本发明涉及物联网、道路照明领域，具体为一种微基站供电管理装置以及连接方法。
背景技术
由于路灯灯杆具有城市密度和供电方便的特性，在物联网领域和道路照明领域，已经有厂家开始利用灯杆供电的便利在路灯灯杆上挂载空气传感器、摄像头、显示屏等各种物联网组件，这些物联网组件全部采用简单的接线方式从灯杆线路上取电，不考虑灯杆供电线路的负载能力，导致灯杆供电线路负载过重造成线路烧毁的问题时有发生。
有部分厂家为了保证路灯灯杆上挂载的用电设备加装断路器和开关控制器，但是这些装置都是独立工作，在灯杆回路供电过程中，所有设备同时上电启动，造成启动电流过大造成供电线路故障问题。
由于路灯照明属于社会公共资源，路灯照明电费由政府财政根据路灯控制柜中的电表计量数据进行统一支付，但是在路灯灯杆上挂载的设备消耗的用电量能够达到路灯用电量的40%之多，无法对这些额外的用电消耗进行有效的计量统计，导致公共社会资源的严重浪费。
上述提到的这些缺陷已经成为了急需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明设计了一种微基站供电管理装置以及连接方法。
本发明采用了如下技术方案：
一种微基站供电管理装置，该供电管理装置包括交流输入接口、设备供电接口、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口、无线通信天线，其特征在于：交流输入接口，用于设备供电的交流输入,具有l、e、n三个引脚分别接交流输入的火线、保护地、零线；设备供电接口，用于给被管理的设备进行供电管理，具有l、e、n三个引脚，分别给被管理设备提供火线、保护地、零线的接入；回路供电输出/外置电流采样功能复用接口，用于内置级联式连接方法中的回路供电输出，以及用于外接互感器式连接方法中的外置电流互感器的连接。
进一步的，该供电管理装置还包括ac/dc电源模块、电压采样互感器、电压采样调整电路、设备控制开关1、级联控制开关2、电流采样模式选择装置、电流互感器1、电流互感器2、电流采样调整电路、采样基准源、cpu处理器、无线通信模块。
进一步的，所述设备控制开关1默认为常开模式，采用控制继电器由cpu处理器的io控制硬件实现开关控制，通过控制继电器的常开触点no和中间触点co实现供电设备的开关供电。
进一步的，所述级联控制开关2默认为常闭模式，采用控制继电器由cpu处理器的io控制硬件实现开关控制，通过控制继电器的常开触点和中间触点实现回路供电输出的开关供电。
进一步的，所述电压采样调整电路包括电压互感器、相位调整电路、电压分压电路、过压保护器件、运放放大电路、驱动跟随电路；所述电流采样调整电路包括电流互感器、相位调整电路、电流转电压电路、过压保护器件、运算放大电路、驱动跟随电路。
进一步的，所述回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时，外置交流互感器s-通过外置电流采样接口的s-/e引脚和交流输入接口的保护地e引脚相连接。
进一步的，所述回路供电输出/外置电流采样功能复用接口具有l/s+、e/s-、n三个引脚，作为回路供电输出功能时，分别给下一级供电管理装置提供火线、保护地、零线的接入，作为外置电流采样功能时，用于连接外置电流互感器的s+、s-。
进一步的，所述cpu处理器，该处理器用于对供电管理装置的电压信号、两路电流信号进行adc采样，并根据电压电流值计算设备供电接口连接的设备的功耗和用电量，同时计算本供电管理装置后续的供电管理装置和用电设备的总的用电量，根据cpu处理器内部预设的阀值判断设备供电接口连接的设备的电流大下和用电量是否超过了预设阀值，若超过预设阀值，则通过io控制引脚切断用电设备的供电；该处理器采用stm32f103rcarm处理器完成供电管理装置的电流、电压的采集和用电量的计算。
进一步的，所述电流采样调整电路，用于将电流互感器1和2转换的信号进行采样前调整，保证被采样的信号波形、相位、伏值无失真的被采样单元采样，并且提高两路电流采样的精度；该电流采样调整电路，采用lm358运算放大器完成输入电流信号的相位补偿、按比例缩放、驱动跟随三级处理。
进一步的，所述电流互感器1，用于将设备供电接口连接的负载设备的电流信号进行隔离信号转换，以便于进行电流采样；所述电流互感器2，在内置级联式连接方法中，用于将回路供电输出接口连接的后续供电负载的电流信号进行隔离信号转换，在外接互感器式连接方法中，用于将外置的电流互感器的电流信号进行隔离信号转换，该电流互感器2将转换的电流信号用于进行电流采样；所述电流互感器1、2均采用ta1005-1m高精密度的电流互感器进行电流信号的转换。
进一步的，所述电流采样模式选择装置，用于内置级联式连接方法中电流采样模式的选择和外接互感器式连接方法中电流采样模式的选择；所述电流采样模式选择装置有1、2、3共3个短接端子组成，通过如下连接方式实现电流采样模式的选择，连接方式为：1）交流输入接口的火线l引脚通过级联控制2继电器和选择装置1号短接端子相连接；2）选择装置2号短接端子通过电流互感器2和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的l/s+连接；3）交流输入接口的保护地e引脚和选择装置3号短接端子相连接，同时和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的e/s-连接；4）交流输入接口的零线n引脚和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的n连接。
进一步的，所述内置级联式连接方法中电流采样模式的选择具体包括：1）选择装置短接1、2号端子；2）交流输入的火线l经过级联控制2继电器和选择装置1号端子连接，通过2点端子后经过电流互感器2给设备供电输出接口的火线引脚l连接，给下级供电管理装置进行供电输入，下级供电管理装置的供电经过负载后通过零线n和回路供电输出接口的零线n引脚相连接，回路供电输出接口零线n和交流输入零线n连接，形成给下级供电管理装置供电的回路；3）通过电流互感器2对供电回路进行电流隔离转换，然后输入给电流采样调整电路进行信号调整后输入给cpu模块进行采样。
进一步的，所述外接互感器式连接方法中电流采样模式的选择具体包括：1）选择装置短接2、3号端子；2）外置交流互感器检测到外置电缆上的大电流后，将外置电流互感器的s+和外置电流采样接口的s+引脚相连接，然后经过电流互感器2和选择装置的2号端子进行连接，通过选择装置的3号端子和外置电流采样接口的s-引脚相连接，并通过外置电流采样s-引脚和外置交流互感器的s-连接，形成外置电流检测回路；3）通过电流互感器2对电流检测回路进行电流隔离转换，然后输入给电流采样调整电路进行信号调整后输入给cpu模块进行采样。
一种供电管理装置的内置级联式连接方法，该连接方法用于将多级供电管理装置进行连接，其特征在于，该连接方法包括：1）将供电输入连接第一级供电管理装置的交流输入接口，完成第一级供电管理装置的供电输入；2）第一级供电管理装置的设备供电接口连接用电设备，完成对第一级用电设备的供电管理；3）将回路供电输出/外置电流采样复用接口作为回路供电输出接口使用，第一级供电管理装置的回路供电输出接口连接第二级供电管理装置的交流输入接口，给第二级供电管理装置进行供电输入；第二级供电管理装置的设备供电接口连接第二级用电设备，用于完成第二级用电设备的供电管理；4）第二级供电管理装置的回路供电输出接口连接第三级供电管理装置的交流输入接口，给第三级供电管理装置进行供电输入；以此类推，完成第n级供电管理装置和用电设备n的供电管理。
一种供电管理装置的外接互感器式连接方法，其特征在于，该连接方法包括：1）第一供电管理装置的交流输入接口挂接在供电电缆上，通过供电电缆给第一供电管理装置供电；2）第一供电管理装置的设备供电接口连接第一用电设备，用于完成对第一用电设备的供电管理；3）在供电电缆上的第一供电管理装置的供电线路接头后面接入第一电流互感器，用于检测电缆后续供电负载电流；4）将回路供电输出/外置电流采样复用接口作为外置电流采样接口使用，第一供电管理装置的外置电流采样接口连接第一电流互感器，用于检测第一电流互感器处的电流大小；5）第二供电管理装置的交流输入接口挂接在第一电流互感器后面、第二电流互感器前面的供电电缆上；6）第二供电管理装置的设备供电接口连接第二用电设备，用于管理第二用电设备的供电；7）第二电流互感器检测安装在第二供电管理装置的供电线接头后面，用于检测第二供电管理装置后面的用电设备的负载电流；以此类推，第三供电管理装置至第n供电管理装置分别用于管理第三用电设备至第n用电设备的供电，第三电流互感器至第n电流互感器用于检测其后的负载电流。
本发明的有益效果是：通过本发明的技术方案除了能够对路灯上的每一盏路灯的负载和用电量进行管理外，还能够对挂载在路灯灯杆上的各类设备进行有效的负载和用电管理。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是供电管理装置的结构框图；
图2是内置级联式连接的示意图；
图3是外接互感器式连接的示意图；
图4是供电管理装置的电路结构示意图；
图5是电流采样模式选择装置的结构示意图；
图6是内置级联电流采样的结构示意图；
图7是外置互感器电流采样的结构示意图；
图8是外置互感器电流采样保护地的结构示意图；
图9是电压采样调整电路的结构示意图；
图10是电流采样调整电路的结构示意图；
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明对灯杆上挂载的设备进行管理是由一个无线路灯微基站供电管理装置完成，本发明为了描述方便，将无线路灯微基站供电管理装置简称为供电管理装置。
图1是供电管理装置的结构框图。该供电管理装置包括：交流输入接口、设备供电接口、回路供电输出/外置电流采样复用接口、无线通信天线共4个部分组成。
本发明由多个供电管理装置完成对路灯灯杆上挂载的设备进行供电管理，根据管理的用电设备的负载总电流大小不同，供电管理装置的供电连接方法分为：1）内置级联式连接；2）外接互感器式连接，共2种连接方法。
本发明的回路供电输出/外置电流采样复用接口为一个多功能复用接口。在总负载电流≤10a电流时，采用内置级联式连接方法，回路供电输出/外置电流采样复用接口作为回路供电输出功能，用来完成路灯灯杆上挂载设备的供电管理。在总负载电流＞10a时，采用外接互感器式连接方法，回路供电输出/外置电流采样复用接口作为外置电流采样功能，外接外置电流采样互感器实现大电流用电设备的供电管理。
图2是内置级联式连接的示意图。该内置级联式连接用于将多级供电管理装置连接起来，具体包括：
1）将供电输入连接第一级供电管理装置的交流输入接口，完成第一级供电管理装置的供电输入；
2）第一级供电管理装置的设备供电接口连接路灯灯杆上挂载的用电设备，完成对路灯灯杆上挂载的用电设备，例如路灯照明灯具（如图中所示），的供电管理，实现路灯基础照明管理；
3）在内置级联式连接方法中，将回路供电输出/外置电流采样复用接口作为回路供电输出接口使用，第一级供电管理装置的回路供电输出接口连接第二级供电管理装置的交流输入接口，给第二级供电管理装置进行供电输入。第二级供电管理装置的设备供电接口连接路灯灯杆上挂载的用电设备a，用于完成用电设备a的供电管理；
4）第二级供电管理装置的回路供电输出接口连接第三级供电管理装置的交流输入接口，给第三级供电管理装置进行供电输入；
5）以此类推，完成第n级供电管理装置和用电设备n的供电管理。
本发明的内置级联式连接方法中，供电管理装置的设备供电接口管理一个用电设备，第一个供电管理装置完成路灯照明灯具的供电管理，回路供电输出接口完成后面级联的所有供电管理装置和用电设备的供电管理。
图3是外接互感器式连接的示意图。该外接互感器式连接方法用于供电回路电流较大的应用场景，具体包括：
1）供电管理装置1的交流输入接口挂接在供电电缆上，通过供电电缆给供电管理装置1供电；
2）供电管理装置1的设备供电接口连接用电设备，例如路灯照明灯具（如图所示），用于完成路灯照明灯具的供电管理，实现路灯基础照明管理；
3）在供电电缆上的供电管理装置1的供电线路接头后面接入一个电流互感器1，用于检测电缆后续供电负载电流；
4）在外接互感器式连接方法中，将回路供电输出/外置电流采样复用接口作为外置电流采样接口使用，供电管理装置1的外置电流采样接口连接电流互感器1，用于检测电流互感器1处的电流大小；
5）供电管理装置2的交流输入接口挂接在电流互感器1后面、电流互感器2前面的供电电缆上；
6）供电管理装置2的设备供电接口连接用电设备a，用于管理用电设备a的供电；
7）电流互感器2检测安装在供电管理装置2的供电线接头后面，用于检测供电管理装置2后面的用电设备的负载电流；
8）以此类推，供电管理装置3至供电管理装置n分别用于管理用电设备b至用电设备n的供电，电流互感器3至电流互感器n用于检测其后的负载电流。
在上述外接互感器式连接方法中，每个管理装置完成设备供电接口接入的用电设备的供电，电流互感器管理的是其后所有用电设备负载电流的总和。
图4是供电管理装置的电路结构示意图。该供电管理装置包括交流输入接口、设备供电接口、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口、ac/dc电源模块、电压采样互感器、电压采样调整电路、设备控制开关1、级联控制开关2、电流采样模式选择装置、电流互感器1、电流互感器2、电流采样调整电路、采样基准源、cpu处理器、无线通信模块、无线通信天线。其中：
1、交流输入接口，用于设备供电的交流输入,具有l、e、n三个引脚分别接交流输入的火线、保护地、零线；
2、设备供电接口，用于给被管理的设备进行供电管理，具有l、e、n三个引脚，分别给被管理设备提供火线、保护地、零线的接入；
3、回路供电输出/外置电流采样功能复用接口，用于内置级联式连接方法中的回路供电输出，以及用于外接互感器式连接方法中的外置电流互感器的连接,具有l/s+、e/s-、n三个引脚，作为回路供电输出功能时，分别给下一级供电管理装置提供火线、保护地、零线的接入，作为外置电流采样功能时，用于连接外置电流互感器的s+、s-；
4、ac/dc电源模块，用于将交流电源转换为直流电源，给供电管理装置中的其他电路和模块提供工作电源；
5、电压采样互感器，将供电输入的交流电压进行隔离信号转换，以便于进行电压采样；
该电压采样互感器采用tv1005-1m高精密度的电压隔离变压器进行电压信号的转换；
6、电压采样调整电路，用于将隔离信号转换后的电压信息采样前调整，保证被采样的信号波形、相位、伏值无失真的被采样单元采样，并且提高电压采样的采样精度；
该电压采样调整电路，采用lm358运算放大器完成输入电压信号的相位补偿、按比例缩放、驱动跟随三级处理；
7、设备控制开关1，通过cpuio控制信号管理设备供电接口的供电开关；
该设备控制开关1采用hf152f继电器进行供电控制，完成不超过5a电流设备的供电管理；
8、级联控制开关2，在内置级联式连接方法中通过cpuio控制信号管理回路供电输出接口的供电开关；
该级联控制开关2，采用hf2150继电器进行供电控制，完成不超过10a电流设备的供电管理；
9、电流采样模式选择装置，用于内置级联式连接方法和外接互感器式连接方法中电流采样模式的选择；
10、电流互感器1，用于将设备供电接口连接的负载设备的电流信号进行隔离信号转换，以便于进行电流采样；
11、电流互感器2，在内置级联式连接方法中，用于将回路供电输出接口连接的后续供电负载的电流信号进行隔离信号转换，在外接互感器式连接方法中，用于将外置的电流互感器的电流信号进行隔离信号转换，该电流互感器2将转换的电流信号用于进行电流采样；
所述电流互感器1、2均采用ta1005-1m高精密度的电流互感器进行电流信号的转换；
12、电流采样调整电路，用于将电流互感器1和2转换的信号进行采样前调整，保证被采样的信号波形、相位、伏值无失真的被采样单元采样，并且提高两路电流采样的精度；
该电流采样调整电路，采用lm358运算放大器完成输入电流信号的相位补偿、按比例缩放、驱动跟随三级处理；
13、采样基准源，为了提高电压电流的采样精度，提供一个采样高精度的1v采样基准源给电压采样调整电路和电流采样调整电路进行高精度信号调整；
该采样基准电源，采用tl431完成高精度1v的基准电压；
14、cpu处理器，该处理器用于对供电管理装置的电压信号、两路电流信号进行adc采样，并根据电压电流值计算设备供电接口连接的设备的功耗和用电量，同时计算本供电管理装置后续的供电管理装置和用电设备的总的用电量，根据cpu处理器内部预设的阀值判断设备供电接口连接的设备的电流大下和用电量是否超过了预设阀值，若超过预设阀值，则通过io控制引脚切断用电设备的供电；
该处理器采用stm32f103rcarm处理器完成供电管理装置的电流、电压的采集和用电量的计算；
15、无线通信模块，根据cpu处理器的指令，通过无线通信模块将供电管理的电流、电压、耗电量数据通过无线通信天线传输给管理部门；
该无线通讯模块采用sx1278无线数据传输模块完成与其他电能计量装置或者管理主机的通信；
16、无线通信天线，用于无线信号的发射和接收。
本发明的设备控制开关1默认为常开模式，采用控制继电器由cpu的io控制硬件实现开关控制，通过控制继电器的常开触点no和中间触点co实现供电设备的开关供电。本发明的级联控制开关2默认为常闭模式，采用控制继电器由cpu的io控制硬件实现开关控制，通过控制继电器的常开触点和中间触点实现回路供电输出的开关供电。
图5是电流采样模式选择装置的结构示意图。本发明的供电管理装置中的电流采样模式选择装置有1、2、3共3个短接端子组成，通过如下连接方式实现电流采样模式的选择，连接方式为：1）交流输入接口的火线l引脚通过级联控制2继电器和选择装置1号端子相连接；2）选择装置2号端子通过电流互感器2和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的l/s+连接；3）交流输入接口的保护地e引脚和选择装置3号端子相连接，同时和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的e/s-连接；4）交流输入接口的零线n引脚和回路供电输出/外置电流采样功能复用接口的n连接。
本发明的供电管理装置中回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为两种功能复用：1）作为回路供电输出功能时，具有火线l、保护地e、零线n三个引脚；2）作为外置电流采样功能时，具有外置互感器s+、s-两个引脚；本发明将回路供电输出功能时的火线l和外置电流采样功能时互感器s+复用到一个引脚上，将回路供电输出功能时的保护地e和外置电流采样功能时互感器s-复用到一个引脚上。
图6是内置级联电流采样的结构示意图。本发明的供电管理装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为回路供电输出功能时电流采样方式为：1）选择装置短接1、2号端子；2）交流输入的火线l经过级联控制2继电器和选择装置1号端子连接，通过2点端子后经过电流互感器2给设备供电输出接口的火线引脚l连接，给下级供电管理装置进行供电输入，下级供电管理装置的供电经过负载后通过零线n和回路供电输出接口的零线n引脚相连接，回路供电输出接口零线n和交流输入零线n连接，形成给下级供电管理装置供电的回路；3）通过电流互感器2对供电回路进行电流隔离转换，然后输入给电流采样调整电路进行信号调整后输入给cpu模块进行采样。
图7是外置互感器电流采样的结构示意图。本发明的供电管理装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时电流采样方式为：1）选择装置短接2、3号端子；2）外置交流互感器检测到外置电缆上的大电流后，将外置电流互感器的s+和外置电流采样接口的s+引脚相连接，然后经过电流互感器2和选择装置的2号端子进行连接，通过选择装置的3号端子和外置电流采样接口的s-引脚相连接，并通过外置电流采样s-引脚和外置交流互感器的s-连接，形成外置电流检测回路；3）通过电流互感器2对电流检测回路进行电流隔离转换，然后输入给电流采样调整电路进行信号调整后输入给cpu模块进行采样。
图8是外置互感器电流采样保护地的结构示意图。本发明的供电管理装置的回路供电输出/外置电流采样功能复用接口作为外置电流采样功能时，外置交流互感器s-通过外置电流采样接口的s-/e引脚和交流输入接口的保护地e引脚相连接，避免外置交流互感器高压脉冲信号的出现，避免导致人身和设备的安全事故发生。
本发明的内置级联式连接方法通过装置中的级联控制开关2可以控制后面所有装置和用电设备的供电，在检测到回路供电输出接口连接的用电负载电流超过10a电流或者预设的电流阀值时，可以断开级联控制开关2，中断对后面所有装置和用电设备的供电。
本发明的外接互感器式连接方法在检测到供电电缆中的负载电流超过电缆负载容量或者预设电流阀值时，首先关闭装置设备供电接口的用电设备的供电，以保护供电电缆的供电安全，然后通过无线通信天线将负载电流超限告警发送到其他装置中，通知其他装置切断自身的设备供电接口的用电设备的供电，以保证供电电缆的供电安全。
本发明的装置中的级联控制开关2采用默认常闭模式，使得装置在正常工作时交流输入接口和回路供电输出接口始终保持导通状态，当后续装置管理的负载容量超越了cpu处理器设定的最大门限值或者后续装置需要进行更换维修时，cpu处理器通过控制信号线控制总线回路供电开关，断开回路供电。
本发明的装置中的设备控制开关1采用默认常开模式，使得被管理的用电负载设备默认处于供电断开状态，只有cpu处理器接收到无线指令或者cpu处理内部的定时器指令，才开启对用电负载设备的供电；同时每个装置对用电负载设备的开启供电采用分时控制，避免同时对用电负载设备进行开启供电，导致供电回路启动电流过大而烧毁供电线路的问题出现；当用电负载设备的功耗过大，或者消耗的电能超过了cpu处理器中设定的阀值时，cpu处理器通过控制信号线控制负载设备供电开关，断开对用电负载设备的供电。
图9是电压采样调整电路的结构示意图。本发明的电压采样调整电路由：1、电压互感器；2、相位调整电路；3、电压分压电路；4、过压保护器件；5、运算放大电路；6、驱动跟随电路共6个部分组成。
图10是电流采样调整电路的结构示意图。本发明的电流采样调整电路由：1、电流互感器；2、相位调整电路；3、电流转电压电路；4、过压保护器件；5、运算放大电路；6、驱动跟随电路共6个部分组成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。