CN207007910U - 基于soc宽带双模通讯的费控多功能智能电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表。其特点是：包括片上系统单元，该片上系统单元分别与控制计量模块、电源模块、通信模块、显示模块、存储模块和时钟模块连接。本实用新型提供了一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，该电能表将目前先进的微电脑控制技术、射频基站通信技术、远程有线(无线)通信等技术应用于居民的日常生活，有效提高了居民的节能意识，极大地方便了居民的生活，提高了集中管理的效率。

Description

基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表

技术领域

本实用新型涉及一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表。

背景技术

为了满足居民对生活用电的需求，不断提高供电服务质量，我国电力企业对居民用户实施“一户一表”工程，以提高用户用电的安全、可靠性和收费的准确、合理性。但此举也给电力企业增加了大量的工作，如果仅仅依靠抄表员每月登门抄表既要花费大量的人力和时间，给用户带来诸多不便，而且抄录的数据在时间上离散性大、准确度低，给用电管理造成了很大的困难。而传统的电能管理模式已不再符合城市居民住宅小区自动化、现代化和智能化发展的要求，也不符合现代电力管理要求自动化、智能化、以及追求更高的供用电效率的要求。特别是在一些大型城市，电力用户多达几百万户，在目前已经推广“一表一户”的形式下，如果仍然使用人工抄表，将耗费大量的人力、物力与财力，既不方便也容易发生漏抄、错抄等现象。在传统抄表模式下，抄表周期比较长，如一个月或者一个季度一抄表，这样就使得用户用电量无法及时读取，给电力管理部门分析用电情况带来很大困难。人工抄表不仅工作量大，也不利于进行全面准确的生产经营的统计、分析、线损统计、电量平衡、负荷率计算等。

随着全国范围电网大改造的展开，智能电能表可以解决日益庞大的供电网络自动化管理问题。智能计量的“智能”主要体现在：不仅能识别故障，还可以及时通知客户，并具备自动处理故障的能力；通过应用一些软件系统，可以很好地收集和管理计量数据。目前，用电信息采集本地通信方案采用的技术主要有：窄带电力线通信技术(单载波、多载波/OFDM)、微功率无线技术等。智能仪表设计者都希望采用系统集成技术实现产品的设计与开发，从而达到节省功耗、空间和成本的目的，但是大多数设计者还未接触过系统级集成，仍然依靠于离散产品的某种组合，如处理器、存储器、数字信号处理器和可编程逻辑器件等来实现产品的开发。

SoC技术是当今超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集成电路技术的主流，SoC技术将成为智能仪表发展的主体技术。智能计量仪表将目前先进的微电脑控制技术、射频基站通信技术、远程有线(无线)通信等技术应用于居民的日常生活，有效提高了居民的节能意识，极大地方便了居民的生活，提高了集中管理的效率。正由于智能计量仪表与传统机械表相比拥有诸多的优越性，智能计量仪表将继续保持快速增长，具有良好的市场发展空间。同时，国家加速“一户一表”，不仅加大了对新智能化计量仪表的安装需求，也促使传统计量仪表向智能化计量仪表改造，为智能计量仪表提供广阔的市场空间。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，能够显著提高电能表的智能化水平，提高供电企业的管理效率，降低管理成本。

一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，其特别之处在于：包括片上系统单元，该片上系统单元分别与控制计量模块、电源模块、通信模块、显示模块、存储模块和时钟模块连接。

其中片上系统单元采用HT501X单片机。

其中电源模块采用开关电源。

其中显示模块采用带有背光的LCD显示器。

其中存储模块采用EEPROM存储器和FLASH存储器。

其中时钟模块采用片上系统单元内置的硬件RTC时钟，该RTC时钟通过稳压电源与市电连接或者与电池连接。

其中通信模块采用宽带载波通信模块和微功率无线通信模块。

本实用新型提供了一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，该电能表将目前先进的微电脑控制技术、射频基站通信技术、远程有线(无线)通信等技术应用于居民的日常生活，有效提高了居民的节能意识，极大地方便了居民的生活，提高了集中管理的效率。

附图说明

附图1为本实用新型的结构原理示意图。

具体实施方式

除了作为主控MCU的片上系统SOC单元以外，本实用新型的基于 SoC宽带双模通讯的单相费控多功能智能电能表主要由六个模块组成，分别为控制计量模块、电源模块、通信模块、显示模块、存储模块、时钟模块。

其中，主控MCU采用的是HT501X单片机，该单片机是一颗SoC芯片，集成了计量，RTC，液晶显示等诸多功能。

电源模块采用开关电源供电，开关电源能够适应较宽的工作电压范围的同时，能够保证电能表在通信等高负荷情况下正常的工作。

显示模块采用带背光的LCD显示，能够显示电能表的用电量等数据信息和电能表的实时运行状态。

存储模块采用大容量的EEPROM存储器和FLASH存储器，EEPROM 永久性的存储电量等关键数据，FLASH存储器能够永久的存储电网运行中的负荷数据，为电网运行情况的分析提供有效的数据分析依据。

时钟模块采用SoC内置的硬件RTC时钟，硬件时钟能够保证时钟的精准度，RTC由电网供电或者备用电池供电，备用电池能够保证在电能表掉电的情况下时钟的正常运行。

通信模块采用宽带载波和微功率无线双模技术，在其中的一种通信模式受阻的情况下，通信模块自动切换到另外一种通信模式，保证通信线路的畅通性。

SoC，全称Syetem on Chip，即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲, SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SoC的优点是：片内资源丰富，集成了几乎大多常用硬件；集成度高，体积小，便于布线；使用灵活性大，不用的外设可关闭；功耗低、可靠性高、性价比高。HT501X是一颗SoC芯片，内部含有ARM内核，128K flash，8K RAM，硬件的内部EMU模块，EMU 模块支持断相防窃电功能。该芯片具有如下特性：

1、工作电压范围：2.2～5.5V。

2、工作温度范围：-45～85℃。

3、采用ARM Cortex-M0 CPU Core、128K Flash+512bytes Information Block、8KSRAM。

4、高速度：插入等待CPU最高工作频率39.32MHz，无等待CPU最高工作频率19.66MHz。

5、低功耗：Hold模式下最低功耗3.7uA，Sleep模式下最低功耗2.9 uA。

6、RTC：外置32KHz低频晶体，集成晶体所需电阻、电容；辅助RTC：外部SoC晶振停振时，系统可切换至内部低频RC获得计时时间；RTC补偿：RTC内置曲线数字补偿，全温度范围RTC补偿无需用户软件参与。

7、LCD：支持4COM，6COM，8COM的LCD显示，SEG接口最多支持43段。

8、供电方式：电源内部切换，外部VSYS和VBAT两个电源分别供电。

9、高精度温度传感器：-45～+85℃范围内，温度传感器一致性优于±1℃2路硬件7816功能。

10、正常模式下，WDT模块不可关闭，保证系统可靠运行。

11、内置硬件AES、GHASH加密、解密算法。

12、内置DMA功能。

13、内置按键扫描功能，支持1×4，2×4，3×4，4×4四种。

14、支持I2C，SPI，TIMER CC和PWM。

15、计量模块：动态范围5000:1，支持有功、无功、视在、有效值、频率等计量参数，支持零线、火线防窃电计量，单相三线，支持断相防窃电的计量方式，该模式下连续计量功耗优于650uA，支持直流计量。

本实用新型是经过主导研发，克服多重技术难点、困难，设计而出的一款采用SoC方案，宽带载波和微功率无线双模通信的单相费控多功能智能电能表。具有双回路智能防窃电，宽带载波和微功率无线自主通信信道检测切换，数据显示，负荷数据记录，事件记录，吸附式红外通信，月结算数据记录等功能。

以下结合附图，对本实用新型做进一步说明。

参考附图1，具体的给出了基于SoC宽带双模通讯的单相费控多功能智能电能表的结构框图，此单相智能电能表包括：RD485通信模块，固件升级模块，FLASH存储器，EEPRPM存储器，红外通信模块，内置双继电器，LCD液晶显示，电源电路，RTC电池模块，停电抄表电池模块，用户线路和电流电压采样模块，电力载波和微功率无线通信模块。

基于SoC宽带双模单相费控智能电能表主特设计双回路智能防窃电功能，双回路不仅仅是该单相电能表支持双回路计量，双回路计量是实现双回路智能防窃电的基础，在双回路的计量的基础上，该电能表能够实现如下智能防窃电功能：

1、主回路和副回路能够同时切断用户负载；

2、主回路和副回路互换窃电；

3、旁路窃电；

4、掉零线或者火线计量。

除此之外，该电能表还具有如下特色功能：

1、双回路智能防窃电功能。电能表支持双回路通断电，在电能表需要本地或者远程进行切断用户负载的时候，主回路和副回路的负载同时切断，防止在电能表使用过程中主副回路反接进行窃电行为。

2、双回路计量。该电能表采用双回路计量，既支持主回路计量，也支持副回路计量功能。如果发生主副回路反接的情况，则用电都能被计量，防止发生严重的窃电行为。

3、掉零线检测功能。电能表在运行过程中如果发生零线或者火线断开的情况，则电能表依然可依据加载在其中一个回路中的电流进行计量，并记录掉零线事件，该SoC方案的低功耗计量模式为掉零线检测功能提供了可行性。

4、多种通信兼容功能。具有红外、RS485、载波和无线通信功能，多种通信功能兼容模式保证了电能表适用于不同的应用环境和在其中一种通信功能受损的情况下可通过其它通信功能获取电能表的数据。

5、远程固件升级功能。该单相费控智能电能表在出厂和供电部门检验合格后，将会采用穿线式或者卡扣式封印对电能表进行铅封，这样就无法实现电能表在运行过程中出现软件bug或者在客户需要变更时进行软件升级功能，远程固件升级为电能表的软件升级提供了有效的支持，在需要对软件进行升级的时候，通过任何一种通信方式，在通过安全权限认证的情况下，可对电能表的固件进行升级。

复费率功能：

(1)时区、时段：电能表具有两套时区、两套时段，每套时段可设置 12时段；两套时区、两套时段可以任意设置。

(2)费率：电能表具有4种费率。

(3)支持节假日和公休日的特殊费率时段。

显示功能

(1)采用LCD+背光显示。LCD工作温度范围-30℃～+70℃，背光在按键情况下点亮。

(2)电能表显示模式分为三种：自动循环显示、翻页显示和高精度显示。电能表平时处于自动循环显示模式，当翻页按键按下时，电能表进入翻页显示模式；在翻页模式下，用户可以翻看当前的用电信息以及历史用电信息；在翻页显示模式下，用户长按翻页按键大于3秒，电能表进入高精度显示模式。普通模式电量的显示为6位整数2位小数，高精度模式下电量显示为4位整数4为小数；当在30秒内无按键按下时，电能表进入自动循环显示模式。

(3)故障自检功能：电能表具有表计故障提示。

(4)表计故障提示：当表计出现故障时，电能表自动显示自检报警或出错代码。

(5)具有停电显示功能：停电时按下翻页键激活停电显示功能，停电显示激活后当再次按下翻页键时，电能表按翻页显示项逐项翻页显示，30 秒内无翻页按键按下停止显示；否则，电能表逐项显示循环显示项；

(6)使用四只超亮、长寿命LED指示灯，功能如下：

有功脉冲信号灯：红色，有电能脉冲时闪烁，无脉冲时灭。

无功脉冲信号灯：红色，有电能脉冲时闪烁，无脉冲时灭。

报警指示灯：红色，有报警事件时常亮，平时灭。

继电器通断指示灯：黄色，负荷开关分断时亮，平时灭。

电能计量功能：

(1)正向有功电量计量：电能表自动计量正向累计有功电量，并分别计量正向四费率电量。

(2)反向有功电量计量：电能表自动计量反向累计有功电量，并分别计量反向四费率电量。

(3)视在电量计量：电能表能够计量视在总电量，并分别计量视在四费率电量。

(4)瞬时参量计量：电能表计量瞬时电压、主回路及负回路瞬时电流、瞬时功率、瞬时功率因数等参量。

(5)有功需量计量，实在需量和无功需量计量。

通讯功能：

电能表具有RS485、红外通讯及模块(外接模块，可兼容各型号载波通讯芯片，微功率无线通讯芯片)通讯功能。可实现校时、编程、抄表等功能。编程需要通过DLMS高级认证。

时钟功能：

表内采用硬时钟，时钟误差小等于0.5秒/天，电能表的时钟支持多种时间调整模式，如调整秒，分钟或者小时。

事件记录功能：

记录7大类事件记录：电压相关事件、电流相关事件、上电掉电相关事件、编程相关事件、窃电相关事件、开表盖相关事件、负荷控制事件。总共记录200条事件记录，记录需要有发生及恢复的时间日期戳，含有窃电类型识别代码的顺序号，事件发生时的kWh,电压，电流必须与事件一起记录下来，且应带有时间戳。

月结算记录功能：

记录最近12个月的结算电量(包括正向有功总电量及各费率电量、反向有功总电量及各费率电量)。若在电量冻结前发生停电直至电量冻结时间后才上电的电表，则在上电时电表将上电时的电量作为月末冻结电量。

日负荷记录功能：

记录最近100天零点日负荷记录(时间、正向有功总电能及各费率、反向有功总电能及各费率)。

负荷记录功能：

对有功电能、平均电压、平均电流、有符号的平均功率因素和以KW 及KVA表示的平均需量，以30分钟为周期，记录100天(通电)的数据，且应带时间戳。基于第一次输出第一次输入(FIFO)，在100天之后，寄存器应自动滚动数据。

防窃电功能：

根据市场的需要，对电能表的窃电状态进行了记录，并进行了相应的指示。主要窃电指示是电流反向、负载电流旁路、负载回路接地、负载超限、支持零线/火线反接等多种窃电功能。

用户负载控制：

电能表最大工作电流小于等于60A的电能表采用内置继电器控制用户负载，最大工作电流大于60A的电能表采用外接空开的方式控制用户负载。

远程控制功能：

后台系统可通过与表内软件控制模块远程认证成功后，对电能表实现远程保电、拉闸、报警等功能。

本实用新型提供了一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，其包括片上系统单元，该片上系统单元分别与控制计量模块、电源模块、通信模块、显示模块、存储模块和时钟模块连接；片上系统单元采用HT501X单片机；电源模块采用开关电源；显示模块采用带有背光的LCD 显示器；存储模块采用EEPROM存储器和FLASH存储器；时钟模块采用片上系统单元内置的硬件RTC时钟，该RTC时钟通过稳压电源与市电连接或者与电池连接；通信模块采用宽带载波通信模块和微功率无线通信模块。

还具有如下有益效果和优点：

电能表具有防磁场干扰功能，在该磁场下负荷开关不误动作，并且误差级别符合规范的要求。

电能表具有超负荷控制功能，电能表根据设定的超负荷阈值，当用户负载超过阈值时，电能表通过内置负荷开关实现直接断电功能。

电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环境允差为依据，因此可保证整机长期稳定工作。精度基本不受频率，温度、电压变化影响。整机体积小，重量轻，密封性能好，可靠性较其它同类产品有明显提高。

当电源失电后，锂电池作为后备电源，可以保证内部数据不丢失，日历，时钟、时段程序控制功能正常运行，来电后自动投入运行。在电能表端钮盒上设置有光电耦合脉冲输出接口，以便于进行误差测试和数据采集，脉冲输出常数与标牌标志的表常数一致。

Claims (1)

1.一种基于SOC宽带双模通讯的费控多功能智能电能表，其特征在于：包括片上系统单元，该片上系统单元分别与控制计量模块、电源模块、通信模块、显示模块、存储模块和时钟模块连接；

其中片上系统单元采用HT501X单片机；

其中电源模块采用开关电源；

其中显示模块采用带有背光的LCD显示器；

其中存储模块采用EEPROM存储器和FLASH存储器；

其中时钟模块采用片上系统单元内置的硬件RTC时钟，该RTC时钟通过稳压电源与市电连接或者与电池连接；

其中通信模块采用宽带载波通信模块和微功率无线通信模块。