一种箱式配电网自动化馈线终端的制作方法

1.本发明涉及自动化配电设备技术领域，具体涉及一种箱式配电网自动化馈线终端。


背景技术：

2.馈线终端装置：简称ftu(feeder terminal unit)，安装在10 kv馈电线路上，对柱上开关进行监控，完成遥测、遥控、遥信、故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数，并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电功能。
3.馈线终端根据外观型式分为箱式和罩式，其中箱式馈线终端装置安装维护方便，应用较为广泛。如图1所示，箱式馈线终端由于采用封闭箱体结构，且内部各单元的安装以及走线设置紧凑，导致箱式馈线终端装置的散热问题一直困扰着人们，其主要是中央处理单元工作时，会产生大量的热量。针对散热问题，目前普遍采用的开窗后加装散热风扇的方式，这一方面会增加电能损耗，另一方面会带来灰尘侵入问题。另外，基于数字处理器dsp应用，现开发设计了馈线自动化终端装置，但目前所设计馈线终端存在着成本高、配置灵活性和智能性低等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种箱式配电网自动化馈线终端，其解决了现有箱式馈线终端装置加装散热风扇的方式所存在的增加电能损耗、带来灰尘侵入问题的缺陷。
5.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种箱式配电网自动化馈线终端，包括设于箱体内的中央处理单元，以及与中央处理单元连接的用于采集外部开关量的开入采集单元、用于遥控输出的控制输出单元、用于交流采样的交流采集单元、用于直流量采集的直流量采集单元，所述箱体上设有若干换热机构，所述换热机构包括分别位于箱体侧壁内外侧的第一空心板和第二空心板，所述第一空心板和第二空心板内均填充换热介质，且第一空心板和第二空心板的两端均通过连通管连通而形成环路，所述箱体内设有驱动机构，所述驱动机构用于将中央处理单元工作时的产生的热能转化动能，并利用该动能驱动第一空心板和第二空心板内的换热介质进行环流以实现散热；所述中央处理单元连接有温度采集单元，所述温度采集单元用于监测箱体内温度，并在箱体内温度高于阈值时发出报警。
6.进一步改进在于，所述自动化馈线终端还包括与中央处理单元连接的用于终端供电的供电单元、用于提供电源管理所需遥信以及遥控信号的电池管理单元、用于数据收发调试的调试单元、用于终端硬件初始化检验的自监控单元、用于通信的多通道通信单元、用于提供时钟信号的系统时钟单元、及用于显示以及键入的人机接口单元。
7.进一步改进在于，所述自监控单元被配置为依次进行flash检测、外部ram检测、
w5100检测、外部ad检测、电源检测，并根据各项检测结果进行故障显示或故障存储。
8.进一步改进在于，所述交流采集单元由交流变换器、前置变换电路、ad芯片、ad芯片和cpu芯片之间的接口电路构成，其中，所述交流变换器由电压变换器和电流变换器组成，所述前置变换电路由比例电路构成，所述ad芯片采用ads8556，所述接口电路采用总线方式。
9.进一步改进在于，所述中央处理单元和控制输出单元之间还连接有保护逻辑单元，用于处理相间短路和单相接地短路。
10.进一步改进在于，所述驱动机构包括：设置在中央处理单元一侧的筒体、在第一空心板内活动拦截设置的推片、以及第一联动件，所述筒体内活动设有第一活塞盘，所述第一活塞盘将筒体内部密封形成一空腔，所述第一联动件一端与第一活塞盘联动连接，另一端与推片联动连接；当中央处理单元工作时会产生热量，筒体空腔内的气体受热膨胀并推动第一活塞盘活动，所述第一活塞盘通过第一联动件带动推片在第一空心板内活动，用于驱动第一空心板和第二空心板内的换热介质进行环流，第一空心板内的受热后换热介质流入第二空心板内进行热排放、第二空心板内的冷换热介质流入第一空心板内继续进行热吸收。
11.进一步改进在于，所述筒体以及第一活塞盘均采用导热材料制成。
12.进一步改进在于，所述箱体的外部连接有动力箱，所述动力箱的内部设有第二活塞盘，所述第二活塞盘将动力箱内部密封形成一空腔，且动力箱外壁凹陷形成有换热槽，所述筒体一端敞口且与箱体外部连通，所述换热槽槽口与筒体敞口恰好相隔对立，所述筒体的侧壁连接有隔热材料制成且延伸至箱体外部的排气管和进气管，所述排气管和进气管上分别设有排气扇叶和进气扇叶，所述排气扇叶和进气扇叶通过传动带同步转动，排气管上设有排气阀，所述排气阀的阀片连接有第二联动件，所述第二联动件与第二活塞盘联动连接，所述进气管上设有限制仅能进气的单向阀；当箱体内温度持续升高一定时间后，所述第一活塞盘活动至与换热槽内壁接触，接触一定时间后所述第一活塞盘使动力箱腔体内的气体升温膨胀，并推动第二活塞盘活动，第二活塞盘通过第二联动件带动排气阀的阀片抽出，使筒体腔体内的热气体由排气管排出并带动排气扇叶转动，所述排气扇叶转动带动进气扇叶转动，进而由进气管补充外界冷气体，与此同时，所述第一活塞盘在重力作用下逐渐下落直至将排气管端口封堵，下落过程中通过第一联动件带动推片在第一空心板内活动，驱动第一空心板和第二空心板内的换热介质进行环流，使得第一空心板内的受热后换热介质流入第二空心板内进行热排放、第二空心板内的冷换热介质流入第一空心板内继续进行热吸收；所述动力箱空腔内气体在一定时间后降温收缩，使得第二活塞盘在重力作用下逐渐下落，直至通过第二联动件带动排气阀的阀片归位。
13.进一步改进在于，所述第一联动件与第一活塞盘和推片的联动连接以及第二联动件与第二活塞盘的联动连接均采用磁性相隔联动连接方式。
14.进一步改进在于，所述第二联动件与排气阀阀片连接位置设有磁吸片，用于与排气阀磁性连接。
15.本发明的有益效果在于：（1）该馈线终端箱体的箱壁上布设有换热机构，可在封闭以及无动力源条件下实
现自动换热，且散热效果良好，同时有效规避了电能损耗以及灰尘侵入的问题。
16.（2）该馈线终端具有成本低、功能配置丰富、智能性高的优点；另外， 还具有如下特点：采用嵌入式32位微处理器和16位数据采集系统，具备很强的数据处理能力；采用高精度电压、电流变送器；提供基于以太网、光电232/485的通信接口，为用户提供完善的组网方案；全面的设备运行信息和故障信息记录，为运行优化和事故分析提供充分的数据信息；完善的软硬件自检功能和免调节电路设计，安装调试更简单；人机接口界面友好、操作简便；完备的故障监测和保护功能；智能化蓄电池电源；遥信、遥控采用二级隔离，输出控制接点采用空接点方式，增加了设备的防护能力，提高了设备的可靠性。
附图说明
17.图1为馈线终端箱体内部各单元的安装以及走线示意图；图2为馈线终端的原理框图；图3为馈线终端的硬件系统结构框图；图4为自监控单元的检测流程图；图5为馈线终端的主流程图；图6和图7为馈线终端箱体在不同状态下的结构示意图；图8为换热机构的结构放大图；图中：1、第一空心板；2、第二空心板；3、连通管；4、推片；5、筒体；6、第一联动件；7、第一活塞盘；8、动力箱；9、第二活塞盘；10、换热槽；11、排气管；12、进气管；13、排气扇叶；14、进气扇叶；15、排气阀；16、第二联动件；17、单向阀；18、磁吸片。
具体实施方式
18.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
19.如图2和图6-8所示，一种箱式配电网自动化馈线终端，包括设于箱体内的中央处理单元，以及与中央处理单元连接的用于采集外部开关量的开入采集单元、用于遥控输出的控制输出单元、用于交流采样的交流采集单元、用于直流量采集的直流量采集单元，所述箱体上设有若干换热机构，所述换热机构包括分别位于箱体侧壁内外侧的第一空心板1和第二空心板2，所述第一空心板1和第二空心板2内均填充换热介质，且第一空心板1和第二空心板2的两端均通过连通管3连通而形成环路，所述箱体内设有驱动机构，所述驱动机构用于将中央处理单元工作时的产生的热能转化动能，并利用该动能驱动第一空心板1和第二空心板2内的换热介质进行环流以实现散热；所述中央处理单元连接有温度采集单元，所述温度采集单元用于监测箱体内温度，并在箱体内温度高于阈值时发出报警。具体的，温度采集单元可以设置为包括采集模块和报警模块，通过采集模块采集箱体内的实际温度值，并由中央处理单元将实际温度值与预设阈值进行比较，当实际温度值超过预设阈值时，说明换热机构无法有效换热，此时通过报警模块进行报警，报警方式包括但不限于原地声光报警、远程终端信息报警、中心主电站的信息报警等。
20.结合图2所示，优选的，所述自动化馈线终端还包括与中央处理单元连接的：用于终端供电的供电单元、用于提供电源管理所需遥信以及遥控信号的电池管理单元、用于数据收发调试的调试单元、用于终端硬件初始化检验的自监控单元、用于通信的多通道通信单元、用于提供时钟信号的系统时钟单元、用于显示以及键入的人机接口单元。所述中央处理单元和控制输出单元之间还连接有保护逻辑单元，用于处理相间短路和单相接地短路。
21.结合图3所示，下面详细介绍该馈线终端的硬件组成：中央处理单元采用dsp芯片tms320f2812f为核心处理器，利用片上自带两路串口实现s232/rs485通讯，外扩w5100进行以太网通讯，利用芯片i/o管脚通过光隔控制实现遥控，总线扩展16位高精度ad芯片ads8556实现遥测，总线接口光电隔离实现遥信。
22.开入采集单元用于实现外部开关量的采集，分辨率不大于10ms。输入接口采用外部开关信号端子con5、con6（型号：mc 0.5/11-g-2.5），输出接口采用dsp数据总线，其设计原理为16路外部无源，或有源24v开关量经过光电隔离和74hc245驱动隔离后输入到dsp数据总线。
23.控制输出单元可以实现6路遥控输出，实现对2回线的控制操作，输出接点容量达到250vac10a。输入接口：dsp i/o口；输出接口：外部输出端子con8（型号：dk301-16sbg）。遥控输出将采用光电隔离，并由cpu的双i/o口进行差动驱动，保证在任何情况下都不会出现误动。同时，对遥控回路的电源进行控制，只有在进行遥控时才进行加电，进一步提高可靠性。
24.交流采集单元采集6个电压、6个电流，可完成2回线的交流采样，采集量精度达到0.5%，计算量精度达到1%。交流采集单元由交流变换器、前置变换电路、ad芯片、ad芯片和cpu芯片之间的接口电路构成。交流变换器由电压变换器和电流变换器组成。电压将采用天门天瑞的6个电压变换器，输入电压300vac，输出电压4vac，保证可以采集到标称电压的120%。电流将采用天门天瑞的6个电流变换器，输入电流最大达到100a，输出电压为3.53vac。整个输出电压保证不超过ad芯片的输入电压范围，同时保证足够的采集精度。前置变换电路由比例电路构成，可以根据需要调节输入ad芯片的电压幅度，并对输出幅度进行限幅，以保证在任何情况下输出电压均不会超过ad芯片的承受范围。ad芯片采用ad芯片ads8556,该芯片具有6个采样通道，各个通道可以实现并行采集，方便功率的计算。为了保证采样通道个数，将采用2片ads8556进行并采集，从而构成12个采样通道。每个采样通道都可承受
±
12v的电压，具有很宽的采样范围。接口电路采用总线方式，将在cpu的外部总线上挂2片ad芯片，2个ad芯片分别处于不同的寻址范围上。
25.直流量采集单元用于实现4-20ma直流量到电压信号的转换，其输入接口采用外部端子，输出接口采用dsp ad管脚，设计思路为利用线性光隔和运放运算电路实现4-20ma直流量到1-3v的电压变换。
26.供电单元可靠供出一组3.3v、一组+12v和一组-12v、一组5v，其设计思路为220vac和1路24vdc换，保证供电可靠性，交流电取自pt，直流电取自蓄电池。
27.电池管理单元提供电源管理需要的遥信、遥控信号。由于采用的ac-dc电源带有蓄电池管理功能，需要通过主站或自动对电源进行维护，需要提供3路遥控和6路遥信完成该功能。
28.调试单元通过串口调试助手comdebug进行数据的收发调试。
29.自监控单元能够完成重要硬件的初始化检验，并作记录，其测试方案为开机时是观察显示检测信息，当故障时，调取历史记录观察是否记录故障信息。如图4所示，所述自监控单元被配置为依次进行flash检测、外部ram检测、w5100检测、外部ad检测、电源检测，并根据各项检测结果进行故障显示或故障存储。
30.多通道通信单元可以用rs232/485或网络方式实现101规约数据可靠传输，保证通讯畅通。输入接口采用dsp uart spi 数据 地址总线，输出接口采用2路rs232/485通讯接口，其设计思路为采用dsp芯片上的uart模块，通过rs232/485电平接口芯片，向上通信，同时利用总线接口芯片w5100实现网络通讯，其支持tcp/udp等通讯方式，功能强大，应用方案成熟可靠，同时增加保护电路提供热插拔功能。
31.系统时钟单元提供系统需要的时钟信号，每天走时误差不大于5s，其将采用pcf2123时钟芯片，并提供备用电池，保证在系统失电后时钟芯片能正常工作。
32.人机接口单元实现本地lcd显示、按键等人机接口的控制。
33.温度采集单元采集装置内部的温度参数，其采用tmp121aidbvt温度采集芯片，采集周期为1s。
34.本发明馈线终端的主流程是各个模块的顺序执行，流程图如图5所示，依次为：系统初始化、读取标定系数、读保护定值、读终端地址、交流采样、数据计算分析、保护判断、读取遥信、通信处理。其能实现如下功能：（1）测控功能：
①
8路开入遥信采集、装置遥信变位、事故遥信；
②
断路器远程本地遥控分合；
③
1回线ua、ub、uc、ia、ic、i0、p、q、cosφ 、f 等模拟量的遥测；
④
256条事件soe 记录，30条远程本地操作记录，10条装置异常记录；
⑤
一个月15分钟定点电流记录；
⑥
装置自身温度；
⑦
4~20ma直流量采集；
⑧
远方控和本地控以及远方遥控闭锁和就地遥控闭锁功能。
35.（2）保护功能：
①
三段式可经低电压闭锁的定时限过流保护；
②
接地故障保护；
③
过负荷保护；
④
三相一次重合闸(检无压不检定)。
36.（3）其他功能：
①
pt、ct断线告警；
②
6组定值区；
③
远方、就地参数设置功能；
④
断路器拒动告警；
⑤
兼容acl00v／dc24v等电压输入（定货时确定），并具有电源失电保护功能；掉电数据保持，装置的实时信息在内部掉电保护的存储器(flashram)中保存，可达十年；
⑥
后备电池自动投入、退出功能，蓄电池能连续8小时供电，并能对柱上开关进行至少各1次跳合闸操作；
⑦
电池管理功能，电源监视功能当蓄电池放电至21v以下时，模块自动关断，防止蓄电池的过放电。终端可根据蓄电池本身的充放电曲线对蓄电池的运行进行控制，可进行蓄电池的浮充电压温度补偿、活化控制、蓄电池的保护切除、均充／浮充控制等，最大限度地使蓄电池工作在最佳状态，合理地控制蓄电池充放电深度；
⑧
对时功能，能接收主站或子站的对时命令，与系统时钟保持同步，使事件记录具有可比性；
⑨
设备自诊断、自恢复功能，装置能定期对内部重要的芯片进行检测，出错向主站告警并反应内部工况，也可进行人工诊断，人工诊断可通过内置和外置软硬件设备进行自诊断；
⑩
具备以太网、rs232/485通信功能。
37.本发明中，所述驱动机构包括：设置在中央处理单元一侧的筒体5、在第一空心板1内活动拦截设置的推片4，以及第一联动件6，筒体5内活动设有第一活塞盘7，第一活塞盘7将筒体5内部密封形成一空腔，第一联动件6一端与第一活塞盘7联动连接，另一端与各个推
片4联动连接。
38.其中，换热介质可以采用水或者液态油，第一空心板1处于箱体内，因此可与箱体内部空气进行换热，而第二空心板2处于箱体外侧，因此可与外界空气进行换热。第一联动件6可以采用杆件，杆件的形状注意规避箱内各电气单元。
39.换热机构的工作过程为：初始状态下，筒体5腔体内气体为冷空气，此时状态如图6所示，当中央处理单元工作时会产生热量，箱体密封，因此高于外界环境，第一空心板1内换热介质吸收热量，同时使筒体5空腔内的气体逐渐受热膨胀并推动第一活塞盘7缓缓活动，第一活塞盘7通过第一联动件6带动推片4在第一空心板1内活动，从而驱动第一空心板1和第二空心板2内的换热介质进行环流，使得第一空心板1内的受热后的换热介质经其中一端的连通管3流入第二空心板2内进行热排放（进入第二空心板2后与外界空气换热，热量散失）、第二空心板2内的冷换热介质经另一端的连通管3流入第一空心板1内继续进行热吸收。并且，随着温度的升高，换热介质参与环流的体积就越多，最多可将第一空心板1和第二空心板2内的换热介质进行完全互换。
40.优选的，筒体5以及第一活塞盘7均采用导热材料制成，例如纯铜。
41.优选的，箱体的外部连接有动力箱8，动力箱8的内部设有第二活塞盘9，第二活塞盘9将动力箱8内部密封形成一空腔，且动力箱8外壁凹陷形成有换热槽10，筒体5一端敞口且与箱体外部连通，换热槽10槽口与筒体5敞口恰好相隔对立，筒体5的侧壁连接有隔热材料制成（例如真空绝热材质）且延伸至箱体外部的排气管11和进气管12，排气管11和进气管12上分别设有排气扇叶13和进气扇叶14，排气扇叶13和进气扇叶14通过传动带同步转动，排气管11上设有排气阀15，排气阀15的阀片连接有第二联动件16，第二联动件16与第二活塞盘9联动连接，进气管12上设有限制仅能进气的单向阀17。
42.其中，动力箱8与箱体隔开安装，不会受到箱壁的热传导，换热槽10与第一活塞盘7形状相适配，使得第一活塞盘7可以与换热槽10的槽壁充分接触，且在换热槽10的槽壁上开设有多个气体通道，用于在第一活塞盘7与换热槽10的槽壁接触移动过程中保持换热槽10与外界连通，避免受到空气阻力，第一活塞盘7高度高于换热槽10的深度，使得充分接触后第一活塞盘7仍可将筒体5封闭。排气扇叶13和进气扇叶14同步转动时扇叶驱动方向相反，进而实现进气和排气。
43.在上述换热机构工作后，若箱体内温度仍然保持较高，或者持续升高时，经过一定时间后（该时间为第一活塞盘7逐渐活动的时间，且该时间使得环流进入第一空心板1内的冷换热介质逐渐受热，而环流进入第二空心板2内的换热介质逐渐得到冷却），第一活塞盘7活动至与换热槽10内壁接触，接触一定时间后第一活塞盘7使动力箱8腔体内的气体升温膨胀，并推动第二活塞盘9活动，第二活塞盘9通过第二联动件16带动排气阀15的阀片抽出，此时状态如图7所示，使筒体5腔体内的膨胀热气体由排气管11快速排出并带动排气扇叶13转动，排气扇叶13转动带动进气扇叶14转动，进而由进气管12补充外界冷气体，使得筒体5腔体内气体变成冷空气，与此同时，第一活塞盘7在重力作用下逐渐下落直至将排气管11端口封堵，封堵后由于下方气体无法排出，使得第一活塞盘7停止，下落过程中通过第一联动件6带动推片4在第一空心板1内活动，驱动第一空心板1和第二空心板2内的换热介质进行环流，使得第一空心板1内的受热后换热介质流入第二空心板2内进行热排放、第二空心板2内的冷换热介质流入第一空心板1内继续进行热吸收；动力箱8空腔内气体在一定时间后降温
收缩（第一活塞盘7脱离后，动力箱8腔体不再受热），使得第二活塞盘9在重力作用下逐渐下落，直至通过第二联动件16带动排气阀15的阀片归位，归位后排气阀15关闭。当然，归位前若筒体5腔体内气体已经出现受热膨胀，则会推动第一活塞盘7活动，使排气管11略微打开，此时可进行少量的排气进气过程，直到排气阀15关闭，关闭后若箱体内气温仍然较高时，则使筒体5腔体内气体受热膨胀，第一活塞盘7活动，重复上述换热机构工作过程，由此可实现不断进行热交换，达到良好的散热效果。
44.优选的，第一联动件6与第一活塞盘7和推片4的联动连接以及第二联动件16与第二活塞盘9的联动连接均采用磁性相隔联动连接方式。例如在第一活塞盘7、第二活塞盘9以及推片4上设置亲磁材料，在筒体5、动力箱8以及第一空心板1外壁滑动设置磁性较强的磁环或磁块，磁环或磁块与联动件连接，由此可实现隔空联动。
45.优选的，第二联动件16与排气阀15阀片连接位置设有磁吸片18，用于与排气阀15磁性连接，磁吸片18的磁性较弱（小于第二联动件16的联动作用力），可提供一定的磁吸力，这样在动力箱8腔体内的气体升温膨胀推动第二活塞盘9活动时，可使排气阀15的阀片先保持不动，使得动力箱8腔体内的气体被压缩一定程度，然后当联动作用力超过磁吸力时，使阀片瞬间抽出，这样可迅速排气，引起排气扇叶13的高速转动，相应的会促进进气过程，促使筒体5腔体内气体更换为冷空气。
46.可以看出，本发明中箱体内设置的模块单元较多，工作时会产生相当的热量，因此为了提高馈线终端的散热性能，同时避免电能损耗以及灰尘侵入问题，采用了特定结构设计的换热机构，并在实际运行中取得了良好的效果。
47.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。