专利名称：电表数据远程管理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电表数据远程管理系统，尤其是一种以电力线载波为主要通讯通道的电表数据远程抄读、监控和管理系统，属于供电监控管理技术领域。
背景技术：
现行的电力供应系统通过台区变压器向本区域的各个用户供电。每户用户的用电量可以由进户电表记录。通过长期相关实践和深入研究，本专利申请人意识到，由于理论上各用户的用电量总和应当与台区变压器输出的电能相当，因此，为了对电力供应进行科学的监督管理，有必要在掌握各电表计量数据的同时，对台区变压器的电能量输出进行实时监控，从而可以实现对是否存在偷、漏电、过量线损等非正常情况的实时监控，提高供电效率。
检索发现，申请号为CN95113716.6的中国专利申请公开了一种低压载波电能管理系统，该系统含有用于抄读电表的数据采集器(抄表终端)以及用于接收抄读采集器数据的集中器。抄表终端的信号采集端通过接口电路外接电表，其信号输出端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接；含有微处理器集中器的信号接收端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接。其中的电力载波收发讯机采用了二次调制、二次解调的方式，一次调制用软件实现，相对应的二次解调用电路实现。该专利申请较好的解决了用户电表的集中抄读问题，然而却未能实现对台区变压器电能输出的实测监督，更谈不上有效控制了。
此外，深入分析可知，以上现有技术还存在如下不足之处
1、该系统没有主站，只能采集数据，不具备数据管理分析功能；2、二次解调从根本上还是调频方式调制数据，当干扰信号幅值比信号幅值大的时候，不能成功传输数据(如果要保证通讯的成功率，就必须加大发送功率，结果对电网产生的干扰将超标)；3、数据采集终端采集电表数据通过累加脉冲的方式，脉冲信号在长距离导线上传输容易丢失。
据申请人了解，目前其它的电能量远程采集系统只是集合了配变监测与大用户电表电能量的采集，并不能直接采集变压器出线端的电能量，也不能直接通过低压载波抄读并监控居民电表。另外，现有此类系统在动态监控现场电表、精确计算台区线损等方面也有很多不合理之处。因此，在实际使用过程中往往存在以下问题1、系统建设成本高——建设电能量远程采集系统，现场需要安装终端及信道设备，可以获取配变监测数据及大用户电能表数据。如要采集变压器出线端的电能量，需要增加安装一只电表。如要通过低压载波抄读居民电表，该类系统目前还不能实现。
建设居民用电低压载波远程抄表系统，现场需要安装采集终端、载波集中器及信道设备、可以获取居民电表的数据。如要获取配变检测数据，需要增加安装配变监测终端；如要采集变压器出线端的电能量，需要增加安装一只电表。
2、资源不能共享——居民电表的抄读与管理、配变的运行状态、大用户的用电管理、台区变压器的线损情况对供电营销部门来说都是非常重要的，相对独立的系统使得现场数据不能共享，使用起来非常繁琐，难以满足现代化管理的需要。
3、信道资源浪费——相对独立的系统，信道不能共享，增加系统运行费用。
发明内容
本发明的主要目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提出一种可以同时具有台区变压器出线端电能量采集和居民电表抄读功能的电表数据远程管理系统，从而真正实现集中抄表和用电管理，为供电部门提高供电效率提供方便。
本发明进一步的目的在于提出一种可以实现对台区变压器输出电能远程控制的电表数据远程管理系统。
为了达到以上首要目的，本发明的电表数据远程管理系统包括以下组成部分——用于抄读电表数据的抄表终端，其信号采集端通过接口电路外接电表，其信号输出端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接；——用于接收并上传抄读终端数据的集中器，其中微处理器的信号接收端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接，微处理器的通讯端通过通讯接口与远程通道连接；——作为管理中心主站的计算机，其通讯端通过远程通道(公共电话网PSTN、GPRS、GSM、以太网、无线电台等)与集中器通讯连接；改进之处在于——所述集中器还含有由电流采样电路和电压采样电路构成的变压器电能采集模块；——所述电流采样电路为三组差分式电路，各组中的电流互感器分别与台区变压器的三相输出耦合连接，其信号输出端通过A/D转换，接微处理器的对应信号输入端；——所述电压采样电路含有电压互感器，所述电压互感器的原边线圈通过与之串联的分压电阻接台区变压器的输出端，所述电压互感器的副边与采样电阻并联，其信号输出端通过A/D转换，接微处理器的对应信号输入端。
这样，只要增加成本有限的采样电路，便可使集中器的微处理器充分发挥其效用，既可实时或周期性通过电力线载波的方式抄读来自抄表终端的数据，又可计量台区变压器出线端的电能量，监测变压器的运行状态，并将有关数据传输到主站，以便及时经过数据处理，发现问题，实现远程电表数据的采集以及台区变压器电能采集和监测功能，大大方便供电营销部门的电力管理。
为了达到以上进一步的目的，本发明的电表数据远程管理系统还含有开关量输出和执行电路，所述微处理器的I/O口通过驱动电路与执行电路通过光电耦合器耦合连接，所述执行电路含有供电线路通断控制器件。因此，集中器可以接受管理中心主站的指令，对供电线路实现远程控制。
总之，本发明的系统既实现了与管理中心主站的计算机的远程通讯，又通过变压器电能采集模块以及开关量输出和执行电路，以电力线载波为主要信道，实现了将集中抄表和台区变压器监测控制有机结合起来，弥补了现有系统的欠缺，可以大大提高供电营销部门的电力管理水平。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图7为本发明一个实施例的系统框图。
图1为图7实施例中集中器的结构框图。
图2为图1集中器的微处理器电路图。
图3为图1集中器的载波调制解调电路和三相载波耦合电路图。
图4为图1集中器的电能采集模块和电网参数监控模块电路图。
图5为图1集中器的开关量输出和模拟量输入电路图。
图6为图1集中器的外部通讯接口电路图。
具体实施例方式
实施例一本实施例的电表数据远程管理系统如图7所示，主要由于用于抄读电表的抄表终端、用于接收并上传抄读以及台区变压器数据的集中器以及作为管理中心主站的计算机构成。抄表终端可以借用各种现有载波数据传输的同类装置，其信号采集端通过接口电路外接电表，其信号输出端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接。集中器中含有微处理器，该微处理器的信号接收端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接，通讯端通过通讯接口与远程通道连接。主站计算机可以采购市场上PC机等，其通讯端通过以太网(也可以根据实际情况，通过公共电话网PSTN、GPRS、GSM、无线电台)与集中器通讯连接。
集中器的基本结构如图1所示，主要由电源电路、微处理器电路、外部通讯接口电路、载波耦合电路、电能采集模块和电网参数监控模块、开关量输出和模拟量输入电路、以及显示电路组成。其中的微处理器电路由32位微处理器芯片及其外围的硬件时钟、RAM存储单元构成。外部通讯接口电路包括与微处理器连接的并行MODEM接口、RS232接口、RS485接口、红外接口、GPRS/GSM接口、以及以太网接口，因此具有良好的适应性，可通过包括网络连接在内的各种通讯连接方式与主站计算机远程连接。微处理器中载波端口的串行接口经载波调制解调电路通过三相载波耦合电路与三相输电线路耦合连接，微处理器电路中的微处理器作为通讯端的串行接口通过电能采集模块和电网参数监控模块接输电线路。此外，微处理器的I/O口和A/D端口分别通过开关量输出和模拟量输入电路外接需控制和监测器件。
图2所示的微处理器电路中U9可以是PHILIPS、三星等公司基于ARM内核的32位微处理器芯片，选用此类CPU可以在低成本和功耗的基础上获得更快更强的数据处理能力。外部时钟源由晶振XT1、电容C32和C33、电阻R21组成，此时钟源通过CPU内部的PLL(锁相环)，可以得到高达320MHz的内部时钟。JP1为微处理器的JTAG调试接口，用于方便程序的调试。U6为带有手动复位功能的微处理器监控芯片，例如SP708SCN等。由U6为核心，与K3、R14、C18、R15、N1、R16、R19、N2、R18组成微处理器的复位电路。其中，微处理器监控芯片U6的复位控制端8脚接两三极管N1、N2的基极，并由此两三极管的集电极分别接微处理器芯片U9的复位端135和43脚。LED1用于指示复位的状态。
图3为载波通讯部分——即调制解调电路和三相载波耦合电路原理图。为节省成本，本集中器的调制解调电路只采用了一片载波调制解调芯片U8，该载波调制解调芯片U8的通讯端34、35脚分别与微处理器芯片的对应端口连接，其信号接收端通过与非门U11分别与三相载波耦合电路中的载波发送电路切换连接，其信号接收端通过模拟开关U18分别与三相载波耦合电路中的载波接收电路切换连接，借以实现切换载波发送和载波接收的相别。
由光电隔离器U10、整流二极管D27、电阻R24-R26、电容C18构成的采集A相50Hz同步信号的电路，B相和C相的检测电路与A相完全一样。该电路实现了本集中器独有的判断现场抄表终端所在相别的功能。现场抄表终端每次载波发送都是在所在相别50Hz信号的下降沿开始，这样集中器可以根据收到现场抄表终端命令的时间和ABC三相同步信号就可以判断出发命令的现场抄表终端所在相别。J7为载波调制解调芯片U8的ISP(在系统编程)接口。
T4、T5、T7分别为ABC三相载波耦合线圈，对应的电路分别是ABC三相载波接收发送电路。以A相为例加以说明，B相和C相可以类推。
载波耦合电路的电力线载波信号通过电力线A(B、C)、L输入，经过耦合电容C25、耦合变压器T4耦合至电压瞬间抑止器D29，然后再经过电阻R30、电容C27和C28、电感L3、二极管D32和D33、电容C31耦合至由电阻R32-R35、电容C32、三极管N8组成的信号放大电路，构成载波接收电路，通过模拟开关U18A切换连接到载波调制解调芯片U8。载波调制解调芯片U8的输出信号APSK_OUT通过与非门U11A，经电容C29和C30、电阻R15和R31、稳压二极管D20和D30，以及三极管N1、N2、N5、N6，二极管D16、D28构成的放大电路，经电容C26耦合到耦合线圈T4，再经电容C25耦合到电力线上去，由此构成载波发送电路。
图4为三相电量和电网参数采集部分——即电能采集模块和电网参数监控模块电路原理图。图中U2为作为高精度三相电参数和电量采集芯片的带A/D转换的DSP芯片(例如ADE7758)，U2通过SPI接口与微处理器通讯连接，交换数据。U1为串行非易失性存储器，可以是铁电FRAM或EEPROM。U1用于存储校正ABC三相采集电路和计量精度时的设定值，这样在每次系统停电后重新上电时，微处理器读取U1内保存的数据，并将数据写入U2的设置单元，使U2立刻按照校正的精度采集和计算参数。将U1和U2设计在一起，使每台集中器的采集板可以互换，而不影响精度。电流互感器L1、电阻R1、R2、R3、R16，以及电容C1、C2组成A相差分式电流采样电路，B相和C相的电流采样电路与A相完全一样。采用差分式采样电路为集中器能够计算出四象限无功电能量提供硬件基础。电压互感器T1的原边与分压电阻R4、R4、R7、R9、R11串联，接台区变压器输出，T1副边与采样电阻R6、R8并联，并通过电阻R10接滤波电容C7，组成A相电压采样电路，B相和C相的电压采样电路与A相完全一样。以上电能采集模块和电网参数监控模块中的三相电参数和电量采集芯片对应端口分别通过差分式电流采样电路和电压采样电路外接待采集和监控的台区变压器。这样，通过采集输入到集中器的三相电压和电流信号，集中器中的电量采集模块能够精确计算出台区变压器输出的电能量数据，包括正反向有功电量、四象限无功电量，整点有功无功电量、日有功无功电量、月有功无功电量等。
图5的开关量输出和模拟量输入电路中，开关量输出通道共三路，三路硬件完全一样，微处理器电路的微处理器芯片I/O口接驱动电路的输入端，驱动电路与执行电路通过光电耦合器耦合。电阻R1、R2，三级管N1，光电耦合器U1组成开关量输出的驱动电路。二极管D1，继电器K1，自恢复保险丝F1，接线端子J1组成开关量输出的执行电路部分。通过连接J1的1-2脚和1-3脚可以实现常开常闭的选择。模拟量输入电路的输出端接微处理器电路微处理器芯片的A/D口，模拟量的输入通道共两路，可以配置采样不同的模拟信号(例如油温、油压等)。二极管D4和D5、D6和D7分别限制两路输入模拟信号的幅值。自恢复保险丝F4是限制外部传感器的吸入电流，确保集中器系统供电不受外界影响。
图6的外部通讯接口电路中，U7、C19、C22、C23、C24、C25和九芯头组成RS232接口电路，U7为RS232电平信号转换芯片。微处理器CPU输出的串口TTL电平通过U7转换成RS232电平。U1、C2、R6、R7、R8、R9、R10、J7组成PSTN(公共电话网接口)。U1为低功耗工业级嵌入式MODEM，以TTL电平与微处理器CPU通讯。VCC与3.3V共地，但VCC为5V，而微处理器断口为3.3V，所以用R6-R10在嵌入式MODEM的输出口限流进行电压匹配。U4-U7、R3-R13、R97、D13、J4组成RS485接口电路。U7为半双工差分RS485收发器。U4-U6为光电隔离器，提高系统的EMC性能。D13为瞬间电压抑止器(TVS)，R10、R11为聚合物自恢复保险丝。通过D13、R10、R11的保护，确保在远距离RS485通讯时，U7能安全稳定工作。R22-R25、N3-N5、D7组成红外通讯接口。N3为红外接收管，D7为红外发送管，PWM2为红外发送38K调制信号输入端。
由于微处理器只能提供一个串口供外部通讯接口使用，而从上面所述外部通讯接口需要四个串口，所以本集中器设计了一个低成本高效的一串口转4串口的接口电路。该电路较专用一串口转多串口芯片成本大幅降低，而性能不打折。本实施例采用高速模拟开关，构成母串口(TXD0、RXD0)和子串口(TD1、RD1；TD2、RD2；TD3、RD3；TD4、RD4)的接口硬件。SEL1-SEL4信号中的一个信号为高电平，则对应子串口就可以与母串口接通，从而实现对应接口电路与微处理器的通讯。为了实现串口间的自动切换，则需要将子串口的接收端与微处理器的外部中断收入端口相连。具体工作原理如下在外部通讯接口都没有收到数据的时候，母串口始终与子串口4(TD4、RD4)相连(SEL1-SEL3为低电平，SEL4为高电平)。这样做是因为集中器工作环境中红外线无处不在，对于集中器来说都是干扰信号。如果母串口没有与子串口4相连的时候红外干扰就会迫使集中器进行串口的切换，这样就造成了集中器频繁切换串口，使通讯效率和成功率下降。当子串口1～子串口3的数据接收端(RD1-RD3)由信号存在的时候，对应的微处理器外部中断输入口就会立刻会向CPU提出中断请求，CPU响应对应的中断程序，通过数字滤波和数据判断，选择实际需要通讯的子串口，进行与外部接口的通讯。母串口与其中一个子串口通讯时，不再响应其它子串口的通讯请求，直到该串口通讯结束母串口回到与串口4(红外)连接的时候，子串口1～子串口3再进行再一次的串口通讯申请。
总之，本实施例的电表数据远程管理系统具有以下主要功能1、可以根据设定方式工作，既可以自动采集数据，又可以根据操作者的指令实时采集数据。
2、为了避免电力线上干扰以及不稳定性导致的暂时载波信号失真，本系统的所有抄表终端都具有中继转发功能，集中器能够根据通讯成功率和信号及干扰情况自动生成中继网路。
3、针对多费率电表而言，本电表数据远程管理系统对电表时间做了两级监控。可以保证系统各部分的时间准确。
4、基于系统各部分存有大量的数据，主站能够以图形或表格的方式分析任意一个用户的用电情况，为管理部门提供判断用户用电是否异常提供依据。
5、具有台区变压器输出电能量的采集功能以及监测功能，系统可以精确计算出台区变压器输出的电能量数据，并能够监测A、B、C相电压、电流、功率因数等各种参数。
其突出的优点是1、采用频移键控窄带直接序列扩频技术，实现容易，抗噪声与抗衰减的性能较好；2、在现场抄表终端中集成了RS485接口和脉冲输入接口，提高了适应性；3、集中器为模块化设计，使得将独立的系统统一管理变为可能；4、集中器在硬件上采用了32位ARM处理器，提高了数据处理能力；5、主站的数据库使用了IBM DB2，使得主站保存的数据很容易上传给供电部门的营销库。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种电表数据远程管理系统，包括以下组成部分——用于抄读电表数据的抄表终端，其信号采集端通过接口电路外接电表，其信号输出端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接；——用于接收并上传抄读终端数据的集中器，其中微处理器的信号接收端通过载波调制解调电路与供电线路耦合连接，微处理器的通讯端通过通讯接口与远程通道连接；——作为管理中心主站的计算机，其通讯端通过远程通道与集中器通讯连接；其特征在于——所述集中器还含有由电流采样电路和电压采样电路构成的变压器电能采集模块；——所述电流采样电路为三组差分式电路，各组中的电流互感器分别与台区变压器的三相输出耦合连接，其信号输出端通过A/D转换，接微处理器的对应信号输入端；——所述电压采样电路含有电压互感器，所述电压互感器的原边线圈通过与之串联的分压电阻接台区变压器的输出端，所述电压互感器的副边与采样电阻并联，其信号输出端通过A/D转换，接微处理器的对应信号输入端。
2.根据权利要求1所述电表数据远程管理系统，其特征在于还含有开关量输出和执行电路，所述微处理器的I/O口通过驱动电路与执行电路通过光电耦合器耦合连接，所述执行电路含有供电线路通断控制器件。
3.根据权利要求2所述电表数据远程管理系统，其特征在于所述电压采样电路的信号输出端经带A/D转换的DSP芯片与微处理器通讯连接。
4.根据权利要求3所述电表数据远程管理系统，其特征在于所述远程通道为公共电话网PSTN、GPRS、GSM、以太网、无线电台之
5.根据权利要求4所述电表数据远程管理系统，其特征在于所述集中器的调制解调电路采用一片载波调制解调芯片，所述载波调制解调芯片的信号接收端通过与非门分别与三相载波耦合电路中的载波发送电路切换连接。
6.根据权利要求5所述电表数据远程管理系统，其特征在于所述集中器的外部通讯接口电路包括RS232接口电路、公共电话网接口电路、RS485接口电路和红外通讯接口电路，所述微处理器电路中的微处理器芯片通过一转多串口芯片分别与所述各接口电路连接。
7.根据权利要求6所述电表数据远程管理系统，其特征在于所述抄表终端中集成有RS485接口和脉冲输入接口。
全文摘要
本发明涉及一种以电力线载波为主要通讯通道的电表数据远程抄读、监控和管理系统，属于供电监控管理技术领域。该管理系统包括抄表终端、集中器、主站计算机，其改进之处在于集中器还含有由电流采样电路和电压采样电路构成的变压器电能采集模块。因此，本发明的系统既实现了与管理中心主站的计算机的远程通讯，又通过变压器电能采集模块以及开关量输出和执行电路，以电力线载波为主要信道，实现了将集中抄表和台区变压器监测控制有机结合起来，弥补了现有系统的欠缺，可以大大提高供电营销部门的电力管理水平。
文档编号G08C19/16GK1838193SQ20061003879
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者韩永范, 吴惠昌, 刁国强 申请人:常州苏源永利达电子科技有限公司