一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统
技术领域
本实用新型涉及一种电力信息采集系统，特别涉及一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统。
背景技术
近些年来，陆地石油和天然气开采逐渐接近尾声，而越来越多的国家开始将目光转向海上石油和天然气。而此时就需要构建一个海上平台，一个完整的海上平不仅需要配备专业的技术人员和机械设备，而且还需要具备良好的电力系统，由于海上平台电力系统比较复杂，极易诱发电力故障，从而导致生产中断，严重的时候还会危及员工的生命安全，因此如何做好海上平台电力系统的电力信息采集至关重要。海上平台电力系统作为海洋工程的电能供应保障,是海洋资源开发与利用的关键环节,其运行的安全稳定性直接影响着海上平台的顺利运行。目前，海上平台电力系统的电力相关数据采集和监控系统，大都采用传统多功能表对电力系统的电流、电压、有功、电能等参数进行检测计量，传统多功能表的显示界面与表身是一体的，显示部分通常为液晶屏或数码管，不同型号的多功能表功能范围不同，但是这些多功能表采集的数据都不能同时满足如下两方面的分析要求：一方面提升设备、线路二者的利用率,确保经济性；另一方面维护电力系统自身的科学性、安全性，达到满意的供电质量；同时传统多功能表远程与中控计算机通讯时都是有线传输，通常采用RS485通讯方式采集，需要敷设大量电缆，同时海上平台不同于陆地，工况较为恶劣，RS485通讯方式容易发生通信故障。
发明内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统。
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统，包括数据采集系统、数据显示系统以及通信系统；所述通信系统包括现场通信模块和远程通信模块；所述现场通信模块包括现场总线模块和现场无线通信模块；所述远程通信模块包括远程无线通信模块；所述数据采集系统，其采集现场电力系统的电力信号并对采集的信号进行处理，其将处理后得到的电力数据，通过所述现场总线模块发送给所述数据显示系统进行显示，并通过所述现场无线通信模块及所述远程无线通信模块发送给外部设备。
进一步地，所述远程通信模块还包括远程以太网模块；所述远程无线通信模块通过所述远程以太网模块同外部设备通信。
进一步地，所述远程通信模块同时接收多个所述数据采集系统发送的数据。
进一步地，所述数据采集系统包括微处理器模块、采集模块及计量模块；所述采集模块用于采集现场电力系统的电力信号，其包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块用于对所述采集模块采集的信号进行计量处理，其包括三相电能计量芯片；所述计量模块接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后得到电力数据并通过所述通信系统输出。
进一步地，所述微处理器模块通过所述通信系统输出的电力数据包括：电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波。
进一步地，所述三相电能计量芯片为RN7302型计量芯片。
进一步地，所述RN7302型计量芯片的CF1～2引脚与所述微处理器模块的信号输入端之间用COSMO357NT光耦合器相连。
进一步地，所述电压采集单元采用多个阻值为390KΩ、精度为0.1％的金属膜电阻串联组成。
进一步地，所述电流采集单元包括依次连接的电流互感器、限流电阻及滤波电容；所述电流互感器采集的电流信号，依次通过所述限流电阻限流及所述滤波电容滤波后，输人到所述计量模块的电流信号输入端。
进一步地，所述远程通信模块设在海上平台的中控室内。
本实用新型具有的优点和积极效果是：数据采集系统采集电力系统现场数据，将处理后的数据，通过MODBUS通讯协议等现场485总线模块发送数据至所述数据显示系统，所述数据显示系统将数据现场显示，同时数据采集系统通过现场无线通信模块，用无线通讯方式将数据发送给远程无线通信模块，远程无线通信模块安装在中控室内，远程无线通信模块再将各个数据采集系统的数据传送给中控室的计算机，本实用新型中的数据采集系统采集电力系统现场数据，处理后通过无线传输的方式传输到中控计算机，减少了以往中控采集电力系统的电力数据需要敷设大量电缆的弊端，除此之外还能够利用中控计算机存储一定数量的电力数据可供查阅。本实用新型的数据采集系统采用三相计量芯片和微处理器芯片对电力系统现场采集的数据进行计量和分析处理，所检测和计量范围可涵盖大部分电力系统参数，包括电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波、2～31次电流谐波等电力参数，可设定部分电力参数的整定值，进行故障跳闸和报警输出，具有测量精度高，涵盖范围广，抗干扰能力强等特点。
附图说明
图1是本实用新型的一种结构框图。
图2是本实用新型的一种数据采集系统结构框图；
图3是本实用新型的数据采集系统的一种计量模块工作原理图；
图4是本实用新型的数据采集系统的一种计量芯片外围电路工作原理图；
图5是本实用新型的数据采集系统的一种电压采集单元工作原理图；
图6是本实用新型的数据采集系统的一种电流采集单元工作原理图。
图7是本实用新型的数据采集系统的一种微处理器模块工作原理图；
图8是本实用新型的数据采集系统的一种电源模块工作原理图；
图9是本实用新型的通信系统的一种现场通信模块与数据采集系统的微处理器模块连接示意图；
图10是本实用新型的现场通信模块中的一种RS485通信模块工作原理图；
图11是本实用新型的现场通信模块中的一种以太网通信模块工作原理图；
图12是本实用新型的一种现场通信模块外壳主视图；
图13是本实用新型的一种现场通信模块外壳后视图；
图14是本实用新型的一种现场通信模块外壳右视图；
图15是本实用新型的一种现场通信模块外壳俯视图。
图中：1、天线；2、指示灯；3、排针插座；4、USB接口；5、RJ45接口；6、卡扣；7、卡槽；8、接线端子排。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图15，一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统，包括数据采集系统、数据显示系统以及通信系统；所述通信系统包括现场通信模块和远程通信模块；所述现场通信模块包括现场总线模块和现场无线通信模块；所述远程通信模块包括远程无线通信模块；所述数据采集系统，其采集现场电力系统的电力信号并对采集的信号进行处理，其将处理后得到的电力数据，通过所述现场总线模块发送给所述数据显示系统进行显示，并通过所述现场无线通信模块及所述远程无线通信模块发送给外部设备。所述远程通信模块还包括远程以太网模块；所述远程无线通信模块可通过所述远程以太网模块同外部设备通信。所述远程通信模块可同时接收多个所述数据采集系统发送的数据。所述远程通信模块可设在海上平台的中控室内。
数据显示系统可用于显示电力系统数据，其可包括现有技术中的液晶屏、文本显示器、人机界面等可用于显示查看电力系统数据的装置。
数据采集系统采集电力系统现场数据，经过计算分析，得出测量结果，通过MODBUS通讯协议等现场总线模块发送数据至所述数据显示系统，所述数据显示系统可在现场显示数据，用于工作人员现场查看数据，同时数据采集系统通过现场无线通信模块，用无线通讯方式将数据发送给远程无线通信模块，远程无线通信模块安装在中控室内，远程无线通信模块再将各个数据采集系统的数据传送给中控室的计算机，每个远程无线通信模块可接收多个数据采集系统的数据。
所述数据采集系统可包括微处理器模块、采集模块及计量模块；所述采集模块可用于采集现场电力系统的电力信号，其可包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块可用于对所述采集模块采集的信号进行计量处理，其可包括三相电能计量芯片；所述计量模块可接收来自所述采集模块的信号，处理后可输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块可对输入的信号处理后得到电力数据并可通过所述通信系统输出。
所述三相电能计量芯片可为深圳市锐能微科技有限公司生产的RN7302型计量芯片。计量模块采用三相多功能的RN7302型计量芯片对电压采集单元和电流采集单元采集的信号进行计量处理；计量模块也可以采用现有技术中的其他适用的三相电能计量芯片，比如钜泉光电科技(上海)股份有限公司生产的ATT7022E型计量芯片以及HT7038型计量芯片等。微处理器模块可选用STM32系列单片机，也可采用现有技术中的其他适用微处理模块。
请参见图3和图4，所述RN7302型计量芯片的CF1引脚、CF2引脚可与所述微处理器模块的信号输入端之间用COSMO357NT光耦合器相连。用于阻断计量电路的干扰信号进入运算控制电路，提高了电路的抗干扰能力。
为提高测量精度，所述电压采集单元可采用多个阻值为390KΩ、精度为0.1％的金属膜电阻串联组成。
请参见图5，图5是一种电压采集单元的三相电压采集的工作原理图；电压采集单元包括三相电压采集电路，每相电压采集电路为保证采样精度，选用6支390K精度0.1％的高稳定度、高精密的金属膜电阻串联，并且采用GSOT05C系列ESD保护管进行保护。
为提高测量精度及抗干扰性能，所述电流采集单元可包括依次连接的电流互感器、限流电阻及滤波电容；所述电流互感器采集的电流信号，依次通过所述限流电阻限流及所述滤波电容滤波后，输人到所述计量模块的电流信号输入端。
请参见图6，图6是一种电流采集单元三相电流采集的工作原理图。电流采集单元可包括三相电流采集电路，每相电流采集电路可主要由电流互感器、电阻和去抖动电容组成，并且采用GSOT05C系列ESD保护管进行保护，最终将检测到的电流信号转变为电压信号，再通过限流电阻和电容滤波后输人到RN7302型计量芯片的电流检测引脚。电流互感器采用5A/2.5mA的ZEMCT131型互感器，其线性较好，并可以起到将外部电路与内部电路进行隔离的作用。
请参见图9，所述通信系统包括现场通信模块和远程通信模块；所述现场通信模块包括现场总线模块、现场无线通信模块以及以太网通信模块；所述远程通信模块包括远程无线通信模块；其中所述现场总线模块可包括RS485通信模块和CAN总线模块；所述RS485通信模块、所述现场无线通信模块、所述CAN总线模块和所述以太网通信模块分别与所述数据采集系统的微处理器模块连接；所述现场无线通信模块可为433m无线模块、Wifi无线模块、Zigbee无线模块及LoRa无线模块中的其中一种或几种的组合。
所述远程通信模块既可包括远程无线通信模块也可包括远程以太网通信模块，远程无线通信模块与现场无线通信模块相配合，也可为433m无线模块、Wifi无线模块、Zigbee无线模块及LoRa无线模块中的其中一种或几种的组合。
433m无线模块、Wifi无线模块、Zigbee无线模块及LoRa无线模块均可采用现有技术中的适用产品。
请参见图12至图15，现场通信模块可单独组装，其外壳可包括相互扣合的壳体和面板；壳体和面板的材质均可以为金属材质或塑料材质。壳体底部可设有与DIN导轨相匹配的卡槽7和卡扣6，面板上可设指示灯孔2、USB接口4及RJ45接口5；壳体的侧面可设天线孔及端子排。现场无线通信模块可通过外置天线1发送信号，外置天线1通过天线孔伸出壳体。
壳体外置标准DIN导轨相匹配的卡槽7和卡扣6，方便使用安装，面板和壳体可设有天线孔，以及USB接口4、RJ45接口5等多种接口，方便后续的通信和扩展接线。
所述微处理器模块通过所述通信系统输出的电力数据可包括：电流、电压、频率、有功功率、无功功率、正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流、零序电流、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、2～31次电压谐波及2～31次电流谐波。这些电力数据一方面便于帮助提升设备、线路二者的利用率,确保经济性；另一方面维护电力系统自身的科学性、安全性，达到满意的供电质量。
下面结合本实用新型的一个优选实施例来说明本实用新型的工作原理：
请参见图1，一种海上平台使用的无线多功能电力信息采集系统，包括数据采集系统、数据显示系统以及通信系统；所述通信系统包括现场通信模块和远程通信模块；所述现场通信模块包括现场总线模块和现场无线通信模块；所述远程通信模块包括远程无线通信模块；所述数据采集系统，其采集现场电力系统的电力信号并对采集的信号进行处理，其将处理后得到的电力数据，通过所述现场总线模块发送给所述数据显示系统进行显示，并通过所述现场无线通信模块及所述远程无线通信模块发送给外部设备。
请参见图2，所述数据采集系统包括微处理器模块、采集模块、计量模块以及电源模块等；所述采集模块用于采集现场电力系统的电力信号，其包括电压采集单元和电流采集单元；所述计量模块用于对所述采集模块采集的信号进行计量处理，其包括三相电能计量芯片；所述计量模块接收来自所述采集模块的信号，处理后输出信号至所述微处理器模块；所述微处理器模块对输入的信号处理后得到电力数据并通过所述通信系统输出。
三相电能计量芯片采用三相多功能的RN7302型计量芯片；RN7302型计量芯片的性能参数如下：具有与单片机通讯的双向接口，其计量提供全波、基波有功电能，5000:1动态范围内，非线性误差<0.1％,满足0.5S和0.2S级有功电能表精度要求；提供全波、基波RMS、PQS视在电能数据；具有潜动启动功能，启动阈值可调；测量上提供全波、基波和谐波三相电压电流有效值，2000：1动态范围内，测量误差<0.2％，提供6路相角，测量误差<0.02°；提供7路ADC瞬时采样数据，典型应用下采样率8Khz；提供灵活地ADC同步采样数据缓存768x24bit，64或128点每周波，便于谐波分析；提供电压矢量和有效值，2种电流矢量和有效值；提供7路过零检测，过零阈值可设置；提供电压相序错检测；提供失压指示，失压阈值可设置；提供电压暂降检测；提供过压、过流检测；提供谐波、三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数软件库。计量模块也可以采用现有技术中的其他适用的三相多功能计量芯片。
请参见图7，微处理器模块采用STM32F407VET6单片机；STM32F407VET6单片机的性能参数如下：ARM32位Cortex-M4CPU与FPU，自适应实时加速器允许0等待状态从闪存执行，频率高达168MHz，内存保护单元，210DMIPS/125DMIPS/MHz，最多1M字节的闪存，高达192+4k字节的SRAM，包括64k字节的CCM数据RAM，4到26MHz晶体振荡器，32kHz振荡器为RTC校准。微处理器模块也可采用现有技术中的其他适用微处理模块。
被测电力系统的电流和电压信号通过电压采集单元和电流采集单元采集，经过外部电路处理后送给三相多功能的RN7302型计量芯片，RN7302型计量芯片接收到电流信号和电压信号后，进行处理得到数字信号，再将得到的数字信号通过SPI接口发送给单片机STM32F407VET6，单片机STM32F407VET6对输入的数据进行运算处理，最终将处理好的电力数据经过所述通信系统发送出去，所述通信系统除无线通讯接口外，还设有RS485通讯接口、以太网接口以及其他现场总线接口等。
单片机STM32F407VET6负责所述数据采集系统的运算和控制，STM32F407VET6单片机在不同阶段，控制采集模块、计量模块等各电路单元的有序工作，并进行数据处理计算等。
采集模块、计量模块等输出的脉冲信号可与STM32F407VET6单片机外部中断口相连，STM32F407VET6单片机对输入的信号进行计算处理。
STM32F407VET6单片机合理分配单片机的硬件资源，以实现其与数据显示系统的有效连接。
STM32F407VET6单片机读写存储器内需要设定的指令参数；以及读取A/D转换器所转换的数字信号，并且通过对数据的处理，完成对模拟量信号的处理。
STM32F407VET6单片机对从外部中断口输入的数字信号下降沿变化进行检测。
请参见图3和图4，RN7302计量芯片具有与单片机通讯的双向接口，其计量提供全波、基波有功电能，提供全波、基波RMS、PQS视在电能数据；提供全波、基波和谐波三相电压电流有效值，提供7路ADC瞬时采样数据，提供灵活地ADC同步采样数据；提供电压矢量和有效值，2种电流矢量和有效值；提供7路过零检测；提供电压相序错检测；提供失压指示，失压阈值可设置；提供电压暂降检测；提供过压、过流检测；提供谐波、三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数。
下表为RN7302计量芯片的引脚功能说明：
表一、RN7302引脚功能
考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载，RN7302计量芯片的两个模拟通道的输入/输出电压一般都留有足够的超量程冗余。比如，通常设计为额定工作电压为允许最大电压的1/2。
RN7302计量芯片的XO和XI引脚间接8.192MHz晶体；RN7302计量芯片的XO和XI引脚与接地极间各接入1个15pF电容。RN7302计量芯片的CF1引脚与STM32F407VET6单片机PE7引脚之间用COSMO357NT光耦合器相连；RN7302计量芯片的CF2引脚与STM32F407VET6单片机PE8引脚之间用COSMO357NT光耦合器相连，从而阻断计量电路的干扰信号进入运算控制电路，提高了电路的抗干扰能力。
请参见图8，电源模块是整个电路的重要组成部分，用于给所述数据采集系统供电，采用开关稳压电源供电，整流桥采用MB10S，稳压器采用78L15、78L05、LM430，具有功耗低，稳压范围宽，安全可靠等优点，为整个电路提供可靠电源，可输出±15和±5两种电压。
请参见图9，所述通信系统包括现场通信模块和远程通信模块；所述现场通信模块包括现场总线模块、现场无线通信模块以及以太网通信模块；所述远程通信模块包括远程无线通信模块；其中所述现场总线模块可包括RS485通信模块和CAN总线模块；所述RS485通信模块、所述现场无线通信模块、所述CAN总线模块和所述以太网通信模块分别与所述数据采集系统的微处理器模块连接；所述远程通信模块既可包括远程无线通信模块也可包括远程以太网通信模块。
远程无线通信模块与现场无线通信模块相配合，两者均可选433m无线模块、Wifi无线模块、Zigbee无线模块及LoRa无线模块中的其中一种或几种的组合。
Zigbee无线模块信号工作频率可为433MHz，采用声表谐振稳频。
433m无线模块工作频率可为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～+85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。
LoRa无线模块LoRa是一种低功耗和远距离无线传输模块。传输距离可达15Km。工作频率：ISM频段包括433、868、915MH等。标准：IEEE 802.15.4g。调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频(CSS)的一个变种，具有前向纠错(FEC)能力，semtech公司私有专利技术。容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。电池寿命：长达10年。安全：AES128加密。传输速率：几百到几十Kbps。
433m无线模块、Wifi无线模块、Zigbee无线模块及LoRa无线模块均可采用现有技术中的适用产品。
现场无线通信模块及远程无线通信模块，均可采用ASK方式调制，当停止传输数据时发射电流降为零。采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止传输时发射电流降为零；数据信号与无线通讯电路输入端可以用电阻或者直接连接而不用电容耦合，避免电路不能正常工作，数据电平应接近电路实际工作电压，以获得较高的调制效果。
图10是本实用新型的现场通信模块中的一种RS485通信模块工作原理图；RS485通信模块和现场无线通信模块等通信模块可通过USART接口与微处理器模块连接；USART接口负责对接收和发送的数据进行处理，如：添加奇偶校验位，起始位，结束位等。
RS485通信模块包括SN65HVD72收发器，SN65HVD72收发器可作为RS485的驱动电路，负责把USART发送的信号装换为RS485的电气特性的电平，把接收到的信号从RS485标准转换为0-5V的标准数字信号电平之间的转换。
RS485也利用SN65HVD72收发器内部的接收器和发送器，接收器接收由总线传输的电平信号，RO为接收器输出端，DI为发送器输入端。SN65HVD72收发器的输出端可接至STM32F407VET6单片机PA10引脚，SN65HVD72收发器的输入端可接至STM32F407VET6单片机PA9引脚。
CAN总线模块可包括CAN控制器及SN65HVD230收发器；CAN控制器的输出引脚TX可与SN65HVD230收发器的数据输入端D连接，可将此CAN节点发送的数据传送到CAN网络中；CAN控制器的接收引脚RX可与SN65HVD230收发器的数据输出端R相连，用于接收数据。SN65HVD230收发器选择端口Rs可通过跳线和一端接地的电阻器连接，其中电阻器可为阻值范围为0～100kΩ变阻器。
电阻器可用于调节斜率，使SN65HVD230收发器通过硬件方式可实现3种工作模式的选择，其中斜率电阻器为0～100kΩ电位器。VRs为加在Rs引脚上的电压。
为了减少因电平快速上升而引起的电磁干扰，SN65HVD230收发器中引入了斜率控制方式。这种控制方式可通过SN65HVD230收发器的相应引脚上的串联斜率电阻器来实现。比如在SN65HVD230的Rs引脚上加上逻辑高电平(≥0.75Vcc)，可使器件进入等待模式，处于待机状态，系统只“听”发送过来的消息。在“听”状态下，收发器的发送功能处于关断状态，接收功能仍处于有效状态。此时，SN65HVD230收发器对于CAN总线来说总是隐性的。
在SN65HVD72收发器与USART接口之间可连接一个三极管；其中，三极管的集电极可分别与SN65HVD72收发器的DE引脚及USART接口的DTR引脚连接；三极管的基极可与USART接口的TX引脚连接；三极管的发射极可与接地极连接；三极管的基极与发射极之间可连接有1000PF电容。这种相当于在RS485收发器的DI与DE间增设三极管的电路结构，使得RS485通信模块可以方便地和固定编码电路、滚动码电路及单片机接口连接，不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。
图11是本实用新型的现场通信模块中的一种以太网通信模块工作原理图；以太网通信模块主要包括DM9161芯片电路，DM9161芯片的引脚TXD1、TXD0、TXEN、MDC、RXD1、RXD0、MDINTR、RXCLK、RXDV、CVDD可分别对应与STM32F407VET6单片机的PB13、PB12、PB11、PC1、PC5、PC4、PC2、PA1、PA7、PE6等引脚相连，该芯片电路支持MDI/MDI-X自动反转功能，芯片上集成完整物理层收发器和滤波器，可直接与网络变压器相连。
以上的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。
