专利名称：载波式预付费电能表的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电能计量、控制和收费管理技术，特别是以电力线载波为信息通道进行集中抄表收费，在各用户电能表上实现预付费功能，达到保护购电数据信息安全和分散控制管理的预付费电能表。
背景技术：
电能的计量与收费，目前大多还是采用在各个用户供电入口安装电能表，专职抄表人员定时上门抄表，然后各个用户再到收费处缴费。这种电能表由于没有有效的监控措施清缴电费，使不少供电企业或物业公司的用户电力欠费越来越多，甚至不得不用大面积断电来督促缴纳电费，直接影响了人们生活和社会安定。
对于电能表收费难的问题，中国专利ZL 01261220.0《单相智能卡电能表》和中国专利ZL 02223241.9《数码式预付费电能表》都提出了既解决预收电费，又提高保密程度的电能表方案。这两份专利技术都是通过IC卡或键盘中的单片机对用户购电信息进行智能化加密，又通过安装于电能表中的单片机对输入的用户购电数据信息进行智能化解读，以此达到提高用户购电数据信息安全程度的目的。由于这两种方案仍然存在IC卡或键盘这样一个对用户开放的数据输入窗口，所以只是增加了防止外界恶意攻击的程度，而不能从根本上避免外界攻击，也没有信息回馈通道能够让抄表售电计算机经常核对用户的用电及购电数据。因此，用户购电收费的数据信息仍然存在较大的安全漏洞。
发明内容
本实用新型的发明目的旨在提供一种结构合理、智能化，既能彻底解决电能抄表收费问题，又能从根本上避免外界攻击，保护用电抄表和购电收费数据信息安全的载波式预付费电能表。
本实用新型所提出的技术方案是这样解决的从电力线L、N来的载波信号通过信号耦合电路进入电力线载波模块；载波模块通过信号解调、判读或运算得到的通断控制信号输入控制模块，通过继电器功率输出触点对为用户供电的相线LO实施通断控制；载波模块从载波信号中接收到的用户购电数据、从采样计量模块采集到的用户用电数据都转送到数据存储电路保存；计度显示器接收采样计量模块来的用户用电数据和载波模块来的警告状态信息予以显示；电源模块提供各功能模块所需电源；载波模块从载波信号中接收到抄表命令或需要返回确认信息时，就从数据存储电路中读出用户购电数据或实时抄表数据，经过载波调制后通过信号耦合电路发送到电力线L、N上。
在用户电能表上加装一个电力线载波模块、一个控制模块和一个由非易失RAM(EEPROM，FRAM)器件组成的购电数据存储电路，与电表原有的采样计量模块、计度显示器等组成一个载波式预付费电能表。用户的购电数据通过电力线载波向用户的载波式预付费电能表发送；用户电能表载波模块收到该命令后，模块内的单片计算机立即判读，把购电数据以规定的格式存储到购电数据存储电路，同时将收到购电数据的确认信息通过电力线载波传回抄表售电计算机。用户电能表载波模块收到用户购电数据时，除了进行密码验证、奇偶校验和帧数据和验证之外，还要把该数据发回抄表售电计算机核对确认。由于该数据为多次购电数据的总和，所以用户电能表购电数据存储电路中的存储值应与抄表售电计算机的发送值一致。当抄表售电计算机发送了用户的购电数据以后，如果收不到返回信息，或者收到的返回数据与发送值不一样，则认为该次通信出错，就可自动重发；如果连续多次仍然出错，说明通信信道暂时不通，就可以把该次发送值暂记于计算机的硬盘上，过一两个小时操作员再次操作发送，直到发送成功为止。这就保证了用户购电数据不会漏发或错发。
本实用新型与现有已知技术相比，具有以下优点1、预付费式电能表彻底杜绝用户欠费的优点，还有载波式电能表负荷分析控制到户，运行状态实时监控的优点。既可解决抄表难，又可解决收费难这两大问题。
2、用户购电数据信息通过全封闭，保密性好的电力线载波信道传递，去除了IC卡式等预付费电能表的开放式窗口，保护预付费购电数据信息安全，使其不受任何恶意攻击而改变。
3、用户购电数据信息同时保存在用户电能表和抄表售电计算机上，系统中任何一个设备受到损毁时，用户购电数据仍然可以100％地恢复。避免了IC卡式等预付费电能表极易发生的用户纠纷，即使偶尔发生，也容易得到科学取证。
4、在电价及其他用电政策需要调整时，可以及时由抄表售电计算机根据新的电价政策(如峰谷电价，丰枯电价)等进行相应调控，快速可靠，不会引发影响社会稳定的情况发生。
5、使用已知的IC卡式等预付费电能表，用电管理部门无法知道各个用户当月的实际用电量，也就无法核算当月从用户实际收回的电费数额。如果因非正常用电(如窃电、漏电等)产生较大的“线损”率，就可能造成巨额“线损”电费积累。本实用新型由于能实时准确的抄录计算当月“线损”，可以及时发现并采取措施，避免难以补救的巨大损失发生。
6、本实用新型不仅解决了已知技术“电力线载波电能表”在解决“收费难”方面的不足，而且杜绝了已知技术IC卡式等“预付费电能表”易受攻击、“合法”窃电的信息安全漏洞。可以使电力的分配、使用、计量和收费均置于计算机的监督与控制之中，使供电企业或物业公司彻底解除电力用户长期欠费、大量欠费的沉重负担，为电力系统巨额投资的回收提供了有效的技术手段。本实用新型的实施成本和已知技术的“电力线载波电能表”、IC卡等“预付费电能表”基本相当，性能与功能翻了一番却可保持价格不变，因此性能价格比高，使用风险小，综合效益好。
图1为本实用新型结构示意原理框图；图2为图1的信号耦合电路原理图；图3为图1的载波模块的电路原理图；图4为图1的载波模块的另一电路原理图；图5为图1的载波模块的又一电路原理图；图6为图1的控制模块和计度显示器中警告状态显示的电路原理图；图7为图1的载波模块的数据存储电路和电能计量脉冲输入电路原理图；图8为图1的数据存储电路由铁电存储器组成的电路原理图；图9为图1的数据存储电路由单片计算机串行通信接口与铁电存储器组成的电路原理图。
图10为图1的数据存储电路由单片计算机I2C总线接口与铁电存储器组成的电路原理图。
具体实施方式
附图为本实用新型实施例。
以下结合附图对本实用新型具体实施方式
作进一步说明参照图1所示为“载波式预付费电能表”的组成原理框图。从电力线L、N来的载波信号通过信号耦合电路1进入电力线载波模块2；载波模块2通过信号解调、判读或运算得到的通断控制信号输入控制模块3，通过继电器功率输出触点对为用户供电的相线LO实施通断控制；载波模块2从载波信号中接收到的用户购电数据、从采样计量模块6采集到的用户用电数据都转送到数据存储电路4保存；计度显示器5接收采样计量模块6来的用户用电数据和载波模块2来的警告状态信息予以显示；电源模块7提供各功能模块所需电源；载波模块2从载波信号中接收到召读命令或需要返回确认信息时，就从数据存储电路4中读出用户购电数据或实时抄表数据，经过载波调制后通过信号耦合电路1发送到电力线L、N上。
其中，载波模块2由单片计算机与专用扩频通信集成电路为核心器件组成；数据存储电路4由非易失RAM(EEPROM或FRAM)器件组成；计度显示器5可由齿轮计度器与LED指示灯组成，也可由LED数码管或LCD数码管为核心器件组成；采样计量模块6可由AD7755、BL0932或CS5460等专用电能表芯片为核心器件组成。
图2表示本实用新型一个实施例中信号耦合电路1的电路原理图。由电力线L、N输入的载波信号，通过耦合电容C1进入阻抗变换器T和二极管D1，然后通过电阻R1、电容C3、C2及电感L1、二极管D2、D3耦合至IN。由OUT进入的输出信号，经三极管Q1、Q2、Q3、Q4及电容C5、C6，电阻R2、R3，二极管D4、D5、D6、D7等组成的功率放大器放大后由电感L2、电容C4耦合到阻抗变换器T，再由电容C1耦合至电力线L、N输出。
图3表示本实用新型一个实施例中载波模块2的电路原理图。信号耦合电路1通过IN输入的载波信号，经U1(MC3361)、电阻R4、R11、电容C14、C8及BF1混频后经电容C7耦合至三极管Q5、电阻R5、R6、R7高频放大，再经电容C9耦合进入专用扩频通信集成电路U2(PL2000A)解调，解调出的数字信号送入单片计算机MCU进行识别运算处理。单片计算机MCU需要发送的用户购电数据或实时抄表数据同样输出到专用扩频通信集成电路U2调制，经过OUT送到信号耦合环节1。图中电容C10、C11、C12、C13、C15、C16、C17、C18、C19，电阻R8、R9、R10、R12及晶体X1、X2均为U2的外围电路元件。
图4表示本实用新型另一个实施例中载波模块2的电路原理图。信号耦合电路1通过IN输入的载波信号，经三极管Q6，电阻R13、R14、R15、R16，电容C20高频放大后由电容C21耦合进入专用扩频通信集成电路U3(PL2000B)解调，解调出的数字信号送入单片计算机MCU进行识别运算处理。单片计算机MCU需要发送的用户购电数据或实时抄表数据同样输出到专用扩频通信集成电路U3调制，经过OUT送到信号耦合电路1。图中电阻R17、R18、R19、R20、R21，电容C22、C24、C25、C26及BF2均为U3的外围电路元件。晶体X3、电容C23则为MCU的时钟电路外围元件。
图5表示本实用新型又一个实施例中载波模块2的电路原理图。信号耦合电路1通过IN输入的载波信号，经三极管Q7，电阻R22、R23、R27、R28，电容C27高频放大后由电容C28耦合进入专用扩频通信集成电路U4(PL2101)解调，解调出的数字信号送入单片计算机MCU进行识别运算处理。单片计算机MCU需要发送的用户购电数据或实时抄表数据同样输出到专用扩频通信集成电路U4调制，经过OUT送到信号耦合电路1。图中电阻R24、R2 5、R26、R29、R30和晶体X4，电容C29、C30、C31、C34、C35、C36及BF2均为U4的外围电路元件。晶体X5、电容C32、C33、电池BAT则为U4含有的实时时钟电路外围元件，便于实现复费率预付费电能表设计。
图6为控制模块3和计度显示器5中警告状态显示的电路原理图。由P3.x输出的控制信号经U5(BH3024)和电阻R35、R36、R31译码、锁存并驱动继电器KJ动作。电阻R32、R33、R34和发光二极管D8组成了一个三态(亮、闪烁、暗)显示器。
图7为数据存储电路4以及采样计量模块6到载波模块2的脉冲输入电路原理图。数据存储电路4由U7(X25045)、电阻R38组成。采样计量模块6到载波模块2的脉冲输入电路由U6和电阻R37组成，计量脉冲由CF0、CF1输入。
图8为由铁电存储器U8(FM25040)和电阻R39组成数据存储电路4的原理图。图中电容C39、C40、晶体X7组成单片计算机MCU的时钟电路。
图9为使用单片计算机串行通信接口RXD、TXD与铁电存储器U8构成的数据存储电路4的原理图。
图10为使用单片计算机I2C总线接口，与铁电存储器U9(FM24C04)和电阻R40、R41组成的数据存储电路4的原理图。
单片计算机MCU可以是MCS-51系列，也可以是PIC系列或其它任何一款单片计算机。也可以由数字信号处理器DSP组成。上述通信运算及控制等智能处理程序全部固化在单片计算机系统MCU的程序存储器中。
综上所述，选用AD7755、BL0932、BL0955或CS5460等专用电能表芯片中的一种，以其为核心器件组成采样计量模块6；选用齿轮计度器加LED指示灯、LED数码管或LCD数码管中的一种，以其为核心器件并结合图6中警告状态显示部分电路组成计度显示器5；选用图7、图8、图9或图10中的一种方案组成数据存储电路4；按照图6电路组成控制模块3；选用图3、图4或图5中的一种方案组成载波模块2；按照图2表示的电路组成信号耦合电路1；选用数字信号处理器DSP或MCS-51系列、PIC系列等任何一款单片计算机中的一种，组成载波模块[2]中的MCU，将上述通信运算及控制等智能处理程序全部固化在MCU的程序存储器中。上述各个模块、电路与电源模块7按照图1所示组装在一块印制电路板上或一块厚膜电路中，并装配到表壳中经校验、走字即告完成。
载波式预付费电能表按照传统电能表相同的方法接入各用户供电入口处。载波模块实时采集用户用电的增量信息，每增加1KWh就和购电数据比较并计算余额；当购电数据余额减少到设定值以下，载波模块发出声、光警告并提示购电数据余额；当购电数据余额减少到0时，载波模块操作继电器断电；当用户再次交款购电时，重复上述过程，载波模块检测到购电数据余额大于0时，操作继电器通电。
权利要求1.一种载波式预付费电能表，其特征在于从电力线[L、N]来的载波信号通过信号耦合电路[1]进入电力线载波模块[2]；载波模块[2]通过信号解调、判读或运算得到的通断控制信号输入控制模块[3]，通过继电器功率输出触点对为用户供电的相线LO实施通断控制；载波模块[2]从载波信号中接收到的用户购电数据、从采样计量模块[6]采集到的用户用电数据都转送到数据存储电路[4]保存；计度显示器[5]接收采样计量模块[6]来的用户用电数据和载波模块[2]来的警告状态信息予以显示；电源模块[7]提供各功能模块电源；载波模块[2]从载波信号中接收到抄表命令或需要返回确认信息时，就从数据存储电路[4]中读出用户购电数据或实时抄表数据，经过载波调制后通过信号耦合电路[1]发送到电力线[L、N]上。
2.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于用户的购电数据是通过电力线[L、N]来的载波信号向用户电能表的载波模块[2]发送；用户电能表载波模块[2]收到该购电数据信息后，模块内的单片计算机立即判读，把购电数据以规定的格式存储到购电数据存储电路[4]的同时，将收到购电数据的确认信息通过电力线[L、N]载波传回抄表售电计算机进行核对。
3.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的用户购电数据为多次购电数据的总和，用户电能表购电数据存储电路[4]中的存储值与抄表售电计算机的发送值一致；当抄表售电计算机发送了用户的购电数据以后，如果收不到返回信息，或者收到的返回数据与发送值不一样，则认为该次通信出错，就可自动重发直到发送成功为止。
4.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的电力线载波模块[2]由电力线载波专用扩频通信集成电路[PL2000A]或[PL2000B]或[PL2101]为核心器件组成。
5.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的控制模块[3]由一个译码、锁存、驱动集成电路[BH3024]和三个电阻[R35、R36、R31]及一个磁保持继电器[KJ]组成；电阻[R35、R36]的一端分别接两个控制输出端[P3.x]，另一端则接到[BH3024]的A、B端。电阻[R31]与磁保持继电器[KJ]的控制线圈并联后接到[BH3024]的[QA]和[QB]端。
6.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说计度显示器[5]中，警告状态显示电路由一只[LED]指示灯和三只电阻组成一个三态亮、闪烁、暗显示器，[LED]指示灯的阳极分别连接+5V和两个电阻，两个电阻的另一端分别连接单片机的两个控制输出端，[LED]指示灯的阴极连接另一个电阻，该电阻的另一端连接到单片机的两个控制输出端之一。
7.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的购电数据存储电路[4]由[EEPROM]器件组成。
8.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的购电数据存储电路[4]由铁电存储器[FRAM]器件组成。
9.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的购电数据存储电路[4]是使用铁电存储器[FM25040]组成。
10.根据权利要求1所述的载波式预付费电能表，其特征在于所说的购电数据存储电路[4]是使用单片计算机系统的[I2C]总线接口，与铁电存储器[FM24C04]组成。
专利摘要一种既能解决电能远程抄表收费，又能从根本上避免外界攻击，保护抄表收费和购电数据信息安全的载波式预付费电能表。由电力线载波电路、控制电路和非易失RAM(EEPROM，FRAM)器件构成的购电数据存储电路，与电表原有的采样计量电路、计度显示器等组成。用户的购电数据通过电力线载波向用户电能表发送；用户电能表电力线载波电路收到后，在以规定格式存储到购电数据存储电路的同时，将确认信息通过电力线载波传回抄表售电计算机进行核对。本实用新型结构合理、安装简便，用于电能计量、控制及预收费管理系统中，使电力的分配、使用、计量和收费均置于全透明的计算机监督与控制之中，预防窃电、漏电等不正常线路损耗发生。
文档编号G01R11/00GK2708324SQ20042004159
公开日2005年7月6日 申请日期2004年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者齐长远 申请人:齐长远