一种带特征信号发送和识别功能的线路监测终端的制作方法

1.本实用新型涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种带特征信号发送和识别功能的线路监测终端。


背景技术：

2.低压配电网处于整个电网的末端，一直以来，由于低压配电网点多、面广、量大、单点经济价值低等特点，配电自动化尚未有效覆盖低压配电网，长期以来缺乏智能高效的运行监测和运维管理手段。国家电网公司在2019年“两会”上提出了建设打造泛在电力物联网，泛在电力物联网建设还有一项重点工作就是要实现低压配电网户变关系和台区物理拓扑关系自动识别，其中涉及一种低压配电网感知层线路监测设备，用于对分支箱和表箱等处的线路状态进行监测和测量，在此基础上实现电能计量、线损分析、停上电状态监测和事件上报等功能。
3.图1给出了现有线路监测终端整机组成结构框图，如图1所示，现有线路监测终端主要由控制单元、交采计量模块、存储器、上行通信器和下行通信器组成。
4.现有线路监测终端产品不带特征信号发送和识别功能，无法协助上级台区终端做户变关系识别或拓扑识别。要实现特征信号发送和识别功能，协助上级终端实现台区户变关系识别和拓扑识别，必须在现有线路监测终端通过rs485接口外接一个拓扑发送或识别装置。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是，提供一种既可以实现现有线路监测终端的计量、抄表和通信功能，又可以实现特征信号发送和识别功能，协助上级终端实现台区户变关系识别和拓扑识别的线路监测终端。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种带特征信号发送和识别功能的线路监测终端，其特征在于：
7.包括控制单元、交流采样模块、本地维护模块、上行通信器、下行通信器、存储器、特征信号发生电路、特征信号调理电路；所述交流采样模块、所述本地维护模块、所述上行通信接器、所述下行通信器、所述特征信号发生电路、所述特征信号调理电路和所述存储器与所述控制单元连接，所述交流采样模块与所述特征信号调理电路连接。
8.进一步地，所述特征信号调理电路包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、差分转单端信号电路和直流偏置叠加电压电路，所述三相电压采样电路、三相电流采样电路并联后依次与所述差分转单端信号电路、所述直流偏置叠加电压电路连接。三相电压信号、三相电流信号分别经过所述三相电压采样电路、三相电流采样电路采样后，通过所述差分转单端信号电路变为单端信号，然后经过所述直流偏置叠加电压电路处理变成适于所述控制单元内部adc采样且叠加了直流偏置的单端信号；所述特征信号发生电路用于产生特征信号，包括限流器件、开关管和开关管驱动电路。
9.进一步地，所述交流采样模块包括：三相电压采样电路、三相电流采样电路、专用计量芯片，所述三相电压采样电路用于采样a、b、c三相电压，所述三相电流采样电路用于采样a、b、c三相电流，所述专用计量芯片用于测量三相电压有效值、三相电流有效值、功率因数、相角、频率、有功电能和无功电能；三相电压信号、三相电流信号分别经过所述三相电压采样电路、所述三相电流采样电路送入所述专用计量芯片，所述专用计量芯片通过spi接口与控制单元通信。
10.进一步地，所述交采电压采样电路由限流器、电压互感器、v/v变换电路和抗混叠滤波电路组成，交流强电电压信号依次经所述限流器、所述电压互感器、所述v/v变换电路、所述抗混叠滤波电路后进入专用计量芯片。
11.进一步地，所述交采电流采样电路由电流互感器、低通滤波器、i/v变换电路和抗混叠滤波电路组成，交流强电电流信号依次经所述电流互感器、所述低通滤波器、所述i/v变换电路、所述抗混叠滤波电路后进入专用计量芯片。
12.进一步地，所述交流采样模块与特征信号调理电路共用所述三相电压采样电路和/或所述三相电流采样电路。
13.进一步地，所述控制单元内部带adc模数转换器，至少有6路adc采样接口，所述控制单元用于整个线路监测终端的运行控制、特征信号发送控制、特征信号识别、数据采集、数据传输与通信、电能计量。
14.进一步地，所述本地维护模块用于终端本身的参数设置和查询、程序升级、系统交互，所述本地维护模块包括rs-232维护电路、红外通信模块和usb维护模块，所述rs-232维护电路通过uart串口与控制单元连接；所述红外通信模块通过uart串口与控制单元连接，所述usb维护模块通过usb总线与控制单元连接。
15.进一步地，所述下行通信器，包括2路rs485通信接口，通过uart串口与控制单元连接；所述rs485通信接口中的1路用于级联下挂其他采集终端设备或直接与电能表连接，所述rs485通信接口中的另1路用于抄表或与集中器及智能配变终端通信。
16.进一步地，所述上行通信器一端通过uart串口与控制单元连接，另一端与上行通信模块连接，用于线路监测终端与台区终端等智能设备的上行通信。
17.本实用新型的有益效果在于：通过在线路监测终端内置增加特征信号发生和特征信号采样识别电路，在实现计量、抄表和通信功能的同时，实现了特征信号发生和采样识别功能，协助上级终端实现台区户变关系识别和拓扑识别，比单独加装拓扑发送和识别装置集成度更高，成本更低，使安装维护更简单。另外，该线路监测终端控制单元通过计算采集的原始交采电压数据来判断工频电压过零点信息，省去了硬件过零检测电路，电路更精简，成本更低。
附图说明
18.图1是现有线路监测终端整机组成结构框图；
19.图2是本实用新型一实施方式线路监测终端组成结构图；
20.图3是本实用新型一实施方式线路监测终端交流采样模块和特征信号调理电路结构框图；
21.图4是本实用新型一实施方式线路监测终端单相交流电压采样电路和交流电压调
理电路结构框图。
22.图5是本实用新型一实施方式线路监测终端单相交流电压采样电路和交流电压调理电路原理图。
23.图6是本实用新型一实施方式线路监测终端单相交流电流采样电路和交流电流调理电路结构框图。
24.图7是本实用新型一实施方式线路监测终端单相交流电流采样电路和交流电流调理电路原理图。
具体实施方式
25.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。
26.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
27.还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
28.图2是本实用新型一实施方式线路监测终端组成结构图，线路监测终端主要包括控制单元201、交流采样模块202、本地维护模块205、上行通信器207、下行通信器208、特征信号发生电路204、特征信号调理电路203、存储器206、电源模块209组成。
29.所述交流采样模块202、本地维护模块205、上行通信接器207、下行通信器208、特征信号发生电路204、特征信号调理电路203、存储器206均与控制单元201连接，交流采样模块202还与特征信号调理电路203电气连接。
30.所述控制单元201是终端的核心单元，负责整个终端的运行控制、特征信号发送控制、特征信号识别、数据采集、数据传输与通信等主要功能，同时在这里还需实现电能计量功能。这里控制单元201内部必须带adc模数转换器，至少要有6路adc采样接口。所述控制单元201采用st意法半导体公司的stm32f4x系列微控器。
31.所述存储器206通过spi接口与控制单元201连接，存储器206用于存储采集的自身和电能表相关电能量数据，以及拓扑校表和特征信号控制等相关参数，这里选用spi通信接口的flash存储器。
32.所述下行通信器208，主要包括2路rs485通信接口，均通过uart串口与主控单元通信，一路可作为级联下挂其他采集终端设备或直接与电能表连接做抄表使用；另外一路rs485接口可选配做抄表或上传功能，做上传功能时主要与集中器或智能配变终端等智能设备相应rs485接口连接通信；两路rs485通信接口均通过uart串口与控制单元201连接。
33.所述上行通信器207一端通过uart串口与控制单元201连接，一端与上行通信模块连接；采用外置模块化可插拔设计，满足不同厂家、相同功能模块的可互换要求，主要实现线路监测终端与台区终端等智能设备的上行通信，上行通信模块通过uart串口与处理器单
元连接通信，其强弱电接口满足《qgdw 1375.3-2013电力用户用电信息采集系统型式规范第3部分：采集器型式规范》中a7.3章节通信模块弱电接口管脚定义以及a7.4章节通信模块载波耦合接口定义。其安装在终端本体上，采用国网标准接口，通过更换不同的通信模块支持窄带、微功率无线、hplc高速载波和hplc无线双模等通信方式。所述上行通信模块207可选用青岛东软载波科技股份有限公司型号为plcs1667-d-cjq-gw13的东软六代i采带超级电容高速hplc载波模块，模块自带超级电容，终端停电后可通过hplc载波信号耦合方式支持终端停电事件上报。
34.所述电源模块209将交流电源转换为终端需要的各种直流电源，给整个线路监测终端相关电路供电，包括ac-dc开关电源和dc-dc电源转换电路。
35.所述本地维护模块205用于终端本身的参数设置和查询、程序升级、系统交互等维护功能，所述本地维护模块205包括rs-232维护电路、红外通信模块和usb维护模块，所述rs-232维护电路通过uart串口与控制单元201连接；所述红外通信模块通过uart串口与控制单元连接，所述usb维护模块通过usb总线与控制单元连接。
36.所述交流采样模块202采集三相交采电压和三相交采电流，并对原始数据做处理，实现相电压、相电流、功率、相角和频率等电气量参数的测量，并将相关数据通过spi接口上传给控制单元201处理，实现电能量计量功能。
37.所述特征信号调理电路203将交流采样模块202采集的原始交采电压和电流信号进行信号变换处理，使处理后的信号适于控制单元201内部adc模数转换器采集处理。所述特征信号调理电路包括三相电压采样电路、三相电流采样电路、差分转单端信号电路和直流偏置叠加电压电路，三相电压信号、三相电流信号分别经过所述三相电压采样电路、三相电流采样电路采样后，通过所述差分转单端信号电路变为单端信号，然后经过所述直流偏置叠加电压电路处理变成适于所述控制单元内部adc采样且叠加了直流偏置的单端信号；所述特征信号发生电路用于产生特征信号，包括限流器件、开关管和开关管驱动电路。
38.所述交流采样模块与特征信号调理电路共用所述三相电压采样电路和/或所述三相电流采样电路。
39.图3是线路监测终端交流采样模块和特征信号调理电路结构框图，所述交流采样模块306包括：三相电压采样电路304、三相电流采样电路305、专用计量芯片303，所述三相电压采样电路304用于采样a、b、c三相电压，所述三相电流采样电路305用于采样a、b、c三相电流，所述专用计量芯片303用于测量三相电压有效值、三相电流有效值、功率因数、相角、频率、有功电能和无功电能；三相电压信号、三相电流信号分别经过所述三相电压采样电路304、所述三相电流采样电路305送入所述专用计量芯片303，所述专用计量芯片303通过spi接口与控制单元302通信。
40.图3中，所述特征信号调理电路包括三相电压采样电路304、三相电流采样电路305、三相交采电压调理电路301、三相特征信号调理电路307，所述三相交采电压调理电路301主要实现三相交采电压信号处理，主要作阻抗变换、信号放大、差分转单端信号和叠加直流偏置电压等处理，最终处理成适于控制单元302内部adc采样且叠加了直流偏置的单端信号，该信号最终被控制单元302进行运算分析处理，控制单元302利用该信号寻找工频电压过零点信息，计算得到的软过零点信号可作为特征信号识别的同步信息，这样省去了单独的硬件过零检测电路。所述三相特征信号调理电路307，主要实现三相特性信号变换处
理，作阻抗变换、信号放大、差分转单端信号和叠加直流偏置电压等处理，最终处理成适于控制单元302内部adc采样且叠加了直流偏置的单端信号，再由控制单元302运算、分析和计算采集的特征信号幅值，并最终解码出接收到的特征信号编码信息。
41.图4是线路监测终端单相交流电压采样电路和交流电压调理电路结构框图，单相交流电压采样电路由限流器402、电压互感器403、v/v变换电路404、抗混叠滤波电路405组成，限流器402用于将大的交流强电电压信号转换为小电压信号，电压互感器403用于隔离和电压转换，v/v变换电路404用于将电压互感器403转换的电压信号转换为小电压信号，其转换的小电压信号一端与交采电压调理电路的电压信号差分转单端电路连接，同时还进入到抗混叠滤波电路405，最终进入到专用计量芯片406内部的电压通道差分adc模数转换管脚。交采电压调理电路主要由电压信号差分转单端电路401和直流偏置叠加电路407组成，电压信号差分转单端电路401与v/v变换电路404连接，用于将v/v变换电路404采样的差分小电压信号转换为单端信号，单端信号在经过直流偏置叠加电路407处理，变成了具有一定直流偏置的单端信号，并最终进入控制单元408的内部adc模数转换管脚。
42.图5是监测终端单相交流电压采样电路和交流电压调理电路原理图，其中va和vn分别为交流强电电压的火线和零线，va+和va-为进入到专用计量芯片内部电压通道adc的差分采样信号，topology_vaa+为进入到控制单元的内部adc的单端采样信号。所述限流器为r10，采用单个功率电阻，阻值为200kω；所述电压互感器为pt1,采用可采用北京霍远科技有限公司型号为hpt225a-g的互感器，规格参数为2ma/2ma，精度等级为0.1级。所述i/v变换电路有r11和r12两个差分采样电阻组成，阻值均为30ω。所述抗混叠滤波电路由r9、r13、c4和c5组成，r9和r13阻值均为1.2kω，c4和c5电容容量为0.01uf。所述专用计量芯片可以采用钜泉公司的att7022e多功能高精度三相电能专用计量芯片。所述电压信号调理电路由u1d和u1a两个运算放大器以及相关电阻电容组成，其中r1、r3、r5、r8、c1和u1d组成电压信号差分转单端电路，r2、r4、r7、c2和u1a组成直流偏置叠加电阻，其中r1和r8两个电阻阻值为51k，r2、r3、r4、r5和r7电阻阻值为10k，c1和c2两个补偿电容容值为100pf，r6和c3为低通滤波器。
43.图6是线路监测终端单相交流电流采样电路和交流电流调理电路结构框图，交流电流采样电路由电流互感器604、低通滤波器605、i/v变换电路606、抗混叠滤波电路607组成，电流互感器604用于将大电流信号转换为小电流信号；低通滤波器605用于滤除高频噪声，i/v变换电路606用于将电流互感器采集的小电流信号转换为芯片可以处理的小电压信号，其转换的小电压信号一端与特征信号调理电路的特征信号差分转单端电路603连接，同时还进入到抗混叠滤波电路607，最终进入到专用计量芯片608内部的电流通道差分adc模数转换管脚。特征信号调理电路主要由特征信号差分转单端电路603和直流偏置叠加电路602组成，特征信号差分转单端电路603与i/v变换电路606连接，用于将i/v变换电路606采样的差分小电压信号转换为单端信号，单端信号在经过直流偏置叠加电路602处理，变成了具有一定直流偏置的单端信号，并最终进入控制单元601的内部adc模数转换管脚。
44.图7是线路监测终端单相交流电流采样电路和交流电流调理电路原理图，其中所述电流互感器与ia+和ia-两个信号连接，iaa+和iaa-为进入到专用计量芯片内部电流通道adc的差分采样信号，topology_iaa+为进入到控制单元的内部adc的单端采样信号。所述外置开口式相电流互感器可采用北京霍远科技有限公司的hct22k-a1电流互感器，额定电流
为100a，ct变比为4000:1，最大电流可到400a，精度等级为0.5级；低通滤波器为lc低通滤波器，由l1、l2、c9和c11组成，其中l1和l2可选电感或磁珠，这里可选用型号为cbg201209u102t的片式磁珠，c9和c11两个电容容值为1000pf。所述i/v变换电路有r23和r24两个差分采样电阻组成，阻值均为2ω。所述抗混叠滤波电路由r22、r25、c10和c12组成，r22和r25阻值均为1.2kω，c10和c12电容容量为0.01uf。所述专用计量芯片可以采用钜泉公司的att7022e多功能高精度三相电能专用计量芯片。所述特征信号调理电路由u1b和u1c两个运算放大器以及相关电阻电容组成，其中r14、r16、r18、r21、c6和u1b组成特征信号差分转单端电路，r15、r17、r20、c7和u1c组成直流偏置叠加电阻，其中r14和r21两个电阻阻值为30k，r15、r16、r18、r20和r17电阻阻值为10k，c1和c2两个补偿电容容值为100pf，r19和c8为低通滤波器。其中所述u1两个四通道运算放大器可以采用圣邦微公司的sgm8270运算放大器，且实际应用时还需给运算放大器提供-3.3v和1.2v直流电压，该直流电压可由常用的ldo电源芯片等转换而来。
45.本实用新型实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
46.实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。