CN108646071A - 一种新型模块化智能电能表 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，提供了一种新型模块化智能电能表，包括表箱外壳，所述表箱外壳内设置有ACDC电源模块、显示模块、控制模块、载波通信模块、无线通信模块、多个计量模块，多个继电器和多个电流互感器。本发明通过将电能表表箱一体化化，每个表箱有多个计量模组可以计量多个用户电量，每个表箱共用电源模组，显示模组，通信模组，大大降低智能电表的成本，此外，每个功能模块模组化，电表出现故障，不需要整表替换，只需更换异常功能模块。本发明可以大大降低电能表成本，可以广泛应用与电力计量领域。

Description

一种新型模块化智能电能表

技术领域

本发明涉及电能电量计量和电力线载波通信领域技术领域，具体涉及一种新型模块化智能电能表。

背景技术

随着国家电网的快速发展和建设，我国的电能表的设计和制造已具备相当的水平和规模。当前电能表方案普遍采用功能一体化设计。现有技术中的一体化电表，每个电表对应一个ACDC电源、一个液晶屏以及一个通信模块，对于城市小区来说，每个小区每个单元电表都统一安装到相同的位置，共用一个表箱，体积较大，多个电表安装到一块还容易造成走线困难，安装不方便等问题。此外，由于每个电表都有通信模块和液晶屏需要供电，一方面会造成电能资源的浪费，另一方面原材料使用也较多，生产成本较高；而且，电能表中计量模块的性能容易受到其他部分软硬件设计的影响，而其他功能的损坏或失效容易累及电能表的计量部分。因此，电能表一旦出现故障，只能进行整表更换，以保障电力计量工作的顺利进行。

综上所述，现有的一体化电能表具有多方面的缺点，因此，需要提出一种新型的电能表，以克服上述问题。

发明内容

为适应电力系统领域的实际需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种新型模块化智能电能表，以减少现有电能表造成的资源浪费。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种新型模块化智能电能表，包括表箱外壳，所述表箱外壳内固定设置有多个继电器和多个电流互感器，所述表箱外壳内通过插拔方式设置有ACDC电源模块、显示模块、控制模块、载波通信模块、无线通信模块和多个计量模块；所述计量模块包括计量芯片、整流电路、第一电源电路以及第一MBUS通信电路，所述计量芯片的计量输入端与对应电流互感器的输出端连接，所述计量芯片的控制输出端与对应继电器的控制端连接，所述第一MBUS通信电路用于实现计量芯片与控制模块的通信连接，所述ACDC电源模块的输出电压从MBUS线路输入后，经所述整流电路整流，第一电源电路进行DCDC隔离转换后给所述计量模块供电；所述控制模块包括控制芯片、第二电源电路和第二MBUS通信电路，所述控制芯片通过第二MBUS通信模块接收计量芯片采集的计量信息，并发送到所述显示模块显示；所述控制芯片还用于将所述计量模块采集的计量信息进行统计处理后，通过所述载波通信模块或无线通信模块发送到集中器；所述第二电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述控制模块供电；所述载波通信模块包括载波芯片、发送电路、耦合电路、第三电源电路和接收电路，所述载波芯片用于将所述控制模块发送的信号调制为OFDM信号后发送到发送电路进行放大，然后发送到耦合电路耦合到电力线上；电力线上的载波信号通过耦合电路耦合到接收电路，接收电路将接收到的载波信号发给载波芯片进行解调，所述第三电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述载波通信模块供电。

所述壳体设置有两个独立的电源模块。

所述壳体内设置有两个独立的控制模块，两个控制模块之间通过UART通信方式通信连接。

所述电源模块输出两路电源，一路输出36V直流电压为所述计量模块供电，一路输出12V直流电压给所述通信模块、显示模块和控制模块供电。

所述控制芯片的型号为STM32F107，所述计量芯片的型号为RN8209G，所述载波芯片的型号为SSC1667，所述无线芯片的型号为SSC1645。

所述计量模块还包括LED计量指示灯，所述控制模块还包括运行灯、MBUS通信灯，发送指示灯和接收指示灯。

所述显示模块包括液晶显示屏和按键，所述按键用于选择计量模块进行显示。

所述控制模块与所述载波通信模块和无线通信模块通过UART接口连接。

所述第一MBUS通信电路和第二MBUS通信电路采用三极管模拟器件搭建，所述第一MBUS通信电路为从节点，第二MBUS通信电路为主节点。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过将电表模块化，将表箱一体化，整个表箱共用ACDC电源、共用用于显示的液晶屏、共用用于上传电表计量信息的通信模块，将电表的安装转化为表箱的安装，不仅提高了安装效率，而且，控制模块、显示模块、ACDC电源模块和通信模块的使用数量减少，大大降低了原材料成本，降低了电表成本，电表生产过程中造成的环境污染相应减少。电表模组化，每个计量模块、通信模块、ACDC电源模块都是一个单独单元，出现故障后不再需要整表替换，只需替换相应模块，大大降低了维护成本；

2、本发明的一种新型模组化智能电能表，表箱所共用的电源、通信模块和控制模块都设置有备用模块，现场环境一旦其中一个模块出现故障可切换到另一个模块，并可通过通信模组上报故障信息，大大降低用户掉电风险。

附图说明

图1为本发明提出的一种新型模组化智能电能表的结构框图；

图2为计量模块的结构框图；

图3为控制模块的结构框图；

图4为载波通信模块的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种新型模组化智能电能表，表箱外壳，所述表箱外壳内设置有ACDC电源模块、显示模块、控制模块、载波通信模块、无线通信模块、多个计量模块，多个继电器和多个电流互感器。计量模快用于实现电量计量和上报功能，表箱外壳内包括多个计量模块，可以实现多个用户的用电量计量。继电器和电流互感器设置在表箱外壳内，可以减小计量模块的体积。如图1所示，计量模块与控制模块连接，控制模块通与载波通信模块和无线通信模块与上位集中器连接，控制模块的输出端还与显示模块连接，ACDC电源模块给控制模块、计量模块以及载波通信模块和无线通信模块供电。

如图2所示，所述计量模块包括计量芯片、整流电路、第一电源电路以及第一MBUS通信电路，所述计量芯片的计量输入端与对应电流互感器的输出端连接，所述计量芯片的控制输出端与对应继电器的控制端连接，所述第一MBUS通信电路用于实现计量芯片与控制模块的通信连接，所述ACDC电源模块的输出电压从MBUS线路输入后，经所述整流电路整流，第一电源电路进行DCDC隔离转换后给所述计量模块供电。表箱外壳内的电流互感器与计量模块的输入端连接，计量模块的输出端与继电器的控制端与连接。

计量模块中，计量芯片的型号为锐能RN8209G，RN8209G有功电能误差在5000：1动态范围内<0.1％；提供两路电流和一路电压有效值测量，在1000:1动态范围内，有效值误差<0.1％；提供电压通道频率测量；提供电压通道过零检测。电流计量部分使用表箱整体上已经有的电流互感器，电压部分使用电阻分压测量的方式，该计量芯片掉电时可记录掉电前数据。

此外，计量模块的供电电路输入为MBUS线路，通过MBUS线路可提供36V,15mA左右的电流电压。其中计量模块的GND直接连接强电，为保证系统长期可靠运行，此处电源需要隔离。电源先用整流桥进行整流，再使用隔离DCDC，36V转5V为计量芯片提供电源，其中5V还可以控制继电器的开断。此外，第一MBUS通信电路使用三极管分立器件搭建，成本较低，和计量芯片之间通信也需要隔离。

此外，计量模块上设置有MBUS接口，LN强电接口，以及电流互感器接口和继电器控制接口。计量芯片通过MBUS接口连接控制模块，第一电源电路通过MBUS接口连接ACDC电源模块输入直流电压，计量芯片通过LN强电接口连接强电，通过电流互感器接口连接表箱外壳内的电流互感器，通过继电器控制接口连接表箱内的控制继电器。

此外，计量模块还包括LED计量指示灯，该灯可以为一颗红色LED灯，常态是1Hz频率闪烁，用户未缴费断电情况为常灭，用户用电状态为快闪。

如图3所示，所述控制模块包括控制芯片、第二电源电路和第二MBUS通信电路，所述控制芯片通过MBUS通信接收计量芯片采集的计量信息，并发送到所述显示模块显示；所述控制芯片还用于将所述计量模块采集的计量信息进行统计处理后，通过所述载波通信模块或无线通信模块发送到集中器；所述第二电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述控制模块供电。

控制模块中核心部分是控制芯片。控制芯片可以和通信模块之间相互通信，控制通信模组发送数据。可以控制MBUS电路的收发，接受计量模组采集的计量信息，可以控制液晶屏的显示，其中控制芯片型号可以为STM32F107RCT6芯片。第二电源电路使用12V转3.3V的DCDC转换器。第二MBUS通信电路和计量模组类似，也是三极管模拟器件搭建，不同的是控制模组MBUS为主节点，计量模组MBUS为从节点。

此外，控制模块上还设置有多个接口，例如用于连接12V供电的供电接口，与载波通信模块和无线通信模块的UART通信接口，用于与计量模块连接的MBUS接口，与显示模块连接的显示模块控制接口。

此外，如图1所示，本发明实施例中，每个表箱内可以设置两个控制模块，控制模块之间通过UART通信方式，显示模块仅与其中一个控制模块连接，当其中一个控制模块出现异常，可以切换到另一个控制模块，确保系统可正常工作运行。

此外，控制模块还可以包括指示灯电路，其中指示灯可以包括运行灯、MBUS通信灯，发送指示灯和接收指示灯。

如图3所示，所述载波通信模块包括载波芯片、发送电路、耦合电路、第三电源电路和接收电路，所述载波芯片用于将所述控制模块发送的信号调制为OFDM信号后发送到发送电路进行放大，然后发送到耦合电路耦合到电力线上；电力线上的载波信号通过耦合电路耦合到接收电路，接收电路将接收到的载波信号发给载波芯片进行解调，所述第三电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述载波通信模块供电。

其中，载波芯片采用青岛东软第6代电力线载波通信芯片SSC1667，它将模拟前端、基带调制解调、数字信号处理、CPU内核及丰富的功能外设集于一体，提供物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、适配层(ADP)、网络层(NET)、应用层(APP)等完整的电力线通信解决方案。相比传统的窄带芯片信号带宽宽，传输速率高。SSC1667集成了处理器、1M Byte SRAM、1M Byte带Cache FLASH及UART、I2C、SPI、GPIO等接口。模组还包括载波发送电路、载波接收电路、耦合电路以及DCDC降压电路。东软载波的宽带载波模组，静态功耗极低，仅0.2W，通信速率快，通信距离远，抗噪声能力强。

其中，无线通信模块采用的无线芯片可以为东软载波SSC1645芯片。SSC1645产品是一款低功耗UHF射频收发器(简称射频收发器)SOC芯片，可广泛应用于无线遥控，无线安防报警，遥测设备，无线个人数据记录，无线游戏手柄控制，胎，压检测，PC无线外设，无线抄表，无线门禁，智能家居，工业控制，无线传感器网络，医疗监测仪，有源电子标签等应用。芯片内部集成32位高性能CPU内核。针对射频通信应用，集成RF收发器，多个16位和32位增强型定时器/计数器，高速异步通信UART模块，同步串行通信SPI模块，支持自动校准的RC定时器RCT，以及支持环境温度检测的12位ADC模块等外设。无线模组有通信速率快，通信距离长以及低功耗的优点。可以实现载波不通讯的情况下使用无线来通信。

本发明的智能电能表表箱内设置有电力线载波通信模块和无线通信模块，它们用于将控制模组处理的计量信息上传到集中器。使用两个通信模快的优点：一是，一个通信模组故障后，可切换另一个通信模组工作；二是，在电力线信道条件不好，载波通信不良的情况下可切换无线通信；三是，大数据量传输，一个通信模组不能满足时，可两个模组并行使用。

本发明中，ACDC电源模块输出两路电源，一路电压为36V，用于给MBUS通信(计量模块)供电，一路为12V给通信模组、显示模组、控制模组供电。其中12V一路应能达到3W的功率确保通信模块大功率发送时不会将电压拉低。36V一路应能达到10W功率(可以接20个计量模组，每个模组按0.5W功率计算)。此外，如图1所示，本发明实施例中，每个电能表的表箱外壳内设置了两个ACDC电源模块，现场一个模组一旦出现故障，可迅速切换到另一个电源模组。电源模块内还包含储能电容，一旦整表断电，可和使用储能电容供电给控制模组和通信模组供电3分钟，用于上报掉电信息。

本发明中，显示模块包括液晶显示屏和2个按键，所述按键用于选择计量模块进行显示。通过液晶屏和按键可以设置每个计量模组的地址等信息，也可用于查询电量等信息。

本发明中，表箱外壳主要是用于为计量模组、通信模组和电源模组提供安装位置，表箱壳体内可插拔方式安装各种功能模组，使得电能表安装简便。另外将强电线以及MBUS通信线安全合理的放置在表箱内部。表箱外壳内还设置了电流互感器和继电器部分，使得计量模组的体积更小，成本更低。

本发明通过将电能表表箱一体化化，每个表箱有多个计量模组可以计量多个用户电量，每个表箱共用电源模组，显示模组，通信模组，大大降低智能电表的成本，此外，每个功能模块模组化，电表出现故障，不需要整表替换，只需更换异常功能模块。本发明可以大大降低电能表生产及维护成本，可以广泛应用与电力计量领域。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种新型模块化智能电能表，其特征在于，包括表箱外壳，所述表箱外壳内固定设置有多个继电器和多个电流互感器，所述表箱外壳内通过插拔方式设置有ACDC电源模块、显示模块、控制模块、载波通信模块、无线通信模块和多个计量模块；

所述计量模块包括计量芯片、整流电路、第一电源电路以及第一MBUS通信电路，所述计量芯片的计量输入端与对应电流互感器的输出端连接，所述计量芯片的控制输出端与对应继电器的控制端连接，所述第一MBUS通信电路用于实现计量芯片与控制模块的通信连接，所述ACDC电源模块的输出电压从MBUS线路输入后，经所述整流电路整流，第一电源电路进行DCDC隔离转换后给所述计量模块供电；

所述控制模块包括控制芯片、第二电源电路和第二MBUS通信电路，所述控制芯片通过第二MBUS通信模块接收计量芯片采集的计量信息，并发送到所述显示模块显示；所述控制芯片还用于将所述计量模块采集的计量信息进行统计处理后，通过所述载波通信模块或无线通信模块发送到集中器；所述第二电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述控制模块供电；

所述载波通信模块包括载波芯片、发送电路、耦合电路、第三电源电路和接收电路，所述载波芯片用于将所述控制模块发送的信号调制为OFDM信号后发送到发送电路进行放大，然后发送到耦合电路耦合到电力线上；电力线上的载波信号通过耦合电路耦合到接收电路，接收电路将接收到的载波信号发给载波芯片进行解调，所述第三电源电路用于将所述ACDC电源模块的输出电压进行DCDC转换后给所述载波通信模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述壳体设置有两个独立的电源模块。

3.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述壳体内设置有两个独立的控制模块，两个控制模块之间通过UART通信方式通信连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述电源模块输出两路电源，一路输出36V直流电压为所述计量模块供电，一路输出12V直流电压给所述通信模块、显示模块和控制模块供电。

5.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述控制芯片的型号为STM32F107，所述计量芯片的型号为RN8209G，所述载波芯片的型号为SSC1667，所述无线芯片的型号为SSC1645。

6.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述计量模块还包括LED计量指示灯，所述控制模块还包括运行灯、MBUS通信灯，发送指示灯和接收指示灯。

7.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述显示模块包括液晶显示屏和按键，所述按键用于选择计量模块进行显示。

8.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述控制模块与所述载波通信模块和无线通信模块通过UART接口连接。

9.根据权利要求1所述的一种新型模块化智能电能表，其特征在于，所述第一MBUS通信电路和第二MBUS通信电路采用三极管模拟器件搭建，所述第一MBUS通信电路为从节点，第二MBUS通信电路为主节点。