CN206773066U - 一种三相本地智能电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相本地智能电能表，该电能表包括微处理器及与微处理器连接的电源电路、计量电路、安全认证电路、通讯电路、显示电路、报警电路、数据存储电路、IC卡接口电路，所述计量电路与微处理器之间通过SPI总线连接，所述计量电路还分别与三相电流采样电路、三相电压采样电路连接，所述数据存储电路与微处理器之间通过I²C总线连接，所述安全认证电路、显示电路分别通过数据总线与所述微处理器连接。基于模块化的电路设计和搭接方式，本实用新型具有结构设计合理、结构紧凑、集成度高、功能齐全、性能稳定等突出优点，满足电网运行和工业自动化管理的需要。

Description

一种三相本地智能电能表

技术领域

本实用新型涉及电子仪表技术领域，更为具体来说，本实用新型涉及一种三相本地智能电能表。

背景技术

一般来说，现有成熟的三相电能表往往仅具有简单的抄表功能和计数功能，已无法满足当下对大量用电数据的获取要求。虽然已经有人开始对三相本地智能电能表进行研发，由于技术上的缺陷，其设计出的产品往往存在结构复杂、结构零散、可靠性差、功能不全面、成本高、安全性差等缺点，无法满足用户和国家电网发展的需要。

因此，如何优化设计现有三相本地智能电能表的结构，成为了本领域技术人员始终追求的目标和研究的重点。

实用新型内容

为解决现有三相本地智能电能表存在的结构复杂、结构零散、可靠性差、功能不全面、成本高、安全性差等问题，本实用新型通过模块化设计三相本地智能电能表的各个电路部分，从而简化了三相本地智能电能表的整体结构，使本实用新型具有结构设计合理、结构紧凑、集成度高、安全性高、功能齐全、功耗低、精度高、性能稳定等突出优点。

为实现上述技术目的，一种三相本地智能电能表，该电能表包括微处理器及与微处理器连接的电源电路、计量电路、安全认证电路、通讯电路、显示电路、报警电路、数据存储电路、IC卡接口电路，所述计量电路与微处理器之间通过SPI总线连接，所述计量电路还分别与三相电流采样电路、三相电压采样电路连接，所述数据存储电路与微处理器之间通过I²C总线连接，所述安全认证电路、显示电路分别通过数据总线与所述微处理器连接。

基于上述的三相本地智能电能表结构，本实用新型具有结构设计合理、集成度高、功能齐全、性能稳定、安全性高等突出点，适于大面积推广使用。

进一步地，为给本实用新型的各器件或电路供电，所述电源电路包括依次连接的保护电路、变压电路、整流电路及滤波电路，所述保护电路连接三相电源，所述电源电路分别为所述微处理器、计量电路、通讯电路供电。

进一步地，为保证本实用新型的执行速度，所述微处理器的型号为STM32F101VD，所述微处理器具有100个管脚。

进一步地，为提供给微处理器可处理的数字信号，所述计量电路包括型号为RN8302S的三相计量芯片，所述三相计量芯片的SDO、SDI、SCS_N、SCLK管脚分别与所述微处理器的PB8、PB9、PB5、PB6管脚连接；所述三相电流采样电路包括三组抗混叠电路、与所述三相计量芯片的I1P、I1N、I2P、I2N、I3P、I3N管脚连接，所述三相电压采样电路包括三组电阻分压网路、与所述三相计量芯片的V1P、V1N、V2P、V2N、V3P、V3N管脚连接。

进一步地，为实现本实用新型的身份认证、访问权限控制等功能，所述安全认证电路包括两个型号均为ESAM2605的安全认证芯片，所述安全认证芯片的I/O、RST管脚分别与所述微处理器的PB10/UASRT3_TX、PB11/UASRT3_RX管脚连接。

进一步地，为实现与智能表与主站之间的通讯，所述通讯电路包括RS485通信电路，所述RS485通信电路包括型号为MAX13085的通讯接口芯片，所述通讯接口芯片的R、RE、D管脚分别与所述微处理器的PC11、PA0/WKUP、PC10管脚连接，所述通讯接口芯片的RE管脚和DE管脚相连接。

进一步地，为实现数据显示和人机界面交互功能，所述显示电路包括相互连接的液晶显示屏和型号为BU97950FUV的液晶驱动电路，所述液晶驱动电路的SDA、SCL管脚分别与所述微处理器的PD0、PD1管脚连接，所述微处理器为所述液晶驱动电路供电。

进一步地，为在异常情况下进行保护负载和实现提醒功能，所述报警电路包括跳闸电路和警报电路，所述警报电路连接蜂鸣器或指示灯，所述跳闸电路与所述微处理器的PB1管脚连接，所述警报电路与所述微处理器的PE4管脚连接。

进一步地，为实现数据存储，所述数据存储电路与微处理器之间通过I²C总线连接，所述数据存储电路包括型号为MX25L3208D的FLASH存储器、型号为FM24CL64的FRAM存储器、型号为FM24C256A的FRAM存储器，所述FLASH存储器的CS、S0、SCK、SI管脚分别与所述微处理器的PD8、PD9、PB15、PB14管脚连接，所述型号为FM24CL64的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与所述微处理器的PD10、PD11、PD12管脚连接，型号为FM24C256A的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与所述微处理器的PD10、PD11、PD12管脚连接。

进一步地，为实现通过IC卡进行充值以及参数设置，所述IC卡接口电路与所述微处理器的PA9/USART1_RX、PE14、PE13管脚连接。

本实用新型的有益效果为：基于模块化的电路设计和搭接方式，本实用新型具有结构设计合理、结构紧凑、集成度高、安全性高、功能齐全、功耗低、精度高、性能稳定等突出优点，满足电网运行和工业自动化管理的需要，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为三相本地智能电能表结构示意图。

图2为微处理器结构示意图。

图3为电源电路结构示意图。

图4为计量电路结构示意图。

图5为三相电流采样电路结构示意图。

图6为三相电压采样电路结构示意图。

图7为安全认证电路结构示意图。

图8为RS485通信电路结构示意图。

图9为显示电路结构示意图。

图10为报警电路结构示意图。

图11为数据存储电路结构示意图。

图12为IC卡接口电路结构示意图。

图中，

1、三相电流采样电路；2、三相电压采样电路；3、电源电路；4、计量电路；5、微处理器；6、安全认证电路；7、通讯电路；8、显示电路；9、报警电路；10、数据存储电路；11、IC卡接口电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型三相本地智能电能表的结构进行详细的解释和说明。

如图1-12所示，本实用新型公开了一种三相本地智能电能表，该电能表包括微处理器5及与微处理器5连接的电源电路3、计量电路4、安全认证电路6、通讯电路7、显示电路8、报警电路9、数据存储电路10、IC卡接口电路11，计量电路4还分别与三相电流采样电路1、三相电压采样电路2连接，数据存储电路10与微处理器5之间通过I²C总线连接，安全认证电路6、显示电路8分别通过数据总线与所述微处理器5连接。本实用新型的三相本地智能电能表结构简单、设计合理、功能丰富、集成度高，是实现配电管理现代化的重要组成部分，也是电力负荷管理系统的终端配套产品，与电力负荷管理主站配合实现负荷的监测，更是电力营销自动化系统中具有较高的实用价值的终端产品，具备多种扩展功能。本实用新型的三相本地智能电能表适用于各电厂、变电站、计量关口及企事业单位。下面对本实用新型的各个电路结构及电路搭接关系进行说明。

如图1、2、3所示，电源电路3包括依次连接的保护电路、变压电路、整流电路及滤波电路，保护电路连接三相电源、从三相电源中取电，电源电路3分别为微处理器5、计量电路4、通讯电路7等外设的器件供电。微处理器5的型号为STM32F101VD，微处理器5基于ARM的32位微处理器，具有集成度高、资源丰富等突出优点，其具有100个管脚，通过管脚PB12/UASRT3_CK输出安全认证电路中的芯片工作时钟。

如图1-6所示，计量电路4包括型号为RN8302S的三相计量芯片，计量电路4与微处理器之间通过SPI总线连接，该三相计量芯片是一种高精度的三相电能专用计量芯片，动态范围可达到5000：1，适用于三相三线和三相四线应用，基于该三相计量芯片，本实用新型能够测量各分相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求，具体地，该三相计量芯片的SDO、SDI、SCS_N、SCLK管脚分别与微处理器5的PB8、PB9、PB5、PB6管脚连接，且该三相计量芯片与微处理器5之间的连接点接有保护电容C31、C57、C29、C56；如图4、5、6所示，三相电流采样电路1包括电流互感器(图中未示出)和三组抗混叠电路等，三相电流采样电路1与三相计量芯片的I1P、I1N、I2P、I2N、I3P、I3N管脚连接，三相电压采样电路2包括三组电阻分压网路和滤波电路等，三相电压采样电路2与三相计量芯片的V1P、V1N、V2P、V2N、V3P、V3N管脚连接，该三相计量芯片的XI和XO管脚外接提供工作时钟的晶振CRY1。电流采样信号、电压采样信号输出至计量电路中的计量芯片，通过计量芯片精密处理后转化为数字信号，再将数字信号送入微处理器得到需要的电测量，进而完成数据存储、显示和传输等处理工作。上述的三相计量芯片与成熟的三相电能表接口技术相结合设计而成，应用数字采样处理技术及SMT工艺，并根据电网和工业自动化管理的实际状况设计和制造。

如图1-7所示，安全认证电路6通过数据总线与微处理器5连接，且安全认证电路6包括两个型号均为ESAM2605的安全认证芯片，安全认证芯片的I/O、RST管脚分别与微处理器5的PB10/UASRT3_TX、PB11/UASRT3_RX管脚连接，且安全认证芯片的CLK管脚与微处理器5的管脚PB12/UASRT3_CK连接，如图7所示，安全认证芯片的I/O、RST管脚同时连接三极管Q10的集电极，三极管Q10的基极连接三极管Q11的集电极，三极管Q11的基极串联电阻R100后连接微处理器5的PE15管脚，三极管Q10的发射极5V电源，三极管Q11的发射极接地。基于ESAM2605安全认证芯片和微处理器5，本方案可完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制、通信线路保护、临时密钥导出、数据文件存储等多种功能。

如图1-8所示，本实施例中，通讯电路7可以包括RS485通信电路、红外通讯电路、GPRS无线通讯电路、电力载波通讯电路以及微功率无线通讯电路等，基于红外通信电路，本实用新型可通过手持掌上电脑或红外遥控器对电能表信息进行抄读和查询。因此，本实用新型可根据具体需求而灵活选择通讯方式，本实用新型具有兼容性强、更换灵活方便等突出优点，本实施例中仅对RS485通信电路进行详细的说明，RS485通信电路包括型号为MAX13085的通讯接口芯片，通讯接口芯片的R、RE、D管脚分别与微处理器5的PC11、PA0/WKUP、PC10管脚连接，通讯接口芯片的RE管脚和DE管脚相连接，从而实现RS485通讯电路与微处理器5之间建立双向信息交换通道，且微处理器5与型号为MAX13085的通讯接口芯片之间线路上串联有光电耦合器，以保证信号的单向传输，RS485通讯电路与主站之间进行通讯，完成参数及数据的设置和读取。

如图1-9所示，显示电路8通过数据总线与微处理器5连接，显示电路8包括相互连接的液晶显示屏和型号为BU97950FUV的液晶驱动电路，液晶驱动电路通过数据总线方式与微处理器5之间进行数据传输，再驱动液晶显示屏显示数据，具体地，液晶驱动电路的40个管脚与液晶显示屏的40个管脚对应连接，液晶驱动电路的SDA、SCL管脚分别与微处理器5的PD0、PD1管脚连接，微处理器5为液晶驱动电路供电，可采用独立设计的、可视性高、显示内容丰富、直观的大屏幕LCD，并可点亮背光灯进行数据查询，实现人机界面直观易操作。

如图1-10所示，报警电路9包括跳闸电路和警报电路，警报电路连接蜂鸣器或指示灯，跳闸电路与微处理器5的PB1管脚连接，警报电路与微处理器5的PE4管脚连接，跳闸电路和警报电路分别用于跳闸控制输出和报警继电器输出，比如，当微处理器5自动检测到表内余额不足或者收到远程控制命令时，微处理器5控制跳闸电路中的继电器动作，从而停止为负载供电；当出现如电池欠压、供电出现失压或欠压等事件时，微处理器5自动控制报警继电器动作，通过蜂鸣器或指示灯报警。

如图1-11所示，数据存储电路10与微处理器5之间通过I²C总线连接，实现数据的存储和读取，数据存储电路10包括型号为MX25L3208D的FLASH存储器、型号为FM24CL64的FRAM存储器、型号为FM24C256A的FRAM存储器，FLASH存储器的CS、S0、SCK、SI管脚分别与微处理器5的PD8、PD9、PB15、PB14管脚连接，型号为FM24CL64的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与微处理器5的PD10、PD11、PD12管脚连接，型号为FM24C256A的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与微处理器5的PD10、PD11、PD12管脚连接。

如图1-12所示，IC卡接口电路11与微处理器5的PA9/USART1_RX、PE14、PE13管脚连接。基于上述的IC卡接口电路11和微处理器5，本实用新型可以实现本地费控功能，通过CPU卡、射频卡等固态介质进行充值及参数设置，结合本实用新型的通信功能，本实用新型具有远程参数设置及控制功能。而且，本实用新型可结合安全认证电路6和IC卡处理电路，只有通过安全认证电路6认证成功后，才能写入成功、实现IC卡功能。

基于上述的模块化设计而涉及的三相本地智能电能表，本实用新型集计量、监控、报警、显示、谐波测量、费控、冻结、控制、通讯功能于一身，能计量组合有功、正反向有功、组合无功、四象限无功总电量及分时电量，能计量正反向有功、组合无功、四象限无功的总最大需量及分时最大需量，以及最大需量发生的日期和时间；能测量各相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率及三相总有功功率、总无功功率、总视在功率、总功率因数和频率等；能检测并记录各相失压、失流、断相、反向、过载、过流、过压、欠压、断流、逆相序、跳合闸等事件；能检测备用电池电压和监测负荷情况；能实现远程和红外抄表。通过上述对三相本地智能电能表的说明可知，本实用新型以微处理器结合计量芯片技术为基础，根据电能表有关国际IEC标准和我国电力标准GB/T17215.301-2007《多功能电能表特殊要求》、GB/T15284-2002《多费率电能表特殊要求》、DL/T614-2007《多功能电能表》、DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》、Q/GDW356-2009《三相智能电能表型式规范》、Q/GDW362-2009《1级三相费控智能电能表技术规范》、Q/GDW354-2009《智能电能表功能规范》、Q/GDW365-2009《智能电能表信息交换安全认证技术规范》等设计制造。本产品由计量芯片、高速数据处理器、实时时钟、数据接口设备组成。在高速数据处理器的控制下，通过计量芯片获得有功电量、无功电量、功率、电压、电流、功率因数、电网频率等实时测量参数，并依据相应费率和需量等要求对数据进行处理，其结果保存在数据存储器中，并随时向外部接口提供信息和进行数据交换。

本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相本地智能电能表，其特征在于：该电能表包括微处理器(5)及与微处理器(5)连接的电源电路(3)、计量电路(4)、安全认证电路(6)、通讯电路(7)、显示电路(8)、报警电路(9)、数据存储电路(10)、IC卡接口电路(11)，所述计量电路(4)与微处理器(5)之间通过SPI总线连接，所述计量电路(4)还分别与三相电流采样电路(1)、三相电压采样电路(2)连接，所述数据存储电路(10)与微处理器(5)之间通过I²C总线连接，所述安全认证电路(6)、显示电路(8)分别通过数据总线与所述微处理器(5)连接。

2.根据权利要求1所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述电源电路(3)包括依次连接的保护电路、变压电路、整流电路及滤波电路，所述保护电路连接三相电源，所述电源电路(3)分别为所述微处理器(5)、计量电路(4)、通讯电路(7)供电。

3.根据权利要求1或2所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述微处理器(5)的型号为STM32F101VD，所述微处理器(5)具有100个管脚。

4.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述计量电路(4)包括型号为RN8302S的三相计量芯片，所述三相计量芯片的SDO、SDI、SCS_N、SCLK管脚分别与所述微处理器(5)的PB8、PB9、PB5、PB6管脚连接；所述三相电流采样电路(1)包括三组抗混叠电路、与所述三相计量芯片的I1P、I1N、I2P、I2N、I3P、I3N管脚连接，所述三相电压采样电路(2)包括三组电阻分压网路、与所述三相计量芯片的V1P、V1N、V2P、V2N、V3P、V3N管脚连接。

5.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述安全认证电路(6)包括两个型号均为ESAM2605的安全认证芯片，所述安全认证芯片的I/O、RST管脚分别与所述微处理器(5)的PB10/UASRT3_TX、PB11/UASRT3_RX管脚连接。

6.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述通讯电路(7)包括RS485通信电路，所述RS485通信电路包括型号为MAX13085的通讯接口芯片，所述通讯接口芯片的R、RE、D管脚分别与所述微处理器(5)的PC11、PA0/WKUP、PC10管脚连接，所述通讯接口芯片的RE管脚和DE管脚相连接。

7.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述显示电路(8)包括相互连接的液晶显示屏和型号为BU97950FUV的液晶驱动电路，所述液晶驱动电路的SDA、SCL管脚分别与所述微处理器(5)的PD0、PD1管脚连接，所述微处理器(5)为所述液晶驱动电路供电。

8.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述报警电路(9)包括跳闸电路和警报电路，所述警报电路连接蜂鸣器或指示灯，所述跳闸电路与所述微处理器(5)的PB1管脚连接，所述警报电路与所述微处理器(5)的PE4管脚连接。

9.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述数据存储电路(10)与微处理器(5)之间通过I²C总线连接，所述数据存储电路(10)包括型号为MX25L3208D的FLASH存储器、型号为FM24CL64的FRAM存储器、型号为FM24C256A的FRAM存储器，所述FLASH存储器的CS、S0、SCK、SI管脚分别与所述微处理器(5)的PD8、PD9、PB15、PB14管脚连接，所述型号为FM24CL64的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与所述微处理器(5)的PD10、PD11、PD12管脚连接，型号为FM24C256A的FRAM存储器的W/P、SCL、SDA管脚分别与所述微处理器(5)的PD10、PD11、PD12管脚连接。

10.根据权利要求3所述的三相本地智能电能表，其特征在于：所述IC卡接口电路(11)与所述微处理器(5)的PA9/USART1_RX、PE14、PE13管脚连接。