CN102901851A - 具有rs485控制信号输出的单相远程费控智能电能表 - Google Patents

Abstract

具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，涉及一种智能电能表，它解决了现有的单相远程费控智能电能表不能对一个以上的开关进行不同状态的控制的问题。它的计量电路的信号输出或输入端与处理电路的一号信号输入或输出端连接，处理电路的二号信号输入或输出端与接口电路的信号输出或输入端连接；本发明能够实现多种方式的通信，RS485通信接口除了能够本地参数设置、抄读电表本身的数据外，还能够输出控制信号，控制智能家电或智能插座的断电或上电，现实了对多个以上的开关进行不同状态的控制。本发明适用于需要计量电能及智能控制场合。

Description

具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表

技术领域

本发明涉及一种智能电能表，具体涉及一种单相远程费控智能电能表。

背景技术

为了落实建设“坚强智能电网”的发展规划，国家电网公司于2009年9月发布了关于单相智能电表的相关标准(Q/GDW354-2009、Q/GDW355-2009、Q/GDW364-2009、Q/GDW365-2009)，并于2010年开始进行了智能电表的集中规模招标。上述标准中对单相智能电表的功能要求包含：分时正反向有功计量、运行参数测量、数据冻结存储、预付费控制、事件记录与报警、当地显示操作、远程停上电功能，与之前的普通电子式单相电能表有了很大的进步。但随着智能电网与物联网融合的不断推进，智能用电小区建设的试点和推广，通过智能电表和智能家电或智能插座之间进行通信并控制通断电的需求不断增加。现有的单相远程费控智能电能表的远程停上电功能，是对置于电表内或电表外的一个负荷开关(磁保持继电器)进行远程断电、上电控制。即智能电能表输出一组开关信号，开关节点容量为交流250V、2A。正常工作时，输出的开关信号维持负荷开关合闸，允许用户用电；当满足断电控制条件时，输出的开关信号驱动负荷开关动作，中断供电。这种控制方式不能对一个以上的开关进行不同状态的控制。

发明内容

本发明是为了解决现有的单相远程费控智能电能表不能对一个以上的开关进行不同状态的控制的问题，从而提供一种具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表。

具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，它包括计量电路、处理电路和接口电路，计量电路的信号输出或输入端与处理电路的一号信号输入或输出端连接，处理电路的二号信号输入或输出端与接口电路的信号输出或输入端连接；

计量电路包括电压采样电路、一号电流采样电路、二号电流采样电路、计量单元和脉冲输出单元，所述电压采样电路用于采集火线的电压，一号电流采样电路用于采集通过火线的电流，二号电流采样电路用于采集通过零线的电流；电压采样电路的电压采样信号输出端与计量单元的电压采样信号输入端连，一号电流采样电路电流采样信号输出端与计量单元的一号电流采样信号输入端连接，二号电流采样电路的电流采样信号输出端与计量单元的二号电流采样信号输入端连接；

接口电路包括RS485通信单元、跳/合闸控制单元和内置继电器，RS485通信单元用于实现处理电路与用户之间的RS485通信；内置继电器串联在火线上，跳/合闸控制单元的控制信号输出端与内置继电器的控制信号输入端连接。

有益效果：本发明能够实现多种方式的通信，RS485通信接口除了能够本地参数设置、抄读电表本身的数据外，还能够输出控制信号，控制智能家电或智能插座的断电或上电，实现了对多个以上的开关进行不同状态的控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，它包括计量电路2、处理电路3和接口电路4，计量电路2的信号输出或输入端与处理电路3的一号信号输入或输出端连接，处理电路3的二号信号输入或输出端与接口电路4的信号输出或输入端连接；

计量电路2包括电压采样电路23、一号电流采样电路24、二号电流采样电路25、计量单元22和脉冲输出单元21，所述电压采样电路23用于采集火线的电压，一号电流采样电路24用于采集通过火线的电流，二号电流采样电路25用于采集通过零线的电流；电压采样电路23的电压采样信号输出端与计量单元22的电压采样信号输入端连，一号电流采样电路24电流采样信号输出端与计量单元22的一号电流采样信号输入端连接，二号电流采样电路25的电流采样信号输出端与计量单元22的二号电流采样信号输入端连接；

接口电路4包括RS485通信单元45、跳/合闸控制单元47和内置继电器48，RS485通信单元45用于实现处理电路3与用户之间的RS485通信；内置继电器48串联在火线上，跳/合闸控制单元47的控制信号输出端与内置继电器48的控制信号输入端连接。

本实施方式是按照Q/GDW354-2009《智能电能表功能规范》、Q/GDW355-2009《单相智能电能表型式规范》、Q/GDW 364-2009《单相智能电能表技术规范》、Q/GDW365-2009《智能电能表信息交换安全认证技术规范》的要求，采用“微处理器+专用计量芯片”的方式实现的。

本实施方式中的计量电路包括：

(1)交流采样

交采包括电压、电流、零线电流三路信号，电压的采样通过电阻分压的方式实现；而两路电流的采样考虑到采样信号的参考地问题，采用锰铜分流器加电流互感器的组合方式来实现。

(2)计量、测量单元

由于需要测量功能，并且具备三路测量回路，选择深圳锐能的RN8209。该芯片具有三路测量回路(∑-ΔADC)；有功电能误差在1500∶1动态范围内＜0.1％；无功电能误差在1500∶1动态范围内＜0.1％；提供两路电流和一路电压有效值测量，在400∶1动态范围内，有效值误差＜0.5％；，内置2.5±3％参考电压，温度系数典型值25ppm/℃，SPI接口等特性，可以满足需求。

本实施方式中，当电能表停电后，需通过电池供电，实现停电显示、按键等操作，软件上需要进行低功耗处理，硬件上应进行隔离，以满足电池长期供电的要求，停电后平均功耗应满足在15uA以下。

本实施方式中，RS485通信需要进行电气隔离，电源可通过变压器实现，信号可通过光耦实现；RS485转换芯片必须带有失效保护，也可通过外部拉电阻的方式实现。

本实施方式中，继电器安装在电能表内部，主要考虑触点容量、控制电压、控制功率等参数，厂家通常是将继电器和锰铜分流器以组件的形式提供给客户，在选择时应一并考虑。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，处理电路3包括MCU31、存储单元32、实时时钟单元33和数据加/解密单元34，存储单元32用于对数据进行存储，实时时钟单元33用于提供实时时钟信号，数据加/解密单元34用于对数据进行加/解密处理。

本实施方式中的处理电路包括：

(1)数据处理

数据处理部分的微处理器采用型号为NEC 78K0_Kx2系列微处理器uPD78F0525A，该微处理器具备如下基本特性：①60k的Flash存储容量，1k的高速RAM，2k的扩展RAM；②指令最短执行时间可以在高速(0.1s：高速系统时钟的操作频率为20MHz)和超低速(122us子系统时钟的操作频率为32.768kHz)之间改变；③内置上电清零(POC)电路和低电压检测电路(LVI)；④供电电压：VDD＝1.8～5.5V；⑤工作环境温度：TA＝-40～+85C。

(2)存储

选用ATMEL的AT24C256，该芯片满足读写次数多，容量大，功耗低，宽电源范围的要求。

(3)实时时钟

实时时钟的采用自带温补电路的EPSON RTC8025T来实现。

(4)数据加解密

数据加密采用SM1算法。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，接口电路4还包括红外通信单元44，所述红外通信单元44用于实现处理电路3与用户之间的红外通信。

本实施方式中，红外采用调制型，载波38k。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，接口电路4还包括载波通信单元46，所述载波通信单元46用于实现处理电路3与用户之间的载波通信。

本实施方式，采用模块化结构设计。采用变压器耦合方式，实现强弱电之间的隔离。载波模块与基表之间的通信接口设计满足Q/GDW 355-2009《单相智能电能表型式规范》要求。载波模块可以使用各种厂家的技术方案。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，接口电路4还包括显示单元41，所述显示单元41用于显示电能表信息。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，接口电路4还包括LED及背光单元42，所述LED及背光单元42用于提供警示及背光。

本实施方式中，显示采用LCD大屏幕中文汉字显示，汉字内容应能满足显示具体内容要求，材料为HTN或FSTN宽温型。显示驱动应满足显示屏段数要求，并具有宽电源范围，低功耗；LED灯应采用高亮灯。背光需采用白色光源。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一、二、四或六所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，接口电路4还包括按键开关43，所述按键开关43用于提供按键操作。

本实施方式中，按键开关也是作为输入、输出电路处理，输入、输出有外部直接接口的需要通过光耦进行电气隔离，没有直接接口的可不隔离(如按键，开盖检测)。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表的区别在于，它还包括电源电路1，所述电源电路1与火线连接，所述电源电路1用于向计量电路2、处理电路3、接口电路4和接口电路4中的RS485通信单元45提供工作电源。

本实施方式为交流电源供电：从单相远程费控智能电能表的供电需求出发，采用了3路电气上相互隔离的电源输出，第a路供给采样及计量用，考虑到采用锰铜分流器，参考地直接接入火线或零线，这一路可采用自耦方式；第b路提供给处理器及其他电路(除RS485通信部分之外)，这部分的输出功率较大，为主路电源，并配合继电器的驱动进行设计；第c路电源提供给RS485通信，输出功率小，为辅路电源。

本发明可以实现的功能有：

(1)计量功能

具有正向有功电能、反向有功电能计量功能，能存储其数据，并可以据此设置组合有功。

具有分时计量功能，有功电能量按相应的时段分别累计、存储总、尖、峰、平、谷电能量。

(2)费控功能

费控功能通过载波等虚拟介质和远程售电系统实现。

(3)费率、时段及电价方案

①具有两套费率时段表，可在约定的时刻自动转换；每套费率应至少支持4个费率。

②具有日历、时钟，全年至少可设置2个时区，在24h内至少可以任意编程8个时段；时段的最小间隔为15min；时段可跨越零点设置。

③具有两套电价方案，可在约定的时刻或达到约定的用电量水平时自动转换。

④支持通过红外、RS485通信接口修改费率表、时段表及电价方案，并应有防止非授权人操作的安全措施。

(4)事件记录

①永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。

②记录编程总次数，最近10次编程的时刻、操作者代码、编程项的数据标识。

③应记录校时总次数(不包含广播校时)，最近10次校时的时刻、操作者代码。

④应记录掉电的总次数，最近10次掉电发生及结束的时刻。

⑤记录最近10次远程控制拉闸和最近10次远程控制合闸事件，记录拉、合闸事件发生时刻和电能量等数据。

⑥记录开表盖总次数，最近10次开表盖事件的发生、结束时刻。

(5)测量功能

能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流(包括零线电流)、功率、功率因数等运行参数。测量误差(引用误差)不超过±1％。

(6)数据存储

可存储上12个结算日的单向或双向总电能和各费率电能数据；数据转存分界时刻为月末的24时(月初零时)，或在每月的1日至28日内的整点时刻。

在电能表电源断电的情况下，所有与结算有关的数据保存10年以上，其它数据保存5年以上。

(7)冻结功能

①冻结内容及对应的数据标识应符合DL/T 645-2007及其备案文件要求。

②定时冻结：按照约定的时间及间隔冻结电能量数据；每个冻结量至少应保存12次。

③瞬时冻结：在非正常情况下，冻结当前的日历、时间、所有电能量和重要测量量的数据；瞬时冻结量应保存最后3次的数据。

④约定冻结：在新老两套费率/时段转换、阶梯电价转换或电力公司认为有特殊需要时，冻结转换时刻的电能量以及其他重要数据，保存最后2次冻结数据。

⑤日冻结：存储每天零点时刻的电能量，应可存储60天的数据。

⑥整点冻结：存储整点时刻或半点时刻的有功总电能，应可存储96个数据。

(8)计时功能

①采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路，具有日历、计时、闰年自动转换功能；内部时钟端子输出频率为1Hz。在-25～+60℃温度范围内，时钟准确度≤±1s/d；在参比温度(23℃)下，时钟准确度≤±0.5s/d。

②电能表可接受的广播校时范围不大于5min；广播校时无需编程键和通讯密码配合；每天只允许校对一次，且应避免在电能表执行冻结或结算数据转存操作前后5min内进行。

(9)通信功能

向上通信(与用电信息采集系统的集中器或采集器通信)通过电力线载波方式进行通信；本地通信有红外线、RS485通信，RS485和红外通信接口具有独立的物理通道，可以抄读数据、设置参数；RS485通信接口还能够输出控制信号，与智能家电或智能插座进行通信。

(10)多功能输出

多功能信号端子可输出时间信号、时段投切信号等，以便监测人员检测。可在同一多功能信号端子通过软件设置进行信号输出转换；缺省输出为时间信号。时间信号为秒信号；时段投切信号为80ms±20ms的脉冲信号。具备时钟信号输出端子。

(11)报警功能

当出现下列故障或报警项时，LCD立即停留在该代码上或报警提示，且背光灯持续点亮；

当剩余电费小于报警电费时，提示“请购电”；

当电能表出现故障时，显示出错信息码(用Err-X X表示)：

①Err-01控制回路错误；

②Err-02ESAM错误；

③Err-04时钟电池电压低；

④Err-08时钟故障；

⑤Err-10认证错误；

⑥Err-16修改密钥错误。

(12)电量清零

可以清除电能表内存储的电量、冻结量、事件记录等数据。

清零操作可作为事件永久记录，具有硬件编程开关、操作密码、封印管理以及保留清零前数据等措施，以防止非授权人的操作。电能表底度值只能清零，不允许设定。

(13)安全防护(编程开关、密码验证)

编程开关：采用按键式设计，且只有在打开封印后方能触及到编程开关；在可编程状态下，若240分钟内没有任何操作，电能表将自动关闭编程状态。

密码验证：电能表需通过编程密码验证才能执行编程或其他特殊操作。密码采用两级管理，每一级密码由6位阿拉伯数字组成；密码权限等级不同，可执行的操作不同。

具有高等级密码权限的人员，可修改低等级密码，并执行低等级密码的所有操作。连续3次密码输入错误，电能表将自动关闭编程功能24小时。

(14)显示操作

采用大屏幕中文汉字显示屏，性能优越的FSTN或HTN材料，其工作温度范围在-40℃～+70℃(FSTN为-25℃～+80℃)；并具有高亮LED背光功能，当有任意按键操作时，背光点亮。

电能表具有两个按键，分别为“选择”和“编程”按键，选择键用于显示菜单的操作；“编程”键用于开关编程允许操作(具备铅封保护)。

(15)液晶显示

电能表显示缺省菜单共27屏，可以通过“选择”键进行查阅；自动循显6屏，在无任何按键操作的情况下，自动循显。

按键显示菜单以及循显队列内容也可以通过主站软件进行设置，以满足用户的特殊要求。电能表至少能显示以下信息：

①当月和上月月度累计用电量；

②当前剩余金额；

③当前阶梯电价；

④各费率累计电能量示值和总累计电能量示值；

⑤当前时间；

⑥报警代码或提示；

⑦电能表的表号。

电量显示单位为千瓦时(kWh)，显示位数为8位，含2位小数。剩余金额显示单位为元，显示位数为8位，含2位小数。

LCD背光唤醒方式，包括按键唤醒、红外唤醒(任意红外设备均可唤醒)等方式；在正常使用情况下，LCD寿命不小于10年。

停电时可通过按键唤醒显示(背光灯可不点亮)；唤醒后如无操作，LCD在自动显示一个循环后应自动关闭；按键显示操作结束30秒后自动关闭显示。显示代码参见《智能电能表功能规范》附录B。

(16)本地操作

电能表正确接线后上电，全屏点亮20秒，此时按动选择键，可以进行显示菜单的切换，查询相关数据和参数；也可以通过红外查询。

当使用红外掌上电脑进行红外通信时，应将红外窗口对准电能表红外通讯口成水平方向(或在45度范围内)，发送命令并等待数据直至接收完成.。

当通过RS485进行参数设置时，需要打开下翻盖，按下允许编程开关，直至电能表显示允许编程符号(参见显示符号说明)，此时方可进行参数设置，编程允许开关在打开4小时后将自动恢复禁止编程，允许编程符号将消失。当进行参数设置时，需要密码验证，如果密码验证错误3次，则电能表进入锁定状态，禁止任何设置；24小时后自动解锁。

(17)远程操作

当用户欠费时由远程主站/售电系统发送拉闸命令，电能表将自动拉闸。当电能表成功接收拉闸命令后，LCD将显示“拉闸”字符闪烁提示，等待跳闸延迟时间(默认为1分钟)结束，电能表驱动继电器拉闸；拉闸成功后，“拉闸”字符不再闪烁并保持显示，同时跳闸LED指示灯也被点亮。

当用户充值后，远程主站/售电系统再发送允许合闸命令，电能表将自动合闸。当电能表成功接收命令后，此时LCD显示“拉闸”字符将消失；合闸成功后，跳闸LED指示灯也将熄灭。当电能表需要现场触发人工合闸时，远程只能发送允许合闸命令，不能自动合闸，需要通过现场按键启动合闸操作，按键必须按下持续3秒以上才可启动；当电能表不具备此项功能时，接收命令成功后，将立即自动合闸。

(18)RS485控制智能家电或智能插座的断电或上电

RS485通信接口除了能够设置本地参数、抄读电表本身的数据外，还能够输出控制信号，控制智能家电或智能插座的断电或上电。能够由系统主站通过用电信息采集系统发送命令对智能家电或智能插座进行控制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征是：它包括计量电路(2)、处理电路(3)和接口电路(4)，计量电路(2)的信号输出或输入端与处理电路(3)的一号信号输入或输出端连接，处理电路(3)的二号信号输入或输出端与接口电路(4)的信号输出或输入端连接；

计量电路(2)包括电压采样电路(23)、一号电流采样电路(24)、二号电流采样电路(25)、计量单元(22)和脉冲输出单元(21)，所述电压采样电路(23)用于采集火线的电压，一号电流采样电路(24)用于采集通过火线的电流，二号电流采样电路(25)用于采集通过零线的电流；电压采样电路(23)的电压采样信号输出端与计量单元(22)的电压采样信号输入端连，一号电流采样电路(24)电流采样信号输出端与计量单元(22)的一号电流采样信号输入端连接，二号电流采样电路(25)的电流采样信号输出端与计量单元(22)的二号电流采样信号输入端连接；

接口电路(4)包括RS485通信单元(45)、跳/合闸控制单元(47)和内置继电器(48)，RS485通信单元(45)用于实现处理电路(3)与用户之间的RS485通信；内置继电器(48)串联在火线上，跳/合闸控制单元(47)的控制信号输出端与内置继电器(48)的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于处理电路(3)包括MCU(31)、存储单元(32)、实时时钟单元(33)和数据加/解密单元(34)，存储单元(32)用于对数据进行存储，实时时钟单元(33)用于提供实时时钟信号，数据加/解密单元(34)用于对数据进行加/解密处理。

3.根据权利要求1或2所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于接口电路(4)还包括红外通信单元(44)，所述红外通信单元(44)用于实现处理电路(3)与用户之间的红外通信。

4.根据权利要求3所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于接口电路(4)还包括载波通信单元(46)，所述载波通信单元(46)用于实现处理电路(3)与用户之间的载波通信。

5.根据权利要求1、2或4所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于接口电路(4)还包括显示单元(41)，所述显示单元(41)用于显示电能表信息。

6.根据权利要求5所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于接口电路(4)还包括LED及背光单元(42)，所述LED及背光单元(42)用于提供警示及背光。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于接口电路(4)还包括按键开关(43)，所述按键开关(43)用于提供按键操作。

8.根据权利要求7所述的具有RS485控制信号输出的单相远程费控智能电能表，其特征在于它还包括电源电路(1)，所述电源电路(1)与火线连接，所述电源电路(1)用于向计量电路(2)、处理电路(3)、接口电路(4)和接口电路(4)中的RS485通信单元(45)提供工作电源。

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