一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，属于用电安全与节能技术领域，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的电源单元、两路继电器控制模块、用电计量芯片、数据存储电路、实时时钟电路、液晶显示电路、Lonworks智能收发器、RS485通讯接口、红外通讯接口。本实用新型是一种智能电能表，具体是指一种具有恶性负载检测、控制、预付费功能的智能复费率单相多功能电能表，可广泛应用于学生宿舍、企事业单位集体宿舍等人员集中的场合，也可用于家庭、公寓、商铺等场所，实现用电计量计费，用电管理及安全管理。本实用新型也可作为能源管理系统、节能控制系统、用电安全管理系统的配套装置。
【专利说明】
一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表
技术领域
[0001]本发明属于用电安全与节能技术领域，尤其是一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展和进步，很多学校及企事业单位的集体宿舍，为了对用电进行有效管理，都安装智能预付费电能表。随着民用用电设备的种类不断增加，用电环境日益复杂，从安全用电考虑，需要限制在这类宿舍内使用大功率电器设备，如电炉、热得快、电吹风等发热设备，以防止发生火灾，造成重大的经济损失；另外，随着环保节能意识的提高，很多地方实行峰谷不同电价、需对不必要的用电加以控制，防止发生浪费现象。而传统电能表已不能适应这些新的需求，需要新型多功能电能表来满足更高要求:
[0003]1、计量计费多功能:具有正有功电能计量功能;具有分时计量功能，有功电能量可按相应的时段费率分别累计、存储总、尖、峰、平、谷电能量；电量冻结总、尖、峰、平、谷电能量;及预付费功能等。
[0004]2、节能管理功能:具有带有效星期的多时段定时控制功能；远程命令控制继电器开合功能;实时监测、控制用电状态功能;防止不必要的浪费。
[0005]3、安全管理功能:电流超限自动断电；功率超限自动断电；恶性负载检测等功能。要确保允许使用的电器，如计算机、电视机等不加限制地正常使用；同时，识别出大功率发热电器，如热得快、电吹风、电炉等存在安全隐患的电器，加以限制，禁止使用。这类电器属于不允许使用的电器，称为恶性负载。
[0006]4、联网监控功能:通过联网监控，可以获知各电能表的运行状态，了解实时用电情况，采取适当节能措施;通过远程和自动控制，减少浪费现象。特别是在多次检测到恶性负载断电后，必须通过管理员才能复电。
[0007]目前市场上的智能单相电能表，也开始由基本的计量计费电能表，发展为具有安全管理功能的多功能智能电能表;但都存在以下不足:
[0008]1、计量计费功能单一:由于传统电能表功能比较简单、成本较低，导致软硬件资源不足，很难实现真正的多功能，往往需要形成一个系列多个型号的产品，一块表只具有部份持定功能。
[0009]2、节能管理功能有限:一般只具有简单的拉合闸功能，且只有一路继电器输出，无法合理按排负载的接入。
[0010]3、安全管理功能有局限性:只具有简单的远程命令控制功能;无法应对复杂的用电环境，对有些恶性负载或不良用电行为(如使用防限电插座、插排等)，不能检测识别，使用效果不佳。
[0011]4、组网困难:目前的电能表都采用RS485总线或电力载波通信，虽然硬件电路有统一的标准，但软件通信协议有多个版本，没有统一的通讯协议，各个厂家的产品通讯协议各不相同，给组网带来了困难，造成远程控制和管理功能的不稳定。
【发明内容】
[0012]本发明提出一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，解决如下几方面的问题:
[0013]1.解决现有电能表中存在的功能不完善问题:主要是解决传统单相电能表，由于软硬件资源的限制，计量计费功能需要一个系列分多个型号完成，生产使用都不方便。通过本发明的设计，提供充足的软硬件资源，特别是提供大容量程序代码空间，能在一款产品中，完成计量功能；多时区、多时段、多资费、复费率计费功能；远程购电、退电预付费功能等，真正实现单相多功能电能表
[0014]2.解决控制手段不够充分问题:不但具有双路输出，每一路还实现带星期的多时段定时开合控制、远程开合控制、过流过功率开路控制。
[0015]3.解决恶性负载检测识别:采用多种恶性负载检测技术，通过组合检测，使恶性负载的检测效果大大提高。
[00?6] 4.解决联网不稳定及开放性低等不足:可选用RS485接口、Lonworks接口实现远程通信，也可采用红外通信实现本地抄表。特别是Lonworks接口通信方式，采用无极性双绞线联网，组网施工方便，性能稳定;采用标准网络变量，使网络通信更具开放性。
[0017]本发明的技术方案是这样实现的:
[0018]—种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的电源单元、两路继电器控制模块、用电计量芯片、数据存储电路、实时时钟电路、液晶显示电路、Lonworks智能收发器、RS485通讯接口、红外通讯接口，所述用电计量芯片的对应信号输入端与电压及二路电流取样电路相连，所述用电计量芯片的SPI通信接口与所述微控制单元的SPI接口相连，通过SPI接口将电参数数据发送到微控制单元，所述微控制单元的通信信号端分别与所述Lonworks智能收发器、所述RS485通讯接口、所述红外通讯接口双向连接，所述Lonworks智能收发器、所述RS485通讯接口、所述红外通讯接口分别与远程端控制器进行通信。
[0019]作为优选，所述微控制单元选用基于ARM Cortex-M内核的HT6015芯片，S0P16封装，其支持通用I/o、16位通用定时器、SP1、I2C、UART，包含128K大容量FLASH存贮器、RTC实时时钟、LCD驱动模块。
[0020]作为优选，所述Lonworks智能收发器包括FT5000双绞线智能收发器，所述FT5000双绞线智能收发器通过UART通信接口与所述微控制单元进行通信。
[0021]作为优选，所述电源单元包括线性变压器，线性稳压集成电路，所述线性稳压集成电路输出二路相互隔离的DC5V，一路DC5V给所述微控制单元供电，另一路DC5V给所述RS485通讯接口供电。
[0022]作为优选，所述电源单元还包括电池，所述电池用于掉电后为所述微控制单元供电。
[0023]作为优选，所述电压及二路电流取样电路包括电压采样电路、二路电流采样电路和抗混叠滤波器;所述电压采样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压，得到符合电计量芯片电压输入通道，电压输入通道选用200mV有效电压值;二路电流采样电路包括一路采用康铜丝采样电路和另一路采用电流互感器隔离输入方式采用电路，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号至所述用电计量芯片电流输入通道;所述抗混叠滤波器由1.2K电阻和0.0luF电容组成，其输入端分别与所述电压采样电路和所述电流采样电路输出端连接，输出端连接至所述用电计量芯片的测量通道引脚。
[0024]作为优选，两路所述继电器控制模块包括继电器驱动电路和继电器状态检测电路，所述继电器驱动电路用于驱动继电器动作，控制60A的磁保持继电器开合，满足大功率电器的断送电控制，所述继电器状态检测电路用于检测继电器的实际状态，确认继电器开合动作。
[0025]作为优选，所述用电计量芯片选用单相多功能计量芯片ATT7053BU，带USART接口，工作电压范围4.5￥-5.5￥，集成22位818!11&-(^1七&40(:，支持5000:1的动态范围，用户可以同时得到两个通道的有功功率，无功功率，能够同时得到三通道的有效值及电压频率，支持防窃电，片内集成温度传感器，计量芯片默认情况下全速运行的功耗为4.5mA，支持电压、电流过零中断、采样中断、电能脉冲中断、校表中断，其中CFl引脚默认配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。
[0026]作为优选，所述数据存储电路采用非易失性的铁电存储器。
[0027]使用本发明不但能实现计量计费等复费率预付费功能，还有节能管理、监控、安全保护等功能。本发明的作用如下:
[0028]I)可完成用电计量、复费率计费、预付费等电能表的计量计费功能；
[0029]2)可按时段，如上下班时间进行定时自动开关控制，尤其是解决人员离开，忘关电源造成的能源浪费；
[0030]3)通过直接切断电源的拉闸方式，可以防止不必要能源浪费，同时，也确保用电安全；
[0031]4)可自动检测恶性负载，过流过功率，并切断电源，限制大功率发热电器的使用，防止火灾等事故的发生，确保人员财产安全；
[0032]5)具有Lonworks分布式控制网络技术的智能接口，采用双绞线，可联网组建系统，既能满足电能管理的自动化和系统化要求，又节约成本、方便工程的设计与现场施功。
【附图说明】
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本发明单相电能表的结构原理框图；
[0035]图2为是微处理单元的电路原理图
[0036]图3为Lonworks智能收器的电路原理图；
[0037]图4为RS485通讯接口电路原理图；
[0038]图5为电源单元电路原理图；
[0039]图6为电压及二路电流取样电路原理图；
[0040]图7为继电器驱动电路原理图；
[0041 ]图8为继电器状态检测电路原理图；
[0042]图9为红外通讯接口电路原理图；
[0043]图10为用电计量芯片电路原理图；
[0044]图11为数据存储电路原理图；
[0045]图12为液晶显小小意图;
[0046]图13为编程开关电路原理图；
[0047]图14为按键显示电路原理图；
[0048]图15为开盖检测电路原理图。
【具体实施方式】
[0049]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]如图1所示，一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的电源单元、两路继电器控制模块、用电计量芯片、数据存储电路、实时时钟电路、液晶显示电路、Lonworks智能收发器、RS485通讯接口、红外通讯接口。[0051 ] 如图2所示，本申请中，微控制单元选用基于ARM Cortex-M内核的HT6015芯片，S0P16封装，其支持通用1/0、16位通用定时器、3?1、12(:、1^1?1'，包含1281(大容量?1^3!1存贮器、RTC实时时钟、LCD驱动模块。
[0052]如图3所示，Lonworks智能收发器包括FT5000双绞线智能收发器，FT5000双绞线智能收发器通过所述UART通信接口与所述微控制单元进行通信，FT5000双绞线智能收发器中集成一个高性能的Neuron核和一个自由拓扑双绞线收发器，FT5000双绞线智能收发器由三个分别管理物理介质访问控制层、网络层和用户应用层的独立8位逻辑处理器组成。这些被称为介质访问控制(MAC)处理器、网络(NET)处理器和应用(APP)处理器。采用Lonworks通讯协议，具备开放性、互操作性、高可靠性。
[0053]如图4所示，RS485通讯接口通过隔离RS485接口总线，可组成总线网，实现与上位机的数据交换。
[0054]如图5所示，电源单元采用线性变压器，稳定性较高，可提供交流和直流电源，出二路相互隔离的DC5V，一路DC5V给所述微控制单元供电，另一路DC5V给所述RS485通讯接口供电，另外还有电池用于掉电后为所述微控制单元供电。
[0055]如图6所示，电压及二路电流取样电路包括电压采样电路、二路电流采样电路和抗混叠滤波器。电压采样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压，得到符合电计量芯片电压输入通道，电压输入通道选用200mV有效电压值，电压信号太大，会导致串扰，以及量程溢出。二路电流采样电路包括一路采用康铜丝采样电路和另一路采用电流互感器隔离输入方式采用电路，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号至所述用电计量芯片电流输入通道。抗混叠滤波器由1.2K电阻和0.0luF电容组成，其输入端分别与电压采样电路和电流采样电路输出端连接，输出端连接至所述用电计量芯片的测量通道引脚，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证测量时获得好的温度特性。
[0056]如图7、8所示，两路继电器控制模块包括继电器驱动电路和继电器状态检测电路继电器驱动电路用于驱动继电器动作，控制60A的磁保持继电器开合，满足大功率电器的断送电控制，继电器状态检测电路用于检测继电器的实际状态，确认继电器开合动作。
[0057]如图9所示，红外通讯接口通过与微处理单元带红外功能的UART串口相连，可实现红外双向通信，实现抄表及电能表运行参数的设置功能。
[0058]如图10所示，电计量芯片选用单相多功能计量芯片ATT7053BU，带USART接口，工作电压范围4.5￥-5.5￥，集成22位818111&-(^1七&40(:，支持5000:1的动态范围，用户可以同时得到两个通道的有功功率，无功功率，能够同时得到三通道的有效值，及电压频率等，支持防窃电，片内集成温度传感器，计量芯片默认情况下全速运行的功耗为4.5mA，支持电压、电流过零中断、采样中断、电能脉冲中断、校表中断，其中CFl引脚默认配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。
[0059]如图11所示，数据存储电路采用非易失性的铁电存储器，用于存放电能信息，报警记录，设置参数，及其他重要的数据。
[0060]如图12所示，液晶屏可显示:本月、上I月、上2月总尖峰平谷电量；电压、电流、有功、功率因素、频率等电参数；日期时间；表号；剩余金额；当前费率电费；拉合闸状态等信息，内容非常丰富。
[0061]如图13?15所示，按键显示电路用于按显，开盖检测开关用于检测电能表外壳有没有被打开，编程开关用于配合程序，完成某些重要参数或数据的修改操作。
[0062]本发明所采用的技术原理与节能控制方法:
[0063]1.通过专用的电计量芯片，对二路负载进行功率测量和电能计量，实现计量计费功能。
[0064]2.通过自带的高精度日历时钟，结合设定的时区、时段、费率、各费率资费等，实现复费率功能。
[0065]3.通过设定的预付费参数，实现购电、退电、欠费告警、欠费超限拉闸、购电合闸等预付费功能。
[0066]4.通过自带的高精度日历时钟，结合双时段设定的开启、关闭时间，当达到开启时间时，自动开机，当达到关机时间时，自动关机。
[0067]5.通过对采集到的负载电参数分析，根据不同的软件算法，判断识别恶性负载。结合本发明的软硬件资源，采用多种算法组合运用来检测识别恶性负载，克服每一种算法的局限性，实际应用了总功率阈值法、瞬时功率增加法、功率因素法、谐波分析法这几种方法。当检测到三次违规用电时，电能表不再自动复电，必须人工干预，通过智能用电管理系统远程控制复电;及时发现违规用电的位置，实行重点监控，防止灾害事故的发生。
[0068]6.通过二路输出，可合理按排不同负载接入不同回路，允许有些负载使用，不允许有些负载使用。克服有些负载不易检测识别问题，如变频空调等大功率低功率因素负载，可将其接入固定回路，允许使用。
[0069]7.通过Lonworks远程网络，运行数据可实时发给上位主机;接收上位主机发来的命令和参数，并可根据命令要求控制电能表运行和参数更新。
[0070]本发明的技术特征:
[0071 ] 1.采用大容量高性能ARM内核芯片，一块电能表集全部功能于一身，真正实现多功能电能表；
[0072]2.能够对二路负载同时实时测量各项电参数，实现双测功能；
[0073]3.能够对二路负载分别进行远程开/关控制、实现双控功能。
[0074]4.能够对二路负载分别实现双时段自动定时开/关控制，定时功能启动与否可设置；
[0075]5.能够对二路负载分别自动进行恶性负载检测、电流超限检测、功率超限检测，并拉闸报警，电流、功率等限值、恶性负载限值可设置，检测功能启动与否可设置；
[0076]6.自带高精度日历时钟，具有温度补偿功能，精度高，且支持远程校时；
[0077]7.非易失性铁电存储器存储设定参数、计量信息，保存信息时间长，可读写次数多，满足电能表寿命内的使用要求。
[0078]8.通信方式灵活，组网可选RS485通信、或Lonworks双绞线通信，抄表也可选红外通信。
[0079]9.Lonworks双绞线通信，具备开放性、互操作性、高可靠性、传输距离远等突出优点。
[0080]10.采用国网单相电能表标准LCD显示屏，具有按显和循显二种显示方式，显示内容丰富。
[0081]11.采用国网单相电能表标准外壳，外型尺寸标准，便于替换老电能表。
[0082]本发明是一种带有特定功能的智能单相多功能电能表。可广泛应用于学生宿舍、企事业单位集体宿舍等人员集中的场合，也可用于家庭、公寓、商铺等场所，实现用电计量计费，用电管理及安全管理。本发明也可作为能源管理系统、节能控制系统、用电安全管理系统的配套装置。
[0083]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的电源单元、两路继电器控制模块、用电计量芯片、数据存储电路、实时时钟电路、液晶显示电路、Lonworks智能收发器、RS485通讯接口、红外通讯接口，其特征在于:所述用电计量芯片的对应信号输入端与电压及二路电流取样电路相连，所述用电计量芯片的SPI通信接口与所述微控制单元的SPI接口相连，通过SPI接口将电参数数据发送到微控制单元，所述微控制单元的通信信号端分别与所述Lonworks智能收发器、所述RS485通讯接口、所述红外通讯接口双向连接，所述Lonworks智能收发器、所述RS485通讯接口、所述红外通讯接口分别与远程端控制器进行通信。2.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述微控制单元选用基于ARM (:0代61-1内核的册6015芯片，3(^16封装，其支持通用1/0、16位通用定时器、SP1、I2C、UART，包含128K大容量FLASH存贮器、RTC实时时钟、LCD驱动模块。3.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述Lonworks智能收发器包括FT5000双绞线智能收发器，所述FT5000双绞线智能收发器通过UART通信接口与所述微控制单元进行通信。4.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述电源单元包括线性变压器，线性稳压集成电路，所述线性稳压集成电路输出二路相互隔离的DC5V，一路DC5V给所述微控制单元供电，另一路DC5V给所述RS485通讯接口供电。5.根据权利要求4所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述电源单元还包括电池，所述电池用于掉电后为所述微控制单元供电。6.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述电压及二路电流取样电路包括电压采样电路、二路电流采样电路和抗混叠滤波器;所述电压采样电路采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压，得到符合电计量芯片电压输入通道，电压输入通道选用200mV有效电压值;二路电流采样电路包括一路采用康铜丝采样电路和另一路采用电流互感器隔离输入方式采用电路，感应出的电流信号经精密电阻转换成相应的电压信号至所述用电计量芯片电流输入通道;所述抗混叠滤波器由1.2K电阻和0.0luF电容组成，其输入端分别与所述电压采样电路和所述电流采样电路输出端连接，输出端连接至所述用电计量芯片的测量通道引脚。7.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:两路所述继电器控制模块包括继电器驱动电路和继电器状态检测电路，所述继电器驱动电路用于驱动继电器动作，控制60A的磁保持继电器开合，满足大功率电器的断送电控制，所述继电器状态检测电路用于检测继电器的实际状态，确认继电器开合动作。8.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述用电计量芯片选用单相多功能计量芯片ATT7053BU，带USART接口，工作电压范围4.5V-5.5￥，集成22位818!11&-(^1丨&40(:，支持5000:1的动态范围，用户可以同时得到两个通道的有功功率，无功功率，能够同时得到三通道的有效值及电压频率，支持防窃电，片内集成温度传感器，计量芯片默认情况下全速运行的功耗为4.5mA，支持电压、电流过零中断、采样中断、电能脉冲中断、校表中断，其中CFl引脚默认配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。9.根据权利要求1所述的一种带恶性负载识别的双控智能单相电能表，其特征在于:所述数据存储电路采用非易失性的铁电存储器。
【文档编号】G01R11/57GK205679665SQ201620213624
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年3月18日 公开号201620213624.6, CN 201620213624, CN 205679665 U, CN 205679665U, CN-U-205679665, CN201620213624, CN201620213624.6, CN205679665 U, CN205679665U
【发明人】迮静强, 周淑华, 赵松
【申请人】江苏联宏自动化系统工程有限公司