专利名称：Cpu卡单三相电子式预付费阶梯电价电能表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能表，特别的是涉及一种以CPU卡为信息
交换介质的自动控制用电计量和用电结算的电能表。
背景技术：
随着电子技术的迅猛发展，大规模集成电路在电能表中得到广泛的 应用。传统的感应式电能表需要工作人员上门抄表或通断电、计算电费、 邮寄电费单等，且会出现延迟付款和坏账问题，特别是在供电企业的用 户群中，用电量比较大，应付的电费额度也比较大，及时回收其电费是 供电企业经营中的重点和难点，而且^[艮难实行不同的时间段采用不同的 费率等用电调控措施。
而电子式电能表与感应式电能表相比，具有测量精度高，过载能力 强，功率消耗低，性能稳定可靠，体积小，重量轻，操作简便，易于实 现管理功能的扩展、 一表多用等特点。全电子式多功能电能表采用高精 度计量芯片，完成各种电参数的精密计算及测量，可以实现用户用电量 的自动抄收以及银行联网、自动结算电费的技术。
现有技术中已有预付费电能表，但费率一般比较固定，或者规定多 种费率，从而需要一定的存储空间。另外对于信息的显示较少、缺乏出 现金额不足等的提醒功能及应急功能，因此给用户的使用带来一定的不 便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种阶梯电价的CPU卡单三相电子式
预付费阶梯电价电能表，可在每月根据用户用电量的大小给予不同的电 价，起到鼓励用电或限制用电的目的。为实现上述目的，本实用新型提供了 一种CPU卡单三相电子式预付 费阶梯电价电能表，该电能表包括接口单元、电源电路单元、电能计量
及电参数检测单元、电表断电机构、MCU控制单元、显示单元、ESAM 单元和报警单元，所述接口单元、电源电路单元和电能计量及电参数检 测单元均分别，命入至MCU控制单元，MCU控制单元输出断电信息至电 表断电机构，所述电源电路单元同时为电能计量及电参数检测单元提供 电源；所述ESAM单元连接于接口单元和MCU控制单元之间，所述显 示单元和报警单元均由MCU控制单元输出的控制信息激活。
所述报警单元包括声控报警电路和光控报警电路，其中声控报警电 路由蜂鸣器实现，光控报警电路由发光二级管常亮或闪烁实现。
所述MCU控制单元包括通讯模块、时钟模块、功率计量模块、存 储模块、显示控制模块、费率计算模块及报警控制模块，其中，所述通 讯模块、时钟模块和功率计量模块均将各自信息分别输入至显示控制单 元和存储模块，所述存储模块输出连接至费率计算模块和显示控制模 块，所述费率计算模块的一输出端输出断电信息，另两个输出端分别接 报警控制模块和显示控制模块，所述报警控制单元一输出端接显示控制 模块，另一输出端输出报警信息，所述显示控制模块输出显示控制信息。
所述费率计算模块105包括N个比较器第一比较器至第N比较器， N个选择器第一选择器至第N选择器，2N+1个乘法器和两个加法器 第一加法器和第二加法器，其中，当月当前用电量E分别输入至N个比 较器的一输入端，梯级电量E！至En分別所述N个比较器的另 一输入端， 每一比较器、 一选择器和相应乘法器组成一组，按照所接入的梯级电量 分成N级，所述第1至N-1级中，本级比较器的输出比较值同时输入至 本级选择器的选择端和下一级选择器的使能端，且每一级选择器的两输 入端分别对应两乘法器的输出端，其中第一选择器始终处于使能状态； 所述第N级中，第N比较器输出端只连接至第N选择器的选择端，且 对应第N选择器的一输入端接一乘法器输出端，另一输入端接入两个乘 法器的输出经第 一加法器之和；所输N个选择器的输出经第二加法器相 加得到当月当前电费。所述MCU控制单元还包括一连接于所述费率计算模块和电表断电 机构之间、并用于在透支用电至设定的透支金额门限时控制所述电表断 电机构进行断电操作的透支处理模块，所述通讯模块输入透支金额门限 和透支费率至所述透支处理模块。
所述MCU控制单元还包括一赊欠用电处理才莫块，连接于所述所述 电表断电机构之前，所述通讯模块输入赊欠金额门限和赊欠费率至所述 赊欠用电处理模块，可赊欠用电至赊欠金额门限。
所述MCU控制单元还包括一负荷控制模块，所述负荷控制模块的 一输入端接功率计量模块的输出端，另 一输入端接通讯模块输出的用户 负荷门限；其一输出端接报警控制模块，第二输出端接电表断电机构， 第三输出端接显示控制模块，所述负荷控制模块通过用户负荷门限控制
用户用电超负荷的次数。
该电能表包括上盖塑料铅封、上盖铅封螺钉、上盖、报警指示、脉 冲指示、卡门、CPU卡及CPU卡插槽，轮显按键、上盖铅封螺钉、上 盖铅制铅封、接线插座、接线端盖铅封螺钉、接线端盖、设置掩建、接 线柱固定螺钉、接线柱、脉沖测试输出、红外通讯接口、液晶显示器、 面板和底壳。
所述液晶显示器的显示项包括显示代码、阶梯电费种类标识、单位、 剩余金额条棒指示、数据显示项、通讯标识和反向用电标识。
所述液晶显示器通过自动轮显或轮显按键控制显示数据，所述显示 数据通过显示代码和数据显示项区分所显示数据项。
本实用新型的有益效果在于所述电能表采用了阶梯电价，可根据 用户每月用电量的大小给予不同的电价，在基本用电量范围内使用 一个 电价，超出基本用电量的用电量使用另一个电价，因此方便供电局灵活 选择鼓励用电或限制用电政策，且不需按不同时段存储大量的电价数 据，节省了存储空间。另外，当电表检测超负荷或剩余金额不足及需要 断电时，均会发出声光报警；同时还可以设置给予用户一定的超负荷次数、透支额度和赊欠额度，防止突然断电给用户工作生活带来不便和损 失，该电能表还提供月基本用电金额功能，以及钟表显示和实时功率显 示实时负荷功能，方便用户及供电企业查询。
图1是本实用新型具体实施方式
所述电能表的整体结构框图； 图2是本实用新型具体实施方式
所述费率计算模块的结构框图； 图3是本实用新型釆用本实用新型具体实施方式
所述电能表结构生 产的一种电能表产品；
图4U)是本实用新型具体实施方式
所述电能表产品的接线柱标示； 图4 (b)是本实用新型具体实施方式
所述电能表产品的接线图示； 图5是本具体实施方式
所述显示单元的显示结构。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型具体实施方式
作详细的描述。 如图1所示为本实用新型具体实施方式
所述电能表的整体结构框 图，该电能表包括接口单元、ESAM单元、电源电路单元、电能计量及 电参数检测单元、显示单元、电表断电机构、报警单元和MCU控制单 元，其中MCU控制单元包括通讯模块100、时钟模块101、功率计量模 块102、存储模块103、显示控制模块104、费率计算模块105及报警控 制模块106。
其中，所述电源电路单元包括外接电源和RTC实时时钟电路，所述 外接电源为MCU控制单元的时钟模块、电能计量及电参数检测单元提 供电源，所述RTC实时时钟电路为时钟模块提供备用电源，使当外接电 源断电时，内部的时钟单元仍然保持工作状态。
所述接口单元包括红外接口和CPU卡接口。本具体实施例中，所述 CPU卡带密钥控制，且采用3-DES算法，更具有兼容性。当插入CPU 卡至接口单元后，ESAM单元进行密钥认证过程，若认证不通过则拒绝 装电，若认证通过则检测防囤积、购电装电次数是否匹配，若不匹配则 拒绝装电，若匹配则进入装电过程，将CPU卡中的信息，包括购电金额和其它参数输入至通讯才莫块100,调整表中的相应参数值；
所述通讯模块100、时钟模块101和功率计量^^块102均将各自信 息输入至存储模块103中存储，等待费率计算模块105从中读取出进行 电费的计算，从而得到剩余金额，当剩余金额低于设定的预报警门限时， 则费率计算模块105输出剩余金额预报警信息至报警控制单元106，使 与报警控斜单元106相连的报警单元发出报警；当剩余金额低于设定的 报警门限时，则费率计算模块105输出剩余金额报警信息至报警控制单 元106,使报警单元发出报警，同时输出断电信息至电表断电机构，所 述报警单元包括声控报警和光控报警两种电路，根据报警控制单元106 的控制信息相应启动，其中，本具体实施方式
中，所述光控报警电路由 LED灯产生常亮或闪烁两种报警方式，所述声控电路由蜂鸣器实现。 所述通讯模块100、时钟模块101、功率计量才莫块102、存储模块
103、 费率计算模块105、报警控制模块106均分别输入至显示控制模块
104, 由显示控制模块104按照自动轮显和按键轮显相结合的方式控制 显示单元显示各个模块的相应信息。
其中，如图2所示，所述费率计算模块105包括N个比较器第一 比较器至第N比较器；N个选择器第一选择器至第N选择器；2N个 乘法器、第一加法器和第二加法器，其中，每个比较器对应一个选择器 按照输入的梯级电量E,至En依次排成N级，所述N个比较器的另 一输 入端均输入当月当前用电量E,其中，第一级的第一比较器输入Ep第 二级的第二比较器输入E2，依次第N级的第N比较器输入EN;所述N 级组合中，前N-1级的本级比较器输出信号同时输入至本级选择器的选 择端c和下一级选择器的使能端ENB，其中第一选择器的使能端接高电 平，始终保持使能状态，但第N级的比较器输出端只接入本级选择器的 选择端；
同时，前N-1级中每个选择器的两输入端分别对应两乘法器的输出 端，但第N级选择器的Si端输入为两个乘法器经第一加法器之和，S, 端接一乘法器的输出端；其中本具体实施例选择器中，当C=l时选择输 出S2端信号，当00时选择输出S，端信号，当选择端或使能端为高阻或不定态时选择器均输出零。
所述N个选择器的输出端均连接至第二加法器的输入端，从而得到 当月当前用电费。
其中，所述当月当前用电量E由存储模块103输出；N为自然数， 梯级电量应满足0《E!《E2《E3《……《EN,则电能表设置的N个梯 级电量Ei至EN两两相邻将电量划分为N+l个区间，分别是[0, E,)、 [EP E2)直到[En, +00],每个区间对应一个电价，依次用Po至Pn表示。 其中，阶梯电价Po至PN可满足升序幂排列，则该阶梯电价起到其限制 用电的目的；若所述N+1个电价Po至Pw依次降序排列，则该阶梯电价 起到鼓励用电的目的。因此供电局可通过CPU卡设置不同的阶梯电价， 从而可以灵活限电或鼓励用电，并可灵活控制限制用电及鼓励用电的程
度，且由于只需存取梯级电量E!至EN和阶梯电价P()至PN，可通过设定
电量的梯级数节省存储空间。
本具体实施方式
中以N=2为例，对所述费率计算模块105的具体工 作过程作详细描述，当N为2时，则图2所示费率计算模块105包括2 个比较器、两个选择器、四个乘法器和两个加法器。
若当月当前用电量E小于Ei,则第一比较器输出为零，则所述第一 选择器选择乘法器E*Po的乘积输出至第二加法器，其它的选择器未被使 能，则所述费率计算模块105计算的当月当前电费为E*P0。
若当月当前用电量E属于区间[Ep E2)内时，则第一比较器输出为 1，第二选择器处于使能状态，且第二选择器输出0,则所述费率计算才莫 块105计算的当月当前电费为E,*P0+ (E曙E!) *Plo
若当月当前用电量E大于本具体实施方式
设定的最高梯级电量E2 时，则所述两个比较器均输出1,两个选择器均处于使能状态，且此时 第二选择器为最高梯级电量对应的选择器，则其输出为两个乘法器之 和，则所述费率计算模块105计算的当月当前电费为E"o屮(E2-E!) *P!+ (E-E2) *P2。
考虑到当剩余电费不足，电表突然断电，可能会给用户造成一定的 损失，特别是企业用户，本实用新型所述电能表还包括一透支处理模块，所述透支处理模块连接于费率计算模块105和电表断电机构之间，且通 讯模块100输入透支金额门限和透支费率至所述透支处理模块，当剩余 电费为零后产生的电量为透支电量，按照所述透支费率计算透支电费， 用户可透支用电至所述透支金额门限。
同时，本实用新型所述电能表还包括一赊欠用电处理模块，连接于 所述透支处理^f莫块和所述电表断电机构之间，同样，通讯模块100输入 赊欠金额门限和赊欠费率至所述赊欠用电处理模块，当可透支的电费达 到透支金额门限后产生的电量为赊欠电量，按照所述赊欠费率计算赊欠 电费，用户可赊欠用电至所述赊欠金额门限。
所述透支处理模块和赊欠用电处理模块可不同时包括，若不包含透 支处理模块时，则所述赊欠用电处理模块连接于费率计算模块105和电 表断电机构之间，当剩余电费为零后直接激活所迷赊欠用电处理模块。
另外，为防止用户超负荷用电，本实用新型所述电能表还包括一负 荷控制模块，所述负荷控制模块的一输入端接功率计量模块102的输出 端，另 一输入端接通讯模块100输出的用户负荷门限；其一输出端接报 警控制模块106，第二输出端接电表断电机构，第三输出端接显示控制 模块，显示超负荷信息。
所述负荷控制;f莫块通过设置一个负荷门限限制用户的用电负荷，判
断当前需求量及当前功率是否均大于用户负荷门限，若否，则电能表继 续正常工作；
若是则发出断电信息，判断超负荷断电次数是否大于最大允许次 数，若不大于最大允许次数，则启动超负荷预报警，超负荷断电次数累 加，且用户可通过自行按键或插卡恢复供电；否则启动超负荷断电报警， 且必须通过售电部门才能恢复供电。
如图3所示为采用本实用新型具体实施方式
所述的电能表结构的电 能表产品，该电能表包括上盖塑料铅封1、上盖铅封螺钉2、上盖3、报 警指示4、脉冲指示5、卡门6、 CPU卡及CPU卡插槽7，轮显按4泉8、 上盖铅封螺钉9、上盖铅制铅封10、接线插座11、接线端盖铅封螺钉 12、接线端盖13、设置按键14、接线柱固定螺钉15、接线柱16、脉冲
ii测试输出17、红外通讯接口 18、液晶显示器19、面板20和底壳21。
所述设置按键14为设置或清零按键；所述与接线柱16相应的有四 个接线柱，如图4(a)所示，分别为相线接入、相线接出、中线接入 和中线输出，其接线关系如图4 (b)所示，本实用新型具体实施方式
采 用5KV隔离电压、输出为50V直流电压，最大电流为50mA的光耦作 为电能脉冲输出⑤和⑧，如虚线框内所示，此光耦不具备外部电源和保 护能力。光耦输出和电能表其它回路之间可承受5KV的绝缘，因此即使 电能表内部的光耦输出端被击穿不会影响电能表的计量功能和其它控 制功能；相线和中线之间接一线圈辅助检测用电参数。
当断电条件满足，电能表断开用电负荷时，若用户在外部短接电能 表如图4(a)所示的进出线进行窃电，电能表可以检测到这种窃电行为， 当此行为持续时间超过l分钟后，液晶屏上显示窃电标示，若窃电行为 再持续1分钟以上时，电能表将会通过存储模块103记录窃电发生的次 数和总的窃电时间，其中本具体实施方式
中，时间以分钟来计量。
如图5所示，所述液晶显示器19的显示项包括显示代码501、阶梯 电费种类标识502、单位503、剩余金额条棒指示504、数据显示项505、 通讯标识506和反向用电标识507,其中，本具体实施方式
中，所述数 据显示项505显示内容包括用电数据、设置参数、历史数据、时间、当 前实时功率等数据项，电能表中涉及的参数均可通过该数据项显示，且 本具体实施方式
中采用6位整数2位小数来显示；所述显示代码501采 用2位标志数据表示历史用电数据及电表设置参数；所述阶梯电费种类 标识502用Tl 、 T2、 T3和T4来指示。
本具体实施方式
中，所述剩余金额条棒指示504每一个条块代表10 货币单位的剩余金额，共有9个条块。当剩余金额大于等于90货币单 位时，条棒全显；大于等于80货币单位小于90货币单位时，显示8个 条块；以此类推，当剩余金额小于IO货币单位时，条棒不显示。
值得注意的是，所述数据显示项505并不局限于本具体实施方式
所 述的6位整数2位小数方式，所述显示代码501也不局限于本具体实施 方式所述的位数，其它只要满足足够标识显示项目的显示代码位数均属
12于本实用新型的保护范围；所述阶梯费率种类标识502也不局限于本具 体实施方式所述的Tl至T4四种指示，其它只要能区分电能表所存储的 阶梯费率种类个数均属于本实用新型的保护范围；所述剩余金额条棒指 示504也不局限于本具体实施方式
所述9个条块，其它只要能清楚显示 剩余金额量的方式均属于本实用新型保护的范围。
所述液晶显示器19也不局限于本具体实施方式
所述的显示项数及 显示方式，其它只要能满足用户需求的自动轮显和4乔建轮显相结合的显 示方式，均属于本实用新型所要保护的范围。
详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本 实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思 的前提下，还可以做出若干筒单推演或替换，都应当视为属于本实用新 型的保护范围。
权利要求1、CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电能表，其特征在于，该电能表包括接口单元、电源电路单元、电能计量及电参数检测单元、电表断电机构、MCU控制单元、显示单元、ESAM单元和报警单元，所述接口单元、电源电路单元和电能计量及电参数检测单元均分别输入至MCU控制单元，MCU控制单元输出断电信息至电表断电机构，所述电源电路单元同时为电能计量及电参数检测单元提供电源；所述ESAM单元连接于接口单元和MCU控制单元之间，所述显示单元和报警单元均由MCU控制单元输出的控制信息激活。
2、 根据权利要求1所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电 能表，其特征在于，所述MCU控制单元包括通讯模块(100)、时钟模 块(101 )、功率计量模块(102 )、存储模块(103 )、显示控制模块(104 )、 费率计算模块(105 )及报警控制模块(106),其中，所述通讯模块(100 )、 时钟模块(101)和功率计量模块(102)均将各自信息分别输入至显示 控制单元(104)和存储模块(103 ),所述存储模块(103 )输出连接至 费率计算模块(105 )和显示控制模块(104)，所述费率计算模块(105 ) 的一输出端输出断电信息，另两个输出端分别接报警控制模块(106) 和显示控制模块(104)，所述报警控制单元(106) —输出端接显示控 制模块(104),另一输出端输出报警信息，所述显示控制模块(104) 输出显示控制信息。
3、 根据权利要求2所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电 能表，其特征在于，所述费率计算模块(105)包括N个比较器第一 比较器至第N比较器，N个选择器第一选择器至第N选择器，2N+1 个乘法器和两个加法器第一加法器和第二加法器，其中，当月当前用 电量E分别输入至N个比较器的一输入端，梯级电量E！至Ew分别所述 N个比较器的另一输入端，每一比较器、 一选择器和相应乘法器组成一 组，按照所接入的梯级电量分成N级，所述第1至N-1级中，本级比较 器的输出比较值同时输入至本级选择器的选择端和下一级选择器的使能端，且每一级选择器的两输入端分别对应两乘法器的输ifc端，其中第一选择器始终处于使能状态；所述第N级中，第N比较器输出端只连接 至第N选择器的选择端，且对应第N选择器的一输入端接一乘法器输出 端，另一输入端接入两个乘法器的输出经第一加法器之和；所输N个选 择器的输出经第二加法器相加得到当月当前电费。
4、 根据权利要求2所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电 能表，其特征在于，所述MCU控制单元还包括一连接于所述费率计算 模块(105)和电表断电机构之间、并用于在透支用电至设定的透支金 额门限时控制所述电表断电机构进行断电操作的透支处理模块，所述通 讯模块输入透支金额门限和透支费率至所述透支处理模块。
5、 根据权利要求2或4所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电 价电能表，其特征在于，所述MCU控制单元还包括一赊欠用电处理模 块，连接于所述所述电表断电机构之前，所述通讯模块(100)输入赊 欠金额门限和赊欠费率至所述赊欠用电处理模块，可赊欠用电至赊欠金 额门限。
6、 根据权利要求2所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电 能表，其特征在于，所述MCU控制单元还包括一负荷控制模块，所述 负荷控制模块的一输入端接功率计量模块(102)的输出端，另一输入 端接通讯模块(100)输出的用户负荷门限；其一输出端接报警控制模 块(106)，第二输出端接电表断电净^，第三输出端接显示控制模块， 所述负荷控制模块通过用户负荷门P艮控制用户用电超负荷的次数。
7、 根据权利要求2所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电 能表，其特征在于，该电能表包括上盖塑料铅封(1 )、上盖铅封螺钉(2)、 上盖(3)、报警指示(4)、脉冲指示(5)、卡门(6)、 CPU卡及CPU 卡插槽(7)，轮显按键(8)、上盖铅封螺钉(9)、上盖铅制铅封(10)、 接线插座(11)、接线端盖铅封螺钉(12 )、接线端盖(13)、设置按键(14)、接线柱固定螺钉(15)、接线柱(16)、脉冲测试输出(17)、红 外通讯接口 (18)、液晶显示器(19)、面板(20)和底壳(21)。
8、 根据权利要求7所述的CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电能表，其特征在于，所述液晶显示器(19)的显示项包括显示代码(501 )、 阶梯电费种类标识(502)、单位(503 )、剩余金额条棒指示(504)、数 据显示项(505 )、通讯标识(506)和反向用电标识(507)。
专利摘要本实用新型公开了一种CPU卡单三相电子式预付费阶梯电价电能表，该电能表包括接口单元、电源电路单元、电能计量及电参数检测单元、电表断电机构、MCU控制单元、显示单元、ESAM单元和报警单元，其中，所述MCU控制单元包括通讯模块(100)、时钟模块(101)、功率计量模块(102)、存储模块(103)、显示控制模块(104)、费率计算模块(105)及报警控制模块(106)。本实用新型所述电能表结构可实现阶梯电价计算电费，可根据用户每月用电量的大小给予不同的电价，方便供电局灵活选择鼓励用电或限制用电政策。
文档编号G07F15/06GK201259703SQ20082009589
公开日2009年6月17日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者丁富民 申请人:深圳市思达仪表有限公司