基于用电标识的精细化电量计量系统及方法

本发明涉及智能用电领域，具体是基于用电标识的精细化电量计量系统及方法。

背景技术：

1、现代化办公楼宇为我们提供高效、便利的工作环境的同时也存在严重的电能浪费现象。智能用电技术的发展一定程度上解决了电能浪费问题，但目前的智能用电智能化水平有限，从各个用电器日常使用中获得精细化的用电数据还较为困难，对后续的用电行为规划及用电模式预测造成不便。

2、现有的电量计量系统存在以下缺陷：1.仅能获取用电单位整体用电数据，无法精确至某一单一用电设备；2.无法精确获得各设备精细化用电量；3.用电信息采集无法避免电力线干扰问题。

技术实现思路

1、针对现有技术用电器用电数据采集困难、精度低的问题，提出了基于用电标识来进行用电量精细化计量的方法及系统，利用数字调制技术为各用电器用电信息形成独立的编码，实现独立标识的目的，并将标识信号耦合回火线进行传输。在电表端对用电信息进行采集，对采集到的标识信息进行谐波分析处理，完成信号解析工作，从而得到各用电器精细化用电量数据。

2、为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于用电标识的精细化电量计量系统，包括用电标识端和采集计量端，用电标识端包括电流检测电路、微控制器i、方波转正弦波电路、数字调制电路以及电容耦合电路i，电流检测电路的输入端连接用电器，用于采集用电器电流波形并转为单极性电压信号，电流检测电路的输出端与微控制器i的输入端相连，用于将单极性电压信号转换生成调制信号并为不同用电器分配不同频率的pwm方波信号作为标定频率信号，标定频率信号与方波转正弦波电路的输入端相连，用于将标定频率信号转换为载波信号，调制信号、载波信号与数字调制电路的输入端相连，用于根据调制信号和载波信号生成标识单个用电器的独立编码信号，独立编码信号通过电容耦合电路i耦合至电力线；采集计量端包括电容耦合电路ii、ad采样电路、电能计量电路和微控制器ii，电力线中的独立编码信号通过电容耦合电路ii耦合至ad采样电路的输入端，电能计量电路的输入端与电力线相连，ad采样电路以及电能计量电路的输出端与微控制器ii相连。

3、进一步的，电流检测电路包括电流互感器、采样电阻、功率放大器u1a、功率放大器u1b，电流互感器连接于功率放大器u1a的反相输入端与同相输入端之间，采样电阻连接于功率放大器u1a的反相输入端与输出端之间，功率放大器u1b的反相输入端连接于电阻r2、r3之间，电阻r2、r3串联于电源vcc与地之间，功率放大器u1b的正相输入端连接至功率放大器u1a的正相输入端。

4、进一步的，电流检测电路与微控制器i的输入端之间设有低通滤波电路，低通滤波电路包括电阻r4、r5、电容c1、c2以及功率放大器u2a，电流检测电路的输出端通过串联的电阻r4、r5连接至功率放大器u2a的正相输入端，功率放大器u2a的反相输入端连接其输出端并且经电容c1连接至电阻r4、r5之间，功率放大器u2a的正相输入端与电阻r5经过电容c2接地。

5、进一步的，低通滤波电路与微控制器i的输入端之间连接有比较器。

6、进一步的，方波转正弦波电路包括电容c3、c4、电阻r6、r7、功率放大器u3a、功率放大器u3b，微控制器i的输出端经电容c3、c4连接至功率放大器u3a的正相输入端，功率放大器u3a的输出端经电阻r6、r7连接至功率放大器u3b的正相输入端，功率放大器u3b的输出端连接至数字调制电路的输入端。

7、进一步的，数字调制电路采用ask、fsk、psk调制中的一种。

8、进一步的，电容耦合电路ii和ad采样电路之间设有高通滤波电路，高通滤波电路包括电容c7、c8以及功率放大器u4a，电容耦合电路ii的输出端经过串联的电容c7、c8连接至功率放大器u4a的正相输入端，功率放大器u4a的输出端连接至ad采样电路。

9、本发明还公开了一种基于用电标识的精细化电量计量方法，包括以下步骤：

10、s01）、通过电流检测电路获得用电器电流波形并将用电器电流波形转为单极性电压信号，单极性电压信号传输至微处理器i进行ad采样和波形特征提取，根据波形特征输出pwm波形作为调制信号，同时微处理器i为不同用电器分配不同频率pwm方波作为标定频率信号，标定频率信号经方波转正弦波电路转换为正弦波作为载波信号；

11、s02）、调制信号与载波信号输入至数字调制电路进行调制，形成标识单个用电器的独立编码信号，独立编码信号经电容耦合电路i传输至电力线；

12、s03）、独立编码信号由电力线传输至电表计量端，电表计量端通过电容耦合ii得到多设备混合的独立编码信号，独立编码信号经高通滤波后仅保留独立编码信号特定频率，对高通滤波后的数据进行ad采样，传输至微处理器ii进行数据分析处理，还原出具有用电器用电波形特征的调制信号，通过占比结合计量电路精确计量的总计用电量得到各设备精细化用电量。所述占比是指，各个标定频率的占空比所得有效值占所有标定频率有效值之和的比重。

13、进一步的，微处理器ii还原出具有用电器用电波形特征的调制信号的过程为：

14、s31）、依据调制信号周期将微控制器ii接收的数据划分成m个周期并存储为矩阵；

15、s32）、从m个周期中取一周期数据，将周期数据分成多等份并存储为矩阵，每一等份数据均应包含各高次谐波特征；

16、s33）、依次提取每一等份数据，进行fft谐波分析，获取第每一份数据下每个用电器频率对应的幅值信息，将得到的幅值信息依次存储；

17、s34）、根据各等份数据下幅值信息进行调制信号的还原工作，依据幅值数据判断该数据下原调制信号方波状态是否为高电平，高电平状态则赋值为1，反之为0，将赋值信息以矩阵形式存储，还原出调制信号。

18、进一步的，单极性电压信号先进行低通滤波然后同时传输至比较器和微控制器i，微控制器i对其输入进行捕获，根据捕获波形同步发出调制信号和标定频率信号。

19、本发明的有益效果：本发明基于用电标识技术实现一种新型的用电量精细化计量系统，能够帮助用户实时精确的了解各用电设备的用电量信号。通过数字调制技术为各个用电设备用电信息进行独立编码，形成独特的用电标识然后经电容耦合至电力线，大大降低了信号传输过程中的干扰问题。计量端独特的数据分析处理方案，提高调制信号还原的精度，保证用电量的精细化。实时精细化的用电量显示为用户用电规律、用电习惯分析提供了数据支持，为智能用电设备提供了硬件支持。

技术特征：

1.基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：包括用电标识端和采集计量端，用电标识端包括电流检测电路、微控制器i、方波转正弦波电路、数字调制电路以及电容耦合电路i，电流检测电路的输入端连接用电器，用于采集用电器电流波形并转为单极性电压信号，电流检测电路的输出端与微控制器i的输入端相连，用于将单极性电压信号转换生成调制信号并为不同用电器分配不同频率的pwm方波信号作为标定频率信号，标定频率信号与方波转正弦波电路的输入端相连，用于将标定频率信号转换为载波信号，调制信号、载波信号与数字调制电路的输入端相连，用于根据调制信号和载波信号生成标识单个用电器的独立编码信号，独立编码信号通过电容耦合电路i耦合至电力线；采集计量端包括电容耦合电路ii、ad采样电路、电能计量电路和微控制器ii，电力线中的独立编码信号通过电容耦合电路ii耦合至ad采样电路的输入端，电能计量电路的输入端与电力线相连，ad采样电路以及电能计量电路的输出端与微控制器ii相连。

2.根据权利要求1所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：电流检测电路包括电流互感器、采样电阻、功率放大器u1a、功率放大器u1b，电流互感器连接于功率放大器u1a的反相输入端与同相输入端之间，采样电阻连接于功率放大器u1a的反相输入端与输出端之间，功率放大器u1b的反相输入端连接于电阻r2、r3之间，电阻r2、r3串联于电源vcc与地之间，功率放大器u1b的正相输入端连接至功率放大器u1a的正相输入端。

3.根据权利要求2所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：电流检测电路与微控制器i的输入端之间设有低通滤波电路，低通滤波电路包括电阻r4、r5、电容c1、c2以及功率放大器u2a，电流检测电路的输出端通过串联的电阻r4、r5连接至功率放大器u2a的正相输入端，功率放大器u2a的反相输入端连接其输出端并且经电容c1连接至电阻r4、r5之间，功率放大器u2a的正相输入端与电阻r5经过电容c2接地。

4.根据权利要求3所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：低通滤波电路输出端与微控制器i的输入端之间连接有比较器。

5.根据权利要求1所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：方波转正弦波电路包括电容c3、c4、电阻r6、r7、功率放大器u3a、功率放大器u3b，微控制器i的输出端经电容c3、c4连接至功率放大器u3a的正相输入端，功率放大器u3a的输出端经电阻r6、r7连接至功率放大器u3b的正相输入端，功率放大器u3b的输出端连接至数字调制电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：数字调制电路采用ask、fsk、psk调制中的一种。

7.根据权利要求1所述的基于用电标识的精细化电量计量系统，其特征在于：电容耦合电路ii和ad采样电路之间设有高通滤波电路，高通滤波电路包括电容c7、c8以及功率放大器u4a，电容耦合电路ii的输出端经过串联的电容c7、c8连接至功率放大器u4a的正相输入端，功率放大器u4a的输出端连接至ad采样电路。

8.基于用电标识的精细化电量计量方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求所述的基于用电标识的精细化电量计量方法，其特征在于：微处理器ii还原出具有用电器用电波形特征的调制信号的过程为：

10.根据权利要求 所述的基于用电标识的精细化电量计量方法，其特征在于：单极性电压信号先进行低通滤波然后同时传输至比较器和微控制器i，微控制器i对其输入进行捕获，根据捕获波形同步发出调制信号和标定频率信号。

技术总结
本发明涉及公开智能用电领域，具体是基于用电标识的精细化电量计量系统及方法，对各用电设备用电信息进行分析并提取用电波形特征，为各用电设备分配特定频率波形根据用电波形特征进行用电标识，形成独立编码。经信号耦合传输至电表计量端，计量端对多个用电设备混合的用电标识信号进行采集，作为微处理器输入进行数据处理，还原出各用电标识信号用于独立编码的调制信号占空比，完成信号解析工作，结合专用计量芯片精确计量的电力线中的总计用电量，分析得到各用电器精细化用电量。本发明能够帮助用户实时精确的了解各用电设备的用电量信号。

技术研发人员：王涛,陶学攀,李艳萍,高焕兵
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4