CN101540080A - 基于gprs通讯的三相预付费电能表系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统及其控制方法，所述系统包括电能表与GPRS服务器两部分，电能表由六部分组成：电能计量模块、GPRS模块、显示模块、微处理模块、控制电闸和电表电源。GPRS模块实现远程抄表充值功能，用户在供电中心交费，供电中心通过GPRS服务器向电能表充值，电能表周期性上报状态及所用、可用电量。显示及控制模块用于显示状态、电量、控制报警、合断电闸功能。所述方法包括：用户先购电，再使用，供电方对三相预付费电能表进行远程抄表、远程充值、远程控制。本发明实现了随时抄表功能、监控电能表状态功能、随时更新电能表参数(如费率)功能，同时通过用户认证，消除了安全隐患。

Description

基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及三相电能计量与远程抄表领域，具体涉及基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统及其控制方法。

背景技术

三相预付费电能表目前已经有了广泛的应用，其最主要的技术包括：IC卡及RFID技术、三相电量计量技术、电量管理技术、远程抄表技术等。现有的IC卡技术已经非常成熟地应用在预付费电能表中，不过IC卡技术也存在一定的安全隐患，如通过接口盗电、通过复制IC卡等情况可能发生。电量计量技术，目前多采用固态技术代替机械电子技术，这样做的优点是使电能表的精度更高，使用寿命更长。远程抄表技术中，多采用集抄方式，电能表通过有线的形式，如使用RS485、电话线等连接到集抄器，再由集抄器上报供电中心(供电方)。上述方式还不能实现双向通讯及随时抄表。同时也给远程抄表的安装增加了成本。电量管理技术基本以国标为标准，对电量管理过程做了非常详细的规定。本产品远程抄表技术，使用非常热门的GPRS(通用分组无线业务)技术，具有保密性好、成本低、适合突发性数据传输等特点。同时实用了远程控制、随时抄表、远程监测功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统及其控制方法。具体技术方案如下：

基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统，该系统包括三相预付费电能表与GPRS服务器；三相预付费电能表包括：电能计量模块、GPRS模块、显示模块、控制电闸、微处理模块和电表电源；电能计量模块由三相电能计量芯片及三相采样电路组成，三相采样电路采样电力用户的使用电流和电压，三相电能计量芯片根据采集到的电流和电压来计量用户的使用电量，电能计量模块通过串行外围设备接口与微处理模块连接；GPRS模块通过串口与微处理模块连接；显示模块、控制电闸分别与微处理模块通过输入输出信号线连接，显示模块用于显示时间、电量使用情况和电表状态；控制电闸用于控制电力供应的通断；微处理模块由MCU系统及时钟电路组成，MCU系统记录用户电量使用情况对与其连接的各组成部分进行控制，时钟电路为三相预付费电能表提供实时时间；GPRS服务器通过GPRS模块与三相预付费电能表通讯，负责对三相预付费电能表进行远程抄表、远程控制、远程充值。

上述的三相预付费电能表系统中，电能计量模块由三相电能计量芯片及三相采样电路组成，三相采样电路通过分压从三相四线电力线的采样A、B和C三相电压，并通过电流互感器采样三组电流，三组电流分别为A相电流输入和输出，B相电流输入和输出，C相电流输入和输出；三相采样电路与三相电能计量芯片连接，将采样结果传输给三相电能计量芯片。

上述的三相预付费电能表系统中，显示模块由汉字点阵液晶显示器、220V报警灯、220V报警铃组成；微处理模块由MCU系统与DS1302时钟电路组成，MCU系统与DS1302时钟电路之间使用I/O口连接，MCU系统包括MCU芯片、复位电路、外部晶振。

上述的三相预付费电能表系统中，电表电源由变压器和稳压芯片组成，直接从三相电力线采电，供应电源给三相预付费电能表中的其他模块。

上述的三相预付费电能表系统中，所述电表状态分为4个状态：

正常状态：可用电量足够，运行正常；

赊欠状态：可用电量低于报警门限值，进入赊欠状态，启用可赊欠电量，预支电量；

报警状态：可赊欠电量使用完，电量重新低于报警门限值时，进入报警状态，报警灯点亮；

欠费状态：可用电量使用完，进入欠费状态，电能表闸断开，报警铃响铃。

上述的基于GPRS抄表的三相预付费电能表系统的控制方法，该方法中用户先购电，再使用，供电方进行远程抄表、远程充值、远程控制，具体包括如下步骤：

(1)用户向供电方购买电量，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表充值，微处理模块更新已记录的可用电量，三相预付费电能表进入正常状态；

(2)微处理模块读取电量计量模块计算出的设定时间内用户使用电量，将已记录的可用电量减去该设定时间内用户使用电量，并更新已记录的可用电量，当三相预付费电能表可用电量减少至报警门限值时，三相预付费电能表的微处理模块通过显示模块向用户报警并进入赊欠状态，把可赊欠电量加至可用电量中；

(3)当三相预付费电能表可用电量再次减少至报警门限值时，三相预付费电能表向用户报警并进入报警状态；

(4)当三相预付费电能表可用电量减少至0时，微处理模块控制控制电闸断开，进入欠费状态，并通过GPRS模块将欠费状态信息传输给GPRS服务器；直到下次充值成功才合上电闸。

上述的控制方法中，步骤(1)中，每个三相预付费电能表对应一个用户，每个三相预付费电能表都拥有一个固定的电能表编号和一个固定的用户编号，三相预付费电能表通过GPRS模块主动发起连接访问GPRS服务器，若三相预付费电能表的该两个编号已记录在GPRS服务器的用户列表中，则允许访问。

上述的控制方法中，所述远程抄表包括：三相预付费电能表通过GPRS模块，周期性向GPRS服务器上报运行状态、可用电量及累计电量，当供电方通过GPRS服务器向三相预付费电能表发送抄表指令后，三相预付费电能表也通过GPRS模块反馈电表状态、可用电量及累计电量；

所述远程充值包括：用户购电后，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表发送充值指令，三相预付费电能表的微处理模块执行该指令并反馈电表状态、可用电量及累计电量；

所述远程控制包括：供电方通过GPRS服务器向用户三相预付费电能表发送控制电闸指令、抄表指令、修改可赊欠电量指令。

上述的控制方法中，可赊欠的电量由用户与供电方协商确定，可赊欠的电量由供电方通过GPRS服务器远程告知三相预付费电能表；当三相预付费电能表可用电量低于报警门限值后，可赊欠的电量自动累加到可用电量上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)实时通讯。不需要通过IC卡实现预付费与抄表，供电中心(供电方)可以随时从电能表获得数据、调整费率、监控并控制电能表状态。同时可以对不按规定缴费的用户进行远程断电。实现真正的双向通讯。GPRS使用流量计费，系统运行费用低。

(2)防止偷电行为。有效防治复制IC卡、破坏IC槽口等偷电手法。在软件中，首先通过用户认证，电能表和服务器能相互识别身份，防止非法访问；另外由三相预付费电能表主动发起连接访问，并保持在线状态，防止其它非法的访问；另外发送方对GPRS数据进行加密，接收方需要解密才能获取数据，防止通过网络进行偷电的手法。

(3)赊欠功能。符合国标的赊欠功能，使用户和供电中心(供电方)可根据实际，设置赊欠电量。使用户有足够时间充值。

(4)GPRS服务器。供电中心(供电方)通过服务器，方便地管理各电能表，实时地把用户数据记录在数据库中。通过对数据的分析统计，可以得到用户用电曲线、供电可靠率等。

(5)停电应急功能。停电时自动保存电能表中的数据，保证数据不丢失。

(6)事故报警功能。当缺相、断电等情况出现时，自动向服务器报警。

(7)适用范围广。只要是GPRS网络覆盖区内，都可以使用。

附图说明

图1是本发明实施方式中的三相预付费电能表结构图。

图2是本发明实施方式中的三相预付费电能表工作流程图。

图3是本发明实施方式中的GPRS服务软件结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

本实施方式中，基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统包括三相预付费电能表和GPRS服务器。所述电能表安装于工厂中，GPRS服务器安装于供电中心(供电方)。采用GPRS实现预付费机制，实现远程抄表、充值与控制。

1、硬件组成与连接关系：

(1)三相预付费电能表由四部分组成：电能计量模块、GPRS模块、显示及控制模块、微处理模块、电表电源；

(2)电能计量模块由三相电能计量模块及三相采样电路组成，三相采样电路通过分压，从三相四线电力线采样A/B/C三相电压，共三根线，通过电流互感器采样三组电流，分别为A相电流输入/输出，B相电流输入/输出，C相电流输入/输出，共六根线；三相采样电路通过9根采样线与三相电能计量芯片连接。通过SPI(串行外围设备接口)接口(SCLK/SDATA/SRST)与微处理模块通讯，采样互感器，计算有功电量；

(3)GPRS模块，通过串口(RXD/TXD)与微处理模块通讯，用于接收GPRS服务软件的指令并上报状态；

(4)显示及控制模块由点阵液晶显示器、报警灯、报警铃、控制电闸组成，点阵液晶显示器通过I/O与微处理模块通讯，报警灯、报警铃、控制电闸通过通用I/O与微处理模块通讯，模块显示电能表状态、可用电量、累计用电，并控制电闸合断、报警灯报警铃报警；输出线共4根，1根控制报警灯，1根控制报警铃，2根控制控制电闸，这些输出线先经过220V继电器，由弱电转变成强电，再输出给各部件。

(5)微处理模块由MCU系统及DS1302时钟电路组成，MCU选用稳定性强、速度较快的8位AVR单片机，综合管理控制上述模块。时钟电路选用DS1302芯片，与MCU以串行方式通讯，用于提供时间，用于电能表定时上报数据的依据以及与GPRS服务器通讯的时间记录。

(6)电表电源由变压器和稳压芯片组成，直接从三相电力线采电，经电表电源变成5V，供应给其他模块。

2、工作过程

(1)用户向供电方购买电量，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表充值，微处理模块更新已记录的可用电量，三相预付费电能表进入正常状态；

(2)微处理模块读取电量计量模块计算出的设定时间内用户使用电量，将已记录的可用电量减去该设定时间内用户使用电量，并更新已记录的可用电量，当三相预付费电能表可用电量减少至报警门限值时，三相预付费电能表的微处理模块通过显示模块向用户报警并进入赊欠状态，把可赊欠电量加至可用电量中；

(3)当三相预付费电能表可用电量再次减少至报警门限值时，三相预付费电能表向用户报警并进入报警状态；

(4)当三相预付费电能表可用电量减少至0时，微处理模块控制控制电闸断开，进入欠费状态，并通过GPRS模块将欠费状态信息传输给GPRS服务器；直到下次充值成功才合上电闸。

3、GPRS服务软件功能

GPRS服务软件安装在GPRS服务器上，用于进行远程抄表、远程充值，以及远程控制。另外负责把电能表数据记录到数据库中。

(1)远程抄表：三相预付费电能表通过GPRS模块，周期性向GPRS服务器上报运行状态、可用电量及累计电量，当供电方通过GPRS服务器向三相预付费电能表发送抄表指令后，三相预付费电能表也通过GPRS模块反馈电表状态、可用电量及累计电量；

(2)远程充值包括：用户购电后，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表发送充值指令，三相预付费电能表的微处理模块执行该指令并反馈电表状态、可用电量及累计电量；

(3)远程控制包括：供电方通过GPRS服务器向用户三相预付费电能表发送控制电闸指令、抄表指令、修改可赊欠电量指令。

(4)GPRS服务软件中带有电能表资料数据库，每次和电能表通讯后，根据反馈回来的数据，更新数据库中对应电能表的数据。并记录本次通讯的时间。

4、电能表与服务软件的通讯：

(1)通讯过程

●电能表可设置定期上报数据，如半个月一次。

●电能表每次在改变状态时，会上报数据。

●电能表在接收到指令后，会在处理完指令后，反馈数据。

●电能表上报及反馈的数据包括：电能表状态、电能表可用电量、累计累计用电。

●服务软件接收到数据后会，在接收框中显示，同时保存到底层数据库中。

(2)通讯协议：

●服务器到电表帧格式

●电表到服务器帧格式

(3)协议格式描述

每个字节、数据传输时高位在先。

序号N：由发出指令者生成，从0开始，电表收到包后，反馈返回接收包的N。经过一次正常通讯后，服务器的N加1。

指令：由服务器给电表

状态：电表反馈当前状态

数据长：要发送的数据长度，如没有数据，为0

校验：采用BCC检验。通过检验和出错重传机制，保证数据可靠性。

针对IC卡式预付费电能表存在安全隐患、远程抄表无法随时抄表、无法远程控制以及安装不便的问题，提出了使用GPRS通讯来完成抄表、充值、控制的双向通讯技术方案，实现了随时抄表功能、监控电能表状态功能、随时更新电能表参数(如费率)功能。同时通过用户认证和数据加密，消除了安全隐患。

实施例：

如图1所示，模块10三相预付费电能表主要包括以下单元：

(1)GPRS模块11：安装于电能表端，工作时连上GPRS网络，与GPRS服务软件通讯，接收指令及上报电能表状态、可用电量等数据。

(2)电能计量模块12：包括从三相四线采样电压和电流，输出给电能计量模块计量，芯片处理采样进来的数据，计量有功电能量，通过SPI接口和微控制模块通讯，使用串行工作方式。

(3)电表电源13：从三相电力线取220V交流电，经过变压器变成12V交流电，再经过直流稳压及电容整流，转换成5V直流电源，供给电能表中的模块。

(4)三相电力线14：电能表测量的电力线。电能表通过采样线路，串联在三相电力线上。

(5)显示及控制模块15：显示部分显示电能表状态，累计用电，可用电量。控制部分用于控制电能表电闸的合断，报警灯报警铃的工作。

(6)微处理模块16：采用AVR单片机作为微控制模块的核心，协调上面模块的工作，实现电能表的各种功能。

(7)控制电闸17：控制电闸控制电力线的合闸，控制是否向用户供电。控制电闸由微处理模块控制，与微处理模块通过控制IO信号线连接。

(8)采样线路18：三相电力线和电能计量模块的连接线。从三相四线电力线采样A/B/C三相电压，共三根线，通过电流互感器采样三组电流，分别为A相电流输入/输出，B相电流输入/输出，C相电流输入/输出，共六根线。

(9)SIP总线19：电能计量模块与微处理模块的连接线。工作方式为串行，共4根，SCLK，SDATA，SEN，SRST。

(10)串行总线110：微处理模块与GPRS模块的连接线。串行总线包括：RXD/TXD/GND三根线。

(11)IO信号线111：微处理模块与显示模块的连接线。包括控制液晶屏的串行线路，以及控制报警铃、报警灯的IO线。

(12)控制IO信号线112：微处理模块与控制电闸的连接线。

(13)电源线113：电表电源供电线路，提供5V直流给各模块。

(14)GPRS网络114：GPRS模块的网络连接方式。

(15)Internet网络115：GPRS服务器连网方式。服务器指令先经过internet再到GPRS网络，再发送到电能表中的GPRS模块。

(16)GPRS服务器116：安装于供电中心(供电方)，运行GPRS软件，对电表进行远程控制、远程抄表、远程充值。

如图2，为本发明中三相预付费电能表工作流程图。流程图20步骤如下：电能表工作状态分为4种：正常状态，赊欠状态，报警状态，欠费状态。

(1)上电后，初始化MCU及各种变量，初始化GPRS模块，初始化电能计量芯片，初始化显示屏21。显示电能表状态，电表号，累计用电及可用电量22。

(2)先比较可用电量，根据可用电量来判断电能表应该进入什么状态。如果小于5度23，那么进入欠费状态211，控制电闸断开212，然后回到显示22。

如果大于5度23，再接着判断是否小于50度24，如果小于，检查是否可赊电量215，如果有，把可赊欠电量加到可用电量中，清0可赊欠电量218，进入赊欠状态219，接着回到显示步骤22。如果没有可赊欠电量，进入报警状态216，控制报警灯报警217，通知用户充值，接着回到显示步骤22。

(3)如果可用电量大于50度24，说明电能表现在电量足够，处在正常状态。接着判断是否计量标志位是125，如果是说明有计量中断到来，进入电量的读取和计算。先从电量计量芯片读取各相电量213，微处理器再进行计算出总电量214，接着计算出可用电量26。如果标志位是0，说明本次循环中，没有计量中断到来，直接进入计算可用电量步骤26。

(4)接着检查GPRS有接收到指令27。如果有，对指令做出处理与回应28。如果指令是充值指令29，把充值数值加入可用电量中，更新可用电量，进入正常状态210，接着回到显示步骤22。如果没有收到指令，直接回到显示步骤22。

(5)电能计量采用100过0点工作方式，100个过0点中断一次，通知微控制器读取电量220，微控制器使用外部中断与计量芯片连接。在中断中，把计量标志置1，通知主程序可以读取电量数据221。

(6)当GPRS服务软件有指令发送到GPRS模块时，GPRS模块会通过串口通知微控制器，这里设置串口中断222。微控制器读取指令及充值数据223。

如图3，为本发明中GPRS服务软件框架图。

(1)管理系统31：即是GPRS服务系统。

(2)注册32：当用户接入系统时，首先要进行注册，此时可得到标志唯一用户的用户编号等一系列注册信息。

(3)查询33：查询又包括两种功能，第一种用户或管理中心向数据库查询用户过去的年用电量，月用电量，以及年用电费用和月用电费用、各次抄表充值情况等明细信息；第二种是管理中心向用户电能表查询，管理中心发送抄表指令，令电能表上报当前状态、数据。

(4)充值34：用户先进行充值，再用电，系统通过此充值模块向用户电表远程充值。

(5)控制36：服务器对电表的远程控制，包括合闸、断电、上报数据。

(6)统计35：系统还具有统计的功能，可进行年用电量，月用电量、以及电高峰期和低谷期的统计，以采取削峰添谷等措施；

(7)报表37、打印38：根据需要，系统还可以输出各种报表，并进行打印。

Claims (9)

1、基于GPRS通讯的三相预付费电能表系统，其特征是，该系统包括三相预付费电能表与GPRS服务器；三相预付费电能表包括电能计量模块、GPRS模块、显示模块、控制电闸、微处理模块和电表电源；电能计量模块由三相电能计量芯片及三相采样电路组成，三相采样电路采样电力用户的使用电流和电压，三相电能计量芯片根据采集到的电流和电压来计量用户的使用电量，电能计量模块通过串行外围设备接口与微处理模块连接；GPRS模块通过串口与微处理模块连接；显示模块、控制电闸分别与微处理模块通过输入输出信号线连接，显示模块用于显示时间、电量使用情况和电表状态；控制电闸用于控制电力供应的通断；微处理模块由MCU系统及时钟电路组成，MCU系统记录用户电量使用情况对与其连接的各组成部分进行控制，时钟电路为三相预付费电能表提供实时时间；GPRS服务器通过GPRS模块与三相预付费电能表通讯，负责对三相预付费电能表进行远程抄表、远程控制、远程充值。

2、根据权利要求1所述的三相预付费电能表系统，其特征在于电能计量模块由三相电能计量芯片及三相采样电路组成，三相采样电路通过分压从三相四线电力线的采样A、B和C三相电压，并通过电流互感器采样三组电流，三组电流分别为A相电流输入和输出，B相电流输入和输出，C相电流输入和输出；三相采样电路与三相电能计量芯片连接，将采样结果传输给三相电能计量芯片。

3、根据权利要求1所述的三相预付费电能表系统，其特征在于显示模块由汉字点阵液晶显示器、220V报警灯、220V报警铃组成；微处理模块由MCU系统与DS1302时钟电路组成，MCU系统与DS1302时钟电路之间使用I/O口连接，MCU系统包括MCU芯片、复位电路、外部晶振。

4、根据权利要求1所述的三相预付费电能表系统，其特征在于电表电源由变压器和稳压芯片组成，直接从三相电力线采电，供应电源给三相预付费电能表中的其他模块。

5、根据权利要求1～4任一项所述的三相预付费电能表系统，其特征在于所述电表状态分为4个状态：

正常状态：可用电量足够，运行正常；

赊欠状态：可用电量低于报警门限值，进入赊欠状态，启用可赊欠电量，预支电量；

报警状态：可赊欠电量使用完，电量重新低于报警门限值时，进入报警状态，报警灯点亮；

欠费状态：可用电量使用完，进入欠费状态，电能表闸断开，报警铃响铃。

6、一种基于GPRS抄表的三相预付费电能表系统的控制方法，该方法中用户先购电，再使用，供电方进行远程抄表、远程充值、远程控制，其特征在于包括如下步骤：

(1)用户向供电方购买电量，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表充值，微处理模块更新已记录的可用电量，三相预付费电能表进入正常状态；

(2)微处理模块读取电量计量模块计算出的设定时间内用户使用电量，将已记录的可用电量减去该设定时间内用户使用电量，并更新已记录的可用电量，当三相预付费电能表可用电量减少至报警门限值时，三相预付费电能表的微处理模块通过显示模块向用户报警并进入赊欠状态，把可赊欠电量加至可用电量中；

(3)当三相预付费电能表可用电量再次减少至报警门限值时，三相预付费电能表向用户报警并进入报警状态；

(4)当三相预付费电能表可用电量减少至0时，微处理模块控制控制电闸断开，进入欠费状态，并通过GPRS模块将欠费状态信息传输给GPRS服务器；直到下次充值成功才合上电闸。

7、根据权利要求6所述的基于GPRS抄表的三相预付费电能表系统的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，每个三相预付费电能表对应一个用户，每个三相预付费电能表都拥有一个固定的电能表编号和一个固定的用户编号，三相预付费电能表通过GPRS模块主动发起连接访问GPRS服务器，若三相预付费电能表的该两个编号已记录在GPRS服务器的用户列表中，则允许访问。

8、根据权利要求7所述的基于GPRS抄表的三相预付费电能表系统的控制方法，其特征在于所述远程抄表包括：三相预付费电能表通过GPRS模块，周期性向GPRS服务器上报运行状态、可用电量及累计电量，当供电方通过GPRS服务器向三相预付费电能表发送抄表指令后，三相预付费电能表也通过GPRS模块反馈电表状态、可用电量及累计电量；

所述远程充值包括：用户购电后，供电方通过GPRS服务器向用户的三相预付费电能表发送充值指令，三相预付费电能表的微处理模块执行该指令并反馈电表状态、可用电量及累计电量；

所述远程控制包括：供电方通过GPRS服务器向用户三相预付费电能表发送控制电闸指令、抄表指令、修改可赊欠电量指令。

9、根据权利要求7所述的基于GPRS抄表的三相预付费电能表系统的控制方法，其特征在于，可赊欠的电量由用户与供电方协商确定，可赊欠的电量由供电方通过GPRS服务器远程告知三相预付费电能表；当三相预付费电能表可用电量低于报警门限值后，可赊欠的电量自动累加到可用电量上。

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