一种智能电源管理一体化装置论文和设计-姚松军

全文摘要

本实用新型公开了一种智能电源管理一体化装置，包括集成控制模块、若干自动开关、上位机，其特征在于所述集成控制模块包括集成控制板、处理器、通讯模块、供电模块、若干计量模块，处理器分别通过各计量模块与各自动开关通讯连接，所述处理器分别通过控制电路与各自动开关控制连接，各自动开关分别通过状态电路与处理器电连接。本实用新型提出的智能电源管理一体化装置具备集数据采集，数据预警、数据收发、远程控制，在内部集成计量芯片进行电压、电流、当前电量采集，一个装置可监控多个用户用电，无需单独安装智能电表来计量用户的用电数量，体积小价格低廉，安装简单方便。

主设计要求

1.一种智能电源管理一体化装置，包括集成控制模块、若干自动开关(6)、上位机(8)，其特征在于所述集成控制模块包括集成控制板(24)、处理器(7)、通讯模块(2)、供电模块(1)、若干计量模块(3)，处理器(7)分别通过各计量模块(3)与各自动开关(6)通讯连接，所述处理器(7)分别通过控制电路(22)与各自动开关(6)控制连接，各自动开关(6)分别通过状态电路(21)与处理器(7)电连接，处理器(7)通过通讯模块(2)与上位机(8)通讯连接，供电模块(1)分别与处理器(7)、各计量模块(3)、通讯模块(2)供电连接；各计量模块(3)均包括计量芯片(19)、采样电路、校准电路(18)，各校准电路(18)分别与各计量芯片(19)通讯连接，各计量芯片(19)分别与各采样电路的信号输出端电连接，各采样电路信号输入端分别对应与自动开关(6)通讯连接；处理器(7)：其用于所有数据的收集、处理与存储，通过通讯模块(2)接收上位机(8)下发的指令完成相应的动作，通过通讯模块(2)将数据上传至上位机(8)；采样电路：其用于线路中电压、电流数据的采集；通讯模块(2)：其用于处理器(7)与上位机(8)之间数据的传递与交换；供电模块(1)：其用于计量芯片(19)、通讯模块(2)以及处理器(7)的供电；自动开关(6)：其用于配电回路的开断，上位机(8)发出的断电送电指令后，由处理器(7)接收指令，并触发控制电路(22)至自动开关(6)信号接收端，完成分闸合闸动作，开关当前所处的状态通过状态电路(21)反馈至处理器(7)；控制电路(22)：其用于传递控制自动开关分合闸信号；状态电路(21)：其用于检测自动开关(6)当前的运行状态，在处理器(7)执行的任何动作命令后，验证是否执行成功；计量芯片(19)：其用于采样电路输入信号的处理、转换，并自动计算配电电路当前正向有功总电能，并将转换后的电压、电流、有功总电能数据传输给处理器(7)；校准电路(18)：其用于通过外部校准信号输入通过光耦隔离，防止信号干扰，由计量芯片(19)对照校准信号进行功率校准，达到计量所需的精度要求；各采样电路均包括电压采样电路(16)、电流采样电路(17)，电流采样电路(17)为电流互感器，电压采样电路(16)为若干降压电阻；各降压电阻一端分别与自动开关(6)所在配电线路的进线端或出线端连接，其另一端与计量芯片(19)电连接；各电流互感器信号输入部安装在自动开关(6)内部或自动开关(6)所在配电线路的进出线端，且其信号输出端与计量芯片(19)电连接；电压采样电路(16)：用于每一路自动开关(6)供电的配电回路的电压信号采集，经限流降压后输入对应的计量芯片(19)；电流采样电路(17)：每一路自动开关(6)供电的配电回路的电流信号采集，通过电流互感器采样电流信号输入对应的计量芯片(19)。

设计方案

各计量模块(3)均包括计量芯片(19)、采样电路、校准电路(18)，各校准电路(18)分别与各计量芯片(19)通讯连接，各计量芯片(19)分别与各采样电路的信号输出端电连接，各采样电路信号输入端分别对应与自动开关(6)通讯连接；

处理器(7)：其用于所有数据的收集、处理与存储，通过通讯模块(2)接收上位机(8)下发的指令完成相应的动作，通过通讯模块(2)将数据上传至上位机(8)；

采样电路：其用于线路中电压、电流数据的采集；

通讯模块(2)：其用于处理器(7)与上位机(8)之间数据的传递与交换；

供电模块(1)：其用于计量芯片(19)、通讯模块(2)以及处理器(7)的供电；

自动开关(6)：其用于配电回路的开断，上位机(8)发出的断电送电指令后，由处理器(7)接收指令，并触发控制电路(22)至自动开关(6)信号接收端，完成分闸合闸动作，开关当前所处的状态通过状态电路(21)反馈至处理器(7)；

控制电路(22)：其用于传递控制自动开关分合闸信号；

状态电路(21)：其用于检测自动开关(6)当前的运行状态，在处理器(7)执行的任何动作命令后，验证是否执行成功；

计量芯片(19)：其用于采样电路输入信号的处理、转换，并自动计算配电电路当前正向有功总电能，并将转换后的电压、电流、有功总电能数据传输给处理器(7)；

校准电路(18)：其用于通过外部校准信号输入通过光耦隔离，防止信号干扰，由计量芯片(19)对照校准信号进行功率校准，达到计量所需的精度要求；

各采样电路均包括电压采样电路(16)、电流采样电路(17)，电流采样电路(17)为电流互感器，电压采样电路(16)为若干降压电阻；

各降压电阻一端分别与自动开关(6)所在配电线路的进线端或出线端连接，其另一端与计量芯片(19)电连接；

各电流互感器信号输入部安装在自动开关(6)内部或自动开关(6)所在配电线路的进出线端，且其信号输出端与计量芯片(19)电连接；

电压采样电路(16)：用于每一路自动开关(6)供电的配电回路的电压信号采集，经限流降压后输入对应的计量芯片(19)；

电流采样电路(17)：每一路自动开关(6)供电的配电回路的电流信号采集，通过电流互感器采样电流信号输入对应的计量芯片(19)。

2.根据权利要求1所述的智能电源管理一体化装置，其特征在于：供电模块(1)包括主供电电路(10)、计量芯片供电电路(12)、通讯模块供电电路(11)；主供电电路(10)由380V工作电源输入，经过整流、降压、滤波后输出300V电压分成独立的两路，一路继续降压、滤波输出12V给通讯模块供电电路输入电源及3.3V给处理器供电，另一路继续降压、滤波后输出5V给计量芯片供电；

主供电电路(10)：其用于计量芯片供电电路(12)、GPRS通讯模块供电电路(11)以及主芯片的供电；

计量芯片供电电路(12)：其用于计量芯片(19)的供电；

通讯模块供电电路(11)：其用于通讯模块(2)的供电。

3.根据权利要求1所述的智能电源管理一体化装置，其特征在于：还包括主电路备用电源，主电路备用电源：其用于在工作电源突然缺失时，由备用电池给通讯模块及芯片稳压电路供电，芯片稳压电路输出3.3V给主芯片供电。

4.根据权利要求1所述的智能电源管理一体化装置，其特征在于：还包括计量显示电路(4)、指示电路(5)、程序烧写电路(9)，所述处理器(7)分别连接有程序烧写电路(9)、计量显示电路(4)，指示电路(5)包括电源指示电路(14)、运行指示电路(15)、合闸指示电路(13)；

计量显示电路(4)：用于连接外部液晶屏或数码管，可显示当前正向有功总电能、电压、电流数据；

电源指示电路(14)：其用于指示配电系统的供电是否正常；

运行指示电路(15)：其用于处理器(7)工作是否正常；

合闸指示电路(13)：其用于每一路自动开关(6)是否处于合闸供电状态；

程序烧写电路(9)：其用于产品生产使用前对处理器(7)植入程序。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电源管理系统技术领域，尤其涉及一种智能电源管理一体化装置。

背景技术

在智能配电领域，特别是供电电路控制和计量收费领域，目前都是通过采集器采集智能电表当前正向有功总电能实现远程抄表，通过预付费电表实现在用户欠电费时自动断电的功能，主要基于现有技术中智能电表安装情况下，采集器通过采集、485通讯、GPRS通讯来实现远程抄表、计费以及供电电路的开断，来做到用户智能电源的管理。这在很大程度上具有一定的局限性，如用户处没有安装智能电表，特别是广大的出租房，办公写字楼租赁领域，房东给每一位租户安装市场上购买的普通电表进行计量收费，还是需要人工抄表，无法实现智能化管理；要是安装像电力部门的电力采集装置，不仅要将原来的普通电表更换成智能电表，还要更改供电设备的结构，或者直接更换成具有智能采集的集中表箱，这样投入巨大，占用空间很大，还需要专门的采集控制系统进行管理，现针对以上问题设计出一种智能电源管理一体化装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能电源管理一体化装置，具备智能化管理的优点，解决了普通电表进行计量收费，还是需要人工抄表，无法实现智能化管理；要是安装像电力部门的电力采集装置，不仅要将原来的普通电表更换成智能电表，还要更改供电设备的结构，或者直接更换成具有智能采集的集中表箱，这样投入巨大，占用空间很大的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种智能电源管理一体化装置，包括集成控制模块、若干自动开关、上位机，其特征在于所述集成控制模块包括集成控制板、处理器、通讯模块、供电模块、若干计量模块，处理器分别通过各计量模块与各自动开关通讯连接，所述处理器分别通过控制电路与各自动开关控制连接，各自动开关分别通过状态电路与处理器电连接，处理器通过通讯模块与上位机通讯连接，供电模块分别与处理器、各计量模块、通讯模块供电连接；

各计量模块均包括计量芯片、采样电路、校准电路，各校准电路分别与各计量芯片通讯连接，各计量芯片分别与各采样电路的信号输出端电连接，各采样电路信号输入端分别对应与自动开关通讯连接；

处理器：其用于所有数据的收集、处理与存储，通过通讯模块接收上位机下发的指令完成相应的动作，通过通讯模块将数据上传至上位机；

采样电路：其用于线路中电压、电流数据的采集；

通讯模块：其用于处理器与上位机之间数据的传递与交换；

供电模块：其用于计量芯片、通讯模块以及处理器的供电；

自动开关：其用于配电回路的开断，上位机发出的断电送电指令后，由处理器接收指令，并触发控制电路至自动开关信号接收端，完成分闸合闸动作，开关当前所处的状态通过状态电路反馈至处理器；

控制电路：其用于传递控制自动开关分合闸信号；

状态电路：其用于检测自动开关当前的运行状态，在处理器执行的任何动作命令后，验证是否执行成功；

计量芯片：其用于采样电路输入信号的处理、转换，并自动计算配电电路当前正向有功总电能，并将转换后的电压、电流、有功总电能数据传输给处理器；

校准电路：其用于通过外部校准信号输入通过光耦隔离，防止信号干扰，由计量芯片对照校准信号进行功率校准，达到计量所需的精度要求。

进一步的，各采样电路均包括电压采样电路、电流采样电路，电流采样电路为电流互感器，电压采样电路为若干降压电阻；

各降压电阻一端分别与自动开关所在配电线路的进线端或出线端连接，其另一端与计量芯片电连接；

各电流互感器信号输入部安装在自动开关内部或自动开关所在配电线路的进出线端，且其信号输出端与计量芯片电连接；

电压采样电路：用于每一路自动开关供电的配电回路的电压信号采集，经限流降压后输入对应的计量芯片；

电流采样电路：每一路自动开关供电的配电回路的电流信号采集，通过电流互感器采样电流信号输入对应的计量芯片。

进一步的，供电模块包括主供电电路、计量芯片供电电路、通讯模块供电电路，主供电电路由380V工作电源输入，经过整流、降压、滤波后输出300V 电压分成独立的两路，一路继续降压、滤波输出12V给通讯模块供电电路输入电源及3.3V给处理器供电，另一路继续降压、滤波后输出5V给计量芯片供电；

主供电电路：其用于计量芯片供电电路、GPRS通讯模块供电电路以及主芯片的供电；

计量芯片供电电路：其用于计量芯片的供电；

通讯模块供电电路：其用于通讯模块的供电。

进一步的，还包括主电路备用电源，计量芯片备用电源，主电路备用电源：其用于在工作电源突然缺失时，由备用电池给通讯模块及芯片稳压电路供电，芯片稳压电路输出3.3V给主芯片供电。

进一步的，还包括计量显示电路、指示电路、程序烧写电路，所述处理器分别连接有程序烧写电路、计量显示电路，指示电路包括电源指示电路、运行指示电路、合闸指示电路；

计量显示电路：用于连接外部液晶屏或数码管，可显示当前正向有功总电能、电压、电流数据；

电源指示电路：其用于指示配电系统的供电是否正常；

运行指示电路：其用于处理器工作是否正常；

合闸指示电路：其用于每一路自动开关是否处于合闸供电状态；

程序烧写电路：其用于产品生产使用前对处理器植入程序。

一种智能电源管理一体化装置的使用方法，所述使用方法包括智能电源管理一体化装置通过内部的计量芯片对每一个供电回路进行电压、电流数据进行多路集中实时采集，自动计算当前正向有功总电能，经光耦隔离电路滤波后传输至处理器，处理器每隔一段时间将当前数据上传上位机或上位机随时召测当前数据；

外部校准信号通过校准电路至计量芯片，自动校准当前有功功率，从而保证在个配电回路正常供电时达到计量的精度；

上位机下发分合闸指令由处理器接收指令后触发控制电路输出信号至自动开关，自动开关接收命令做出分合闸动作，自动开关通过状态电路将分合闸信号返回处理器处理，由处理器判断是否执行分合闸成功；

配电回路为单相供电时，自动开关采用单相开关，对应的每一个自动开关的相线L上安装一只电流互感器或锰铜分流器进行三相电流采样，在自动开关的进线端或出线端进行单相电压采样，计量芯片采用单相计量芯片，收集单相电压及单相电流信号；

配电回路为三相供电时，自动开关采用三相开关，对应的每一个自动开关的相线A、B、C上各安装电流互感器或锰铜分流器进行三相电流采样，在自动开关的进线端或出线端进行三相电压采样，计量芯片采用三相计量芯片，收集三相电压及三相电流信号；

智能电源管理一体化装置工作电源输入为配电线路的总开关下端输入，总开关分路输出对应智能电源管理一体化装置的每一个进线端，每一个输出端对应每一个租户的办公电源，租户办公电源各自独立互不影响。

进一步的，电源管理一体化装置的使用方法还包括外部校准信号；

外部校准信号：为标准功率信号发生器输出的校准信号，达到提高计量精度的目的

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：

1.智能电源管理一体化装置具备集数据采集，数据预警、数据收发、远程控制，在内部集成计量芯片进行电压、电流、当前电量采集，一个装置可监控多个用户用电，无需单独安装智能电表来计量用户的用电数量，体积小价格低廉，安装简单方便。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型提出的一种智能电源管理一体化装置的简化示意图；

图2为智能电源管理一体化装置的示意图；

图3为供电模块的电路示意图；

图4为处理器与控制电路的电路示意图；

图5为计量芯片与校准电路的电路示意图；

图6为自动开关的电路示意图；

图7为三相状态下自动开关电流采样的电路示意图；

图8为单相状态下自动开关电流采样的电路示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

参照图1-8，一种智能电源管理一体化装置，包括集成控制模块、若干自动开关6、上位机8，其特征在于所述集成控制模块包括集成控制板24、处理器7、通讯模块2、供电模块1、若干计量模块3，处理器7分别通过各计量模块3与各自动开关6通讯连接，所述处理器7分别通过控制电路22与各自动开关6控制连接，各自动开关6分别通过状态电路21与处理器7电连接，处理器7通过通讯模块2与上位机8通讯连接，供电模块1分别与处理器7、各计量模块3、通讯模块2供电连接；

各计量模块3均包括计量芯片19、采样电路、校准电路18，各校准电路18 分别与各计量芯片19通讯连接，各计量芯片19分别与各采样电路的信号输出端电连接，各采样电路信号输入端分别对应与自动开关6通讯连接；

处理器7：其用于所有数据的收集、处理与存储，通过通讯模块2接收上位机8下发的指令完成相应的动作，通过通讯模块2将数据上传至上位机8；

采样电路：其用于线路中电压、电流数据的采集；

通讯模块2：其用于处理器7与上位机8之间数据的传递与交换；

供电模块1：其用于计量芯片19、通讯模块2以及处理器7的供电；

自动开关6：其用于配电回路的开断，上位机8发出的断电送电指令后，由处理器7接收指令，并触发控制电路22至自动开关6信号接收端，完成分闸合闸动作，开关当前所处的状态通过状态电路21反馈至处理器7；

控制电路22：其用于传递控制自动开关分合闸信号；

状态电路21：其用于检测自动开关6当前的运行状态，在处理器7执行的任何动作命令后，验证是否执行成功；

计量芯片19：其用于采样电路输入信号的处理、转换，并自动计算配电电路当前正向有功总电能，并将转换后的电压、电流、有功总电能数据传输给处理器7；

校准电路18：其用于通过外部校准信号输入通过光耦隔离，防止信号干扰，由计量芯片19对照校准信号进行功率校准，达到计量所需的精度要求。

各采样电路均包括电压采样电路16、电流采样电路17，电流采样电路17 为电流互感器，电压采样电路16为若干降压电阻；

各降压电阻一端分别与自动开关6所在配电线路的进线端或出线端连接，其另一端与计量芯片19电连接；

各电流互感器信号输入部安装在自动开关6内部或自动开关6所在配电线路的进出线端，且其信号输出端与计量芯片19电连接；

电压采样电路16：用于每一路自动开关6供电的配电回路的电压信号采集，经限流降压后输入对应的计量芯片19；

电流采样电路17：每一路自动开关6供电的配电回路的电流信号采集，通过电流互感器采样电流信号输入对应的计量芯片19。

供电模块1包括主供电电路10、计量芯片供电电路12、通讯模块供电电路 11；主供电电路10包括由380V工作电源输入，经过整流、降压、滤波后输出 300V电压分成独立的两路，一路继续降压、滤波输出12V给通讯模块供电电路输入电源及3.3V给处理器供电，另一路继续降压、滤波后输出5V给计量芯片供电，无论在处理器工作下或通讯模块通讯时产生的电压波动，都不会影响计量芯片工作电源的波动，始终能正常保持计量芯片工作的稳定性。

主供电电路10：其用于计量芯片供电电路12、GPRS通讯模块供电电路11 以及主芯片的供电；

计量芯片供电电路12：其用于计量芯片19的供电；

通讯模块供电电路11：其用于通讯模块2的供电。

智能电源管理一体化装置还包括主电路备用电源，计量芯片备用电源，主电路备用电源：其用于在工作电源突然缺失时，由备用电池给通讯模块及芯片稳压电路供电，芯片稳压电路输出3.3V给主芯片供电，同时通过检测口判断电源进线为低电平，这时及时上传失电前各配电回路的电压、电流、当前正向有功总电能及自动开关的状态等相关数据信息，同时上报工作电源失电信息，备用电池具有足够维持所有数据的上传，支持上位机的数据招读与下发所需的电量。

智能电源管理一体化装置还包括计量显示电路4、指示电路5、程序烧写电路9，所述处理器7分别连接有程序烧写电路9、计量显示电路4，指示电路5 包括电源指示电路14、运行指示电路15、合闸指示电路13；

计量显示电路4：用于连接外部液晶屏或数码管，可显示当前正向有功总电能、电压、电流数据；

电源指示电路14：其用于指示配电系统的供电是否正常；

运行指示电路15：其用于处理器7工作是否正常；

合闸指示电路13：其用于每一路自动开关6是否处于合闸供电状态；

程序烧写电路9：其用于产品生产使用前对处理器7植入程序。

通讯模块包括GPRS通讯芯片、通讯模块启动电路、通讯指示电路、SIM卡连接电路，GPRS通讯芯片通过通讯模块启动电路与处理器电连接，GPRS通讯芯片通过SIM卡连接电路与上位机通讯连接，GPRS通讯芯片与通讯指示电路电连接；

GPRS通讯芯片：其用于处理器和上位机之间数据的交换和传递；

通讯模块启动电路：其用于在处理器稳定工作后，对通讯模块实现开机功能；

通讯指示电路：其用于在信息收发时，指示上行通讯还是下行通讯时的状态；

SIM卡连接电路：其用于SIM卡的卡槽与各功能快的电路连接。

智能电源管理一体化装置还包括计量显示电路、指示电路，计量显示电路与处理器电连接，指示电路包括电源指示电路、运行指示电路、合闸指示电路；

计量显示电路：用于连接外部液晶屏数码管，可显示当前正向有功总电能、电压、电流数据；

电源指示电路：其用于指示配电系统的供电是否正常；

运行指示电路：其用于处理器7工作是否正常；

合闸指示电路：其用于每一路自动开关是否处于合闸供电状态；

程序烧写电路9：其用于产品生产使用前对处理器植入程序。

一种智能电源管理一体化装置的使用方法，所述使用方法包括智能电源管理一体化装置通过内部的计量芯片19对每一个供电回路进行电压、电流数据进行多路集中实时采集，自动计算当前正向有功总电能，经光耦隔离电路滤波后传输至处理器7，处理器7每隔一段时间将当前数据上传上位机8或上位机8随时召测当前数据；

外部校准信号通过校准电路18至计量芯片19，自动校准当前有功功率，从而保证在个配电回路正常供电时达到计量的精度；

上位机8下发分合闸指令由处理器7接收指令后触发控制电路22输出信号至自动开关6，自动开关6接收命令做出分合闸动作，自动开关6通过状态电路 21将分合闸信号返回处理器7处理，由处理器7判断是否执行分合闸成功；

配电回路为单相供电时，自动开关6采用单相开关，对应的每一个自动开关6的相线L上安装一只电流互感器或锰铜分流器进行三相电流采样，在自动开关6的进线端或出线端进行单相电压采样，计量芯片19采用单相计量芯片19，收集单相电压及单相电流信号；自动开关模块20包括自动开关6、状态电路21、控制电路22。

配电回路为三相供电时，自动开关6采用三相开关，对应的每一个自动开关6的相线A、B、C上各安装电流互感器或锰铜分流器进行三相电流采样，在自动开关6的进线端或出线端进行三相电压采样，计量芯片19采用三相计量芯片19，收集三相电压及三相电流信号；

智能电源管理一体化装置的使用方法还包括外部校准信号；

外部校准信号：为标准功率信号发生器输出的校准信号，达到提高计量精度的目的。

处理器的型号为：STM32F030RCT6。

计量芯片的型号为：XHC3-6A。

GPRS通讯芯片的型号为：USR_GM3。

本实用新型未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

设计图

一种智能电源管理一体化装置论文和设计

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全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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