CN2727847Y - 智能供用电、防窃电网络管理系统 - Google Patents

Abstract

一种智能供用电防窃电网络管理系统，包括公用电话交换网、计算机系统，由固定电话机或移动手机组成的DTMF信号发生器，它的特点是：公用电话交换网上还连接有多个集中管理器，每个管理器通过电力线串接有一个自动开关，开关后面并联有多部智能载波电能表。该电能表是在现有电子电能表内增设了包括SSC通信模块、漏电采集、负载状态采集、电能量数据采集、用电申请、控制等电路；集中管理器主要负责数据的传送与接收，本配电网总电度量的统计、存储，电能脉冲的循环计数，定时查询，控制配电网络层的运行工况等，该系统采用SSC通信网与广域网互联的方案，实现了现代配电系统多层次智能化和网络化的供用电控制管理、远程抄表和远程控制管理，并能有效的防止窃电行为的发生，适合我国智能供用电、防窃电网络管理系统，包括高、中压配电系统使用。

Description

智能供用电、防窃电网络管理系统

[所属技术领域]

本实用新型涉及一种电力管理系统，具体说是一种智能供用电、防窃电网络管理系统。

[背景技术]

近几年来，国家投入大量资金对城市和农村的电网进行了改造，使得配电网的情况有了极大的改善。实施电网改造后，配电网不断发展，管理和控制的复杂性加大，用户对供电可靠性、安全性及电能质量的要求也越来越高。因此，低压供用电的智能化和网络化控制管理已经成为电力公司在电力市场竞争中取胜的法宝。同时电网上还不时发生窃电现象，给供电管理部门造成很多麻烦和较大的经济损失。

[发明内容]

为了克服现有电力网络的上述缺陷，本实用新型提供一种先进的智能供用电、防窃电管理系统。以提高所供电力的可靠性、安全性及电能的质量，既满足群众对用电的要求，又能防止窃电行为的发生，方便供用电管理部门的日常维护和管理。

为解决其技术问题，本实用新型采用的技术方案是：本发明人经过多年的研究与实验，利用电力线通信技术(PLC)结合其它通信技术、计算机技术、微电子技术等，优势互补，有机整合，最后研制出“智能供用电、防窃电网络管理系统”。该系统采用分层、分布式通信结构，即低压配电网构成电力线扩频载波通信网，简称SCC通信网，用以实现对低压电力客户、低压配电网的智能化控制管理和数据采集；同时SCC通信网通过网络交换机或集中管理器与广域网进行互联，可以很方便的连接到电力管理中心或电力客户服务网的计算机管理系统或电力客户和用电管理人员的通信设备上，实现远程抄表和远程控制管理。

该网络管理系统，包括多块智能载波电能表、集中管理器、DTMF信号发生器、计算机系统等四部分构成。其中计算机系统称为上位机；DTMF信号发生器由移动电话或固定电话机组成，在此时的电话机称为远程遥控器；集中管理器和智能载波电能表构成下位机系统。智能载波电能表安装在每个用电户，每个集中管理器的输入端串接有一个自动开关，并联连接有多块智能载波电能表，每个集中管理器输出端连接到公用电话交换网上，在公用电话交换网上还连接有计算机系统和由固定电话机或移动手机组成的DTMF信号发生器，完成智能供用电、防窃电网络管理功能。

本实用新型的有益效果是：①由于本实用新型采用了智能载波电能表，因此该系统功能强大；它具有实时抄表、定时抄表功能，实现自动化收费；具有实时防漏电、防过负荷控制管理和防窃电控制管理功能，实现自动化供用电管理；具有实时远程控制管理能力，实现和电力客户共享的远程遥控管理。②由于系统的电表、集中管理器都采用先进的微处理器，因此数据处理精确；采用先进的传感技术，实时采样；采用级间隔离，防止干扰进入。③安全可靠；系统采用防雷电、防电弧等强电磁干扰设计；抄表主机设有密码，严防无关人员操作。④操作简捷：管理人员操作界面、主机、集中管理器和电表设计均采用最简洁的直观方式，便于各种场合的安装。⑤扩展性强：本系统在低压SSC通信网中增添功能设备，不需更改硬件，只需在网络数据库中增添或修改参数配置即可；组建高压、中压配电网系统容易实现。

[附图说明]

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型结构示意框图。

图2是单块智能载波电能表的硬件原理框图。图中①接基表电源，②连至基表0.01KWh电量输出脉冲；③引自基表内闪光电能脉冲。

图3是集中管理器硬件原理框图。图中①来自DTS339电能表的电能脉冲；②来自DTS339电能表的电度量脉冲；③来自电流传感器；④去控制自动开关；⑤来自零序电流传感器。

图4是SCC通信模块电路原理框图。

[具体实施方式]

参照图1：在公用电话交换网上通过电话线连接有功能强大的计算机系统(1)，同时通过电话线连接有固定电话座机或无线移动电话机组成的DTMF信号发生器(2)，本系统在公用电话交换网上通过电话线还连接有多个集中管理器(3)，每个集中管理器通过电力线和自动开关(4)，连接有设在用电户的多块智能载波电能表(5)，该电能表是220伏或380伏的电能计量装置。

参照图2：该图是系统中智能载波电能表的硬件原理框图。它是在现有DDS339或DTS339型电子式电能表内添加有microchip公司的PIC16F873型单片微处理器(6)。该微处理器内配置有128×8位EPROM存贮器，可由用户程序进行读写，所以在掉电情况下保存数据不致丢失；还配置有掉电复位锁定电路，所以芯片在脱离复位状态进入运行状态后，不会改变寄存器的值，保证系统继续运行下去；另外微处理器内还设有看门狗电路，串行接口等，是一种灵活度高、稳定性好的微处理器。在该微处理器的输入端连接有SSC通信模块(10)、漏电采集电路(9)、负载状态采集电路(13)、用电申请电路(17)、电度量脉冲信号光电耦合隔离器(19)、电能脉冲信号光电耦合隔离器(18)、微型电流传感器TH1(11)、TH2(12)及电源电路(7)、时钟电路(8)，在微处理器的输出端连接有控制电路(15)及大负载自锁式控制继电器(14)，用电申请电路的输出端经R电路(16)与电能表内的相线相连，电能表的输入端子 分别接外线的相线和中线，电能表的输出端子

分别连至输出的相线和中线。

图2中②的信号来自DDS339或DTS339电子电能表的电度量脉冲信号，为了保证数据采集的可靠性，在采集电路中采用光电隔离器件。工作时由设定程序往TMR0加计数器写入数据后，电能量脉冲通过RA4/T0CKI管脚引入，即可开始递增循环不间断计数，从初值到00H时有溢出，同时产生TMRO中断，由中断服务程序刷新TMRO加计数器初值，然后将数据递增写入E2PROM数据存储器，实现电度量的储存，以便远程抄表时读取。

图2中③的信号来自DDS339或DTS339电子式电能表的电能脉冲信号(即电能闪光信号)。当电力客户申请使用电力时，在电能表中即有电能脉冲产生，此脉冲经过光电耦合器通过RCO/T1CKI管脚引入。当系统加电初始化时应在TMR1模块中写入初值0000H，工作时，当外部RC0/T1CKI管脚上输入有跳变时，TMR1加计数器自动递增计数。对其计数的目的有二，其一，是供系统中的集中管理器定时(10分钟)循环统计查询，也就是在同一时段内，本配电网中各地址(节点)上的电力客户各受用了多少电能脉冲数，将其各受用数累加统计后，与同一时段内所输出的电能脉冲数总和做与逻辑运算，其结果再与设定线损常数做减法运算，即可判断出本配电网中是否存在窃电即非法电力客户。网络系统定时循环查询时，指令经SSC通信模块串行输入到RC4、RC5管脚上，数据发送经RC5/SD0管脚串行输出经SSC通信模块耦合至电力线上，工作时由查询TMR1计数值的通信中断服务程序完成数据循环发送等操作。

其二，是定时查询电能表计量系统故障否，其功能的实现是在定时查询TMR1计数值的通信中断服务程序后增添有关查询计量系统的逻辑状态鉴别服务程序而实现的，计量系统状态逻辑鉴别如下表：

表一：计量系统状态逻辑鉴别表

本次查询的计数脉冲-00H	测试RA0	测试RA1	鉴别结果
				为0	L	L	故障
为0	H	H	正常
				大于1则跳	不需测试	不需测试	正常

从表中可以看出当本次查询的计数脉冲减去00H数据后，结果仍等于00H时，程序跳转去执行测试RA0、RA1的电平状态，如RA0、RA1为00状态，说明计量系统故障RBO被置高电平，LED指示“故障”，故障数据寄存器被置01H后调用停电程序中止电力客户的电能使用，而后返回，保证电能计量数据不丢失，继而智能化地保护了供电企业的经济效益不受损失，同时电力管理中心计算机管理系统能很方便地查询到带计量系统故障的智能载波电能表的具体地址，智能载波电能表上LED故障显示也告诉了电力客户停电的原因。

图2中的用电申请、负载状态采集、漏电采集等电路，分别接至RA0-RA3，按表二的状态由主程序采集，决定流程控制和路径选择。其中用电申请电路，只需电力客户接通任意大小的负载均可激活RA0即刻进入正常用电状态。

表二：单元用户层负载状态逻辑鉴别表

RA3	RA2	RA1	RA0	状态
					H	H	H	H	空载
H	H	L	L	正常
					H	H	H	L	窃电
H	L	L	L	过载
					L	H	L	L	漏电

从表中可以看出，当采集的数据为1110时，说明电力客户非法使用电力，程序转去执行设定的非法用电程序，经过10s延时后再查询数据仍为1110时，证明电力客户仍在坚持窃电的非法行为，RB1被置高电平，LED指示“非法”，非法数据寄存器被置01H值后调用停电子程序中止电力客户的非法用电行为，而后返回。这时的电力客户需重新正常用电时，须请用电管理人员远程发送“非法解除”指令后才能获得正常用电权。由此供电企业的合法权益在分布式的用户层中就得到了智能化的保护。

当采集的数据为1000时，说明电力客户的负荷过载，程序转去执行设定的反过载程序，每经过5s调用送电子程序一次进行试送，试送满3次不成功时，RB2被置高电平，LED指示“过载”，过载数据寄存器被置01H值后返回。这时的电力客户需查清原因予以排除后须请用电管理人员远程发送“过载解除”指令后才能得以用电。由此智能化的避免事故扩大而酿成电力客户的设备损坏或诱发电气火灾。

当采集的数据为0100时，则说明电力客户室内用户线或设备发生漏电事故，如电器绝缘损坏或有人不小心触及带电体。程序则转去执行设定的反漏电程序，也是每经过5s调用送电子程序一次进行试送，同样试送满3次不成功时，RB3被置高电平，LED指示“漏电”，漏电数据寄存器被置01H值后返回。这时的电力客户需排除漏电事故后，也同样须请用电管理人员远程发送“漏电解除”指令后才能得以用电。从而智能化的避免事故扩大而保护了电力客户的人身及设备安全。

另外图2中的控制电路接受上述各功能程序的流程控制，负责控制分布式电力客户层的工作状态转换。

微处理器PIC16F873芯片中还设置了倍率存储器(E2PROM，赋值01H)、网控寄存器、客控寄存器和封装了相应的应用程序，分别可由电力管理中心的计算机管理系统和用电管理人员、电力客户用各自的通信工具(固定电话机、移动手机)按照相关指令完成远程控制。如电力管理中心可以用计算机管理系统发送有关指令，拒绝向某目标地址未缴纳电费的客户供电；又如电力客户可以远程控制自己家中的用电状态等。

参照图3：对集中管理器的工作原理说明如下：

集中管理器主要负责数据(指令)的传送与接收；本配电网总电度量的统计、存储；总电能脉冲的循环计数；定时10分钟循环查询，累计本网络中各节点智能载波电能表的循环电能脉冲数值并与同一时段内总电能脉冲的循环计数值做有关运算，并判断决策配电网络层的运行方式；实时检测本配电网络层的安全运行参数和实时决策，控制配电网络层的运行情况。集中管理器的主要器件是microchip公司的PIC16F874单片微型计算机(20)。该计算机的输入端RC0和RA4分别连接有电能脉冲采集电路(24)和电度量脉冲采集电路(25)的输出端，电能脉冲采集电路(24)的输入端①连至DTS339电能表的电能脉冲信号，电度量脉冲采集电路的输入端②连自DTS339电能表的电度量脉冲信号，以便对电度量的计数和储存，让远程抄表时读取。微型计算机的输入端还连接有SSC通信模块电路(26)，该模块电路与电力线相连接，还连接有漏电流采集电路(27)，时钟电路(29)、电源路(30)，负载状态采集电路(31)、自动摘挂机电路(22)及与之相连的DTMF转换电路(23)，通信接口MODEM电路(21)。微型计算机的输出端连接有控制电路(28)，该控制电路的输出端连至图1中的自动开关(4)。

当配电网中有电力客户使用电力时，在电能表中即有电能脉脉冲产生，此脉冲经过光电耦合通过RCO/T1CKI管脚引入。当系统加电初始化时应在TMR1模块中写入初值0000H。工作时，当外部RC0/T1CKI管脚上输入有跳变时，TMR1加计数器自动递增计数。当外部计时满10分钟时，RB0/INT管脚上输入有跳变，同时产生INT中断，由中断服务程序将TMR1计数值读走后，存放在设定的寄存器中，接着刷新TMR1加计数器为0000H初值，然后通过SSC通信模块(26)接收，累加本配电网各节点智能载波电能表同一时段内受用的电能脉冲循环计数值，将累加值与本次TMR1计数值(已存放在设定寄存器中)做与逻辑运算，其结果与设定的线损常数做减法运算，测试影响状态位C为0时则跳回，如影响状态位为1时则证明配电网上有窃电即非法电力客户存在，例如有人在计量装置前或野外搭钩用电、绕表用电等，这时RE0被置高电平，LED指示“非法”，非法数据寄存器中被置数据01H；然后调用停电子程序中止对供电网的供电后返回。这一程序运行后，间断10分钟后才能执行到送电子程序。所以每发生一次非法用电供电网将停电10分钟，等待非法解除，如果非法不解除，配电网将会进入停电10分钟送电10分钟周而复始的间断运行方式，直至解除非法后才能恢复正常的运行方式。

图3中的负载状态采集电路(31)，漏电流采集电路(32)分别由RA0和RA1管脚引入计算机，主程序可以按表3进行测试，然后决定流程控制。

表3：配电网运行工况鉴别表

RA1	RA0	工况
			H	H	正常
H	L	过载
			L	H	漏电

从表中可以看出，当测试到RA1-RA0值为11时，主程序继续往下执行；当测试值为10时，程序转去执行设定的反过载服务子程序调用停电子程序中止对过载配电网的供电后，继调延时5s的子程序和送电子程序进行试送后返回，试送满3次不成功时，RE1被置高电平，LED指示过载，过载数据寄存器被置01H值后返回。这时的配电网已进入无压运行工况，需排除故障后再由用电管理人员远程对集中管理器发送“过载解除”指令后方能重新恢复正常供电。智能化地控制和避免了事故扩大而保护了公共供电设施的安全。

当测试到RA1-RA0值为01时，程序转去执行设定的反漏电服务子程序调用停电子程序中止对漏电的配电网供电后，再调延时5s的子程序和送电子程序进行试送后返回，同样试送满3次不成功时，RE2被置高电平，LED指示漏电，漏电数据寄存器被置01H后返回。需恢复配电网正常供电时，必须排除漏电故障后请用电管理人员远程对集中管理器发送“漏电解除”指令后方获正常，这样就实现了智能保护供电安全的目标。

图3中的自动摘挂机电路(22)工作时，远程控制操作者用通信工具(固定或移动电话)，发送需远程控制的SSC通信网址的电话号码，电信局发送的振铃信号可指挥集中管理器中微处理器(20)的RA2引脚下跳变，设定的程序立即向RA3引脚送出高电平，实现自动摘机功能，DTMF转换电路(23)投入工作，RB1-RB4引脚准备引入经转换后的BCD数码。这时已完成发送电话号码的远程操作者可按表4的指令意义加发DTMF数码。

表4：远程控制通信指令表

目标地址码(000-255)	目标指令	指令意义
			×××	1	供电
×××	2	停电
			×××	※	过载事故解除
×××	#	漏电事故解除

集中管理器的CPU(20)就会将DTMF数码按接收的顺序储存在设定的寄存器中并按每接收完4位DTMF数码后，立即置RA3为低电平以实现自动挂机。然后调用SSC通信程序将指令从串行口传送经SSC通信模块耦合至电力线两次后将有关寄存器清零返回。就实现了供用双方同享的远程控制管理。

图3中moderm电路(21)接入微型计算器PIC(20)的RB5、RB6端，这两端分别为PIC的数据发送/接收端，这两个端口需通过软件驱动程序和modem来远程实现与电力管理中心计算机管理系统通信连接。当电力管理中心计算机管理系统企图接收某配电网系统各地址上的各种数据，或控制某地址单元时，根据设计的指令，首先向某配电网系统配置的SSC通信网地址发送一组有效电话号码，同样电信局发送的振铃信号指挥集中管理器自动摘机，紧接着发送0AH数据，集中管理器按指令意义启动软件驱动程序从D`21`地址单元，逐一与SSC通信网上相应地址通信，读取各种数据或写入某种数据(如读取电度量数据，写入停电或供电指令等)，读取的数据暂存在设置的各种寄存器中，然后串行发送给上位机。每给上位机发送完所有数据后地址递增寄存器加1，继续上述功能，待地址寄存器递增＞255溢出时置RA3为低电平，实现自动挂机后返回。如此将广域网通过集中管理器与SSC通信网互联，就能方便地实现远程抄表、远程自动控制等网络化管理功能。

参照图4，对SSC通信模块电路的结构说明如下：

SSC通信模块电路，主要由带通滤波器模块(35)，前置放大电路(34)、功率放大器(36)、电力三通块(37)、SC1128芯片(33)及PIC16F874单片微型计算机(32)组成。其中SC1128芯片(33)是一种适合中国民用配电网的电力线载波芯片，它采用了直接序列扩频，数字信号处理，直接数字频率合成等新技术，因此，该芯片应用在电力线通信方面具有较强的抗噪声干扰和对传送信号的抗衰减能力。SC1128芯片内部集成了扩频/解扩、调制/解调，D/A和A/D转换，内置电子表、输出驱动、输入放大、看门狗、工作电压检测及与单片机(MCU)串口通信等功能。+5V工作电压，采用63位直接序列扩频码，数据速率可调，特别适合于低速率通信的电力线通信系统。

其中带通滤波器(34)可以让100-400KHZ的信号顺利通过，而将带外的杂波滤除。并保证前后级之间的阻抗匹配，以达到提高传递信号效率的目的。

前级放大器(34)要实现小信号的不失真放大，增益在30dB以上，并且要求电路本身的噪声电平不能太大。因为信号在电力线上传输时衰减很快，所以由SC1128SEND端输出的信号必须经过功率放大电路(36)放大后再耦合到电力线上去，才能保证信号的传输距离足够远。

电力三通模块(37)有以下3个功能

(1)电力线耦合保护

为了防止电力线上出现瞬间的高压对电路电子元件造成永久性的损坏，必须采取特殊的保护措施。耦合保护电路主要由MOV、TVS等元件构成。金属氧化物变阻器MOV可以在电力线瞬间高压下给电子元件提供保护。TVS是一个浪涌保护二极管，经电阻隔离后接双二极管箝位电路，输出给前级带通滤波电路。

(2)系统供电

耦合输入端的高频信号在经过电源变压器(低通)后，部分高频信号被滤除，再通过低通滤波器，进一步把功率信号中的高频信号滤除，从而得到了单一的24V输出电压。经过整流和滤波后，这个电压可以变成12V、5V等级不同的电压供给系统。

(3)实现工频信号和高频信号的有效分离

当50HZ的工频信号和高频信号同时耦合到输入端时，高频电容C把220V/50HZ的工频信号隔离，让高频信号顺利通过。同时高频变压器，它对于100-400KHZ的高频信号是一条线性通道，而对低频信号起抑制作用。高频信号通过高频变压器耦合到内部后续电路之后，再被做进一步的信号处理。

SSC通信模块的工作原理是：

当电力线上有扩频信号时，这些信号先后经过电力三通块耦合电路(37)、带通滤波器(35)，前级放大电路(34)，到达SC1128(33)的信号输入V_端。信号经过SC1128的内部放大、解调、DSP、解扩、解码等一系列处理后，由TX端传递给微处理器(32)PIC16F874/873。传递数据时，要求将SR端置于低电平，SYN发出同步脉冲。PIC16F874/873在同步脉冲的作用下接收数据，并将数据处理后传给上位机。当系统有数据发送时，SR被置高电位，SYN产生同步脉冲，PIC在同步脉冲的作用下把数据经TX端发给SC1128。SC1128接收到数据后，经过对数据编码、扩频、DSP、调制等一系列处理，再经SEND端将数据传送给功率放大器。信号经放大后经电力三通模块(37)耦合到电力线上去。

需要指出，电路在工作之前要通过PIC16F874/873(32)对SC1128(33)进行初始化，以设定通信速率和捕获门限的大小。初始化是通过CS、SETCLK和LINE三端进行的。

Claims (4)

1、一种智能供用电防窃电网络管理系统，包括公用电话交换网络，由电话机或移动手机组成的DTMF信号发生器，计算机系统，其特征是：在公用电话交换网络上除连接有由固定电话机或移动手机组成的DTMF信号发生器外，还连接有功能强大的计算机系统(1)，和至少一个集中管理器(3)，每个集中管理器通过电力网络的电力线串接有一个自动开关(4)，并接有多部安装在电力用户的智能载波电能表(5)。

2、根据权利要求1所述的智能供用电防窃电网络管理系统，其特征是：所述智能载波电能表是在现有电子式电能表内添加有PIC16F873型单片微处理器(6)，在该微处理器的输入端连接有SSC通信模、块(10)、漏电采集电路(9)、负载状态采集电路(13)、用电申请电路(17)、电度量脉冲信号光电耦合隔离器(19)、电能脉冲信号光电耦合隔离器(18)、微型电流传感器TH1(11)、TH2(12)及电源电路(7)、时钟电路(8)，在微处理器(6)的输出端连接有控制电路(15)及大负载自锁式控制继电器J(14)，用电申请电路的输出端经电阻R电路(16)与电能表内的相线相连接，电能表的输入端 分别接外线的相线和中线，电能表的输出端

分别连接输出的相线和中线。

3、根据权利要求1所述的智能供用电防窃电网络管理系统，其特征是：所述集中管理器的主要器件是PIC16F874单片微型计算机(20)，该计算机的输入端RC0和RA4脚上分别连接有电能脉冲采集电路(24)和电度量脉冲采集电路(25)的输出端，电能脉冲采集电路的输入端①连至DTS339电能表的电能脉冲信号，电度量脉冲采集电路的输入端②连自DTS339电能表的电度量脉冲信号；微型计算机的输入端还接有SSC通信模块电路(26)，该模块电路与电力线相连接，还接有漏电流采集电路(27)，时钟电路(29)、电源电路(30)，负载状态采集电路(31)，自动摘挂机电路(22)及与之相连的DTMF转换电路(23)、MODEM电路(21)、微型计算机的输出端连接有控制电路(28)。

4、根据权利要求1所述的智能供用电防窃电网络管理系统，其特征是：所述SSC通信模块电路主要由带通滤波器模块(35)、功率放大器(36)、电力三通块(37)、SC1128电力载波芯片(33)及PIC16F874/873单片微型计算机(32)组成，它们的电连接关系是：电力线上的扩频信号先后经过电力三通耦合电路(37)、带通滤波器(35)、前级放大电路(34)后连接到SC1128(33)芯片的V_端输入，SC1128芯片的TX端、SR端、SYN同步信号端分别与计算机PIC16F784/873(32)的对应脚相连，SC1128芯片的输出端与输出功率放大器(36)电连接，该放大器的输出端与电力三通(37)的一端相连接。

Images