由光电隔离器U10、整流二极管D27、电阻R24-R26、电容C18构成的采集A相50Hz同步信号的电路，B相和C相的检测电路与A相完全一样。该电路实现了本集中器独有的判断现场抄表终端所在相别的功能。现场抄表终端每次载波发送都是在所在相别50Hz信号的下降沿开始，这样集中器可以根据收到现场抄表终端命令的时间和ABC三相同步信号就可以判断出发命令的现场抄表终端所在相别。J7为载波调制解调芯片U8的ISP(在系统编程)接口。
T4、T5、T7分别为ABC三相载波耦合线圈，对应的电路分别是ABC三相载波接收发送电路。以A相为例加以说明，B相和C相可以类推。
载波耦合电路的电力线载波信号通过电力线A(B、C)、L输入，经过耦合电容C25、耦合变压器T4耦合至电压瞬间抑止器D29，然后再经过电阻R30、电容C27和C28、电感L3、二极管D32和D33、电容C31耦合至由电阻R32-R35、电容C32、三极管N8组成的信号放大电路，构成载波接收电路，通过模拟开关U18A切换连接到载波调制解调芯片U8。载波调制解调芯片U8的输出信号APSK_OUT通过与非门U11A，经电容C29和C30、电阻R15和R31、稳压二极管D20和D30，以及三极管N1、N2、N5、N6，二极管D16、D28构成的放大电路，经电容C26耦合到耦合线圈T4，再经电容C25耦合到电力线上去，由此构成载波发送电路。
图4为三相电量和电网参数采集部分——即电能采集模块和电网参数监控模块电路原理图。图中U2为高精度三相电参数和电量采集芯片(例如ADE7758)，U2通过SPI接口与单片机通讯连接，交换数据。U1为串行非易失性存储器，可以是铁电FRAM或EEPROM。U1用于存储校正ABC三相采集电路和计量精度时的设定值，这样在每次系统停电后重新上电时，单片机读取U1内保存的数据，并将数据写入U2的设置单元，使U2立刻按照校正的精度采集和计算参数。将U1和U2设计在一起，使每台集中器的采集板可以互换，而不影响精度。电流互感器L1、电阻R1、R2、R3、R16，以及电容C1、C2组成A相差分式电流采样电路，B相和C相的电流采样电路与A相完全一样。采用差分式采样电路为集中器能够计算出四象限无功电能量提供硬件基础。电压互感器T1，电阻R4-R11，电容C7组成A相电压采样电路，B相和C相的电压采样电路与A相完全一样。以上电能采集模块和电网参数监控模块中的三相电参数和电量采集芯片对应端口分别通过差分式电流采样电路和电压采样电路外接待采集和监控的台区变压器。
图5的开关量输出和模拟量输入电路中，开关量输出通道共三路，三路硬件完全一样，单片机电路的单片机芯片I/O口接驱动电路的输入端，驱动电路与执行电路通过光电耦合器耦合。电阻R1、R2，三级管N1，光电耦合器U1组成开关量输出的驱动电路。二极管D1，继电器K1，自恢复保险丝F1，接线端子J1组成开关量输出的执行电路部分。通过连接J1的1-2脚和1-3脚可以实现常开常闭的选择。模拟量输入电路的输出端接单片机电路单片机芯片的A/D口，模拟量的输入通道共两路，可以配置采样不同的模拟信号(例如油温、油压等)。二极管D4和D5、D6和D7分别限制两路输入模拟信号的幅值。自恢复保险丝F4是限制外部传感器的吸入电流，确保集中器系统供电不受外界影响。
图6的外部通讯接口电路中，U7、C19、C22、C23、C24、C25和九芯头组成RS232接口电路，U7为RS232电平信号转换芯片。单片机CPU输出的串口TTL电平通过U7转换成RS232电平。U1、C2、R6、R7、R8、R9、R10、J7组成PSTN(公共电话网接口)。U1为低功耗工业级嵌入式MODEM，以TTL电平与单片机CPU通讯。VCC与3.3V共地，但VCC为5V，而单片机断口为3.3V，所以用R6-R10在嵌入式MODEM的输出口限流进行电压匹配。U4-U7、R3-R13、R97、D13、J4组成RS485接口电路。U7为半双工差分RS485收发器。U4-U6为光电隔离器，提高系统的EMC性能。D13为瞬间电压抑止器(TVS)，R10、R11为聚合物自回复保险丝。通过D13、R10、R11的保护，确保在远距离RS485通讯时，U7能安全稳定工作。R22-R25、N3-N5、D7组成红外通讯接口。N3为红外接收管，D7为红外发送管，PWM2为红外发送38K调制信号输入端。
由于单片机只能提供一个串口供外部通讯接口使用，而从上面所述外部通讯接口需要四个串口，所以本集中器设计了一个低成本高效的一串口转4串口的接口电路。该电路较专用一串口转多串口芯片成本大幅降低，而性能不打折。本实施例采用高速模拟开关，构成母串口(TXD0、RXD0)和子串口(TD1、RD1；TD2、RD2；TD3、RD3；TD4、RD4)的接口硬件。SEL1-SEL4信号中的一个信号为高电平，则对应子串口就可以与母串口接通，从而实现对应接口电路与单片机的通讯。为了实现串口间的自动切换，则需要将子串口的接收端与单片机的外部中断收入端口相连。具体工作原理如下在外部通讯接口都没有收到数据的时候，母串口始终与子串口4(TD4、RD4)相连(SEL1-SEL3为低电平，SEL4为高电平)。这样做是因为集中器工作环境中红外线无处不在，对于集中器来说都是干扰信号。如果母串口没有与子串口4相连的时候红外干扰就会迫使集中器进行串口的切换，这样就造成了集中器频繁切换串口，使通讯效率和成功率下降。当子串口1～子串口3的数据接收端(RD1-RD3)由信号存在的时候，对应的单片机外部中断输入口就会立刻会向CPU提出中断请求，CPU响应对应的中断程序，通过数字滤波和数据判断，选择实际需要通讯的子串口，进行与外部接口的通讯。母串口与其中一个子串口通讯时，不再响应其它子串口的通讯请求，直到该串口通讯结束母串口回到与串口4(红外)连接的时候，子串口1～子串口3再进行再一次的串口通讯申请。
需要说明的是，上述实施例的详细说明，是非限制性的，除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求1.一种多功能集中器，包括电源电路，单片机电路，外部通讯接口电路，所述单片机电路由单片机及外围时钟、存储单元构成，其特征在于还含有外接电力输送线路的载波耦合电路、外接待采集监测台区变压器的电能采集模块以及电网参数监控模块，所述载波耦合电路经载波调制解调电路接所述单片机电路的载波通讯端，所述电能采集模块和电网参数监控模块的通讯端接所述单片机电路的监控通讯端。
2.根据权利要求1所述多功能集中器，其特征在于所述调制解调电路采用一片载波调制解调芯片，所述载波调制解调芯片的信号接收端通过与非门分别与三相载波耦合电路中的载波发送电路切换连接。
3.根据权利要求2所述多功能集中器，其特征在于所述载波调制解调芯片的信号接收端通过模拟开关分别与三相载波耦合电路中的载波接收电路切换连接。
4.根据权利要求3所述多功能集中器，其特征在于所述电能采集模块和电网参数监控模块含有三相电参数和电量采集芯片，所述三相电参数和电量采集芯片的对应端口分别通过差分式电流采样电路和电压采样电路外接待采集和监控的台区变压器。
5.根据权利要求4所述多功能集中器，其特征在于所述外部通讯接口电路包括RS232接口电路、公共电话网接口电路、RS485接口电路和红外通讯接口电路，所述单片机电路中的单片机芯片通过一转多串口芯片分别与所述各接口电路连接。
6.根据权利要求5所述多功能集中器，其特征在于还含有开关量输出和模拟量输入电路，所述单片机电路的单片机芯片I/O口接所述开关量输出电路的驱动电路输入端，所述驱动电路与执行电路通过光电耦合器耦合；所述单片机电路的单片机芯片A/D口接所述模拟量输入电路的输出端。
专利摘要本实用新型涉及到一种多功能集中器，属于电力监管设施技术领域。该集中器包括电源电路，单片机电路，外部通讯接口电路，所述单片机电路由单片机及外围时钟、存储单元构成，此外，还含有外接电力输送线路的载波耦合电路、外接待采集监测台区变压器的电能采集模块以及电网参数监控模块，所述载波耦合电路经载波调制解调电路接所述单片机电路的载波通讯端，所述电能采集模块和电网参数监控模块的通讯端接所述单片机电路的监控通讯端。本实用新型以电力线载波为主要信道，可以实现远程电表数据的采集、台区变压器电能采集和监测等功能，大大方便供电营销部门的电力管理。
文档编号G01R11/00GK2870030SQ20062006917
公开日2007年2月14日 申请日期2006年2月7日 优先权日2006年2月7日
发明者吴惠昌, 王晔 申请人:南京超表科技有限公司