CN112557714A - 一种多芯模组化智能电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多芯模组化智能电能表，包括电能表壳体以及设于电能表壳体内的控制电路，控制电路包括用于实现电能计量功能的计量模组以及管理功能的管理模组，计量模组与管理模组相互电连接，计量模组与管理模组在物理上相互独立设置，控制电路还包括有可插拔的扩展功能模块，扩展功能模块包括负荷识别模块和有序充电模块。本发明通过将计量芯与管理芯分离设置，并且设置扩展模块，管理芯和附属模块可进行升级，以满足不同的需求，不替换电能表就可实现功能的升级改造，大大节约了改造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能电能表。
背景技术
智能电能表作为电力行业中最广泛的计量基础设备，是电网中最坚强的基石。电能表与用户最密切相关，用户对电能表的期望也在不断提升，为了适应新形势的发展，国网提出了智能电能表2.0概念，将计量和管理分析分离，计量芯完成基本的计量功能，不允许升级，而管理芯则实现升级以满足不同客户的应用需要。电能表有必要在软件升级、用户侧互动、物联网传感器接入、负荷识别技术、有序用电以及关键通信技术等多方面提前进行提前布局和研究。
发明内容
为了克服现有技术中电能表功能可扩展性不足的问题，本发明提供一种具有扩展功能的多芯模组化智能电能表。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种多芯模组化智能电能表，包括电能表壳体以及设于电能表壳体内的控制电路， 控制电路包括用于实现电能计量功能的计量模组以及管理功能的管理模组，其特征在于：所述计量模组与管理模组相互电连接，计量模组与管理模组在物理上相互独立设置，所述计量模组包括计量芯、连接计量芯的存储器、开盖检测电路、时钟电路，所述管理模组包括管理芯、蓝牙模块、显示模块、按键模块、上行模块、下行模块，；
控制电路还包括有可插拔的扩展功能模块，所述扩展功能模块包括负荷识别模块，负荷识别模块分别连接计量模组以及管理模组，管理芯一旦检测到负荷识别模块接入，便主动向负荷识别模块发送初始化握手命令，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯收到负荷识别模块正确的握手应答后，通过UART向负荷识别模块下发运行配置参数，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯完成负荷识别模块参数下发后，继续通过SPI接口向计量芯下发运行配置参数，同时计量芯进行相应的应答，完成上述握手与配置流程后，计量芯启动向负荷识别模块发送电流、电压采样数据，管理芯根据需要不定时向负荷识别模块读取负荷识别结果，负荷识别模块根据命令反馈相关负荷识别结果；
所述扩展功能模块还包括有序充电模块，所述有序充电模块连接管理模组，电能表接收并存储来自集中器下发的充电计划，或者用户手机app发起的充电操作指令，电能表根据充电计划在指定时间点向充电桩发送启动充电、停止充电或充电功率调节等控制指令，电能表根据充电操作指令向充电桩发送相应控制指令。
作为优选，负荷识别模块与计量芯采用SPI单向通信，计量芯为主，负荷识别模块为从，计量芯向负荷识别模块实时发送原始AD数值，不经过计量芯预处理。
作为优选，管理芯下发的充电计划数据帧包含的数据信息有：充电申请单号，用户ID，决策单元决策类型，决策时间，路由器资产编号，充电需求电量，充电额定功率， 充电模式充电时段， 时段充电功率。
作为优选，通过扫描枪从电能表外壳或电子标签获取电能表蓝牙MAC地址，台体与电能表通过蓝牙模块建立通信连接，台体与电能表单对单通信或一对多通信；集中器将电能表蓝牙MAC地址下发到采集器，采集器根据电能表蓝牙MAC地址与电能表建立通信，完成抄表任务；在电能表挂网现场，安装温度/湿度/雾霾/音频/红外感热传感器，传感器通过蓝牙模块与电能表数据交互，实现传感器数据上传。
作为优选，电能表壳体包括底座，控制电路包括第一主板和第二主板，所述计量芯设于第一主板上，所述第一主板设于底座内，底座上封设有上座，第二主板设于上座上，管理芯设于第二主板上，所述第二主板通过第一接口和第二接口电连接第一主板。
作为优选，显示模块、按键模块设于上座上，上座上方设有翻盖，上座上分别设置有模块槽，所述的蓝牙模块、扩展功能模块分别独立设置，分别可热插拔于相应的模块槽内。
本发明的有益效果在于：本发明通过将计量芯与管理芯分离设置，并且设置扩展模块，管理芯和附属模块可进行升级，以满足不同的需求，不替换电能表就可实现功能的升级改造，大大节约了改造成本。
附图说明
图1是本发明的功能结构示意图。
图2是本发明的外形结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种多芯模组化智能电能表，包括电能表壳体1以及设于电能表壳体内的控制电路， 控制电路包括用于实现电能计量功能的计量模组以及管理功能的管理模组，计量模组与管理模组相互电连接，计量模组与管理模组在物理上相互独立设置。管理模组同步计量模组中的瞬时数据与实时时钟。计量模组包括计量芯、连接计量芯的存储器、开盖检测电路、时钟电路，管理模组包括管理芯、蓝牙模块、显示模块、按键模块、上行模块、下行模块。电能表壳体包括底座，控制电路包括第一主板和第二主板，计量芯设于第一主板上，第一主板设于底座内，底座上封设有上座，第二主板设于上座上，管理芯设于第二主板上，第二主板通过接口的接插件电连接第一主板，即实现管理模组与计量模组的电连接。显示模块、按键模块设于上座上，上座上方设有翻盖3，上座上分别设置有模块槽，一些功能模块2独立设置，分别可热插拔于相应的模块槽内。
计量模组与管理模组之间插件连接，能实现管理模组与计量模组之间的分离更换。根据计量模组检测口与管理模组上电下发的内嵌安全芯片序列号来识别有无更换管理模组并完成事件记录。管理模组与计量模组之间使用高速SPI通讯，管理模组为主机根据计量模组提供的秒节拍信号下发抄读命令。
在本发明中，计量模组和管理模组采用物理分离原则，计量模组是高可靠性、长寿命法定部分，不允许进行软件升级。计量模组提供电量、时钟等法制数据，每分钟保存正反向有功等历史数据用于电量追溯。管理模组的电量、时钟以计量模组为基准，并实时同步。计量模组能记录管理模组异常、管理模组插拔、管理模组软件升级、清零、开盖等事件记录。计量模组只允许远程清零和修改时间，不允许设置其它参数。计量模组和管理模组之间采用明文数据交互。管理模组承担整表的管理任务，主要包括费控、显示、对外通信、事件记录、数据冻结、负荷控制等任务，支持软件升级。管理模组模组由管理模组MCU、蓝牙、液晶等部件组成，支持热插拔。
除了常规的一些功能模块，本发明中，还包括有可插拔的扩展功能模块，扩展功能模块包括负荷识别模块和有序充电模块。
负荷识别模块分别连接计量模组以及管理模组，而有序充电模块只连接管理模组。管理芯一旦检测到负荷识别模块接入，便主动向负荷识别模块发送初始化握手命令，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯收到负荷识别模块正确的握手应答后，通过UART向负荷识别模块下发运行配置参数，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯完成负荷识别模块参数下发后，继续通过SPI接口向计量芯下发运行配置参数，同时计量芯进行相应的应答，完成上述握手与配置流程后，计量芯启动向负荷识别模块发送电流、电压采样数据，管理芯根据需要不定时向负荷识别模块读取负荷识别结果，负荷识别模块根据命令反馈相关负荷识别结果。负荷识别模块与计量芯采用SPI单向通信，计量芯为主，负荷识别模块为从，计量芯向负荷识别模块实时发送原始AD数值，不经过计量芯预处理。
负荷识别模块在接收到海量的电压、电流、功率等负荷数据后进行数据处理、事件检测、负荷识别等。数据处理包括对负荷数据的去噪、有功等电气量的计算和标准化排除电能质量波动引入的干扰。负荷识别包括对处理后的特征数据与预先采集到的各类电器的特征参数进行对照，分离出正在运行的电器设备和运行状态，实现非入侵式识别。事件检测包括在检测到电器设备投入运行时，进一步可以通过计算相邻时刻或时间段的负荷数据的变化与设定的阈值比较，超过阈值认定有事件发生，在剥离出变化特征后的数据与数据库中的电器参数比对，推断出是本电器运行状态变化还是有新电器开始运行，并将数据保存。一旦检测到线路中有电器运行异常，上报管理模组发出警告。
负荷识别模块热插入的情况下，管理模组能正常工作；负荷识别模块热拔出后，管理模组能保证不受损坏且内部存储数据和参数不受到影响和改变。
负荷识别模块可以实现以下功能：
1、透明电
通过APP为用户提供“移动话单式”的电费清单，用电规律和能耗重点一目了然，电能消费更加透明，支持空调、电热水器、厨房电器等大类，空调大类支持变频空调和定频空调小类，厨房电器支持电饭煲、微波炉等小类。
2、绿色电
提供能耗重点分析、能效排名等辅助服务，有效促进居民用户的节能意识；提供热水器保温能耗、家电微功率待机功耗分析，避免无端浪费；提醒峰谷电量和阶梯电量状态，有效降低用户电费，同时实现全社会节能减排。
3、互动电（分时电价型积分机制）
支持单个用户需求响应容量的准确测算，支持需求响应指标的定向发送和在线结算。
4、安全电
支持户内的短路事故检测、漏电检测、电弧检测、线路过载等功能，杜绝电气火灾和触电隐患。
5、防窃电（电表状态评估）
用户用电完全不符合负荷模型或者疑似工商用电器长期运行，则判定用户有窃电嫌疑。终端具有独立的电量采集传感器，通过比对同一用户的终端和电表电量，支持对电表状态异常的告警。
6、停电责任研判（停电事故主动上报）
内嵌保护动作下短路事故检测算法，选配漏电传感器实现漏电流检测，有效界定用户内部短路和漏电事故造成的停电跳闸事件。装置加装超级电容之后，支持表箱停电事件的主动上报。
7、电网状态评估
内嵌阻抗估计算法实时估计台区线路阻抗，及时发现老化、接触不良等安全隐患；实时感知电网末端的电能质量问题，包括电压、过载、三相不平衡等问题。8、大数据融合
提供细粒度的居民能源消费习惯变化趋势，为制定能源政策和价格提供依据；提供各类电器的占有率数据，例如变频空调和定频空调的占有率变化，为家电企业制定发展策略提供依据。
9、服务国家安全
服务国家安全，扫描可疑的户内人口数量、用电时间和电器类型，及时发现异常的群居活动和违禁品制造活动。
有序充电模块连接管理模组，电能表接收并存储来自集中器下发的充电计划，或者用户手机app发起的充电操作指令，电能表根据充电计划在指定时间点向充电桩发送启动充电、停止充电或充电功率调节等控制指令，电能表根据充电操作指令向充电桩发送相应控制指令。管理芯下发的充电计划数据帧包含的数据信息有：充电申请单号，用户ID，决策单元决策类型，决策时间，路由器资产编号，充电需求电量，充电额定功率， 充电模式充电时段， 时段充电功率(开始时间，结束时间，充电功率)。有序充电模块与充电桩的数据交互，包括充电桩的启动、停止、功率调节等，充电桩的状态监测，充电桩刷卡信息。有序充电模块与管理芯的数据交互，包括充电计划数据充电、事件记录（包括故障记录）等。
有序充电意义在于能消峰填谷，在电网低谷选择充电，显著提高电网的利用效率以及经济性。无序充电显著增加电网网损，有序充电网损则很小，提高电网运行的可靠性。
本发明中，蓝牙模块支持一主多从工作模式，能被（采集器、台体自动线、手持设备）主机连接的同时，同时与多个从机（外置负荷开关、报警装置、各类外置传感器）建立并发数据连接。
电能表与台体之间的交互，通过扫描枪从电能表外壳或电子标签获取电能表蓝牙MAC地址，台体与电能表通过蓝牙模块建立通信连接，台体与电能表单对单通信或一对多通信。
通过蓝牙模块通信功能实现抄表，集中器将电能表蓝牙MAC地址下发到采集器，采集器根据电能表蓝牙MAC地址与电能表快速建立通信，通信完成后，断开连接，一次按此操作完成抄表任务。
在特定电能表挂网现场，安装温度/湿度/雾霾/音频/红外感热传感器，传感器通过蓝牙模块与电能表数据交互，实现传感器数据上传。
用户手机与蓝牙模块通信，用户下载并注册电力公司手机专用APP，通过APP获得电能表账户信息，包括电能表蓝牙MAC地址等信息，实现手机电能表充值、用电量数据抄读等操作，同时电力公司可通过APP开放适当权限，为用户提供负荷识别分析报表、日用电分析等增值服务。
本发明中，电能表管理芯及附属模组可以在线进行软件升级，升级过程总体可分为升级请求、升级文件下载与确认以及执行升级和结果查询三个大的过程。在整个过程中采用点对点传输与组播传输相结合的方式，即保证升级的安全性，同时兼顾升级效率。
其中电能表管理芯软件升级分三个阶段：升级请求（启动升级）阶段、文件传输与确认阶段及执行升级阶段。升级请求（启动升级）阶段：在升级请求中主要完成上级设备与待升级电能表间关于升级信息的交互，确定待升级电能表，同时对于批量升级时的电能表进行分组与组播密钥的协商。升级文件传输与确认阶段：上级设备采用组播方式下发升级文件，通过查询或主动上报方式确认电能表程序文件是否收全。对于未收全的电能表采用点对点方式传输丢失的数据包。执行升级阶段：在文件传输结束后，采用点对点方式下发执行升级命令，预约电能表程序更新时间。电能表预约时间到，执行更新冻结，更新程序并形成一条升级事件记录。在整个过程中采用点对点传输与组播传输相结合的方式，即保证升级的安全性，同时兼顾升级效率。为了保证升级安全可靠、快捷方便，在线升级有以下功能：
a)可以通过 HPLC、GPRS 等通信方式进行程序下载；且程序下载过程可以支持多个电能表同时进行；
b)下载过程中掉电，应支持断点续传功能；
c)具备自动识别新程序与硬件版本、软件版本等参数是否匹配的功能，防止程序误升级；
d)程序下载与更新过程中，都不能影响计量模组的正常工作；
e)程序下载完成后应有整体校验机制，防止中间某包数据被篡改导致电能表不能正常运行；
f)程序下载完成后，可远程启动更新流程，或定时启动更新流程；程序更新过程不应跨冻结点或时段切换等重要时刻；
g)程序更新前后不应引起电能、电费等重要数据的改变；
h)程序更新过程中掉电，上电后应能重新启动更新程序；
i)具备升级过程及升级后升级结果查询功能。本申请中，电能表上行模块可以兼容HPLC、4G、HPLC+微功率无线等通信模块，用于电能表与上行的采集设备进行通信，实现数据采集、停电主动上报等功能。
管理芯通过辨识模块COM_RQ自动判断下行模块是否接入，管理芯一旦检测到下行模块接入，便主动向下行模块发送初始化握手命令，同时下行模块进行相应的应答，管理芯收到下行模块正确的握手应答后，再通过UART与下行模块进行交互。
本发明通过将计量芯与管理芯分离设置，并且设置扩展模块，管理芯和附属模块可进行升级，以满足不同的需求，不替换电能表就可实现功能的升级改造，大大节约了改造成本。
Claims (10)
1.一种多芯模组化智能电能表，包括电能表壳体以及设于电能表壳体内的控制电路，控制电路包括用于实现电能计量功能的计量模组以及管理功能的管理模组，其特征在于：所述计量模组与管理模组相互电连接，计量模组与管理模组在物理上相互独立设置，管理模组同步于计量模组中的瞬时数据与实时时钟，所述计量模组包括计量芯、连接计量芯的存储器、开盖检测电路、时钟电路，所述管理模组包括管理芯、蓝牙模块、显示模块、按键模块、上行模块、下行模块；
所述控制电路还包括有可插拔的扩展功能模块，所述扩展功能模块包括负荷识别模块，负荷识别模块分别电连接计量模组以及管理模组，管理芯一旦检测到负荷识别模块接入，便主动向负荷识别模块发送初始化握手命令，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯收到负荷识别模块正确的握手应答后，通过UART向负荷识别模块下发运行配置参数，同时负荷识别模块进行相应的应答，管理芯完成负荷识别模块参数下发后，继续通过SPI接口向计量芯下发运行配置参数，同时计量芯进行相应的应答，完成上述握手与配置流程后，计量芯启动向负荷识别模块发送电流、电压采样数据，管理芯根据需要不定时向负荷识别模块读取负荷识别结果，负荷识别模块根据命令反馈相关负荷识别结果；
所述扩展功能模块还包括有序充电模块，所述有序充电模块电连接管理模组，有序充电模块根据管理模组的充电计划在指定时间点向充电桩发送启动充电、停止充电或充电功率调节等控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述计量模组与管理模组之间通过接插件连接，管理模组与计量模组能实现分离更换，管理模组上电后下发内嵌的安全芯片序列号，计量模块根据其检测口检测的安全芯片序列号来识别有无更换模组，并完成事件记录。
3.根据权利要求1所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述负荷识别模块与计量芯采用SPI单向通信，计量芯为主，负荷识别模块为从，计量芯向负荷识别模块实时发送原始AD数值，不经过计量芯预处理。
4.根据权利要求3所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述负荷识别模块在接收到电压、电流、功率等负荷数据后进行数据处理、事件检测、负荷识别，所述数据处理包括对负荷数据进行去噪、电气量计算、干扰排除；所述负荷识别包括将处理后的特征数据与预先采集到的各类电器的特征参数进行对照，分离出正在运行的电器设备和运行状态，实现非入侵式识别；所述事件检测包括在检测到电器设备投入运行时，通过计算相邻时刻或时间段的负荷数据的变化与设定的阈值比较，超过阈值认定有事件发生，在剥离出变化特征后的数据与数据库中的电器参数比对，推断出是本电器运行状态变化还是有新电器开始运行，并将数据保存，一旦检测到线路中有电器运行异常，上报管理模组发出警告。
5.根据权利要求1所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述管理芯下发的充电计划数据帧包含的数据信息有：充电申请单号，用户ID，决策单元决策类型，决策时间，路由器资产编号，充电需求电量，充电额定功率， 充电模式充电时段， 时段充电功率。
6.根据权利要求5所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述有序充电模块与充电桩进行数据交互，包括充电桩的启动、停止、功率调节、充电桩的状态检测、充电桩刷卡信息，所述有序充电模块与管理芯进行数据交互，包括充电计划数据、充电时间记录。
7.根据权利要求1所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：通过扫描枪从电能表外壳或电子标签获取电能表蓝牙MAC地址，台体与电能表通过蓝牙模块建立通信连接，台体与电能表单对单通信或一对多通信；集中器将电能表蓝牙MAC地址下发到采集器，采集器根据电能表蓝牙MAC地址与电能表建立通信，完成抄表任务；在电能表挂网现场，安装温度/湿度/雾霾/音频/红外感热传感器，传感器通过蓝牙模块与电能表数据交互，实现传感器数据上传。
8.根据权利要求1所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述管理模组在线升级过程包括升级请求、升级文件下载与确认以及执行、升级结果查询，在整个升级过程中采用点对点传输与组播传输相结合的方式，所述升级文件下载采用HPLC或GPRS通信方式，且支持多个电能表同时进行，支持断点续传功能。
9.根据权利要求1-8所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述电能表壳体包括底座，控制电路包括第一主板和第二主板，所述计量芯设于第一主板上，所述第一主板设于底座内，底座上封设有上座，第二主板设于上座上，管理芯设于第二主板上，所述第二主板通过接口的接插件电连接第一主板。
10.根据权利要求9所述的一种多芯模组化智能电能表，其特征在于：所述显示模块、按键模块设于上座上，上座上方设有翻盖，上座上分别设置有模块槽，模块槽内设接口，所述的蓝牙模块、扩展功能模块分别独立设置，分别可热插拔于相应的模块槽内。
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