CN107037260A - 一种远程通信式微电网电能表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远程通信式微电网电能表，包括控制器以及分别与所述控制器连接的采集装置、通信装置和接口装置；所述控制器包括控制芯片以及与其连接的指令存储装置，所述采集装置包括与所述控制器连接的信号采集器和设置于电能表本体表面的显示装置，所述通信模块包括电力线载波通信模块、射频模块和射频匹配电路，所述接口装置包括负载接口和储能接口。本发明电能表可以实现综合功能，一方面是通过远程方式，另一方面，是通过接口装置实现电能表与直流微电网、直流母线的无缝对接，通过智能电表双网络混合、双向通信的实现，从而实现了用户对智能电表的远程通讯和用电信息查看，实现了远程查询与对接管理的双重功效，值得广泛推广与使用。

Description

一种远程通信式微电网电能表

技术领域

本发明涉及智能电表技术领域，尤其涉及一种远程通信式微电网电能表。

背景技术

近年来，随着可再生能源的广泛应用，储能设备成本持续降低，应运而生了多种形式的直流微电网。在电力电子技术和储能技术的推动下，直流微电网得到了快速发展，并以其便于控制、可靠性高、损耗小等优点将要成为偏远山村和未来家庭的主要供电结构，所以如何对这些分布式的直流微电网进行用电管理，就成为了电力行业需要解决的问题，

当前的用电管理已经普遍进入了智能化时代，智能用电管理系统及智能电表的使用量不断增加，一方面通过智能用电管理系统，电力企业可以远程获取用户的实时用电信息，另一方面用户也将作为用电管理的参与者，实现在户内监控并管理家庭用电。但截至目前为止，尚无专门应用于直流微电网远程管理的智能电能表。

申请号为201010288648.5的专利涉及电子式费控电能表，尤其是无线集抄远传费控电能表，包括微处理器，其特点是，还包括一与该微处理器连接的无线通信模块从而可通过无线网络与远程服务器双向通信。该发明与现有技术相比，一是抄表方便，供电部门无需到用户用电现场进行繁琐的抄表，只需进行远程无线集抄；二是能够实时监测用户的用电情况和电网的运行情况，通过主站定制任务的监测和实时召测，可以分析用电情况和电网的运行参数。

申请号为201220728801.6的专利涉及基于阶梯电价的智能电表系统，包括电能表、基于KQ300的电力线载波控制器、智能控制器、短信收发控制器和电脑且均接入220V交流电网，通过电力线互联。该实用新型主要应用于普通居民家庭，能够计算阶梯电价和峰谷电价背景下的电费，统计各电器的用电量，通过软件计算给出最节俭的用电方案，同时可以通过智能控制器控制各敏感用电器的定时通断，也可以实现远程控制的电器的综合型智能表记系统。该电能表能够进行基于阶梯电价和峰谷电价电费计算、电能消耗统计，计算后的结果将通过电力线载波通信上传给配电变电站和各家庭用户的电脑上，通过软件很直观地向用户展示各电器用电情况及电费。

申请号为201610180044.6的专利涉及一种智能化电能表，包括FLASH存储设备、三相电能计量设备、人物出现次数检测设备和凌阳SPCE061A芯片，三相电能计量设备用于检测并输出三相电力线路的有功功率，人物出现次数检测设备用于检测楼梯间每一个人物的出现次数，凌阳SPCE061A芯片分别与FLASH存储设备、三相电能计量设备和人物出现次数检测设备连接，控制三相电能计量设备操作的同时基于人物出现次数检测设备的输出来确定人物的身份。通过本发明，能够借用现有的设备资源实现对电梯间的人物身份的准备鉴别，从而保证楼宇居民的居住安全。

然而通过综合对比，上述装置或方法涉及的无线近场通信网络易受家居建筑格局及自然环境的影响，通信效率受到制约，而且单纯电力线通信方式，也易受用电条件等因素影响，通信成功率不高，这就需要一种同时规避近场无线通信和电力线通信的远程通信方式智能微电网电表来进行有效的数据传输与管理。

发明内容

本发明的目的是提供一种远程通信式微电网电能表，能实现智能电表的双向电力线和射频通信，进行远程通讯和用电信息查询，并整合多种不同的微电网控制接口，便捷使用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种远程通信式微电网电能表，包括控制器以及分别与所述控制器连接的采集装置、通信装置和接口装置；所述控制器包括控制芯片以及与其连接的指令存储装置，所述采集装置包括与所述控制器连接的信号采集器和设置于电能表本体表面的显示装置，所述通信模块包括电力线载波通信模块、射频模块和射频匹配电路，所述接口装置包括负载接口和储能接口，所述射频匹配电路连接增幅装置。

进一步地，所述指令存储装置包括分级存储器以及分别与其连接的程序计数器、指令译码器和时序产生器。

进一步地，所述信号采集器包括数据采集卡以及分别与所述数据采集卡连接的信号放大器、AD采样单元。

进一步地，所述显示装置包括显示面板和输入面板，所述输入面板包括按键盘，所述显示面板包括人机交互界面的液晶显示屏。

进一步地，所述负载接口包括直流负载母端和直流控制子端，所述直流负载母端分别与多个所述直流控制子端连接，所述直流负载母端包括Buck变换器。

进一步地，所述储能接口包括光伏阵列端口和蓄电池储能端口，所述蓄电池储能端口包括双向Boost/Buck变换器。

进一步地，所述增幅装置包括定向增益天线，所述定向增益天线包括螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与所述射频匹配电路相连。

进一步地，所述电能表的外围设置屏蔽罩，所述屏蔽罩采用0.15mm至0.35mm的金属板材，所述板材上包含多个微型圆孔，所述屏蔽罩外围覆盖绝缘漆层。

进一步地，所述屏蔽罩顶部设置伸缩提手，所述伸缩提手上设置硅胶套，所述硅胶套上设置透气口及若干颗凸起粒状。

进一步地，所述透气口内层设置海绵衬里。

本发明的有益效果在于：

1、本发明电能表可以实现综合功能，一方面是通过远程方式，利用电力线载波通信模块和射频通信模块对来自智能电表的信息进行收集、处理和分析，另一方面，是通过接口装置实现电能表与直流微电网、直流母线的无缝对接；

2、作为本发明控制核心的控制器，可以一方面执行远程通讯指令，另一方面通过电力载波通信模块和射频通信模块获取能耗数据，还可以通过与其连接的接口装置，进行对直流微电网的对接，解决传统接口之间不匹配的问题；

3、本发明可以在不改变现有智能电表安装方式的情况下，提供了一种可远程通讯并与直流微电网进行无缝衔接的装置，通过智能电表双网络混合、双向通信的实现，从而实现了用户对智能电表的远程通讯和用电信息查看，实现了远程查询与对接管理的双重功效，值得广泛推广与使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种远程通信式微电网电能表，包括控制器1以及分别与控制器1连接的采集装置2、通信装置3和接口装置4；控制器1包括控制芯片5以及与其连接的指令存储装置6，采集装置2包括与控制器1连接的信号采集器7和设置于电能表本体表面的显示装置8，通信模块3包括电力线载波通信模块9、射频模块10和射频匹配电路11，接口装置4包括负载接口13和储能接口14，射频匹配电路11连接增幅装置12。指令存储装置包括分级存储器以及分别与其连接的程序计数器、指令译码器和时序产生器。信号采集器包括数据采集卡以及分别与数据采集卡连接的信号放大器、AD采样单元。显示装置包括显示面板和输入面板，输入面板包括按键盘，显示面板包括人机交互界面的液晶显示屏。负载接口包括直流负载母端和直流控制子端，直流负载母端分别与多个直流控制子端连接，直流负载母端包括Buck变换器。储能接口包括光伏阵列端口和蓄电池储能端口，蓄电池储能端口包括双向Boost/Buck变换器。增幅装置包括定向增益天线，定向增益天线包括螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与射频匹配电路相连。电能表的外围设置屏蔽罩，屏蔽罩采用0.15mm至0.35mm的金属板材，板材上包含多个微型圆孔，屏蔽罩外围覆盖绝缘漆层。屏蔽罩顶部设置伸缩提手，伸缩提手上设置硅胶套，硅胶套上设置透气口及若干颗凸起粒状。透气口内层设置海绵衬里。

本装置的首要职能是实现远程通信，即通过电力线载波通信模块和射频通信模块对来自智能电表的信息进行收集、处理和分析，单片机芯片是控制器的控制核心，一方面执行远程通讯指令，另一方面通过电力载波通信模块和射频通信模块获取能耗数据，显示屏为包括人机交互界面的液晶显示屏，便于用户的直接信息读取；信号采集器包括数据采集卡和模数处理单元，将采集的信号转换成数字信号，并统一汇集送入单片机进行处理；

指令存储装置包括分级存储器以及分别与其连接的程序计数器、指令译码器和时序产生器。分级存储器存储并提供智能电表配置信息、设备状态信息、时间表信息、计量数据等；程序计数器指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器。它兼有指令地址寄存器和计数器的功能。当一条指令执行完毕的时候，程序计数器作为指令地址寄存器，其内容必须已经改变成下一条指令的地址，从而使程序得以持续运行。程序计数器用来形成下一条要执行的指令的地址。通常，指令是顺序执行的，而指令在存储器中是顺序存放的。一般情况下下一条要执行的指令的地址可通过将现行地址加1形成，微操作命令“1”就用于这个目的。如果执行的是转移指令，则下一条要执行的指令的地址是要转移到的地址。该地址就在本转移指令的地址码字段，将其直接送往程序计数器。指令译码器用来对指令的操作码进行译码，产生相应的控制电平，完成分析指令的功能。时序产生器用来产生时间标志信号。在微型计算机中，时间标志信号一般为三级：指令周期、总线周期和时钟周期。微操作命令产生电路产生完成指令规定操作的各种微操作命令。这些命令产生的主要依据是时间标志和指令的操作性质，实际是各微操作控制信号表达式的电路实现，它是组合逻辑控制器中最为复杂的部分。电力线载波通讯模块的主要作用是使单片机与智能电表进行数据交换，以实现装置外部通信的各种功能；射频通信模块结合射频匹配电路和增幅装置，基于射频通信的方式实现装置与智能电表数据交换。

电能表的外围设置屏蔽罩，屏蔽罩采用0.15mm至0.35mm的金属板材，板材上包含多个微型圆孔，屏蔽罩外围覆盖绝缘漆层，可以起到很好的绝缘屏蔽效果，从而使装置箱的抗干扰能力更强；屏蔽罩顶部设置伸缩提手，提手上设置硅胶套，硅胶套上设置透气口及若干颗凸起粒状，用于增大防滑效果，硅胶材质也提高手持时的舒适度，透气口内层可以设置海绵衬里，用以吸汗透气。

通信模块方面是在传统的电力线载波通信模块基础上，新加入了射频模块和射频匹配电路，射频模块作为无线双向模块，整合了高频键控（GFSK）收发电路的功能，以特小体积、更低成本，实现高速数据传输的功能。传输速率可达2M，具有128个通道，可在拥挤的ISM频段中达到稳定可靠的短距离数据传输而互不干扰，被广泛运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触射频智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。射频匹配电路与射频模块相配合，起辅助作用，同时为了实现无线远程传输的稳定性和高效性，射频匹配电路连接增幅装置，即定向增益天线，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与射频匹配电路相连，降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。

接口装置包括负载接口和储能接口，负载接口包括直流负载母端和直流控制子端，直流负载母端分别与多个直流控制子端连接，直流负载母端包括Buck变换器。储能接口包括光伏阵列端口和蓄电池储能端口，蓄电池储能端口包括双向Boost/Buck变换器。传统直流微电网系统的能量控制拓扑，应用的是分布式的控制方式，本接口装置将分布式的控制端口进行了集中安置，以实现一机通用的功能，而且完全在本地实现，无需通信，并保证微电网的可靠运行。本装置将直流母线的引出端口与装置本体上的母线端子对接，将各应用单元的引出端口，如光伏电池单元、蓄电池单元及负载单元的引出端口对应装置本体上的控制端子连接。直流微电网采用的是直流母线电压下垂模式，该模式是通过将各单元的控制，嵌入到相应的控制器或控制接口电路中来实现的。每个单元的工作状态由自身的控制接口电路来选择，并且控制接口电路实现了母线电压和其他各单元电源的互联，进而决定各单元电源的工作模式。接口装置在进行直流微电网对接时，直流母线电压Udc应满足340V<Udc <360V。当350V<Udc <370V时，光伏阵列接口电路中的Boost功率变换器运行在电压下垂模式，根据母线电压调节输出电流；当330V<Udc <350V时，Boost功率变换器运行在MPPT模式，实现最大太阳能的输出；当Udc <330V时，输出电流Ip达到限制电流，Boost功率变换器恒流输出；如果直流母线电压继续跌落时，Boost功率变换器停止工作。蓄电池组充放电的门槛电压设置为350V，直流微电网的功率缺额由蓄电池组提供，当340V<Udc <360V时，蓄电池储能端口中的双向Boost/Buck变换器运行在电压下垂控制模式，基于母线电压Udc和蓄电池的SOC，选择相应的充放电电流；当Udc <340V或者360V < Udc时，蓄电池组以极限电流进行充放电，从而协调直流微电网的能量平衡。

下面以装置应用时控制芯片的一个时序周期流程为例，控制芯片采用AVR单片机。在实际查询装置设计中，具备类似功能的芯片或电路系统均可应用，其运行和操作方法是，将编写的软件固化在硬件中，其工作流程包括：

步骤301：程序开始；

步骤302：判断查询开始按键是否按下，当用户开始查询时首先按下查询装置上的开始查询按键以表示进入查询操作，当芯片检测到该按键时程序进入查询流程，否则保持初始状态；

步骤303：当查询开始按键按下后，用户通过键盘输入查询密码，每按下一个按键，键盘扫描一次，系统记下输入数据，计算输入位数；

步骤304：当计算出的位数满足要求时，系统将信息通过电力线载波通信发至预查询智能电表，然后等待电表的回执；如果按键在1分钟内没有任何响应，而且输入位数不满足要求，则程序回到初始状态，用户需要重新输入密码；

步骤305：查询装置通过电力线载波通信向电表发送查询数据；

步骤306：本发明中的电力线通信调制/解调模块具有双向通信功能，向电表发送查询数据后，经过电表对数据的解析，电表通过电力线通信向查询装置发送查询成功与否的信息；

步骤307：当系统收到电表发送成功的信息，则将本次查询信息存入查询装置的存储器，并在显示器上显示，否则程序进入步骤302，用户需重新进行查询操作；

步骤308：流程结束。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：包括控制器以及分别与所述控制器连接的采集装置、通信装置和接口装置；所述控制器包括控制芯片以及与其连接的指令存储装置，所述采集装置包括与所述控制器连接的信号采集器和设置于电能表本体表面的显示装置，所述通信模块包括电力线载波通信模块、射频模块和射频匹配电路，所述接口装置包括负载接口和储能接口，所述射频匹配电路连接增幅装置。

2.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述指令存储装置包括分级存储器以及分别与其连接的程序计数器、指令译码器和时序产生器。

3.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述信号采集器包括数据采集卡以及分别与所述数据采集卡连接的信号放大器、AD采样单元。

4.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述显示装置包括显示面板和输入面板，所述输入面板包括按键盘，所述显示面板包括人机交互界面的液晶显示屏。

5.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述负载接口包括直流负载母端和直流控制子端，所述直流负载母端分别与多个所述直流控制子端连接，所述直流负载母端包括Buck变换器。

6.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述储能接口包括光伏阵列端口和蓄电池储能端口，所述蓄电池储能端口包括双向Boost/Buck变换器。

7.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述增幅装置包括定向增益天线，所述定向增益天线包括螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与所述射频匹配电路相连。

8.如权利要求1所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述电能表的外围设置屏蔽罩，所述屏蔽罩采用0.15mm至0.35mm的金属板材，所述板材上包含多个微型圆孔，所述屏蔽罩外围覆盖绝缘漆层。

9.如权利要求8所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述屏蔽罩顶部设置伸缩提手，所述伸缩提手上设置硅胶套，所述硅胶套上设置透气口及若干颗凸起粒状。

10.如权利要求9所述的一种远程通信式微电网电能表，其特征在于：所述透气口内层设置海绵衬里。