CN105334387A - 一种具有自适应保护的智能电表及负载检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应保护的智能电表及负载检测方法，应用于负载电路中，包括：数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元以及负载检测单元；所述数据采集单元分别与所述数据处理单元及所述处理器单元数据连接，所述数据处理单元与所述处理器单元数据连接，所述处理器单元与所述控制单元数据连接，所述控制单元与所述负荷阻断单元网络连接；所述负载检测单元分别与所述处理器单元以及所述控制单元数据连接。本发明中，提高了电气设备运行的安全性和可靠性。

Description

一种具有自适应保护的智能电表及负载检测方法

技术领域

本发明涉及电能计量技术领域，特别是涉及一种具有自适应保护的智能电表及负载检测方法。

背景技术

智能化电能表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用，它还具有双向多费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，但是，当今的电能表只能输出跳闸电源或跳闸接点，存在技术缺陷就是不能直接有效阻断供电。智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。

传统的典型费控智能电表是由用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，新型的智能电表目前已完美实现网络购电，就像手机充值一样简单。

自计量电能表诞生、发展、改进与成熟的整个过程，至今历经100多年。按计量电能表结构框架类型和工作原理，可以划分为感应系电能表、机电式脉冲电能表、电子式电能表和费控多功能电能表四种类型，分别代表各个不同的发展阶段和发展水平。

首先，对于感应系电能表而言，其种类、型号繁多，但基本结构都是相似的，由测量机构(包含：驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器等)，补偿调整装置和辅助部件组成。为了能够正确地计量，要进行一系列复杂的调节，如满载调整、轻载调整、电压补偿、相位调整和温度补偿等；限于材料特性、对制造工艺的严格要求和受结构的制约，制造准确度级别较高的感应系电能表已相当困难；其工作原理及设计、制造规程决定了只在工频附近很窄的频率范围内且电压、电流为正弦波形的条件下，方能保证标称工作性能，只要波形有畸变时，其准确度便受到影响；由于采用仪表机械转动，故表计自身的功耗较大；此外，功能单一也限制了它的使用范围。

其次，对于机电脉冲式电子电能表而言，光电转换器是机电脉冲式电子电能表的关键部分。根据光电转换器的不同，机电脉冲式电子电能表可分为单向脉冲式和双向脉冲式两种类型。

再次，为了替代由感应系测量机构测量交变电能，电子式电能表应运而生。考虑到电能管理现代化的必然发展方向，需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间的双向通信，而数字乘法器型电子式电能表功能的扩展十分方便，十分容易与配电自动化系统集成，故有专家预计，数字乘法器型电子式电能表将成为今后电子式电能表的主要发展方向。

最后，微电子技术和计算机技术的高速发展是带动电子式电能表迅速发展、日益成熟的主要因素。高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术等使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标都有了显著改善。智能电能表由于其自身的一系列优点，最终将取代传统的感应系电能表，逐步会在现代电能计量与管理中占据主导地位。具有代表性的是费控多功能电能表，其结构原理如图1所示。

智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。但是，当今的电能表只能输出跳闸电源或跳闸接点，不能直接有效关断供电。对于用户密集(如：中大型市场、学生宿舍)场合，过于集中的短时间超载，致使线路无法承受负荷，同时存在安全隐患。且这种保护功能简单采用设在出线开关上，对于某些用户(如学生宿舍、大中型市场等用电密集)难以接受这种保护方式时，很多用户会自行拆除、改用其它开关，此功能便无效。而设置在计量电能表中，便可让用户强制接受负荷的限制以确保安全。

发明内容

本发明提供一种具有自适应保护的智能电表及负载检测方法，以提高电气设备运行的安全性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供一种具有自适应保护的智能电表，应用于负载电路中，包括：数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元以及负载检测单元；

所述数据采集单元分别与所述数据处理单元及所述处理器单元数据连接，所述数据处理单元与所述处理器单元数据连接，所述处理器单元与所述控制单元数据连接，所述控制单元与所述负荷阻断单元网络连接；所述负载检测单元分别与所述处理器单元以及所述控制单元数据连接；

所述数据采集单元，用于将原始数据分别传送到所述数据处理单元以及所述处理器单元；

所述数据处理单元，用于根据所述原始数据计算得到运算数据并发送到所述处理器单元；

所述处理器单元，用于根据所述原始数据以及所述运算数据计算得到电气参数并发送到所述控制单元；

所述控制单元，用于根据接收到的电气参数确定所述负载电路是否正常，当确定所述负载电路非正常时，指示所述负荷阻断单元断开电源；

所述负载检测单元，用于在接收到所述控制单元通过所述处理器单元发送的电源断开消息后一段时间内，未收到所述处理器单元发送的电源连接消息时，利用其上所加载的低电压高频电源对所述智能电表进行负载检测。

进一步地，所述智能电表还包括报警单元，所述报警单元与所述处理器单元数据连接，用于根据所述处理器单元接收到的电源断开消息发送报警信号。

进一步地，所述负载检测单元还与所述控制单元数据连接，用于在检测到所述负载电路正常时，告知所述控制单元指示所述负荷阻断单元连通电源

进一步地，所述智能电表还包括通讯单元，所述通讯单元与所述处理器单元数据连接，所述通讯单元用于将所述智能电表与后台服务器网络连接。

进一步地，所述智能电表还包括显示单元，所述显示单元与所述处理器单元数据连接，用于显示所述智能电表的数据。

本发明还包括一种负载检测方法，应用于包括数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元以及负载检测单元的智能电表上，所述方法包括以下步骤：

所述控制单元接收所述处理器单元根据所述数据采集单元上的原始数据以及所述数据处理单元上的运算数据计算得到的电气参数；

所述控制单元根据所述电气参数确定所述负载电路是否正常，当确定所述负载电路非正常时，指示所述负荷阻断单元断开电源；

所述控制单元通过所述处理器单元通知所述负载检测单元电源断开，以使所述负载检测单元在一段时间内未接收到所述处理器单元发送的电源连接消息时对所述智能电表进行负载检测。

进一步地，所述电气参数具体为电流值，所述控制单元根据所述电气参数确定所述负载电路是否正常，具体包括：

所述控制单元根据预置的电路保护电流值与接收到的电流值进行比较，当所述电流值不小于k倍所述电路保护电流值时，确定所述负载电路正常，否则，确定所述负载电路非正常。

进一步地，所述智能电表还包括报警单元，所述方法还包括：

所述处理器单元接收所述控制单元发送的电源断开消息；

所述处理器单元通知所述报警单元电源断开以使所述报警单元发送报警信号。

进一步地，所述方法还包括：

当所述负载检测单元检测到负载电路正常时，所述控制单元指示所述负荷阻断单元连通电源。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

通过本发明所提供的技术方案，实现了智能电表的自动控制以及自动进行负载检测，具备完整的网络控制功能。同时设计了自适应保护功能，提高了电气设备运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是现有技术中费控多功能电能表的结构原理框架图；

图2是本发明提出的负载检测的方法流程图；

图3是本发明提出的具有自适应的三相智能电表的结构原理框架图；

图4是本发明提出的具有自适应的单相智能电表的结构原理框架图；

图5是本发明提出的引入引出互为对边接线(上进下出三相表)的示意图；

图6是本发明提出的引入引出互为对边接线(下进上出三相表)的示意图；

图7是本发明提出的引入引出互为对边接线(上进下出单相表)的示意图；

图8是本发明提出的引入引出互为对边接线(下进上出单相表)的示意图；

图9是本发明提出的一种智能电表的结构图。

具体实施方式

本发明提出一种负载检测方法，应用于包括数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元以及负荷阻断单元的智能电表上，如图2所示，下面结合附图3和附图4，对本发明具体实施方式进行详细说明。

该方法包括：

步骤201，处理器单元根据数据采集单元上的原始数据以及数据处理单元上的运算数据计算得到电气参数。

具体的，首先由数据采集单元进行电流电压两种原始数据的采集。其中，该数据采集单元由电流采集器、电压采集器、电流变换器和电压变换器组成，将采集的电流电压分别转换为电量信号或数据信号后，发送给数据处理单元，同时将电流电压两种原始数据输送到处理器单元。

其次，数据处理单元在接收到数据采集单元发送的电量信号或数据信号后，将其处理为数量信号，并该数量信号输送到处理器单元。

具体的数据处理包括两种方式：

其一是传统模拟方案：由“乘法器”、“电压频率转换器”、“分频器、计数器”电路等构成。将采集的电流、电压原始数据输入到“乘法器”电路计算出瞬时功率，再与时间参数进行累计积算；计算结果再经过“电压频率转换器”转换为脉冲信号，然后通过“分频器、计数器”转换为数量信号，再输送到处理器单元；

其二是模拟/数字(A/D)转换方案：由电流采集器、电压采集器、专用模/数转换器(A/D转换器)、电能计量专用集成电路等构成。将电流、电压模拟信号通过高精度高速度专用模/数转换器(A/D)转换和信号处理后，进入到电能计量专用集成电路进行电能的计算和各项分析处理，将分析处理结果发送到处理器单元。

再次，处理器单元在接收到电流电压两种原始数据以及数量信号后，计算出所需全部电气参数，包括某时段电能物理量的最大值、平均值。

进一步地，智能电表还包括通讯单元，通讯单元与处理器单元数据连接，处理器单元通过与通讯单元的连接，使得与通讯单元网络连接的管理后台可以实现对智能电表的远程控制以及远程的进行智能电表上的表数统计。

同时，处理器单元还与智能电表的显示单元数据连接，通过显示单元进行相应数据的显示。其中，该显示单元包括LCD显示、电卡接口、遥控读数口以及看门狗电路。

步骤202，控制单元接收处理器单元发送的电气参数。

步骤203，控制单元根据电气参数确定负载电路是否正常。

具体的，控制单元包括包含费控动作(断开、开通操作)、自适应保护动作[动作电流Ip＝kIn保护动作(k为动作系数，In为某时段平均电流或预设的负荷限制电流)、解除后恢复]、过负荷保护动作(断开、解除后恢复)等控制功能。根据某一时段正常运行的电流(平均值或最大值，可以是“记录的数据”或“运算的数据”)自动预置参数选择保护来实现的。也即根据用户正常用电的负荷状况，自动预置初始整定值，根据该整定值设值意外过电流保护功能[如选前一时段正常工作电流的平均值或最大值的k倍(k为预设参数，通常可选1.05～1.35)]，如不小于k倍预置的保护电流值时，确定负载电路正常。

步骤204，当控制单元确定负载电路非正常时，指示负荷阻断单元断开电源。

否则，不指示负荷阻断单元断开电源。

在确定负载电路非正常时，指示负荷阻断单元断开电源，即指示直接式阻断开关切断电源，杜绝非法用电，增强了保护功能。该阻断开关可以采用带自锁的动断型双位置开关(或采用双向晶闸管或其它无触点开关进行阻断或开通操作)，只提供带负荷断开或接通操作，对于短路保护功能留给后端的断路器执行，以延长使用寿命，减少维护和保养。同时在正常运行时不消耗电能。

进一步地，智能电表还包括报警单元，方法还包括：

处理器单元接收控制单元发送的电源断开消息；

处理器单元通知报警单元电源断开以使报警单元发送报警信号。

通常报警单元包含控制动作(断电)报警、费控动作(少费预告及欠费告警)预告信号及报警、自适应保护动作报警、过负荷保护动作报警、系统异常报警、负荷异常报警。

进一步地，智能电表还包括负载检测单元，方法还包括：

处理器单元接收控制单元发送的电源断开消息；

处理器单元通知负载检测单元电源断开，以使负载检测单元在一段时间内未接收到处理器单元发送的电源连接消息时对智能电表进行负载检测。

具体的，在电源断开的状态下，通过所加载的“专门”低电压高频电源输出检测电流，根据高频通过检测负载设备的阻抗(包括电阻阻抗、感抗与容抗)，比较分析是否正常，如在正常范围自动恢复送电，即当负载检测单元检测到负载电路正常时，控制单元指示负荷阻断单元连通电源。如果异常，不执行自动合闸操作，同时通过处理器单元通知报警单元给出相应的报警信号。

通过上述方案的提出，实现了本机控制与自动送电功能，通过电表程序的自检机制，避免了意外事故的发生。

对于本发明所提供的智能电表，是根据需要选用相应的功能单元组合成为智能电表，可以集合装配成为一个(整体式)或多个组件(分装式)智能电表。

其中，对于分体式结构，主要以主电路部分与显示终端和外部接口部分两方面的不同安装要求而分割为两部分或多个组件独立安装的部件，各个组件间采用专用(或数据)线束连接，可以成为一个整体或(用数据线连接而成的)多个分体。通过专用线束的连接，实现了各组件间的纯数据传输，达到了电能的零损耗。

且分体式结构特别适用于安装在不同间隔要求的设备中，如：高压开关设备中，分体式智能电表的主电路部分安装在高压主电路间隔中，而显示和外部接口部分安装在二次仪表室内，同时，将原来的电能量信号先转换为数字信号，将传统电能量传输提升为数据连接，以提高传输的可靠性和安全性。

在智能电表的设计上，将其整体正面形状与显示平面均设计成长方形规则形状，从而使得多台电表实现“无间隙”并排安装、并排布线。对于当今大量集中安装的电能计量配电设备，使其在配电设备中排布整齐、美观。

同时，本发明所提供的智能电表，其结构形状、布局和电气连接采用与其配套的产品(进出线开关)相一致，采用对边接线方式，实现合适的排布方式与合理的布线形式，在节约安装空间，减少连接导体用量。同时，这种布局可以将负载(导体)与电源侧(导体)有效隔开，提高设备运行、维护、检修的安全性，大幅度节约金属导体的消耗，提高产品的经济性。对于引入引出线的设计排布具体参见图3-6所示。

同时，引入及引出线其每个连接桩头均采用双螺柱压线结构紧固，参见图5-8所示，确保接线牢固可靠，同时满足《电力计量装置检验规程》要求。

进一步地，按《电力计量装置检验规程》要求，连接桩头及其他部分必须安装设防护铅封。那些部位被铅封后，未经许可，用户不能随意打开。

电能表的显示屏、指示灯、各种操作器件与外接接口构成的显示平面，高出引入引出线连接桩头平面。将其装在配电设备内时，可以让显示平面裸露在外，方便日常抄表、检查、维护时，能直观巡视。并方便抄表、日常维护等工作；同时确保引入引出线连接桩头等部位可靠实现安全防护，减少意外事故的发生；引入及引出线其每个连接桩头均可设置铅封，防止非法窃电。

基于与上述方法同样的发明构思，本发明还提出了一种智能电表，应用于负载电路中，如图9所示，包括：数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元、报警单元、负载检测单元、通讯单元以及显示单元。

数据采集单元，用于将原始数据分别传送到数据处理单元以及处理器单元；

数据处理单元，用于根据原始数据计算得到运算数据并发送到处理器单元；

处理器单元，用于根据原始数据以及运算数据计算得到电气参数并发送到控制单元；

控制单元，用于根据接收到的电气参数确定负载电路是否正常，当确定负载电路非正常时，指示负荷阻断单元断开电源。

报警单元，用于根据处理器单元接收到的电源断开消息发送报警信号。

负载检测单元，用于在接收到处理器单元发送的电源断开消息后一段时间内，未收到处理器单元发送的电源连接消息时，对智能电表进行负载检测；还用于在检测到负载电路正常时，告知控制单元指示负荷阻断单元连通电源。其中，负载检测单元利用其上所加载的低电压高频电源进行负载检测。

通讯单元，通讯单元用于将智能电表与后台服务器网络连接。

显示单元，用于显示智能电表的数据。

通过本发明所提供的技术方案，实现了智能电表的自动控制以及自动进行负载检测，提高了电气设备运行的安全性和可靠性。

其中，本发明装置的各个模块可以集成于一体，也可以分离部署。上述模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有自适应保护的智能电表，应用于负载电路中，其特征在于，包括：数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元以及负载检测单元；

所述数据采集单元分别与所述数据处理单元及所述处理器单元数据连接，所述数据处理单元与所述处理器单元数据连接，所述处理器单元与所述控制单元数据连接，所述控制单元与所述负荷阻断单元网络连接；所述负载检测单元分别与所述处理器单元以及所述控制单元数据连接；

所述数据采集单元，用于将原始数据分别传送到所述数据处理单元以及所述处理器单元；

所述数据处理单元，用于根据所述原始数据计算得到运算数据并发送到所述处理器单元；

所述处理器单元，用于根据所述原始数据以及所述运算数据计算得到电气参数并发送到所述控制单元；

所述控制单元，用于根据接收到的电气参数确定所述负载电路是否正常，当确定所述负载电路非正常时，指示所述负荷阻断单元断开电源；

所述负载检测单元，用于在接收到所述控制单元通过所述处理器单元发送的电源断开消息后一段时间内，未收到所述处理器单元发送的电源连接消息时，利用其上所加载的低电压高频电源对所述智能电表进行负载检测。

2.如权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述智能电表还包括报警单元，所述报警单元与所述处理器单元数据连接，用于根据所述处理器单元接收到的电源断开消息发送报警信号。

3.如权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述负载检测单元还与所述控制单元数据连接，用于在检测到所述负载电路正常时，告知所述控制单元指示所述负荷阻断单元连通电源。

4.如权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述智能电表还包括通讯单元，所述通讯单元与所述处理器单元数据连接，所述通讯单元用于将所述智能电表与后台服务器网络连接。

5.如权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述智能电表还包括显示单元，所述显示单元与所述处理器单元数据连接，用于显示所述智能电表的数据。

6.一种负载检测方法，应用于包括数据采集单元、数据处理单元、处理器单元、控制单元、负荷阻断单元以及负载检测单元的智能电表上，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述控制单元接收所述处理器单元根据所述数据采集单元上的原始数据以及所述数据处理单元上的运算数据计算得到的电气参数；

所述控制单元根据所述电气参数确定所述负载电路是否正常，当确定所述负载电路非正常时，指示所述负荷阻断单元断开电源；

所述控制单元通过所述处理器单元通知所述负载检测单元电源断开，以使所述负载检测单元在一段时间内未接收到所述处理器单元发送的电源连接消息时对所述智能电表进行负载检测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电气参数具体为电流值，所述控制单元根据所述电气参数确定所述负载电路是否正常，具体包括：

所述控制单元根据预置的电路保护电流值与接收到的电流值进行比较，当所述电流值不小于k倍所述电路保护电流值时，确定所述负载电路正常，否则，确定所述负载电路非正常。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述智能电表还包括报警单元，所述方法还包括：

所述处理器单元接收所述控制单元发送的电源断开消息；

所述处理器单元通知所述报警单元电源断开以使所述报警单元发送报警信号。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述负载检测单元检测到负载电路正常时，所述控制单元指示所述负荷阻断单元连通电源。