专利名称：一种支持双向通信的单相电能表的制作方法
技术领域：
本发明关于电力系统的电能计量技术，尤其关于家用单相电能表技术，具体的讲 是一种支持双向通信的单相电能表。
背景技术：
随着智能电网的建设和发展，电力公司需要更多的了解家庭用户用电情况，了解 计量设备的运行状况。但现有技术的居民用单相电能表，只支持简单的计量、预付费等功 能，无法满足电力公司更多信息交互的要求。
发明内容
本发明实施例提供一种支持双向通信的单相电能表，用以实现支持多种通信制 式，且不需改变任何单相电能表软硬件的单相电能表。本发明实施例的目的是，提供一种支持双向通信的单相电能表，该电能表包括主 控CPU;数据采集单元，用于从电力线采集电压信号和电流信号；数据处理单元，用于对采 集的电压信号和电流信号进行处理，生成电压质量信息和电能计量信息；显示单元，用于 对所述的电压质量信息和电能计量信息进行显示；通信装置接口，用于与一个通信装置相 连接；多个通信制式彼此不同的通信装置，在所述的多个通信制式彼此不同的通信装置中 择一与所述的通信装置接口相连接，用于将所述的电压质量信息和电能计量信息发送给远 端；所述的主控CPU控制所述的数据采集单元、数据处理单元、显示单元、通信装置接口以 及与所述通信装置接口连接的通信装置的工作。本发明实施例的效果在于，实现了支持多种通信模块的单相电能表，并支持各个 通信模块热插拔。本发明的单相电能表既可支持目前最主流的通信方式，又可针对不同的 要求替换模块，而不需改变任何单相电能表软硬件，从而极大减少开发、生产及维护费用。 本发明提出利用宽带无线(McWiLL)、GPRS、电力线载波和小无线通信方式，通过事件检测电 路和算法，使电能表具有对用电异常、窃电和电表故障等的自动检测，并主动上报的功能， 解决了人工抄表的弊端，大大提高了工作效率和供电服务质量。同时电能表可以作为通信 介质，实现显示终端-电能表-主站之间双向实时通信的功能，在不需要附加任何通信介质 的情况下，实现电力用户与电力公司之间的双向交互，满足智能电网的建设需要。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中图1为本发明支持双向通信的单相电能表结构框图；图2为本发明支持双向通信的单相电能表外观示意图；图3a至图3d为本发明通信装置的结构框图；图4为本发明实施例的支持双向通信的单相电能表结构框图5为本发明实施例的远程通信装置接口示意图；图6为本发明实施例的远程通信装置接口管脚定义示意图；图7为本发明实施例的光电隔离和远程通信装置接口电路图；图8为本发明实施例电能表的事件传感器的示意图；图9为本发明实施例的开盖传感电路的电路图；图10为本发明实施例的继电器和过零检测电路的电路图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施 例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为 对本发明的限定。如图1所示，本发明具体实施方式
的支持双向通信的单相电能表包括主控 CPU104，数据采集单元101用于从电力线采集电压信号和电流信号；数据处理单元102用 于对采集的电压信号和电流信号进行处理，生成电压质量信息和电能计量信息；显示单元 103用于对所述的电压质量信息和电能计量信息进行显示；通信装置接口 105用于与一个 通信装置相连接；多个通信制式彼此不同的通信装置(106a，106b, 106c, 106d)，在多个通 信制式彼此不同的通信装置(106a，106b，106c，106d)中择一与通信模块接口 105相连接用 于将电压质量信息和电能计量信息发送给远端；主控CPU104控制数据采集单元101、数据 处理单元102、显示单元103、通信装置接口 105以及与所述通信装置接口连接的通信装置 的工作。如图2所示，为本发明具体实施方式
的支持双向通信的单相电能表200的外观示 意图，单相电能表200包括显示屏201，通信装置插槽202，通信装置接口(20 和20 )， 通信装置接口 20 为数据线接口，通信装置接口 202b为电源线接口，通信装置接口 20 和20 也可合并为一个接口。在图2中，通信装置为模块化设计，利用通用的接口定义，能够同时支持GPRS、宽 带无线(McWiLL)、低压电力线载波和短距离微功率无线等。传输数据采用透明转发的方式， 在电能表本体的通信单元上依据特定通信规约进行数据的解析和组帧，通信装置只负责将 通信帧按相应的通信方式转发，从而使未来更多通信方式均可无缝接入到电能表的上行信 道中。通信装置包括=GPRS通信装置203a、3G通信装置20北、载波通信装置203c和短距无 线通信装置203d。根据电能表当前所处的通信环境，在GPRS通信装置203a、3G通信装置 20北、载波通信装置203c和短距无线通信装置203d中选择一个可用的通信装置与通信装 置接口 20 和202b相连接。如图3a所示，GPRS通信装置包括CPU303a、串行接口 3(^a、LED指示灯3(Ma、看门 狗电路306a、存储器30 和McWiLL模块301a。GPRS通用分组无线业务(General Packet Radio Service)是基于GSM系统的无线分组交换技术。虽然GPRS技术是现有GSM网络向 第三代移动通信演变的过渡技术，但在多方面都具有优势。GPRS技术适合于更多的数据业 务，如移动办公室、Internet接入等，在传输速率、无线资源管理、计费等更具有优势。通过 GPRS通信可实现电能表与主站的直接通信，而无需其他设备中转。如图北所示，3G通信装置包括CPU303b、串行接口 302b、LED指示灯304b、
4看门狗电路306b、存储器305b和GPRS通信模块301b。3G通信模块301b可采用 McffiLL (Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路) 模块，McWiLL模块是SCDMA综合无线接入技术的宽带演进版。McWiLL模块可以同时支持 语音业务、数据业务、多媒体，是语音数据一体化的宽带无线接入系统。McWiLL单基站占用 5MHz的载频带宽，最高吞吐量为15Mbit/s，终端最高吞吐量为3Mbit/s，最多能支持并发 300路语音，是目前可商用的、支持移动性的宽带无线接入系统。它可以实现电能表与主站 的实时直接交互。如图3c所示，载波通信装置包括CPU303c、串行接口 302c、LED指示灯3(Mc、看 门狗电路306c、存储器305c和3G通信模块301c。电力载波通信模块PLC，俗称“电力线上 网”，主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。它的优点是实现成本低， 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少 了网络的投资，降低了成本。电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法 比拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。PLC能够提供 高速的传输。目前，其传输速率在4. 5M 45Mbps之间，远远高于拨号上网和ISDN，能够支 持现有网络上的应用。如图3d所示，短距无线通信装置包括CPU303d、串行接口 302d、LED指示灯304d、 看门狗电路306d、存储器305d和短距无线通信模块301d。短距离无线通信是指所有传输 范围等于或小于IEEE 802. 11和802. 15标准所规定范围的无线网络通信，短程无线通信比 第三代蜂窝设备无线数据传输更快、成本更低、功耗更小。上述四种通信方式可以满足不同用电环境下电能表的通信要求，提高了通信系统 的可靠性，也使居民用户用电信息的全采集、全覆盖要求得以实现。
实施例如图4所示，本实施例的电能表包括主控CPU404，数据采集单元401用于从电力 线采集电压信号和电流信号；数据处理单元402用于对采集的电压信号和电流信号进行处 理，生成电压质量信息和电能计量信息；显示单元403用于对电压质量信息和电能计量信 息进行显示；远程通信装置接口 405用于与一个通信装置相连接；多个通信制式彼此不同 的通信装置G06a，4(^b，406C，406d)，在多个通信制式彼此不同的通信装置中择一与远程 通信装置接口 405相连接，用于将电压质量信息和电能计量信息发送给远端；主控CPU404 控制数据采集单元401、数据处理单元402、显示单元403、远程通信装置接口 405以及与通 信装置接口 405连接的通信装置的工作。本实施例的电能表还包括光电隔离电路407，远程通信装置接口 405通过光电隔 离电路407与主控CPU404相连接。本实施例的电能表还包括事件传感器410用于对电能表本地的事件信号进行检 测，并将事件信号传送给数据处理单元402生成事件报警信息，由通信装置将事件报警信 息发送给远端。事件传感器410包括电能表开盖传感电路、电能表电池欠压传感电路和/ 或电能表温度传感器。本实施例的电能表还包括开关控制单元409，该开关控制单元409包括继电器 和过零检测电路；其中，过零检测电路从所述的电力线中采集故障信号和运行状态信号，并将故障信号和运行状态信号传送给主控CPU404，主控CPU404根据故障信号和运行状态信 号控制继电器动作。本实施例的电能表还包括本地通信单元412用于将电压质量信息和电能计量信 息发送给近端通信设备。本地通信单元包括红外通信模块、RS485通信模块、M-BUS通信 模块或ZigBee通信模块。本实施例的电能表还包括键盘408和购电卡接口 411。本实施例电能表的通信装置接口支持热插拔，且电能表可同时支持GPRS、3G、载波 和短距无线通信等通讯制式。由于载波同GPRS、3G的通信接口有部分区别，电能表设计了 可同时兼容4种模块的电气接口，通讯装置与电能表的接口插座安排如图5所示。如图6所示为远程通信装置接口管脚定义示意图；其中，MRX为通信装置接收电能 表CPU信号引脚(5V TTL电平)；MTX为通信装置给电能表CPU发送信号引脚(5V TTL电 平)；MGND为通信地；MDC5V为GPRS、3G和载波的模拟电源，由电能表提供。MDC12V为载波的 另一个电源，可兼容5V的载波模块和12V的载波模块；IZBSET为载波的设置信号引脚(兼 容5V和12V电平)；IZBRST为载波的复位信号引脚(兼容5V和12V电平)。如图7所示，光电隔离和远程通信装置接口电路图；主控CPU和通信装置之间使用 光耦隔离电路保证了热插拔的安全性。同时使用标准的UART引脚保证了不同通信模块的 可替换。在不停电的情况下，换上其他通信模块后，通信通道能自动切换，并经新的通信介 质通知主站该单相电能表的通信装置已更换。通信接口采用的模块化设计能够满足通信装 置互换要求，支持更多通信方式的无缝接入。软件硬件设计上留有统一的电平接口，参数， 统一的程序接口，保证无缝接入。如图8所示，本实施例的电能表还包括事件传感器，用于对电能表本地的事件信 号进行检测，并将事件信号传送给数据处理单元生成事件报警信息，由通信装置将事件报 警信息发送给远端。事件传感器包括电能表开盖传感电路、电能表电池欠压传感电路和/ 或电能表温度传感器。本电能表具有检测看表盖和开端子盖的功能。如9图所示，主控CPU的IO 口作为 输入端与KBGJL 口相连。通过传感器，K4可检测电表的端子盖是否被打开，即端子盖打开， 则K4闭合；端子盖关闭，则K4断开。主控CPU每1秒检测一次K4的状态，一旦其处于断开 状态并超过设定次数后，则视为一次开盖事件，进行记录。由图9可知，端子盖未被打开时， 连到主控CPU的KBGJL信号一直为高(等于VCP电压)，当端子盖打开时，连到主控CPU的 KBGJL信号则通过K4接地(DGND)，完成了对开盖的检测。主控CPU检测到开盖事件后，可 立即将该事件上报给主站。电池欠压上报功能=Battery为3. 6V电池标志，通过二极管降压后提供为主控CPU 和存储器等提供3. 3V电源。两个IOM阻值的大电阻R73、R74将电池电压值降到一半值，并 将电压BT3CHK送到主控CPU的采样口，主控CPU通过10位高速A/D采样器采样得到的值 与基准电压比较，得到准确的电池电压值。若电池电压值低于某临界点，主控CPU立刻将电 池欠压的事件上报给主台，通知供电公司及时更换电池。温度异常上报使用智能温度传感芯片TCN75用于检测实时温度，若温度异常，电 能表可上报该异常情况。TCN75是串行可编程的温度传感器，当周围温度超过用户编定的设 定点时，它可通过2线总线IIC_SDA和IIC_SCL发送给电能表主控CPU。
如图10所示，为继电器和过零检测电路的电路图。其中，CS5463为过零信号检测 芯片。CS5463的INT引脚可用来通知CSM63发生了某些事件，这些事件包括芯片运行的状 态和内部故障状态。状态寄存器与屏蔽寄存器组合将产生INT信号。220V市电信号UN经 过电阻网络R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27后，转变成幅值约为2V的正弦波信号输 入到CSM63的差分输入信号源VIN+和VIN-端口，完成了对市电的实时采样。本实施例将INT引脚的触发方式配置成上升沿有效，并将CSM63的INT 口连接到 主控CPU的中端口 INTl上。当UN的正弦波形从负端转为正端，且刚好经过零点的时刻， CSM63立即向INT 口发送一个脉冲信号。主控CPU中端口 INTl接收到信号后，立即进入中 断服务子程序，完成对市电过零信号的实时监测。由于采用了上述的过零检测技术，此电路 具有电压过零时断开继电器的特性。因此可有效地解决继电器在容性和感性情况下，减少 继电器火线和零线触电间产生的火弧，大大增加了继电器的可靠性和寿命。继电器散热方式，继电器合理的空间布局，继电器四周留有较大空间，继电器与底 壳不直接接触，继电器的安装位置考虑了空气对流，更有利于散热。继电器外端火线和零线 接口使用对称的粗铜条，利于导热。继电器与分流器的配合很好的处理了外磁场的影响。本技术方案中的单相电能表的通信系统电源可以满足零停机的要求，电源模块具 备热插拔的功能来满足零停机要求。热插拔要求也在于防止系统错误。但由于不同模块有 不同特性，因此本技术满足了以下硬件要求1)进行热插拔时，硬件能够承受瞬间产生的冲击电压和浪涌电流的影响，消除插 座间产生火花。2)热插拔后，单相电能表的硬件系统的负载接替顺滑，以防止因突然转变而影响 输出电压的调节。具体的硬件设计包括对模块接口的定义、电能表通信模块的接口电路设 计以及通信部分设计。本发明实施例，使得单相电能表软硬件同时兼容多种通信模块；且多种通信模块 可热拔插；电能表能主动上报事件；电能表作为通信介质传送消息、数据、语音等信息。本 发明实施例支持多种通信方式，可同时兼容低压电力线载波、GPRS、短程无线通信和宽带无 线通信(McWiLL)四种信道。替换通信模块时，单相电能表无需断电，无需改变任何软硬件 设计，满足未来智能电网的建设需要。通过电能表的双向通信，电能表可以实时主动上报事 件，还可以提供通信媒介传输短信、语音及视频等传输数据功能。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保 护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种支持双向通信的单相电能表，所述的电能表包括主控CPU ；其特征在于，所述 的电能表还包括数据采集单元，用于从电力线采集电压信号和电流信号；数据处理单元，用于对采集的电压信号和电流信号进行处理，生成电压质量信息和电 能计量信息；显示单元，用于对所述的电压质量信息和电能计量信息进行显示；通信装置接口，用于与一个通信装置相连接；多个通信制式彼此不同的通信装置，在所述的多个通信制式彼此不同的通信装置中 择一与所述的通信装置接口相连接，用于将所述的电压质量信息和电能计量信息发送给远 端；所述的主控CPU控制所述的数据采集单元、数据处理单元、显示单元、通信装置接口以 及与所述通信装置接口连接的通信装置的工作。
2.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的多个通信制式彼此不同的通信装置 包括GPRS通信装置、3G通信装置、载波通信装置和短距无线通信装置。
3.如权利要求2所述的电能表，其特征是，所述的GPRS通信装置包括CPU、串行接口、 LED指示灯、看门狗电路、存储器和GPRS通信模块；所述的3G通信装置包括CPU、串行接口、LED指示灯、看门狗电路、存储器和3G通信模块；所述的载波通信装置包括CPU、串行接口、LED指示灯、看门狗电路、存储器和电力线 载波通信模块；所述的短距无线通信装置包括CPU、串行接口、LED指示灯、看门狗电路、存储器和短 距无线通信模块。
4.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的电能表还包括光电隔离电路，所述 的通信装置接口通过所述的光电隔离电路与所述的主控CPU相连接。
5.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的电能表还包括事件传感器，用于对 电能表本地的事件信号进行检测，并将所述的事件信号传送给所述的数据处理单元生成事 件报警信息，由所述的通信装置将所述的事件报警信息发送给远端。
6.如权利要求5所述的电能表，其特征是，所述的事件传感器包括电能表开盖传感电 路、电能表电池欠压传感电路和/或电能表温度传感器。
7.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的电能表还包括继电器和过零检测电 路；其中，所述的过零检测电路从所述的电力线中采集故障信号和运行状态信号，并将所述故障 信号和运行状态信号传送给所述的主控CPU，所述的主控CPU根据所述的故障信号和运行 状态信号控制所述的继电器动作。
8.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的电能表还包括本地通信单元，用于 将所述的电压质量信息和电能计量信息发送给近端通信设备。
9.如权利要求8所述的电能表，其特征是，所述的本地通信单元包括红外通信模块、 RS485通信模块、M-BUS通信模块或ZigBee通信模块。
10.如权利要求1所述的电能表，其特征是，所述的电能表还包括键盘和购电卡接口。
全文摘要
本发明提供一种支持双向通信的单相电能表，该电能表包括主控CPU；数据采集单元，用于从电力线采集电压信号和电流信号；数据处理单元，用于对采集的电压信号和电流信号进行处理，生成电压质量信息和电能计量信息；显示单元，用于对电压质量信息和电能计量信息进行显示；通信装置接口，用于与一个通信装置相连接；多个通信制式彼此不同的通信装置择一与通信装置接口相连接，用于将电压质量信息和电能计量信息发送给远端；主控CPU控制数据采集单元、数据处理单元、显示单元、通信装置接口以及与通信装置接口连接的通信装置的工作。用以实现支持多种通信制式，且不需改变任何单相电能表软硬件的单相电能表。
文档编号G01R22/06GK102128977SQ20101003437
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者周晖, 宁文元, 宋伟, 尹建丰, 崔维信, 张健辉, 易忠林, 殷庆铎, 毛凯东, 王思彤, 田云峰, 章鹿华, 花雷, 袁瑞铭, 赵峰, 高舜安 申请人:华北电力科学研究院有限责任公司, 华北电网有限公司