CN108519503A - 基于nb-iot通信的智能电能表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IOT通信的智能电能表，包括：用于采集用电数据的电能表终端；用于接收用电数据的主站；用于在所述电能表终端与主站之间建立通讯连接以传输用电数据的NB‑IOT模块；以及用于实时检测电能表终端电压以判断是否停电，并在停电时将停电信号经NB‑IOT模块发送至主站的电压检测单元。本发明的基于NB‑IOT通信的智能电能表具有结构简单、可靠性高、停电事件上报时效性强等优点。

Description

基于NB-IOT通信的智能电能表
技术领域
本发明主要涉及电能计量技术领域，特指一种基于NB-IOT通信的智能电能表。
背景技术
供电可靠性能反映电网系统持续供电能力，也是考核供电系统供电质量的重要指标，反应了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一；供电可靠性可以用如下一系列指标加以衡量：供电可靠性、用户平均停电时间、用户平均停电次数、用户平均故障停电次数；我国供电可靠率目前一般城市地区达到了3个9(即99.9％)以上，用户年平均停电时间10.5小时，同时，电网公司对供电可靠指标提出了要求：
(1)城市供电可靠率不低于99.89％，农村供电可靠率不低于99％；
(2)减少因供电设备计划检修和电力系统事故对客户的停电次数及每次停电的持续时间。供电设备计划检修时，对35千伏及以上电压等级供电的客户的停电次数，每年不应超过1次；对10千伏电压等级供电的客户，每年不应超过3次；
(3)供电设施因计划检修需要停电时，应提前7天将停电区域、线路、停电时间和恢复供电的时间进行公告，并通知重要客户。供电设施因临时检修需要停电的，应提前24小时通知重要用户或进行公告；
(4)对紧急情况下的停电或限电，客户询问时，应向客户做好解释工作，并尽快恢复正常供电。
目前，国家电网营销部发布了《国网营销部关于开展采集终端和电能表停电事件数据整理工作的通知》，电网公司已经实现了上述要求，但是为此也付出了很大的财力和物力。为了从根本上解决此问题，因此要求智能设备从技术上尽快发现用户的停电事件，特别是普通居民用户的停电事件成了当前的需求。
投运的终端已按《采集终端和电能表停电事件数据整理规则》完成升级工作，同时现场智能电能表也都支持终端对电能表事件记录的采集、存储、分析功能，用电采集信息系统可实现对智能电能表的停、上电事件记录采集。但无法做到智能电能表停电事件主动上报，若实现低压用户停电实时主动上报技术，将大大提升居民用电检修的及时性，提升用电用户满意度。
如需实现该功能需要对原有智能电表进行软硬件方面的改造升级(即换表)，因此依靠现有智能电表不可能实现智能电表停电事件主动上报功能的问题。如何在不改造智能电能表的前提下，研究一种新型的电能表停电事件实时主动上报技术方案，成为当务之急。因此，如何将现代科技如计算机技术、无线长距离通信技术相结合以解决传统电能计量和现有的自动电能表抄表技术的缺陷，是当前智能电能表的发展的必然趋势，实现对用户使用电能的准确、实时的检测及停电事件主动上报。
下面结合几个场景对其停电原因进行分析并确定主要原因：
(一)低压用户停电场景分析
居民用户停电分为表前停电和表后停电，表后停电不由电力公司负责，故在停电信息上报前，需要对表前、表后停电情况进行区分判别进而选择性地上报。表前停电的8种故障原因可归纳总结为4种停电场景：全台区停电、某相停电、某楼栋(单元)停电和某单(数)户停电。目前只有发生全台区停电事故时，终端能够及时、主动上报到主站，其他情况无法及时、准确上报。
(二)低压用户停电事件上报流程
正常停电情况下，由于台区所配备的表计功能不同，低压用户停电事件上报流程可以分为以下两种情况：
第一种情况：发生停电事件时，电表能及时向集中器上报停电信息，集中器接收电能表停电信息后上报给主站，主站再结合系统档案数据库和GIS信息，及时准确定位故障类型和故障位置，通知技术服务人员前往排除故障。
第二种情况：发生停电事件时，集中器自动检测到台区停电和相线停电信息后及时上报给主站，主站再结合系统档案数据库和GIS信息，及时准确定位故障类型和故障位置，通知技术服务人员前往排除故障。
目前停电事件不能主动上报的重要原因之一是线路停电以后，电表中的电池仅能支持电能表产生停电事件却无法维持供电事件的上报。大量停电事件没有及时上报的几种原因：
(1)停电信息研判机制及上报规则设计不合理，导致部分停电信息不被记录或没有被及时上报；
(2)停电信息传输过程中，缺少对停电时间的标记过程，导致停电事件无法准确判断停电时间，进而导致停电用户不能被及时处理；
(3)停电后，电表后备供电回路，供电维持时间过短，无法将停电信息及时传输至集中器、主站。
另外目前在进行停电事故上报的方案中，由于各个厂家的通信协议不统一，无法做到互联互通，无法做到标准化推广；另外事件上传实时性不强：由于双模模式需要把停电事件通过微功率上传到集中器，再经集中器上传到主站，无法做到停电事件的及时性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可靠性高的基于NB-IOT通信的智能电能表。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于NB-IOT通信的智能电能表，包括：
用于采集用电数据的电能表终端；
用于接收用电数据的主站；
用于在所述电能表终端与主站之间建立通讯连接以传输用电数据的NB-IOT模块；以及
用于实时检测电能表终端电压以判断是否停电，并在停电时将停电信号经NB-IOT模块发送至主站的电压检测单元。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述电压检测单元与所述电能表终端的电源模块的输入端相连，用于检测电源模块的输入电压以判断是否停电。
所述电压检测单元与所述电能表终端的电源模块的输出端相连，用于检测电源模块输出端的电压以判断是否停电。
所述电源模块内置有电解电容、法拉电容和停电抄表电池中一种或多种，用于在停电时为NB-IOT模块供电。
所述NB-IOT模块包括NB-IOT芯片和通讯模块，所述NB-IOT芯片与通讯模块相连。
所述NB-IOT芯片与通讯模块通过串口通信。
所述通讯模块外加有天线。
所述NB-IOT模块与所述主站之间通过UDP通信。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于NB-IOT通信的智能电能表，采用NB-IOT模块进行通讯，成本低且较成熟，可标准化推广；停电时刻，通过NB-IOT模块将停电事件及时传输到主站，主站及时统计停电事件，及时发现停电事故和积极排查，判别故障原因，进行故障定位，并根据下游信息生成准确的受影响停电客户列表，然后对复电进行优先级排序，生成工单，最后形成事件报告，保障供电可靠性；另外检测到停电时，通过NB-IOT模块直接传送到主站，能够及时发现并处理停电事件，时效性强。
附图说明
图1为本发明的方框结构图。
图2为本发明中NB-IOT模块的方框结构图。
图3为本发明中电压检测单元的电路原理图。
图4为本发明中电源模块的电路原理图。
图5为本发明中NB-IOT芯片与通讯模块的电路原理图。
图6为本发明中停电事故上报的流程图。
图中标号表示：1、电能表终端；101、电源模块；102、抄表电池；2、NB-IOT模块；201、NB-IOT芯片；202、通讯模块；3、IOT基站；4、主站。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的基于NB-IOT通信的智能电能表，包括：用于采集用电数据的电能表终端1；
用于接收用电数据的主站4；
用于在电能表终端1与主站4之间建立通讯连接以传输用电数据的NB-IOT模块2；以及
用于实时检测电能表终端1电压以判断是否停电，并在停电时将停电信号经NB-IOT模块2发送至主站4的电压检测单元。
本发明的基于NB-IOT通信的智能电能表，采用NB-IOT模块2进行通讯，成本低且较成熟，可标准化推广；停电时刻，通过NB-IOT模块2将停电事件及时传输到主站4，主站4及时统计停电事件，及时发现停电事故和积极排查，判别故障原因，进行故障定位，并根据下游信息生成准确的受影响停电客户列表，然后对复电进行优先级排序，生成工单，最后形成事件报告，保障供电可靠性；另外检测到停电时，通过NB-IOT模块2直接传送到主站4，能够及时发现并处理停电事件，时效性强。
如图2和图5所示，本实施例中，NB-IOT模块2包括NB-IOT芯片201(即CPU)和通讯模块202，NB-IOT芯片201与通讯模块202相连。CPU采用Cortex-M3系列的STM32F207,最高运行频率为120MHz，内部集成1MBFlash memory，128+4KB SRAM，支持片外Flash，SRAM，PSRAM，NOR及NAND Flash。外部采用DSP，增加了系统的计算能力与运行速度。通讯模块202采用上海移远通信技术公司设计的NB-IOT专用芯片BC95，预留了eSIM位置，可以同运营商合作，实现与运营商的共赢。频带可达850MHz，3.6V电源供电，功率为23dBm，灵敏度为-129dBm，功耗在休眠模式下<5uA，在工作时<6mA，传输速率100bps<bit rate<100kbps(TBC)，同主站4之间通过UDP协议传输，定时向上发送数据，每次数据上传分为2次。其中NB-IOT芯片201与通讯模块202通过串口通信，通信速率为9600波特率，通过外加天线与规整的布线来保证通信的正常，保证通信良好；另外还预留了用于SIM插入的模块，能够与运营商合作实现共赢。
如图2所示，本实施例中，220V市电经过电能表终端1的电源模块101后输出12V，对电能表控制系统进行供电；另外12V经过独立的电源单元转换为3.9V和3.3V为NB-IOT芯片201和通讯模块202进行供电。其中电能表控制系统对应有多种两种供电方式，在市电正常情况下，通过电源模块101产生的12V电压供电。在停电发生后，先由电源模块101内置的电解电容或/和法拉电容保存的能量供电，能量消耗后再由停电抄表电池102供电，保证停电后事件能及时上传。其中法拉电容具有放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％。
如图3所示，本实施例中，电压检测单元与电能表终端1的电源模块101的输入端相连，用于检测电源模块101的输入电压以判断是否停电。当然，也可以将电压检测单元与电能表终端1的电源模块101的输出端相连，用于检测电源模块101输出端的电压以判断是否停电。如电压检测单元检测电源模块101输出的12V电压，以判断是否停电。即CPU实时检测电源模块101的12V，如图3所示，当市电停电时，PWR-DOWM管脚电平变成0V，CPU检测到电平变化后，产生停电事件并上报；等停电事件上传完成后，CPU通过管脚15-GOOD和达林顿管控制，切断抄表电池102电源。
另外，增加超级电容储能，要求在断电后能维持超过60秒以上的工作时间：
C＝(Vwork+Vmin)It/(Vwork2-Vmin2)
C(F)：超级电容的标称容量；
Vwork(V)：正常工作电压；
Vmin(V)：截止工作电压；
t(s)：在电路中要求持续工作时间；
I(A)：负载电流；
假设超级电容的充电工作电压为5.3V，最小工作电压为3.3V，停电后超级电容需要维持的平均工作电流50mA放电，那么如果停电后要维持工作60s，则选择的超级电容的容量必须大于1.25F，考虑到性能冗余，可以选择2.2F的超级电容。
本实施例中，电能表终端1工作时，判断是否有用电，若无，进入低功耗模式，若有用电，则进入正常工作模式，在电能表终端1工作中，NB-IOT模块2的CPU时刻检测是否停电，若停电，电源切换至抄表电池供电，进行停电事件上报后，切断NB-IOT模块2的电源并进入低功耗模式，若没有停电则继续运行；当有按键按下时，进行按键处理；采样程序就绪进行采集；通信程序就绪进行通信操作，将数据通过NB-IOT模块2上传到IOT基站3，再上传至主站4。
如图6所示，当电能表终端1检测到12V电压为0时，系统认定为停电事件产生，系统产生停电事件，通过NB-IOT模块及时把事件上传至主站4。等事件上传完成后，保存停电事件至EEPROM内，并且窃电电池供电，使系统和NB-IOT模块2一并进入低功耗模式，等待异常恢复。由于采用NB-IOT低功耗、大连接的技术优势，作为智能电能表停电事件主动上报的通信解决方案，极大地控制了电能表通信系统的建设开发成本，减少了不必要的资源浪费与人力损耗。其中，NB-IOT是基于移动通信蜂窝网络部署的物联网技术，具有广覆盖、大连接、低功耗和低成本的优势，是全球实现海量连接、万物互联的主要技术手段。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，包括：
用于采集用电数据的电能表终端(1)；
用于接收用电数据的主站(4)；
用于在所述电能表终端(1)与主站(4)之间建立通讯连接以传输用电数据的NB-IOT模块(2)；以及
用于实时检测电能表终端(1)电压以判断是否停电，并在停电时将停电信号经NB-IOT模块(2)发送至主站(4)的电压检测单元。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述电压检测单元与所述电能表终端(1)的电源模块(101)的输入端相连，用于检测电源模块(101)的输入电压以判断是否停电。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述电压检测单元与所述电能表终端(1)的电源模块(101)的输出端相连，用于检测电源模块(101)输出端的电压以判断是否停电。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述电源模块(101)内置有电解电容、法拉电容和停电抄表电池(102)中一种或多种，用于在停电时为NB-IOT模块(2)供电。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述NB-IOT模块(2)包括NB-IOT芯片(201)和通讯模块(202)，所述NB-IOT芯片(201)与通讯模块(202)相连。
6.根据权利要求5所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述NB-IOT芯片(201)与通讯模块(202)通过串口通信。
7.根据权利要求5所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述通讯模块(202)外加有天线。
8.根据权利要求1或2或3所述的基于NB-IOT通信的智能电能表，其特征在于，所述NB-IOT模块(2)与所述主站(4)之间通过UDP通信。
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