专利名称：电表自动控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电表集中管理、自动监控系统，具体是一种适用于电力系统对电表集中管理的电表自动控制系统。
背景技术：
电表管理一直是一件供电部门非常关心而又很麻烦的事。传统的抄表收费和用电监察都是由专人到用户现场抄表和检查，将所收集的电表数据汇总到供电部门，供电部门再根据相关规定出票收费。这样既需要大量的抄收人员，劳动强度大，效率低，又可能出现人为差错，产生一些不必要的社会影响，同时也影响供电部门的企业形象。目前国内外抄表方式主要有人工抄表、预付费和自动抄表三种。人工抄表是通过抄表人员到现场对每一只电表读数抄表，将抄到的电表数据带回供电部门处理，再通知用户交费；预付费方式是用户先到供电部门预先购电，供电部门将所购电量写入某种介质卡，由用户自己将含有相应电量的数据通过卡送入自己的电表中，完成先交费后用电的过程；自动抄表系统(工作范围一般限定在一个台区内)根据所使用的技术不同可分为总线方式、短距离无线电(以下简称RF)方式和电力线载波(以下简称PLC)方式。
总线方式主要采用RS485总线。由于RS485总线方式在使用时必须用电线把每一只电表都分别连接到集中器上，再由集中器通过电话线(或其他通讯方式)把所采集到的电表数据传到计算机管理系统，构成自动抄表系统(以下简称AMR)。由于电表数量很大，电表与集中器之间连线较多，需要在楼道里专门布线，给系统安装带来了较大的困难和工作量；同时，增加了较多的接头，容易产生接触不良影响抄表的可靠性，特别是时间长了以后，接触不良现象更加严重，大大增加了系统的维护工作量。另外，安装在楼道里的电线容易遭到人为破坏，影响抄表系统的正常工作。这些问题的存在制约了RS485总线自动抄表系统的大量使用。
PLC方式是直接利用电力线作为通讯线路传送数据，不需要重新布线，大大减少了安装工作量，安装使用较为方便。但由于电力线上存在许多不确定干扰因素，特别是特征阻抗和谐波分量随机变化较大，极大的影响了通讯的可靠性和效率(如数据传输速度较慢，可能出现较长时间段的通讯堵塞)，无法真正做到双向有效通讯，影响了功能的增加和应用范围的扩大，目前只有最基本的抄表功能，效率较低(为了避开干扰，提高通讯效率，一般都选择在夜间作为抄表时间)。
RF方式，是利用公共无线电频段(ISM频段)进行数据通讯，通讯效率高，安装简单，使用方便。但由于空间电磁波干扰较大，特别是障碍物阻挡情况随机，发射功率受限，直接影响了传输距离，目前在国内使用较少。自动抄表系统三种方式的情况对比如下表所示。
自动抄表系统情况对照表
从目前国内外使用的情况看，国外发达地区采用RF方式和PLC方式抄表的较多，欠发达地区采用人工抄表和预付费方式的较多。
发明的内容为了克服目前电力管理部门现行自动抄表系统存在的不足，实现系统准实时双向、快速可靠的通讯，解决目前供电部门非常关心的实际问题，更好的为供电部门和用户服务，充分利用各种新技术的特点，整合优势，构建一套功能更完善、更实用的电表自动控制系统确实很有必要。本实用新型的目的是提供一种电表自动控制系统(以下简称MACS)，为实现供电部门对电表的管理提供有力的技术支撑，并且能够更加方便用户，提高现行电表的管理水平。
技术方案通过对现行自动抄表系统存在问题的分析和对RF技术和PLC技术的优缺点的研究，本实用新型将RF技术与PLC技术有机地结合，利用单片机控制技术和计算机网络技术构建一套全新的准实时双向通讯的电表网络系统，使电表自动控制系统变为现实。将两种技术有机的结合，充分发挥各自的优点，扬长避短，将产生较好的协同效应。利用RF方式(在微功率的条件下不受无线电管理部门的制约)通讯速度快、传送信息量大的特点，完成系统的大量抄表和中继功能；利用PLC传输距离远的特点，完成集中器与电表的远距离通讯(RF无法通讯)。这样既能获得了传输速度快和传输距离远的效果，又能将不同范围的干扰巧妙的规避，这样就大大的降低了系统被干扰而影响系统通讯的概率，大大提高了系统的通讯速度、通讯效率和可靠性，使系统做到了准实时双向通讯，实现了许多现有自动抄表系统无法实现的功能(如在线监测电表的运行状态；电表自动登录和撤除时自动报警；将窃电信息迅速返回计算机控制管理系统；通过编程使电表能在普通计量、预付费、多费率之间相互转换；即使普通电表也可完成电力部门关心的负荷曲线功能)；同时又保持系统的安装使用简单方便，便于维护的优点。
根据上述技术方案，本MACS包括计算机控制管理系统、集中器和电表；其中计算机控制管理系统与若干个集中器之间通过PSTN、数传电台和GPRS中的至少一种方式连接；集中器通过RF和PLC方式与若干个电表连接，完成对电表的控制和管理；各电表之间通过RF方式和PLC方式彼此相连。
在上述MACS中还可以包括计算机控制管理系统、集中器、电表和三相多功能电表；其中计算机控制管理系统与若干个集中器之间通过PSTN、数传电台和GPRS中的至少一种方式连接；集中器通过RF和PLC方式与若干个电表连接，完成对电表的控制和管理；各电表之间通过RF方式和PLC方式彼此相连；所述计算机控制管理系统通过GPRS直接与若干个三相多功能电表连接，或经集中器通过RS485接口与三相多功能电表相连，完成对三相多功能电表的控制和管理。
上述集中器具有RS485、IR和USB接口，其中接口RS485连接三相多功能电表，IR、USB与现场设备连接。这样以电表、集中器和计算机控制管理系统构成的准实时自动控制系统就实现了对电表的监视、控制、功能转换和信息反馈等功能；同时通过局域网还能将所有信息传到相关的管理部门，为决策部门提供决策依据。
上述系统的工作原理是这样的计算机控制管理系统是操作人员控制和管理MACS的工作平台，操作人员通过相应的应用程序完成对整个MACS的控制和管理。集中器是MACS的关键，它起着承上启下的作用。利用PSTN或GPRS将电表数据传给计算机控制管理系统，同时也接受相应的控制电表的各种命令；它主要由单片机系统、RF单元、PLC单元和各种接口单元，包括GPRS、PSTN、IR、USB、RS485组成，各单元间通过串口与单片机系统相连，形成一个完整的单片机控制系统。集中器在与电表通讯中，如果不能直接通讯，则集中器会自动通过智能路由方式选择作为中继的电表进行中继通讯以保证通讯的畅通。利用硬件连接，通过编程，实现与计算机控制管理系统的数据交换；实现现场抄控；实现与电表的数据交换和监控电表。特别是在与电表交换数据中，若RF方式受到干扰无法通讯时，单片机控制系统会自动更换信道(保持与集中器一致)，连续通讯；若更换信道都无法通讯时，则自动将RF方式切换到PLC方式继续通讯；同样，在PLC受到干扰无法通讯时，单片机控制系统会自动将PLC方式切换到RF方式继续通讯。这里的电表由计量单元、开关、窃电报警输出口、RF单元、PLC单元和单片机系统组成。用电量、窃电报警信号都通过连线直接与单片机系统相连，RF单元和PLC单元都通过串口与单片机系统相连；用电量和报警信号以脉冲方式送单片机；单片机系统通过编程冻结电表数据和控制电表的特征(普通、预付费、多费率相互转换)并与集中器保持准实时通讯。
本实用新型的技术效果是很显著的，由上述原理构成的MACS，将RF技术和PLC技术有机的结合，克服了现有类似系统不能实现的准实时双向通讯功能，构建了一个电表智能控制的网络工作平台，既实现了通讯的高速、可靠和高效率，又保持了安装使用简单和方便的特点，实现了自动抄表、自动登录和退出自动报警；实现了同时冻结系统内所有电表的数据，使线损计算更加准确；实现了可随时监控每只电表的运行状况、迅速反馈窃电信息，为用电监查提供了可靠依据；实现了远距离编程改变电表特征(即普通、预付费和多费率相互转换)的功能，为电表管理的现代化提供了一套既科学又适用的MACS，为电表管理的数字化、网络化走出了一条新路。MACS的推广使用，将大大提高供电部门的劳动生产率，方便客户，将会对目前电表的管理带来较大的进步，使电表的管理水平上一个新的台阶。
本实用新型的上述结构可以通过附图给出的实施例进一步说明。
本实用新型有如下附图附图1为电表自动控制系统(MACS)结构框图；附图2为电表电原理图；附图3为集中器电原理图；附图4为计算机控制管理系统；附图5为PLC电原理图；附图6为RF电原理图。
具体实施方式
参见附图1，图中MACS包括计算机控制管理系统、集中器和电表，其中计算机控制管理系统包括计算机系统、GPRS和PSTN以及数传电台、网络线；计算机控制管理系统通过GPRS或PSTN或数传电台中的至少一种连接集中器，通过集中器接收电表数据和发送控制指令。集中器包括单片机系统、GPRS和PSTN以及数传电台、IR和USB以及RS485接口、RF单元和PLC单元，集中器通过RF单元和PLC单元连接电表，接收电表数据和发送控制指令；通过IR和USB以及RS485与现场设备和三相多功能电表连接，接受初始化数据和发送电表数据；电表包括计量单元、磁保持继电器、单片机系统、RF单元、PLC单元。所述三相多功能表可采用型号为DSSD188带RS485接口的三相多功能电表。
参见附图2，实施例中电表采用单相电表或三相电表，所述电表均具有窃电报警输出功能。其中单相电表包括RF单元、PLC单元、计量单元、开关和单片机系统(图中省略了电源部分)；电表的计量单元单相电表采用ADE7751芯片(三相电表采用ADE7752芯片)；输入AC220v分别接到电表的采样端和PLC单元的通讯通道；电表的交流输出端通过磁保持继电器后作为交流AC220v输出。电表单元的计量脉冲和窃电报警脉冲接单片机系统的I/O口，作为单片机系统的计量和报警信号；单片机系统通过串口与RF单元和PLC单元连接，通过I/O口线控制磁保持继电器开或关，以及显示电量数据。电表通过RF单元和PLC单元相互连接，实现通讯中继；通过RF单元和PLC单元发送和接收集中器的信息。(三相电表输入电源为三相AC380v，除计量单元与单相电表不同以外，其余部分基本一样)参见附图3，图中集中器包括单片机系统、硬时钟、RF单元、PLC单元、电源部分、GPRS(PSTN、数传电台)和IR(USB、RS485)接口。其中以AC380v作为电源部分的输入电源和PLC通讯通道；电源部分为集中器中所有单元和接口提供工作电源；单片机系统通过串口与GPRS(PSTN、数传电台)、IR、USB、RS485、RF单元和PLC单元连接；集中器通过GPRS、PSTN及数传电台(至少一种)与计算机控制管理系统连接，传送电表数据和接收计算机指令；集中器通过IR、USB任一种接口与现场设备相连，现场接收指令和发送数据；集中器通过RF单元和PLC单元接收电表数据和向电表发送指令；集中器通过RS485与三相多功能电表连接，完成与三相多功能电表的数据交换。
参见附图4，图中计算机控制管理系统包括计算机系统、网络线和GPRS、PSTN及数传电台中的至少一种。计算机系统通过串口与GPRS、PSTN及数传电台连接；通过网络线与上级局域网相连。计算机控制管理系统利用GPRS、PSTN及数传电台中的至少一种与集中器连接，通过集中器接收电表数据和向电表发送指令；同时，利用网络线与上级局域网交换数据。另外，计算机控制管理系统还可以通过GPRS直接与三相多功能电表连接，与三相多功能电表交换数据。
参见附图5，图中PLC单元包括藕合电路、功率放大器、选频电路、中频虑波器、串口和通讯芯片PL3105；其中变压器TR、电容C4组成的藕合电路；电感L1、电容C3、三极管V1、V2、V3、V4、电阻R1、R2、电容C1、C2组成的推挽式功率放大器；二极管D7、D6、电感L2、电容C6、C5、电阻R3组成的选频电路；FLT1、FLT0为中频虑波器的接线端。PLC单元通过串口与外部单片机系统串口连接，通过TR和C4与AC220v电网连接；功率放大器通过L1连接藕合电路，通过C1、C2连接PL3105的SIGOUT端；选频电路通过R3、C5连接藕合电路，通过C6连接PL3105的SININ；PLC单元发送信息时，外部单片机系统通过串口向PL3105写入信息，经PL3105调制后，通过功率放大器放大信号，再经藕合电路将信号藕合到AC220v电网上；PLC单元接收数据时，AC220v电网上的信号经藕合电路传给选频电路，再由C6传到PL3105的SIGIN，经PL3105解调后，通过串口传送到外部单片机系统，完成PLC单元的信息收发功能。所述外部单片机系统为电表的单片机系统如PIC16F64。对于集中器来说，其PLC单元与安装在电表内的PLC单元在结构上是一样的，其相对于PLC单元的外部单片机系统就是如型号为LPC2214的单片机系统。
参见附图6，图中RF单元包括LC滤波器、由C31、C42、L41、L32组成的选频电路、L101电感、C171、C181、XTAL及RF通讯芯片CC1000组成的带时钟电路的RF通讯芯片和单片机PL3103。选频电路C31、C42经LC滤波器连接天线，经C31、L32连接RF通讯芯片CC1000的RFIN端，经C42、C41、L41连接CC1000的RFOUT端；CC1000的RSSI/IF、PALE、PDATE、PCLK、DCLK、DIO分别连接单片机的AD1、P12、P13、P15、P16、P35，天线阻抗为50欧。RF单元接收数据时，信号经天线感应并滤波后，经过选频电路选频，由C31、L32送CC1000的RFIN，通过CC1000解调后传送给PL3103，再由PL3103串口传给外部单片机系统；RF单元发送数据时，外部单片机系统将数据通过PL3103串口，写入CC1000芯片，经CC1000调制后，从RFOUT端经过功率放大器和滤波器后，再通过天线发射出去，完成信息的收发功能。这里的所述外部单片机系统为电表的单片机系统如PIC16F64或集中器的单片机系统LPC2214。对于集中器、电表来说，其RF单元在结构上是一样的。
权利要求1.一种电表自动控制系统，包括计算机控制管理系统、其特征是，还包括集中器、电表或/和三相多功能电表；其中计算机控制管理系统与若干个集中器之间通过PSTN、数传电台和GPRS中的至少一种方式连接；集中器通过RF和PLC方式与若干个电表连接，完成对电表的控制和管理；各电表之间通过RF方式和PLC方式彼此相连；所述计算机控制管理系统通过GPRS直接与若干个三相多功能电表连接，或经集中器通过RS485接口与三相多功能电表相连，完成对三相多功能电表的控制和管理。
2.根据权利要求1所述的电表自动控制系统，其特征是计算机控制管理系统包括计算机系统、GPRS和PSTN以及数传电台；计算机控制管理系统通过GPRS、PSTN或数传电台中的至少一种连接集中器，通过集中器接收电表数据和发送控制指令。
3.根据权利要求1所述的电表自动控制系统，其特征是集中器包括单片机系统、硬时钟、RF单元、PLC单元、电源部分、GPRS、PSTN、数传电台中的至少一种和IR、USB、RS485接口；其中以AC380v作为电源部分的输入电源和PLC通讯通道；电源部分为集中器中所有单元和接口提供工作电源；单片机系统通过串口与GPRS、PSTN、数传电台、IR、USB、RS485、RF单元和PLC单元连接；集中器通过GPRS、PSTN及数传电台中的至少一种与计算机控制管理系统连接，传送电表数据和接收计算机指令；集中器通过IR、USB任一种接口与现场设备相连，现场接收指令和发送数据；集中器通过RF单元和PLC单元接收电表数据和向电表发送指令；集中器通过RS485与三相多功能电表连接，完成与三相多功能电表的数据交换。
4.根据权利要求1所述的电表自动控制系统，其特征是所述PLC单元包括藕合电路、功率放大器、选频电路、中频虑波器、串口和通讯芯片(PL3105)；其中由变压器(TR)、电容(C4)组成的藕合电路；由电感(11)、三极管(V1、V2、V3、V4)、电阻(R1、R2)、电容(C1、C2、C3)组成的功率放大器；由二极管(D7、D6)、电感(L2)、电容(C5、C6)、电阻(R3)组成的选频电路；PLC单元通过串口与外部单片机系统串口连接，通过藕合电路与AC220v电网连接；功率放大器通过(L1)连接藕合电路，通过电容(C1、C2)连接通讯芯片(PL3105)的SIGOUT端；选频电路通过(R3、C5)连接藕合电路，通过(C6)连接通讯芯片(PL3105)的SININ端；PLC单元发送信息时，外部单片机系统通过串口向通讯芯片写入信息，经通讯芯片调制后，通过功率放大器放大信号，再经藕合电路将信号藕合到AC220v电网上；PLC单元接收数据时，AC220v电网上的信息经藕合电路传给选频电路，再由电容(C6)传到通讯芯片的SIGIN端，经通讯芯片解调后，通过串口传送到单片机系统，完成PLC单元的信息收发。
5.根据权利要求1所述的电表自动控制系统，其特征是所述RF单元包括LC滤波器、由电容(C31、C42)、电感(L41、L32)组成的选频电路、带时钟电路的单片机系统；其中选频电路通过电容(C31、C42)经LC滤波器连接天线，经电容(C31)、电感(L32)连接RF通讯芯片(CC1000)的RFIN端，经电容(C42、C41)、电感(L41)连接通讯芯片的RFOUT端；RF单元接收数据时，信号经天线感应并滤波后，经过选频电路选频，由(C31、L32)送至RF通讯芯片(CC1000)的RFIN端，通过(CC1000)解调后传送给单片机(PL3103)，再由串口传给外部单片机系统；RF单元发送数据时，外部单片机系统将数据通过PL3103串口，写入RF通讯芯片，经RF通讯芯片调制后，从RFOUT端经过选频电路和滤波器后，通过天线发射出去，完成信息的收发功能。
6.根据权利要求1所述的电表自动控制系统，其特征是所述电表采用具有窃电报警输出功能的单相电表或三相电表，其中单相电表包括RF单元、PLC单元、计量单元、开关和单片机系统；电表的采样端和PLC单元的通讯通道分别接输入AC220v电网；电表的交流输出端通过磁保持继电器作为交流AC220v输出；电表单元的计量脉冲和窃电报警脉冲接单片机系统的I/O口，作为单片机系统的计量和报警信号；单片机系统通过串口与RF单元和PLC单元连接，通过I/O口线控制磁保持继电器开或关，以及显示电量数据；电表通过RF单元和PLC单元相互连接，实现通讯中继；通过RF单元和PLC单元发送和接收集中器的信息。
专利摘要本实用新型涉及的电表自动控制系统，包括计算机控制管理系统与若干个集中器之间通过PSTN、数传电台和GPRS中的至少一种方式连接；集中器通过RF和PLC方式与若干个电表连接，完成对电表的控制和管理；各电表之间通过RF方式和PLC方式彼此相连。本实用新型将RF技术和PLC技术有机的结合，构建了一个电表智能控制的网络工作平台，既实现了自动抄表等功能，又可随时监控每只电表的运行状况、迅速反馈窃电信息，为用电监查提供了可靠依据；实现了远距离编程改变电表特征(即普通、预付费和多费率相互转换)的功能，提高了供电部门的劳动生产率，使电表的管理水平上一个新的台阶。
文档编号H02J13/00GK2884657SQ200620109889
公开日2007年3月28日 申请日期2006年1月28日 优先权日2006年1月28日
发明者李乐天 申请人:李乐天