智能配变终端的制作方法

本发明属于配电变压器综合解决方案技术领域，具体涉及一种智能配变终端。

背景技术：

根据国家电网建设坚强电网战略部署，将农网智能化作为试点工程，推动配电技术创新发展。2017年7月，国家电网起草提出了规范智能配变终端的最新技术指标。国家电网在近几年的农网改造中，大面积升级各种供电设备，其中在变压器台区中会升级jp柜（jp柜是配电变压器综合配电柜的简称）。国家电网最新技术指标指向的对象就是jp柜中的大脑——“智能配变终端”。

国家电网公司根据农网的运行特点，汲取过去农网建设与使用经验，对农网智能配变终端的环境条件、工作电源、功能要求、技术指标、可靠性等作了明确规定。在此新规之前，农网智能型低压配电箱完全遵照国家电网公司发布的q/gdw614-2011《农网智能型低压配电箱功能规范和技术条件》和q/gdw615-2011《农网智能配变终端功能规范和技术条件》进行研发生产。

为符合最新的技术要求，有必要对于现有的配变终端进行升级改造，克服现有的配变终端在电源要求、通信要求、功能要求等方面的不足和缺陷。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的状况，克服上述缺陷，提供一种智能配变终端。

本发明采用以下技术方案，所述智能配变终端包括机箱、位于机箱底部的多类型接口和内置于机箱的交流和电源板卡以及cpu核心板卡，其中：

所述多类型接口包括至少一网络通信接口、至少一usb接口、至少一串口通信接口、sim卡接口和用于接入输入输出信号线的重载连接器接口，通过上述输入输出信号线输入输出的通信信号包括3个三相电压电信号、3个三相电流电信号、1个有功电能脉冲信号、1个无功电能脉冲信号、8个开关量输入信号和2个直流输入信号；

所述交流和电源板卡包括计量单元、载波模块、全波整流及滤波电路和用于同时提供3路直流电源信号的宽范围电源模块，所述cpu核心板卡包括cpu单元和相互独立地与cpu单元相连的di输入模块和直流输入模块，所述计量单元通过spi通信线与cpu单元相连，所述载波模块通过串口载波通信线与cpu单元相连；

所述cpu核心板卡还包括电源稳压模块，所述电源稳压模块设有向cpu单元提供紧急后备电源供应的超级电容e1，所述电源稳压模块还设有与超级电容e1相连的超级电容充电电路和超级电容输出电路。

根据上述技术方案，上述3个三相电流电信号分别通过3个ct转换形成3个三相电流的交流小信号，上述3个三相电压电信号分别通过3个pt转换形成3个三相电压的交流小信号，上述3个三相电流的交流小信号和3个三相电压的交流小信号同时送入计量单元以形成并且输出1个有功电能脉冲信号、1个无功电能脉冲信号和1个电量数字信号，上述1个有功电能脉冲信号和1个无功电能脉冲信号经光耦隔离接入重载连接器接口，上述电量数字信号经spi通信线接入cpu单元；

包含上述3个三相电压电信号的信号线通过重载连接器接口接入载波模块的耦合接口；

上述8个开关量输入信号通过di输入模块接入cpu单元，上述2个直流输入信号通过直流输入模块接入cpu单元。

根据上述技术方案，所述超级电容充电电路包括5.5v外接电源与超级电容e1之间顺次接入的二极管d4和限流电阻r108。

根据上述技术方案，所述超级电容输出电路包括稳压模块ff6277，超级电容e1与限流电阻r108之间的共同端通过二极管d6接入稳压模块ff6277的3号端。

根据上述技术方案，所述网络通信接口包括网口lan0和网口lan1，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的网络通信模块，所述网络通信模块同时与上述网口lan0和网口lan1相连；

所述usb接口包括usb接口1和usb接口2，所述cpu单元同时与上述usb接口1和usb接口2相连；

所述串口通信接口包括串口s0、串口s1、串口s2、串口s3、串口o4和串口o5，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的串口通信模块，所述串口通信模块同时与上述串口s0、串口s1、串口s2、串口s3、串口o4和串口o5相连。

根据上述技术方案，所述计量单元采用att7022计量芯片；

所述串口s3采用rs485端口；

所述串口o4和串口o5均采用rs232/rs485共用端口。

根据上述技术方案，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的无线通信模块，所述无线通信模块包括1个本地无线通讯单元和1个gprs通信单元，所述本地无线通信单元用于连接近场手持设备，所述gprs通信单元用于与主站进行通信。

根据上述技术方案，所述本地无线通讯单元采用带引出天线的蓝牙模块；

所述gprs通信单元采用华为的4g/3g/2g五模自适应无线通讯模块。

根据上述技术方案，所述宽范围电源模块提供的3路直流电源信号包括第一路5v主电源信号、第二路24v遥信电源信号和第三路12v电源信号。

根据上述技术方案，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元相连的数据存储模块、加密模块和24个面板指示灯，其中8个指示灯接于cpu单元的io管脚，其他16个面板指示灯通过总线接入cpu单元。

本发明公开的智能配变终端，其有益效果在于，核心cpu集成度高，整个产品只使用一片cpu即完成电能计算、电能计量等全部功能，既精简了设计，又节约了成本。同时，通过巧妙增设超级电容及其外围电路，有效地延长后备电源工作时间，通过增加工作电源的稳压宽度保证超级电容的正常供电时间。

附图说明

图1是本发明优选实施例的整体结构示意图。

图2是本发明优选实施例的底部接口示意图。

图3是本发明优选实施例的电源稳压电路（模块）的电路结构图。

图4是本发明优选实施例的输入输出线路的模块框图。

图5是本发明优选实施例的交流与电源板卡的模块框图。

图6是本发明优选实施例的cpu核心板卡的模块框图。

附图标记包括：11-网口lan0；12-网口lan1；21-串口s0；22-串口s1；23-串口s2；24-串口s3；25-串口o4；26-串口o5；31-usb接口1；32-usb接口2；41-sim卡接口；51-重载连接器接口。

具体实施方式

本发明公开了一种智能配变终端，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参见附图的图1至图6，图1示出了所述智能配变终端的整体（外部）结构，图2示出了所述智能配变终端的底部接口结构，图3示出了所述智能配变终端的电源稳压电路（模块）的电路结构，图4示出了所述智能配变终端的输入输出线路的模块结构，图5示出了所述智能配变终端的交流与电源板卡的模块结构，图6示出了所述cpu核心板卡的模块结构。

优选地，所述智能配变终端包括机箱、位于机箱底部的多类型接口和内置于机箱的交流和电源板卡（电源和交流板卡/电源+交流板卡，下同）以及cpu核心板卡（cpu主控板卡，下同），其中：

所述多类型接口包括至少一网络通信接口、至少一usb接口、至少一串口通信接口、sim卡接口41和用于接入输入输出信号线的重载连接器接口51，通过上述输入输出信号线输入输出的通信信号包括3个三相电压电信号、3个三相电流电信号、1个有功电能脉冲信号、1个无功电能脉冲信号、8个开关量输入信号和2个直流输入信号；

所述交流和电源板卡包括（内置有）计量单元、载波模块、全波整流及滤波电路和用于同时提供3路直流电源信号的宽范围电源模块，所述cpu核心板卡包括（内置有）cpu单元和相互独立地与cpu单元相连的di输入模块和直流输入模块，所述计量单元通过spi通信线与cpu单元相连，所述载波模块（的ttl通信管脚）通过串口载波通信线与cpu单元相连。

其中，上述3个三相电流电信号分别通过3个ct转换形成3个三相电流的交流小信号，上述3个三相电压电信号分别通过3个pt转换形成3个三相电压的交流小信号，上述3个三相电流的交流小信号和3个三相电压的交流小信号同时送入计量单元以（进行电量计算和电能计量）形成并且输出1个有功电能脉冲信号、1个无功电能脉冲信号和1个电量数字信号，上述1个有功电能脉冲信号和1个无功电能脉冲信号经光耦隔离接入重载连接器接口51，上述电量数字信号经spi通信线接入cpu单元；

包含上述3个三相电压电信号的信号线通过重载连接器接口51接入载波模块的耦合接口，以实现智能配变终端与低压用户电表之间的载波通信；

上述8个开关量输入信号通过di输入模块接入cpu单元，上述2个直流输入信号通过直流输入模块接入cpu单元。

进一步地，所述网络通信接口包括网口lan011和网口lan112，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的网络通信模块（网络通信功能模块，下同），所述网络通信模块同时与上述网口lan011和网口lan112相连。

进一步地，所述usb接口包括usb接口131和usb接口232，所述cpu单元同时与上述usb接口131和usb接口232相连。

进一步地，所述串口通信接口包括串口s021、串口s122、串口s223、串口s324、串口o425和串口o526，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的串口通信模块（串行通讯功能模块，下同），所述串口通信模块同时与上述串口s021、串口s122、串口s223、串口s324、串口o425和串口o526相连。

进一步地，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的无线通信模块，所述无线通信模块包括1个本地无线通讯单元和1个gprs（远程无线）通信单元，所述本地无线通信单元用于连接近场手持设备以便产品维护，所述gprs通信单元用于与主站进行通信。

其中，所述本地无线通讯单元优选采用带引出天线的蓝牙模块。

其中，所述gprs通信单元优选采用华为的4g/3g/2g五模自适应无线通讯模块。

进一步地，所述宽范围电源模块提供的3路直流电源信号包括第一路5v主电源信号，该5v主电源信号用于为整个产品的数字电路提供工作电源和向超级电容充电，该主电源信号用于提供后备电源，还包括第二路24v遥信电源信号，该24v遥信电源信号用于开关量输入电路，还包括第三路12v电源信号，该12v电源信号用于载波通信模块。

进一步地，所述cpu核心板卡还包括与cpu单元双向连通的数据存储模块（存储功能模块，下同），所述数据存储模块用于大容量数据记录。

其中，所述数据存储模块优选采用256mbit容量的dram和1gbit的nandflash。

进一步地，所述cpu核心板卡还包括接入cpu单元的加密模块（加密功能模块，下同），所述加密模块需要采用国网统一要求的硬件加密模块。

进一步地，所述cpu核心板卡还包括同时接入cpu单元的24个面板指示灯（指示灯，下同），其中8个指示灯接于cpu单元的io管脚，其他16个面板指示灯通过总线接入cpu单元。

参见附图的图3，进一步地，所述cpu核心板卡还包括电源稳压模块，所述电源稳压模块设有向cpu单元（和其他数据存储模块等功能模块）提供紧急后备电源供应的超级电容e1，所述电源稳压模块还设有与超级电容e1相连的超级电容充电电路和超级电容输出电路。

其中，所述超级电容充电电路包括5.5v外接电源与超级电容e1之间顺次接入的二极管d4和限流电阻r108。由于d4有0.3v的管压降。所以超级电容最高可以充电到5.2v左右。有5.5v外接电源输入时，一方面可以给超级电容充电，另一方面可以通过二极管d2和d3给稳压模块提供输入电源，而超级电容这时只充不放，直到充满。d2和d3起到单向导电作用，同时也起到降压作用，是u26的电压保持在5v以下。因为u26为升压型稳压管。输入电压需要保持比输出电压小。

其中，所述超级电容输出电路包括稳压模块ff6277，超级电容e1与限流电阻r108之间的共同端通过二极管d6接入稳压模块ff6277的3号端。一旦5.5v外接电源断电，超级电容e1立即通过二极管d6无缝投入，给稳压模块提供输入电源。可以从5.2v开始放电，一直放到只有2v，稳压模块pf6277才会停止工作。这个过程足以满足5分钟的后备电源的工作要求，经试验，最长可以放电正常工作8分钟。pf6277的外围电路参考pf6277数据手册的典型电路。

其中，所述计量单元优选采用att7022计量芯片。

其中，所述串口s324优选采用rs485端口。

其中，所述串口o425和串口o526优选均采用rs232/rs485共用端口。

其中，所述多类型接口还可包括设有wifi、gprs、rf的wifi模块天线接口、4g模块天线接口、微功率无线模块天线接口。

根据上述优选实施例，本发明专利申请公开的智能配变终端，其设计要点简述如下。

针对环境要求，全部采用宽温度范围的器件，测量回路采用低温漂器件和基准。

电源输入的范围很宽，正常三相220v输入，从单相176v到两相400v输入都能正常给终端提供稳定的电源。针对这个要求，我们专门定制了宽范围电源模块，输入范围宽达150v~480v。整流方式有全波整流和半波整流两种可选方式。

用超级电容作为后备电源，当终端主电源故障时，超级电容能自动无缝投入，并应维持终端及终端通信模块正常工作至少5分钟。针对这个要求，一方面我们选用了60f/5.4v大容量的内置超级电容。另一方面，我们设计了超级电容充放电电路及超级电容自动无缝投入的稳压电路。

通信要求明确规定需要有6个对外的串口。此外还需要接载波模块、无线通信模块、本地维护用无线通信模块，还有至少一路以太网。这样一来，整个核心单元一共需要配置9个通信口。一般cpu核心输出一路以太网之后，最多可以自带5路串行通信口。所以我们用总线扩展的方式，扩充了另外4路串口。

功能要求里明确要连接多个外设，用于对多种用电信息进行监测。多种外设，涉及到多种通信规约。除了常规的101/104规约对主站外，还必须支持modbus、dl/t645、q/gdw1376.1、q/gdw1376.4对外设。所以每个通信口都可以有多种规约进行选择配置。

数据记录和数据统计功能要求里，有大量的数据需要记录并上传，还有大量的数据需要进行统计和存储。所以需要大容量的数据存储器和大容量的flash才能满足要求。我们在该发明产品里就采用了256mbit容量的dram和1gbit的nandflash。

根据上述优选实施例，本发明专利申请公开的智能配变终端，其工作原理简述如下。

输入输出信号线全部从重载连接器出入。连接的信号有：三相电压和三相电流6个强电信号、有功电能和无功电能两个脉冲信号、8个开关量输入信号、2个直流输入信号。

三相电压和三相电流6个强电信号直接输入到交流+电源板卡，其中三相电压一方面通过pt进行信号转换，用于测量；另一方面经三相全波整流及滤波电路输入到宽范围输入电源模块，用于给整个产品提供工作电源；还一方面就是直接连接到载波模块，用于载波通信。三相电流信号则直接通过ct进行信号转换，用于测量。

六个经转换过的交流小信号输入到专用计量芯片att7022的输入管脚，进行电量计算和电能计量。att7022直接输出两路电能脉冲信号经光耦隔离后连接至重载连接器。而经att7022转换计算得到的电量数字信号则经spi通信线连接至cpu核心板卡。

载波模块安装在交流+电源板卡上，从cpu核心板卡过来的串口通信线连接至载波模块的ttl通信管脚，从重载连接器过来的电压线直接连接到载波模块的耦合接口。实现配变终端与低压用户电表之间的载波通信。

宽范围输入的电源模块，同时输出三路直流电源信号，一路为5v主电源，一方面用于为整个产品数字电路提供工作电源，另一方面为超级电容充电，以提供后备电源。另一路为24v遥信电源，用于开关量输入电路。还有一路就是12v电源，用于载波通信模块。

核心板卡上的接口主要是通信口，主要包括2路网络口，6路串口、2个usb接口、一路本地无线通信口、一路gprs无线通信口。还有就是开入量和直流信号接口，信号来自重载连接器。剩下的就是与交流+电源板卡的电源及通信连接。

核心板卡上主要的功能模块有：串行通讯功能模块、网络通信功能模块、存储功能模块、加密功能模块、无线通信模块、直流测量功能模块、开入量检测功能模块、指示灯功能模块，还有电源稳压电路功能模块。

串行通讯功能模块对于该发明产品来说，比较复杂。主要是因为该产品要求的串口数量比较多，需要9路串口。而我们现有的cpu资源有限，cpu实现了其他必要的功能之外，最多能提供出5路串口。所以必须采用总线扩展出其他4路串口。

网络通信功能模块，实现两路网络通信功能。一路采用cpu内部自带的网络功能，外加dp83848网络驱动芯片。另一路则采用dm9000biep网络芯片，用cpu总线进行扩展得到。

存储功能模块是该发明产品比较注重的方面，该产品有大量的数据记录和数据统计功能要求。需要大容量的数据存储器和大容量的flash才能满足要求。我们在该发明产品里就采用了256mbit容量的dram和1gbit的nandflash。

加密功能模块则是需要采用国网统一要求的硬件加密模块。

无线通信模块，有两个方面的要求，一方面是本地无线通信，用于手持设备进行产品维护。另一方面是gprs远程无线通信，用于与主站进行通信。本地无线通信模块，该发明产品里我们选用了带引出天线的蓝牙模块。而gprs远程无线通信模块，该发明产品里我们选用了华为的4g/3g/2g五模自适应的无线通信模块。

直流测量功能模块，用于测量配变系统里的4-20ma变送器直流信号，可以实现测温或其它监测量。信号从重载连接器进来。该功能模块里我们采用了线性光耦进行信号隔离。然后采用cpu内部自带的12位adc,进行信号测量。

开入量检测功能模块，信号也是从重载连接器直接进来。经光耦隔离后，由cpu总线输入，实现对8路开入量才检测功能。

该发明产品有24个指示灯用于显示各种状态，由于cpu的io管脚数量有限，24个指示灯不能全部用io管脚来实现。我们设计中，有8个指示灯采用了cpu的io管脚，而其他16个指示灯利用了总线进行输出。

最后还有一个电源稳压电路功能模块，是我们需要重点介绍的。

由于超级电容作为后备电源放电工作时，其电压是不稳的，电压会越来越低。而我们电路的工作电源必须相对稳定。否则，系统在运行过程中会出现一些意想不到的故障甚至停止运行的现象。而为了保证超级电容的放电工作时间的长度，除了增加超级电容的容量外，还可以在设计上增加工作电源的稳压宽度。也就是说超级电容从满压放电到比较低的电压这个比较宽的范围内都能通过稳压电路输出比较稳定的工作电源。但是由于产品体积的限制，超级电容的容量不可能定得太大。为了确保达到当终端主电源故障时，超级电容自动无缝投入，并应维持终端及终端通信模块正常工作至少5分钟的要求。我们很有必要通过增加工作电源的稳压宽度来延长超级电容的正常供电时间。

图3所示为电源稳压电路的原理图。图中e1为超级电容。u26为稳压模块，vin为外接电源模块输出来的主电源，该发明产品里的这个电源电压为5.5v。+5v为稳压电路输出来的电压，用于系统工作电源。下面介绍一下该电路的工作原理：

首先是超级电容的充电电路：从vin输入5.5v外接电源，即开始通过二极管d4和限流电阻r108给超级电容e1充电。由于d4有0.3v的管压降。所以超级电容最高可以充电到5.2v左右。

有5.5v外接电源输入时，一方面可以给超级电容充电，另一方面可以通过二极管d2和d3给稳压模块提供输入电源，而超级电容这时只充不放，直到充满。d2和d3起到单向导电作用，同时也起到降压作用，是u26的电压保持在5v以下。因为u26为升压型稳压管。输入电压需要保持比输出电压小。

一旦5.5v外接电源断电，超级电容e1立即通过二极管d6无缝投入，给稳压模块提供输入电源。可以从5.2v开始放电，一直放到只有2v，稳压模块pf6277才会停止工作。这个过程足以满足5分钟的后备电源的工作要求，经试验，最长可以放电正常工作8分钟。pf6277的外围电路参考pf6277数据手册的典型电路。

值得一提的是，本发明专利申请公开的智能配变终端，核心cpu集成度高，整个产品只使用一片cpu，完成全部功能，既精简了设计，有节约了成本。同时，后备电源工作时间长，保证了数据的可靠传输。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。