CN102062812A - 一种带无线抄表模块的单相智能电能表 - Google Patents

Abstract

一种带无线抄表模块的单相智能电能表，解决现有电能表无法结算双向供电的电能、不能远程抄表及不能进行电能质量监测的问题，本发明的电能表包含依次连接的电能信号采样模块，单相三线计量单元，微控制器，该微控制器计算出正向电能E1、反向电能E2及净电能E；还包含分别与微控制器连接的LCD显示模块，电源模块，RTC及后备电池模块，脉冲输出模块，正向电能存贮器，反向电能存贮器，净电能存贮器以及无线通讯模块，该无线通讯模块经无线通讯信道与远程抄表装置链接，实现远程抄表。本发明的电能表具有以下功能：实现正反向分时电能的分别累计计量存贮；实时测量功能；负荷记录功能；远程抄表功能；电能质量监测及分析功能，并能提供家居智能接口。

Description

一种带无线抄表模块的单相智能电能表

技术领域

本发明涉及电能计量仪表，更具体地指一种带无线抄表模块的单相智能电能表

背景技术

现有普通单相电能表一般只具备以下功能：

(1.1)计量：正向电能累积计量。

(1.2)分时计量：电能表具有4种费率，80个日时段，4个年时区，5个时段表，支持周休日、节假日时段。每个费率有单独的计度器记录电能。费率方案可按日类型和季节类型的组合来进行切换。

(1.3)实时测量：实时测量电流、电压、频率、功率，并计算负荷，当负荷超过设定限值时，电能表给出报警。

(1.4)负荷记录：记录电能、有功功率、视在功率、电压、电流曲线，时间间隔可编程。电能表还提供最近3天整点电能数据和12个月历史电能数据(月结)。

(1.5)通讯：具有RS485接口或红外抄表接口、支持DL645-1997规约。

(1.6)事件记录：40条历史事件记录，记录停电、上电、电压跌落、编程、校时等事件。

由此可见，现有普通单相电能表一般只具备计量单相电能和分时多费率的功能，即使有正、反向电能的分开计量，其中反向电能大多以绝对值的形式累加到总电能里，即，如果正向电能为WT1，反向电能为WT2，电能表总电能W为W＝|WT1|+|WT2|。但该公式不能体现净电能，因此无法为双向供电用户的电能结算提供依据。

此外，现有普通单相电能表只记录停电、上电、电压跌落等事件发生。

现有普通单相电能表不具备以下功能：

(2.1)双向实时测量电压、电流、有功功率、视在功率及频率等参数的功能；

(2.2)负荷记录的功能；

(2.3)双存贮器设计实现正反向分时电能的分别累计计量存贮，根据正反向电能和正反向电价系数换算出净电能并存贮到净电能存贮器的功能；

(2.4)对供电质量进行质量检测及分析统计等功能。

(2.5)带有家居智能接口，支持与带有无线通讯功能的家电联网，为智能家电的远程接入提供接口，实现智能家电的远程控制。

由于现有普通单相电能表存在上述缺陷，因此它不能适应智能电网双向能量交互的需求。

另外，现有普通单相电能表一般不具备远程抄表功能，即使具备远程抄表功能的电能表也是采用有线传输、布线比较麻烦。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种按照不同的潮流方向，将电能分别累积到正向和方向电能寄存器中，根据正反向电能和正反向电价系数换算出净电能并存贮到净电能存贮器，还具有电能质量监测及分析功能以及无线通讯远程抄表功能，适用于智能电网使用需求的带无线抄表模块的单相智能电能表。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带无线抄表模块的单相智能电能表，包括：

电能信号采样模块，包含电流采样模块及电压采样模块；单相三线计量单元，与所述电能信号采样模块连接，取得电流、电压的采样信号，对单相三线双方向的电压、电流、功率、电能进行计量；微控制器，与所述单相三线计量单元连接，从所述单相三线计量单元读取计量数据并进行以下处理：根据计量数据分别计算正负有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值；根据正负有功功率计算出负荷数据，该负荷数据包含有功功率的正向电能E1、反向电能E2及净电能E；对负荷数据进行记录、显示和通讯处理；LCD显示模块，与所述微控制器连接，显示微控制器处理的数据；电源模块，分别与所述单相三线计量单元及微控制器连接，提供所述电能表工作电源；RTC及后备电池模块，与所述微控制器连接，用于满足ANSI标准的多费率分时计量及发生停电时RTC自动切换到后备电池；脉冲输出模块，与所述微控制器连接，用于校表及采集电能量；正向电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的正向电能E1累加到该正向电能存贮器存储；反向电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的反向电能E2累加到该反向电能存贮器存储；无线通讯模块，与所述微控制器连接，采用具有无线抄表模块的无线通讯模块，该无线通讯模块经无线通讯信道与远程抄表装置链接；净电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的净电能E累加到该净电能存贮器存储；电能质量监测及分析模块，与所述微控制器连接，采用AT24C1024型号的芯片，用来存储微控制器处理的数据，并实时监测记录表示电能质量的数据并记录、分析，该表示电能质量的数据包括电压骤生/骤降，谐波，闪变，电流不平衡，浪涌电流。

所述电流采样模块采用电流互感器隔离结构，对两条火线电流采用同一个电流互感器求和方式对电流取样；所述电压采样模块采用分压电阻对连接电压进行电压取样。

所述净电能E与正向电能E1及反向电能E2的关系为：E＝E1+C*E2，其中C为正反向电价系数，C＝反向电价/正向电价。

所述无线通信模块采用RobuNet无线自组网模块，使用SS900MHz个人免授权频带实现自动抄表应用。

所述脉冲输出模块为无源光电隔离型输出端口，脉冲宽度：80ms±20ms。

所述电能表还包括光通讯口模块，与所述微控制器连接，支持红外光口通讯，支持本地通讯。

所述电能表还包括家居智能接口，与所述微控制器连接，为带有无线通讯功能的家电提供接口。

与现有技术相比，本发明的带无线抄表模块的单相智能电能表的优点在于提供了一种按照不同的潮流方向，将电能分别累积到正向和反向电能寄存器中，根据正反向电能和正反向电价系数换算出净电能并存贮到净电能存贮器，为双向供电用户的电能结算提供依据。此外本发明通过无线通讯模块能够进行远程抄表。本发明还具有电能质量监测及分析功能，功能较全、更能适用于智能电网使用需求。总之，本发明具有以下功能：双存贮器设计实现正反向分时电能的分别累计计量存贮；实时测量功能；负荷记录功能；电能质量监测及分析功能；自诊断功能；提供无线通讯抄表功能；提供家居智能接口。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的电能表的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明的带无线抄表模块的单相智能电能表包括以下组件：电能信号采样模块20、单相三线计量单元1、微控制器2、电源模块3、LCD显示模块4、RTC及后备电池模块5、脉冲输出模块6、正向电能存储器模块7、反向电能存储器模块8、光通讯口模块9，无线通讯模块10、净电能存贮器11、家居智能接口12、电能质量监测及分析模块13。

下面对带无线抄表模块的单相智能电能表的结构作进一步说明。

电能信号采样模块20，包含电流采样模块21及电压采样模块22，所述电流采样模块21采用电流互感器隔离结构，对两条火线电流采用同一个电流互感器求和方式对电流取样；电压采样模块22采用分压电阻对连接电压进行电压取样。

单相三线计量单元1(本实施例采用意法半导体公司生产的STPM01型号的芯片)，与所述电能信号采样模块20连接，取得电流、电压的采样信号，对单相三线双方向的电能电压、电流、功率、电能等进行计量。单相三线计量单元1芯片包含滤波器、放大器、A/D转换器，分别对电流、电压的采样信号进行滤波、放大、A/D转换并计算出电压、电流、功率、电能等计量数据(单相三线计量单元1芯片内部使用∑-Δ型AD转换器对电压、电流进行测量)。

微控制器2，与所述单相三线计量单元1连接，采用NEC公司生产的uPD78F0338芯片，从单相三线计量单元1读取计量数据并进行以下处理：根据计量数据分别计算正负有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值等数据；根据正负有功功率计算出有功功率的正向电能E1、反向电能E2及净电能E等负荷数据，其中净电能E的计算公式：E＝E1+C*E2(E1为正向电能，E2为反向电能，C为正反向电价系数，C＝反向电价/正向电价，本实施例采用正反向电价不同的净电能计算，净电能的计算为双向供电用户的电能结算提供了依据)；对负荷数据进行记录、显示和通讯等处理。因此，微控制器2能够实现单相三线正反向电能分时计量分别累计的存贮功能；实时测量功能；负荷记录功能。

LCD显示模块4，与所述微控制器2连接，显示微控制器2处理的数据，最多可循环显示32项数据，项目显示顺序和显示时间用户可编程，电能表所有参数数据均可通过LCD显示。液晶适合在低温情况下工作，并能提供清晰的读数。

电源模块3，分别与所述单相三线计量单元1及微控制器2连接，提供电能表工作电源。

RTC(实时时钟)及后备电池模块5，与所述微控制器2连接，RTC采用爱普生公司生产的RX8025型号的芯片，用于满足ANSI标准的多费率分时计量，该时钟电路，内置2000-2099百年历，时间日期可设。当发生停电时RTC自动切换到后备电池，停电后可维持5年。

脉冲输出模块6，与所述微控制器2连接，用于校表及采集电能量，为无源光电隔离型输出端口，脉冲宽度：80ms±20ms。

正向电能存贮器7，与所述微控制器2连接，所述微控制器2计算出的正向电能E1累加到该正向电能存贮器7存储。本实施例采用铁电存贮器，为RAMTRON公司生产的FM24C64型号的芯片。

反向电能存贮器8，与所述微控制器2连接，所述微控制器2计算出的反向电能E2累加到该反向电能存贮器8存储。本实施例采用铁电存贮器，为RAMTRON公司生产的FM24C64型号的芯片。

光通讯口模块9(本实施例采用由近红外发送管和接收管组成的光通讯口模块)，与所述微控制器2连接，支持红外光口通讯，支持本地通讯。

无线通讯模块10，与所述微控制器2连接，采用具有无线抄表模块的无线通讯模块，本实施例采用RobuNet无线自组网模块，使用SS900MHz个人免授权频带实现自动抄表应用。即，无线通讯模块10给远程抄表装置提供一种通讯信道，该无线通讯模块10经无线通讯信道与远程抄表装置链接，实现无线远程抄表。

净电能存贮器11，与所述微控制器2连接，微控制器2计算出的净电能E累加到该净电能存贮器11。本实施例采用RAMTRON公司生产的FM24C64型号的芯片。

家居智能接口12，与所述微控制器2连接，为带有无线通讯功能的家电提供接口，其是一种功能接口电路，带有此种接口的家电可以和电表相连，通过电表和抄表系统相连，实现家居产品的开启关闭等运行管理。

电能质量监测及分析模块13，与所述微控制器2连接，其是一种功能模块，采用美国ATMEL公司生产的AT24C1024型号的芯片，用来存储微控制器2处理的数据，并实时监测记录电压骤生/骤降，谐波、闪变、电流不平衡，浪涌电流，统计分析出以上电能质量数据并记录。具体例：此表提供电压骤生/骤降记录：骤升、干扰、快速电压变化及骤降的持续时间、幅度和发生时间；谐波最多可测量和记录50个谐波和谐间波；记录相关数据，如DC分量、总谐波失真(THD)及K-系数；闪变监测电压变化的持续时间和幅度；电流不平衡，记录超过门限的不平衡率，发生时间；浪涌电流，捕捉浪涌电流的幅值，持续时间，形成事件记录。

下面就本发明的带无线抄表模块的单相智能电能表具体功能的应用描述如下。

一、电能计量

本发明的电能表有以下功能：复费率计量功能：支持4个费率；分正向电能、反向电能和净电能，对三种电能分别进行计量及存贮功能。

每个费率有单独的计度器记录电能，电能最小刻度单位：0.01kWh。

电能计量内容见表一。

表一

总正向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能、最近72小时整点电能
		费率1正向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
费率2正向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
		费率3正向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
费率4正向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
		总反向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能、最近72小时整点电能
费率1反向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
		费率2反向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
费率3反向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
		费率4反向有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
总净有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能、最近72小时整点电能
		费率1净有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
费率2净有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
		费率3净有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能
费率4净有功电能	当前、最近10周、时区切换时、12个月电能

电能表每周日0时0分0秒产生一次电能、需量(规定时间内的平均功率)的冻结，同时自动需量清零；电能表可以保存最近10周的电能。

二、复费率

复费率方案可按日类型和季节类型的组合来进行设置。电能表支持4个时区(季节类型)，10个日表(日类型)，每个日表最多支持8个时段，支持周休日、工作日、公共假日时段的设置。

费率：编程时用来表示电能表运行在何种费率，用1、2、3、4表示，LCD显示模块4上用T1、T2、T3、T4表示不同的费率，如编为0，则电能表认为无效，但在第一个时段出现时，电能表默认费率1。

时区：电能表最多支持4个时区，最少默认1个时区(时区号＝0)，时区号定义：0-3。用户只能按月划分时区，电能表允许一年分为若干时区，每个时区实施不同的分时计划(或方案)。编程时须设置每个时区内周六、周日、工作日、特殊日1、特殊日2的日表号。

时段：电能表至少能运行10套日表，每套日表里最多可定义8个时段，总计80个时段的设置。时段的设置遵循闭环原则，时间先后连接，且同一日表中后一时段开始时间应大于前一时段开始时间。

三、月结算电能

每月运行到月结时间时，电能表结算一次用电能，该电能是从上月结算时间到本月结算时间期间的用电能，电能表同时存储结算日期以便查验；电能表可以记录12个月的用电能，包括正反向总电能，净电能和分时电能。

四、负荷记录曲线

电能表支持容量为128KB的负荷数据的存储，用户可选择记录的数据包括：电能、有功功率、电压、电流；记录的时间间隔可在1-99分钟之间任意设置，每个负荷记录点均有时间戳(年、月、日、时、分)。

五、实时参数的测量

电能表除计量电能外，还提供电网参数的测量，800-806项数据分别是：电压、电流、有功功率、视在功率、当前需量、电网频率、电池电压。

六、电能质量监测及分析

骤升与骤降记录：骤升、干扰、快速电压变化及骤降，持续时间、幅度和发生时间；谐波最多可测量和记录50个谐波和谐间波。记录相关数据，如DC分量、总谐波失真(THD)(总谐波失真)及K-系数。闪变监测电压变化的持续时间和幅度；电流不平衡，记录超过门限的不平衡率，发生时间；浪涌电流，捕捉浪涌电流的幅值，持续时间，形成事件记录。

七、通讯

1)电能表支持无线通讯，电能表可以通过无线进行通讯，组成网络后可以实现远程抄表管理。

2)电能表还支持红外光口通讯，通讯规约符合北美ANSI C12.18、C12.19的要求；通讯波特率默认9600bps；支持本地通讯，可通过厂商提供的配有光电头的掌上抄表器来通讯。

3)电能表带有家居智能接口，支持与带有无线通讯功能的家电联网，为智能家电的远程接入提供接口，实现智能家电的远程控制。

4)通讯建立后，电能表LCD上通讯符号“COM”显示；电能表各类数据均可抄读或设置。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于包括：

电能信号采样模块，包含电流采样模块及电压采样模块；

单相三线计量单元，与所述电能信号采样模块连接，取得电流、电压的采样信号，对单相三线双方向的电压、电流、功率、电能进行计量；

微控制器，与所述单相三线计量单元连接，从所述单相三线计量单元读取计量数据并进行以下处理：根据计量数据分别计算正负有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值；根据正负有功功率计算出负荷数据，该负荷数据包含有功功率的正向电能E1、反向电能E2及净电能E；对负荷数据进行记录、显示和通讯处理；

LCD显示模块，与所述微控制器连接，显示微控制器处理的数据；

电源模块，分别与所述单相三线计量单元及微控制器连接，提供所述电能表工作电源；

RTC及后备电池模块，与所述微控制器连接，用于满足ANSI标准的多费率分时计量及发生停电时RTC自动切换到后备电池；

脉冲输出模块，与所述微控制器连接，用于校表及采集电能量；

正向电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的正向电能E1累加到该正向电能存贮器存储；

反向电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的反向电能E2累加到该反向电能存贮器存储；

无线通讯模块，与所述微控制器连接，采用具有无线抄表模块的无线通讯模块，该无线通讯模块经无线通讯信道与远程抄表装置链接；

净电能存贮器，与所述微控制器连接，所述微控制器计算出的净电能E累加到该净电能存贮器存储；

电能质量监测及分析模块，与所述微控制器连接，采用AT24C1024型号的芯片，用来存储微控制器处理的数据，并实时监测记录表示电能质量的数据并记录、分析，该表示电能质量的数据包括电压骤生/骤降，谐波，闪变，电流不平衡，浪涌电流。

2.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述电流采样模块采用电流互感器隔离结构，对两条火线电流采用同一个电流互感器求和方式对电流取样；所述电压采样模块采用分压电阻对连接电压进行电压取样。

3.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述净电能E与正向电能E1及反向电能E2的关系为：E＝E1+C*E2，其中C为正反向电价系数，C＝反向电价/正向电价。

4.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述无线通信模块采用RobuNet无线自组网模块，使用SS900MHz个人免授权频带实现自动抄表应用。

5.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述脉冲输出模块为无源光电隔离型输出端口，脉冲宽度：80ms±20ms。

6.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述电能表还包括光通讯口模块，与所述微控制器连接，支持红外光口通讯，支持本地通讯。

7.如权利要求1所述的带无线抄表模块的单相智能电能表，其特征在于：

所述电能表还包括家居智能接口，与所述微控制器连接，为带有无线通讯功能的家电提供接口。

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