CN208443917U - 新型智能电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型智能电能表，包括控制器模块、计量模块、存储模块、电源模块、继电器驱动模块、继电器和PLC通信模块，PLC通信模块采用G3_PLC通信模块；G3_PLC通信模块与控制器模块连接并与外部进行通信。本实用新型能够实现电、水、气和热四表集抄，而且通信速率快，通信抗干扰能力强，且新型智能电能表性能优异。

Description

新型智能电能表

技术领域

本实用新型具体涉及一种新型智能电能表。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。而电能表作为电力系统的重要组成部件，其性能的优劣直接关系到电网系统能否安全可靠运行。

目前，常用的智能电能表的功能模块图如图1所示：可以看到，现有的智能电能表包括控制器模块、存储模块、计量模块、继电器驱动模块、继电器、电源模块和PLC（电力线载波通信）通信模块；电源模块给所述智能电能表供电，计量模块、存储模块、PLC通信模块、继电器驱动模块均与控制器模块连接；计量模块用于计量电能并将计量数据上传控制器模块；存储模块用于存储所述电能表的工作参数和数据；PLC通信模块用于所述智能电能表与外部进行通信（比如将对智能电能表的运行状态、电网情况、电表工作环境等数据上传至集中器）；电源模块用于从电力线获取交流电能并转换为直流电能为智能电能表供电；控制器模块一般都采用51系列单片机构成的控制器模块，其用于控制所述电能表工作，同时也输出驱动信号，通过继电器驱动模块驱动继电器开通或者关断；继电器的活动端串接在电力线上，通过继电器活动端的开通和关断实现智能电能表的费控功能。

但是，现在常用的智能电能表，由于其采用PLC通信模块对外进行通信，因此其通信速率受到严重限制，通信成功率低且易受到干扰；此外，由于采用51系列单片机构成控制器模块，因此电能表的性能受到51系列单片机性能的严重制约。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种通信速率快且稳定，而且性能较好的新型智能电能表。

本实用新型提供的这种新型智能电能表，包括控制器模块、计量模块、存储模块、电源模块、继电器驱动模块、继电器和PLC通信模块，PLC通信模块采用G3_PLC通信模块；G3_PLC通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部进行通信。

所述的G3_PLC通信模块采用ATPL250A双通道自适应载波控制方案。

所述的控制器模块采用型号为SAM4C32的控制器芯片构成的控制器模块。

所述的新型智能电能表还包括MBUS通信模块；MBUS通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部的水表、燃气表和热量表进行通信，从而实现所述的新型智能电能表的电、水、气、热四表集抄。

所述的新型智能电能表还包括P1口通信模块；P1口通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与用户的终端设备进行通信。

所述的P1口通信电路，包括电源模块、接口、数据请求电路和数据发送电路；电源模块用于给新型P1口通信电路供电；数据请求电路的输入端连接接口，数据请求电路的输出端连接数据请求引脚，数据请求电路用于从接口获取数据请求的驱动信号并传递给数据请求引脚；数据发送电路的输入端连接数据发送端口，数据发送电路的输出端连接接口，数据发送电路用于根据数据请求引脚获取的数据请求的驱动信号，将数据通过数据发送电路输出至接口。

所述的数据请求电路包括数据请求限流电阻、数据请求隔离光耦、数据请求上拉电阻和数据请求保护二极管；数据请求引脚从接口获取外部的数据请求的驱动信号；数据请求引脚通过串接的数据请求限流电阻连接到数据请求隔离光耦的输入端正极，数据请求隔离光耦的输入端负极直接接地；数据请求隔离光耦的输出端一端直接接地，数据请求隔离光耦的输出端另一端为信号接收引脚，同时还引脚还通过数据请求上拉电阻连接电源信号。

所述的数据发送电路包括数据发送输入开关管限流电阻，数据发送输入开关管、数据发送隔离光耦限流电阻、数据发送隔离光耦、数据发送输出开关管、数据发送输出限流电阻和数据发送输出滤波电容；数据发送引脚通过数据发送输入开关管限流电阻连接数据发送输入开关管的控制端；数据发送输入开关管的动作端一端直接连接电源信号，数据发送输入开关管的动作端另一端通过数据发送隔离光耦限流电阻连接到数据发送隔离光耦的输入端一端，数据发送隔离光耦的输入端另一端直接接地；数据发送隔离光耦的输出端的第一端为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的集电极，其直接连接数据发送输出开关管的控制端；数据发送隔离光耦的输出端的第二端为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的发射极，其直接连接地信号；数据发送隔离光耦的输出端的第三端连接数据发送隔离光耦内的二极管的阴极，数据发送隔离光耦的输出端的第三端连接数据发送隔离光耦内的二极管的阳极连接数据发送隔离光耦副边光敏三极管的基级；数据发送隔离光耦的输出端的第三端还直接连接数据发送电路的信号接收引脚；数据发送隔离光耦的输出端的第一端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出限流电阻；数据发送隔离光耦的输出端的第二端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出滤波电容；数据发送输出开关管的动作端一端接地，数据发送输出开关管的动作端另一端则直接作为数据请求电路的输出端并直接连接接口。

本实用新型提供的这种新型智能电能表，通过采用性能优异的控制器芯片控制新型智能电能表的工作，同时通过通信速率快且抗干扰能力强的G3_PLC通信模块与集中器进行数据交互，并通过MBUS通信模块与水表、气表和热量表进行数据抄读，因此本实用新型的新型智能电能表能够实现电、水、气和热四表集抄，而且通信速率快，通信抗干扰能力强，且新型智能电能表性能优异。

附图说明

图1为现有技术的功能模块图。

图2为本实用新型的新型智能电能表的功能模块图。

图3为本实用新型的G3_PLC通信模块的电路原理示意图。

图4为本实用新型的MBUS通信模块的电路原理示意图。

图5为本实用新型的P1口通信模块的电路原理示意图。

具体实施方式

如图2所示为本实用新型的新型智能电能表的功能模块图：本实用新型提供的这种新型智能电能表，包括控制器模块、计量模块、存储模块、电源模块、继电器驱动模块、继电器、PLC通信模块、MBUS通信模块和P1口通信模块，PLC通信模块采用G3_PLC通信模块；G3_PLC通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部进行通信；G3_PLC通信模块采用ATPL250A双通道自适应载波控制方案；控制器模块采用型号为SAM4C32的控制器芯片构成的控制器模块；MBUS通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部的水表、燃气表和热量表进行通信，从而实现所述的新型智能电能表的电、水、气、热四表集抄；P1口通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与用户的终端设备进行通信。控制器模块的控制芯片自带硬件加密器，实现了数据加密，计量控制、G3通信、水气热表集抄、用户终端设备不间断据输出等多任务并行操作。

如图3所示为本实用新型的G3_PLC通信模块的电路原理示意图：G3_PLC通信模块采用ATPL250A双通道自适应载波控制方案，支持CEN_A与FCC双通道并存，工作通频带分别在41kHz~89kHz和151kHz~472kHz，提高抗噪声能力。

图中，由EMIT0~EMIT5及后续器件构成CEN-A通道发送电路；其中，EMIT0~EMIT5连接G3_PLC通信模块的核心控制芯片ATP250L的通信引脚并进行数据的通信，而且，EMIT0~EMIT 2并联方式提高驱动能力；EMIT0~2信号通过各自的电阻（R133、R150、R185）输出信号后，同时通过上拉电阻R148连接电源信号，同时也通过下拉电阻R200接地；三路信号汇成一路后通过电容C78滤波后连接到放大器Q1的上开关管的控制端，电容C34为滤波电容，而电阻R132和二极管VD5则构成保护电路；同时，EMIT3~EMIT5同样以并联方式提高驱动能力，而且EMIT3~EMIT5以同样的电路（包括电阻R208、R212、R214、R211、R219、R215和R207，电容C116）连接到放大器Q1的下开关管的控制端；放大器Q1的上开关管和下开关管为类型相反的开关管，而且两组信号（EMIT0~ EMIT 2为一组，EMIT3~EMIT5为一组）完全同步，以保证D类放大器Q1的上管与下管是分时导通。R148与R200串联分压为电容C78提供一个静态偏压，R211与R219串联分压为电容C116提供一个静态偏压。根据电容两端压差不能突变的原理在EMIT的上升沿和下降沿触发Q1的上管或下管的导通与截止，而后能量经Q1上管经C114、L19、L20、C115组成的带通滤波网络经L22与C40将波形或者说是能量传送至电网，CEN-A通道的带通滤波网络受控于TXRX0，该网络连接到ATPL250A的CEN-A发送控制口。

其中，带通滤波网络是否接入电路，其由控制信号TXRX0控制：当控制信号TXRX0为高电平时，此时开关管Q4导通，则开关管Q3和Q5的控制端均为高电平，从而使得开关管Q3和Q5截止，因此，带通滤波网络的对地回路（由Q3和Q5构成）断开，此时带通滤波电路并未接入电路进行滤波；相反的，当控制信号TXRX0为低电平时，此时开关管Q3和Q5均导通，此时带通滤波网络的对地回路（由Q3和Q5构成）连通，此时带通滤波电路接入电路并进行滤波。

同样的，EMIT6~EMIT1及后续器件，采用和CEN-A通道发送电路同样的电路形式，连接并构成了FCC通道发送电路。

由VIPA、VIMA、VRC及后续器件构成接收电路。这些网络节点除了具备接收G3_PLC信号的作用外还可以根据不同输入信号下的实际测试情况，自动调节信号接收分压比和载波发送信号强度。接收电路的工作原理是电阻R1与电阻网络（包括R234、R237、R240、R241、R249~R252）组成一个分压电路，AGC0/1/2在不同情况下输出高电平或是高阻，AGC3/4/5在不同情况下输出低电平或是高阻，根据诺顿定理电阻分压网络等效电阻从50k（最大）到36Ω（最小）分压比例从0.98（50/51）到0.035（36/1036），经过分压后的电信信号通过保护二极管VD7和滤波电路（C134和C137，R231和R238）后连接到VIPA、VIMA、VRC信号，而VIPA、VIMA、VRC信号则连接到G3_PLC通信模块的核心控制芯片ATP250L的通信引脚；VIPA、VIMA、VRC信号构成差分接收电路。

在上述描述的电路中，Q1与Q13必须选择D类放大器，推荐型号为FDC6420C和NTGD4167C，该放大器导通阻抗低，导通电压低，响应速度快，耐压相对较高。Q3、Q5、Q17、Q25推荐使用的型号为FDN337N，其过流能力强，响应速度快。另外L19、L20、L22、L25、L26需使用耐冲击电流大于2A的绕线电感，R1必须使用1206封装以上耗散功率电阻。

如图4所示为本实用新型的MBUS通信模块的电路原理示意图：MBUS_TXD引脚为数据发送，发送高电平时光耦U4截止，U3选型为78L05，Z1和Z2是2个13V稳压管。由于U4截止会将U3的GND电平信号抬高26V，因此U3的1脚的输出电压对地为31V。这个电平是主机到从机bit流中“1”的Vmark电平。

MBUS_TXD发送低电平时光耦U4导通，Z2被U4旁路，U3的GND被Z1被抬高13V，因此U3输出电压对地为18V。这个电平是主机到从机bit流中“0”的Vspace电平。

MBUS_RXD引脚为数据接收，电流的变化通常比较难以检测，该实施例中是将电流变化转换成电压变化来进行数据解析。电阻R6为阻值为100欧的功率电阻，会将接收数据中11~20mA的电流变化（以下描述以产生20mA电流变化为例说明）转换为B1节点1.1~2V的电压波动。

从站bit流传输“1”时，Imark仅为负载静态电流消耗，B1位置没有电压变化，但是由于D1前向电压的存在、前向电压大约1V，比较器U1的第3脚电压31V高于第2脚电压30V，U1输出高电平U2截止，因此MBUS_RXD处为高电平。

从站bit流传输“0”时，TB1处会产生20mA的电流消耗，这个电流消耗在R6上产生2V的压降，因此B1位置电压降低到29V。由于二极管D1反向截止以及C1电容上的能量无法得到快速释放特性，比较器第3脚电压29V低于第2脚电压30V，U1输出低电平U2导通，因此MBUS_RXD处为低电平。

如图5所示为本实用新型的P1口通信模块的电路原理示意图：该电路符合DSMR5.0（DUTCH SMART METER REQUIREMENTS）标准。

P1口通信电路包括电源模块、接口、数据请求电路和数据发送电路；电源模块用于给新型P1口通信电路供电；数据请求电路的输入端连接接口，数据请求电路的输出端连接数据请求引脚，数据请求电路用于从接口获取数据请求的驱动信号并传递给数据请求引脚；数据发送电路的输入端连接数据发送端口，数据发送电路的输出端连接接口，数据发送电路用于根据数据请求引脚获取的数据请求的驱动信号，将数据通过数据发送电路输出至接口。

数据请求电路包括数据请求限流电阻R230、数据请求隔离光耦U30、数据请求上拉电阻R228和数据请求保护二极管TVS4；数据请求引脚（图中标示P1_REQ）从接口获取外部的数据请求的驱动信号；数据请求引脚通过串接的数据请求限流电阻连接到数据请求隔离光耦的输入端正极（光耦1脚），数据请求隔离光耦的输入端负极直接接地（图中标示DATA_GND）；数据请求隔离光耦的输出端一端直接接地，数据请求隔离光耦的输出端另一端为信号接收引脚，同时还引脚还通过数据请求上拉电阻连接电源信号（图中标示V3P3SYS）。

所述的数据发送电路包括数据发送输入开关管限流电阻R240，数据发送输入开关管Q21、数据发送隔离光耦限流电阻R237、数据发送隔离光耦U31、数据发送输出开关管Q25、数据发送输出限流电阻R233和数据发送输出滤波电容C29；数据发送引脚（图中标示P1_DATA_MCU）通过数据发送输入开关管限流电阻连接数据发送输入开关管的控制端；数据发送输入开关管的动作端一端直接连接电源信号（图中标示V3P3SYS），数据发送输入开关管的动作端另一端通过数据发送隔离光耦限流电阻连接到数据发送隔离光耦的输入端一端（U31的1脚），数据发送隔离光耦的输入端另一端直接接地；数据发送隔离光耦的输出端的第一端（U31的5脚）为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的集电极，其直接连接数据发送输出开关管的控制端；数据发送隔离光耦的输出端的第二端（U31的4脚）为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的发射极，其直接连接地信号；数据发送隔离光耦的输出端的第三端（U31的6脚）连接数据发送隔离光耦内的二极管的阴极，数据发送隔离光耦的输出端的第三端连接数据发送隔离光耦内的二极管的阳极连接数据发送隔离光耦副边光敏三极管的基级；数据发送隔离光耦的输出端的第三端还直接连接数据发送电路的信号接收引脚；数据发送隔离光耦的输出端的第一端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出限流电阻；数据发送隔离光耦的输出端的第二端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出滤波电容；数据发送输出开关管的动作端一端接地，数据发送输出开关管的动作端另一端则直接作为数据请求电路的输出端并直接连接接口。

图中，P1_REQ_MCU和P1_REQ_MCU连接控制器MCU（若该新型P1口通信电路用于电能表，则控制器则为电能表的控制器）；U30的型号为TLP785，当P1_REQ为高电平时，表示接口所连接的用户终端设备有数据请求指令。此时光耦导通，P1_REQ_MCU被拉到低电平。MCU响应这个低电平，并在低电平持续时间内通过P1_DATA_MCU通过RJ11端口持续向用户终端设备以115200bps速度传输数据。当P1_REQ_MCU低电平状态结束时，P1_DATA_MCU停止向外界发送数据。以上通信控制方案来自DSMR5.0标准要求。图中R230=510Ω，R223=270Ω，TVS4选择SMBJ6.0CA用于做过压保护

高速光耦U31的型号为PS8302L，在额定IF为16mA时最大上升沿和下降沿时间为0.8uS。当P1_DATA_MCU发送低电平时U31导通，Q25基极为低电平截止，P1_DATA处于集电极开路模式。集电极开路模式的数字电平逻辑要配合用户终端设备（即连接到接口的设备）才能够实现，因为用户终端设备接入P1口电路时，P1_DATA口线在终端设备内部是通过电路上拉到电源的，所以当Q25截止时实际用户终端设备接收到的P1_DATA状态是高电平。

当P1_DATA_MCU发送高电平时U31截止，Q25基极为高电平导通，P1_DATA被拉到地，为低电平；从而满足数据输出高必须以集电极开路模式设计、数据信号必须是逻辑取反的功能的要求。

V3P3SYS=3.3V。电路中R237=100Ω，此时IF=（3.3-VCE-VF）/100=（3.3V-0.3V-1.5V）/100Ω=15mA，接近额定电路至16mA。R233=2KΩ，用于保证Q25的导通和截止电压。按照115200bps速率计算数据传输的位时间为8.6uS。实际传输数据上升沿时间1.2uS,下降沿时间1uS，低电平287mV。满足设计指标要求。

Claims (6)

1.一种新型智能电能表，包括控制器模块、计量模块、存储模块、电源模块、继电器驱动模块、继电器、PLC通信模块和P1口通信模块，其特征在于PLC通信模块采用G3_PLC通信模块；G3_PLC通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部进行通信；P1口通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与用户的终端设备进行通信；所述的P1口通信电路，包括电源模块、接口、数据请求电路和数据发送电路；电源模块用于给新型P1口通信电路供电；数据请求电路的输入端连接接口，数据请求电路的输出端连接数据请求引脚，数据请求电路用于从接口获取数据请求的驱动信号并传递给数据请求引脚；数据发送电路的输入端连接数据发送端口，数据发送电路的输出端连接接口，数据发送电路用于根据数据请求引脚获取的数据请求的驱动信号，将数据通过数据发送电路输出至接口。

2.根据权利要求1所述的新型智能电能表，其特征在于所述的G3_PLC通信模块采用ATPL250A双通道自适应载波控制方案。

3.根据权利要求1或2所述的新型智能电能表，其特征在于所述的控制器模块采用型号为SAM4C32的控制器芯片构成的控制器模块。

4.根据权利要求1或2所述的新型智能电能表，其特征在于所述的新型智能电能表还包括MBUS通信模块；MBUS通信模块与控制器模块连接，用于所述新型智能电能表与外部的水表、燃气表和热量表进行通信，从而实现所述的新型智能电能表的电、水、气、热四表集抄。

5.根据权利要求1所述的新型智能电能表，其特征在于所述的数据请求电路包括数据请求限流电阻、数据请求隔离光耦、数据请求上拉电阻和数据请求保护二极管；数据请求引脚从接口获取外部的数据请求的驱动信号；数据请求引脚通过串接的数据请求限流电阻连接到数据请求隔离光耦的输入端正极，数据请求隔离光耦的输入端负极直接接地；数据请求隔离光耦的输出端一端直接接地，数据请求隔离光耦的输出端另一端为信号接收引脚，同时还引脚还通过数据请求上拉电阻连接电源信号。

6.根据权利要求5所述的新型智能电能表，其特征在于所述的数据发送电路包括数据发送输入开关管限流电阻，数据发送输入开关管、数据发送隔离光耦限流电阻、数据发送隔离光耦、数据发送输出开关管、数据发送输出限流电阻和数据发送输出滤波电容；数据发送引脚通过数据发送输入开关管限流电阻连接数据发送输入开关管的控制端；数据发送输入开关管的动作端一端直接连接电源信号，数据发送输入开关管的动作端另一端通过数据发送隔离光耦限流电阻连接到数据发送隔离光耦的输入端一端，数据发送隔离光耦的输入端另一端直接接地；数据发送隔离光耦的输出端的第一端为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的集电极，其直接连接数据发送输出开关管的控制端；数据发送隔离光耦的输出端的第二端为数据发送隔离光耦副边光敏三极管的发射极，其直接连接地信号；数据发送隔离光耦的输出端的第三端连接数据发送隔离光耦内的二极管的阴极，数据发送隔离光耦的输出端的第三端连接数据发送隔离光耦内的二极管的阳极连接数据发送隔离光耦副边光敏三极管的基级；数据发送隔离光耦的输出端的第三端还直接连接数据发送电路的信号接收引脚；数据发送隔离光耦的输出端的第一端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出限流电阻；数据发送隔离光耦的输出端的第二端和数据发送隔离光耦的输出端的第三端之间还并接有数据发送输出滤波电容；数据发送输出开关管的动作端一端接地，数据发送输出开关管的动作端另一端则直接作为数据请求电路的输出端并直接连接接口。