CN105277785A - 一种基于物联网的3g智能电表系统 - Google Patents

一种基于物联网的3g智能电表系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的3G智能电表系统,包括三相电能计量芯片,三相电能计量芯片通过电流互感器接入输入电流,三相电能计量芯片通过电压互感器接入电压输入,三相电能计量芯片连接嵌入式微处理器,嵌入式微处理器分别连接SD卡存储、GPS定位模块、断电操作模块、3G无线模块、LCD显示模块和WIFI模块;3G无线模块通过3G短信收发方式联系电力用户,WIFI模块通过无线方式连接电力用户,3G无线模块还通过3G短信收发方式连接电力管理中心。本发明的有益效果是实现了远程电力公司、电表、用户三者间的数据交互。

Description

一种基于物联网的3G智能电表系统
技术领域
本发明属于电力技术领域,涉及一种基于物联网的3G智能电表系统。
背景技术
随着我国加强智能电网的全面建设,作为其重要的基础设备——智能电表的需求量越来越大、其功能也越来越完善,才能满足不断攀升的电力需求。而目前的智能电表,尽管已突破了传统电表的电能计量功能,甚至部分电表还实现了电力公司与电力用户间数据交互,但仍存在着一些技术问题和实际困境:①数据时效性差;利用微处理器自身的时钟或外部的实时时钟作为整个电表的实时时钟,由于各时钟的初始化无法统一在同一时刻进行,因此各个电表的时钟无法确保高度的精确,从而导致传输数据的时效性差;②数据传输率低;各电表分散在不同的位置,远程无线数据传输大多采用GPRS方式,其实际波特率最高为20Kb/s,难以实现高速数据传输;③相互监管性差;目前市面上最通用的IC卡智能电表,也只是简单地解决了上门抄表和收费难等问题,仍根本无法做到电力公司、电表、电力用户三者间的数据交互,更不用说电力公司、用户间的相互监管。因此坚强智能电网迫切需要功能更完善的、精度更高的智能电表。
针对上述存在的问题与弊端,利用GPS的实时时钟,有效保证了整个系统数据的高时效性。而3G传输速率可达144Kb/s-2MKb/s,有效解决了数据传输率低的问题。同时采用国家战略性新兴产业——物联网技术,结合数据库,设计出一种基于物联网的3G智能电表系统,有效实现电力公司、电表、用户三者间高效的数据交互,从而提高电网的运行效率、增强电网的稳定性,同时促进电力用户选择最适宜的用电方式以节约用电与错峰避峰用电,进而推进我国的节能减排工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网的3G智能电表系统,解决了目前市面上最通用的IC卡智能电表只是简单地解决了上门抄表和收费难等问题,所面临的问题与困境—根本无法做到电力公司、电表、用户三者间的数据交互等问题。
本发明所采用的技术方案是包括三相电能计量芯片,三相电能计量芯片通过电流互感器感知输入电流,三相电能计量芯片通过电压互感器感知输入电压,三相电能计量芯片连接嵌入式微处理器,嵌入式微处理器分别连接SD卡存储、GPS定位模块、断电操作模块、3G无线模块、LCD显示模块和WIFI模块;3G无线模块通过3G短信收发方式联系电力用户,WIFI模块通过无线方式连接电力用户,3G无线模块还通过3G短信收发方式连接电力管理中心。
一种基于物联网的3G智能电表系统,其特征在于系统的工作方法如下:
①电力用户用电信息的实时感知、监测、预警与电能计费;②实时监测电网运行状态;③数据自动存储、事件记录;④把前面①~③的数据信息通过3G短信实时可靠传输给电力管理中心;⑤接收电力用户或电力管理中心发来的相关指令,并执行智能处理,智能电表将所感知的电能参数与额度电能参数进行比对,判断其是否超标,如果超标,则产生预警信号并执行断电操作,保护用户的用电安全,并发3G短信告知用户。
本发明的有益效果是实现了电力公司、电表、电力用户三者间的远程数据交互。
附图说明
图1是本发明基于物联网的3G智能电表系统结构示意图;
图2是智能电表系统结构示意图;
图3是本发明ATT7022E的电路连接原理图;
图4是本发明SIM5281A模块电路连接原理图;
图5是本发明SZ12-01模块电路连接原理图;
图6是嵌入式微处理器电路连接原理图。
图中,1.三相电能计量芯片,2.电流互感器,3.电压互感器,4.嵌入式微处理器,5.SD卡存储,6.GPS定位模块,7.断电操作模块,8.3G无线模块,9.LCD显示模块,10.WIFI模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的智能电表系统如图1和图2所示包括三相电能计量芯片1,三相电能计量芯片1通过电流互感器2感知输入电流,三相电能计量芯片1通过电压互感器3感知输入电压,三相电能计量芯片1连接嵌入式微处理器4,嵌入式微处理器4分别连接SD卡存储5、GPS定位模块6、断电操作模块7、3G无线模块8、LCD显示模块9和WIFI模块10;3G无线模块8通过3G短信收发方式联系电力用户,WIFI模块10通过无线方式连接电力用户,3G无线模块8还通过3G短信收发方式连接电力管理中心。
基于物联网的3G智能电表系统由多个智能电表与电力管理中心(软件)构成,用户与电表可通过WIFI或3G短信方式进行数据交互,电表与电力管理中心可通过短信方式进行数据交互,用户与电力管理中心可通过短信、浏览Web页面等方式进行数据交互,这样有效实现了电力公司、电表、用户三者间的数据通信,如图1所示。基于物联网的3G智能电表系统将完成如下功能①实现电力用户用电信息(电流、电压、功率、电能等电能参数)的实时感知、监测、预警与电能计费;②实时监测电网运行状态(相位角、功率因数、线频率与谐波等参数);③数据自动存储、事件记录(如故障或异常事件、窃电事件等);④把前面①~③的数据信息通过3G实时可靠传输给电力管理中心;⑤接收用户或电力管理中心发来的相关指令,并执行智能处理。智能电表将所感知的电能参数与额度电能参数进行比对,判断其是否超标。如果超标,则产生预警信号并执行断电操作,保护电力用户的用电安全,并发3G短信告知用户。因此智能电表由电能参数采集、嵌入式微处理器、3G、断电操作、WIFI、GPS、LCD显示、数据存储等模块构成。由于智能电表的进线电压约为220VAC、进线电流为0至几安培,而电能参数计量芯片所接入的电压、电流很小,必须经过相应的互感器进行转换。所以电能参数采集包含电压、电流互感器、电能参数计量芯片等部件。数据存储采用大容量的SD卡,智能电表的构成如图2所示。
电力管理中心是基于Web页面开发的管理软件,其功能是实现智能处理,即通过服务器读取各个智能电表传来的相关数据,并进行汇总、分类、存储、判定、预警等处理,使电力管理人员能及时、准确地掌握各个电力用户的用电信息与电网的运行状态。若有异常,则及时告知电力管理人员并通过短信方式告知用户。同时电力管理人员也可通过电力管理中心主动查询、了解、掌握各个智能电表的工作情况以及对指定智能电表的远程控制。此外,电力用户也可通过Internent网络随时随地查询用电信息与历史记录。
电能参数采集是整个智能电表最核心的重要组成部分,采用三相电能计量芯片,型号为ATT7022E。该芯片是一颗多功能高精度的防窃电三相电能专用计量芯片,集成了7路19-bitADC,其中3路用于三相电压采样,3路用于三相电流采样,还有1路用防窃电参数的采样。同时该芯片具有多种电能参数测量的数字信号处理电路,其输入动态工作范围为5000:1,提供有功/无功反向指示功能,可准确测量到含41次谐波的电能参数。并且支持全数字域的增益、相位校正,完全满足三相复费率多功能电表的需求。ATT7022E所采集的电能参数,包括各相与合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量,同时还含有各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等。嵌入式微处理器通过SPI接口读取各参数的寄存器,然后进行相关处理,便可得出实际的电能参数值。其电路设计如图3所示,该图中V1P、V1N作为A相的电流采集输入端,而V2P、V2N作为A相的电压采集输入端。V3P、V3N与V4P、V4N和V5P、V5N与V6P、V6N分别作为B、C相的电流与电压采集端,其接法与A相完全相同。而V0P、V0N接作为用防窃电监测,其接法可参照A相的电流采集端。
3G无线通信设计:由于兼顾整个系统的功能与集成度,选用带有GPS定位功能的3G模块SIM5218A。该模块采用70-pinSocket连接器,支持WCDMA2100M/1900M/850M,支持UART与USB2.0高速数据读写操作,具有随时随地连接互联网、收发短信息、传输语音信息、GPS定位等功能。考虑到数据通信的波特率,采用USB2.0对该模块进行读写操作控制操作。而该模块的GPS,采用标准的NMEA-0183数据格式,因此只需其中的时间信息数据,即GGA中的UTC数据进行相关运算处理就行。其电路设计如图4所示。
WIFI无线通信设计:WIFI无线通信选用工业级嵌入式SZ12-01模块,该模块是基于UART接口,内置无线网络IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈,能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过该模块,使传统的串口设备轻松接入无线网络。其波特率范围为1200-115200bps,传输距离最大为400米。工作于ISM波段2.40-2.48GHz,可对14个信道进行分别选择或域限制。其电路设计如图5所示。
嵌入式微处理器设计:由于SIM5218A采用USB2.0接口,SZ12-01采用UART接口,因此系统微处理器必须含有上述两种接口,选用TM4C1233E6PM处理器。该处理器是采用80MHzARMCortex-M4F处理器内核架构,内部集成了多种存储器与复用的GPIO,含8路UART、4路SSI、4路I2C、CAN2.0、USB2.0等接口,采用LQFP-64封装。为了方便显示数据与存储大量的数据,处理器连接了LCD与SD卡存储器,其电路设计如图6所示。
本发明的优点还在于:实践测试表明基于物联网的3G智能电表系统不仅能实时在线感知、监测、预警、显示电力用户的用电信息与自动执行控制操作,保证用电安全。而且还能实现电表、电力用户与电力公司间的数据交互:电力用户可通过网络查询、掌握用电信息,从而有助于用户改变并选择适宜的用电方式;电力公司也可主动查询、掌握用户用电情况与电网工作状态,从而有效推动了电力公司的管理水平与供电服务水平。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于物联网的3G智能电表系统,其特征在于:包括三相电能计量芯片(1),三相电能计量芯片(1)通过电流互感器(2)接入输入电流,三相电能计量芯片(1)通过电压互感器(3)接入电压输入,三相电能计量芯片(1)连接嵌入式微处理器(4),嵌入式微处理器(4)分别连接SD卡存储(5)、GPS定位模块(6)、断电操作模块(7)、3G无线模块(8)、LCD显示模块(9)和WIFI模块(10);3G无线模块(8)通过3G短信收发方式联系电力用户,WIFI模块(10)通过无线方式连接电力用户,3G无线模块(8)还通过3G短信收发方式连接电力管理中心。
2.按照权利要求1所述一种基于物联网的3G智能电表系统,其特征在于系统的工作方法如下:
①电力用户用电信息的实时感知、监测、预警与电能计费;②实时监测电网运行状态;③数据自动存储、事件记录;④把前面①~③的数据信息通过3G短信实时可靠传输给电力管理中心;⑤接收电力用户或电力管理中心发来的相关指令,并执行智能处理,智能电表将所感知的电能参数与额度电能参数进行比对,判断其是否超标,如果超标,则产生预警信号并执行断电操作,保护用户的用电安全,并发3G短信告知用户。
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