一体化智能电能表及电力计量与控制保护系统的制作方法

本发明涉及电力设备领域，具体涉及一种一体化智能电能表及电力计量与控制保护系统。

背景技术：

中国目前正致力于建设坚强智能电网，主要涵盖电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节，其内涵是以坚强网架为基础，以通信信息平台为职称，以智能控制为手段，实现电力系统从发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的智能感知、智能识别、智能控制的功能，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，智能电网可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。随着智能电网高级计量体系的研究和建设，与居民直接相关的用电信息采集和在线控制保护的功能需求逐渐显现。由于用户各种需求的增加，要去智能电力计量表除了需要具备传统多功能电力计量表的功能外，还需要具备双向通行功能、双向计量功能、多种负荷控制方式、电源控制保护、电能质量检测和远程升级等功能。

目前我国电力系统在用电环节仍以传统用电方法为主，只是采用智能电能表与空气开关配合使用，在电力参数测量和远程抄表方面有初步应用，目前国内广泛应用的分时峰谷电表、预付费电表和自动抄表均不支持信息和电脑的交互，他们都不能同电网和用户进行实施互动，缺少具有电力计量、只能控制和双向通信的产品面世。随着国家对电网及其设备等智能化升级及改造的展开，不仅需要控制保护系统对客户端故障进行保护性自动分闸，同时也需要对由于供电前端的异常故障进行保护分闸，还需要故障解除后在符合安全规范的前提下重新合闸恢复供电。尤其是根据2011年颁布的《中华人民共和国国家标准：住宅设计规范（GB50096-2011）》的要求，新建住宅被建议应安装过电压、欠电压保护装置。但是，在实际操作中，市场上的现有产品都存在如下缺陷：主要使用空气开关，只能针对用户过流、短路、漏电等故障进行控制保护分闸，且分闸后无法自动合闸；或者在智能电表后加装一个能自动分合闸的微型断路器，但作为两个分立元件，智能电表无法检测控制微型断路器。上述情形阻碍了智能电网向用电领域的延伸进行。

随着阶段电价政策在国内的推广和展开，用户的用电量被分为几个阶段，为了更合理的安排自己的用电，用户有了解每天甚至是每个时刻自己用电信息的需求；而供电公司一般只于每月底向用户提供一张用电量及金额的单据。此时，用电信息对于用户来说属于历史信息，只能指导缴费，无法合理的安排自己的用电情况。若用户想及时了解自己的用电情况，只能去表箱查看。而由于大单元地方电力计量表箱是物业集中管理，业主无法直接看到电力计量表的数据。对于用户关心的阶梯电价的设置情况，更是只能通过去供电公司营业厅去查询。因此，目前通过人工的方式来获取用电信息的方法不仅繁琐不便，而且无法实时提供，用户无法实时根据用电实际情况调整自己的用电计划。

综上所述，如何提供一种兼具智能电力计量表与智能微型断路器功能，实时计量电力数据并双向传输，且能根据电网实时参数主动保护分闸并现场、远程报警，故障解除后在符合相关规范的前提下自动或根据远程命令合闸，同时具有电能质量监测和远程升级等功能，成为本领域亟待解决的一项技术问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种一体化智能电能表及电力计量与控制保护系统，实现电力数据的计量，且能根据电网实时参数主动保护分闸和在故障解除后自动或根据远程命令合闸，并能实现电力数据和控制信号的实时双向传输。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一体化智能电能表，包括：计量检测模块、线路保护模块、主控模块和电源模块；

所述计量检测模块包括分别连接所述主控模块的电量检测单元、计量单元、时钟单元、人机交互单元；所述电量检测单元用于检测电流、电压模拟信号并经A/D转换为数字信号；所述计量单元用于测量电路功率及能量参数；所述时钟单元用于提供高精度时间信息，以及输出时钟脉冲信号；所述人机交互单元包括用于显示电能表工作状态、计量数据、时钟信息及通信连接信息的显示单元，以及用于信息输入的操作单元；

所述线路保护模块用于根据所述主控模块的指令进行自动分闸、合闸操作；

所述主控模块包括中央处理器单元、存储单元和通信单元；所述中央处理器单元用于处理所述计量检测模块的测量数据，控制所述线路保护模块进行分、合闸操作，以及通过所述通信单元与外部设备或远程终端进行信息交互；所述存储单元用于存储所述中央处理器单元处理的电量信息及配置或交互信息；所述通信单元用于所述主控模块与外部终端之间的数据交互。

进一步的，所述线路保护模块包括接线单元、开关单元、过零检测单元及状态检测单元，所述接线单元用于电力线路的接入，所述开关单元用于完成自动分、合闸操作，所述过零检测单元用于检测电压、电流过零点，所述状态检测单元用于检测分/合闸机构的工作状态，并在检测到异常状态时将报警信息发送给所述主控模块。

进一步的，所述计量单元测量的电路参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、谐波、有功能量及无功能量，并提供独立的有功功率和有效值、电压电流有效值、线频率及过零中断。

进一步的，所述存储单元为FLASH、EPPROM或铁电存储芯片中的一种。

进一步的，所述显示单元包括自发光显示屏、操作按键和指示灯。

进一步的，所述时钟单元为支持总线的低功耗、高精度时钟芯片，且内置温度补偿晶振。

进一步的，所述开关单元包括分/合闸电源和分/合闸机构，所述分/合闸机构为由电机带动的动触点与静触点接触或者电磁吸合动触点与静触点接触或者电源激励永磁体吸合动触点与静触点接触或者SCR/IGBT/MOSFET/GTR半导体器件中的至少任意一种。

进一步的，所述过零检测单元用于检测电压、电流过零点，且所述开关单元在电压为零时合闸，在电流为零时分闸。

优选的，所述通信单元采用RS-485、红外IR传输、TCP/IP以太网通信、wifi无线通信、Zigbee无线通信、Z-Wave无线通信中的一种或几种。

优选的，所述通信单元采用电力线通信。

进一步的，所述通信单元包括电力线载波发送模块和接收模块。

进一步的，所述通信单元和中央处理器单元之间设有加密单元。

优选的，所述加密单元包括对称加密单元和非对称加密单元，所述对称加密单元使用对称密钥组加密所述通信单元发送的数据，所述非对称加密单元用于根据固件信息或外部即时数据产生所述对称密钥组。

本发明还提供了一种电力计量与控制保护系统，包括至少一个上述的智能电能表，以及汇接模块、远程终端和客户端，所述电能表通过所述通信单元与所述汇接模块通信，所述汇接模块通过有线或无线网络与所述远程终端进行数据交互，所述远程终端通过有线或无线网络与所述客户端进行数据交互；

所述智能电能表与所述汇接模块通信的内容包括电能表状态信息、通讯状态信息、用电账户实时用电量信息、电能质量信息、用电异常信息、电能表在线通讯状态信息、电能表操作日志信息、分/合闸指令信息及报警信息；

所述远程终端用于监测、存储及管理用户数据，生成并执行节能用电方案，以及分析用户数据，生成优化供电方案；

所述客户端用于用户与系统进行交互，包括查询用电信息、管理绑定用户、控制线路保护模块进行分/合闸操作，以及生成或选择节能用电方案。

优选的，所述智能电能表上的通信单元与所述汇接模块之间的通信方式为电力线载波通信。

优选的，所述通信单元与汇接模块之间的通信信道在授权频率内分成多个独立的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输数据。

优选的，所述汇接模块与远程终端之间的通信网络包括电力线载波通信网络、光纤网络、同轴电缆网络、公众互联网和无线通信网络。

进一步的，所述远程终端为云计算网络中心，所述云计算网络中心包括服务器和硬件隔离装置；所述服务器包括数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实时控制服务器；所述服务器和硬件隔离装置连接于数据总线上，所述硬件隔离装置与数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实施控制服务器一一对应。

进一步的，所述客户端为PC终端或移动终端，通过安装于所述PC终端上的应用程序或者移动终端上的APP访问所述云计算网络中心。

本发明的一体化智能电能表，通过在智能电力计量表上集成线路保护模块，实现了电能表的安全、自动分合闸操作，避免了传统的保护开关断开后无法自动合闸需要人工操作的步骤，提高了智能化程度。另一方面，通过在通信单元前设置加密单元，实现了通信内容的加密传输，从而提高了智能电能表的安全性，使之能接入公用网络，实现了电能表与用户之间的直接数据交互，克服了传统的电能表仅由供电公司接收数据的缺陷。

另一方面，本发明的电力计量与控制保护系统，将上述智能电能表通过电力线通信接入基于云计算的互联网，在不改变用户习惯的情况下，方便用户与供电管理部门及时了解掌握用电信息，进而合理用电、管电，最终实现节约用电；同时可建立和进一步完善用电统一数据平台的数据范围，将用户供电线路的潮流数据纳入其中，实现建立智能用电全景潮流分布模型，实时检测供电线路负荷状态，为确保用电安全发挥更大的作用。此外，通过收集用户的用电规划和虚拟用电的模拟结果，可以预测未来用电趋势，并进行经济和安全性分析，从而彻底改变以往对于用户用电潮流的感知和分析控制能力不足的局面，为实现智能电网提供重要的技术支撑。

附图说明

图1为本发明的智能电能表的模块结构示意图；

图2为本发明的智能电能表的计量检测模块的结构示意图；

图3为本发明的智能电能表的加密单元的示意图；

图4为本发明的智能电能表的线路保护模块的结构示意图；

图5为本发明的电力计量与控制保护系统的模块组成示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明首先提供了一种一体化智能电能表，其主要克服了现有电能表的两个缺点：一是计量的电量数据需要抄表员进行现场抄表，不能远程获得相关数据。二是现有的电能表是和空开分开使用的，只有当线路中出现电流异常时，空开才会自动跳闸；然而，当异常解除后，还需要人工操作进行空开的复位，不能远程复位，从而造成操作的不方便。

为了克服上述缺点，如图1所示，在一个较佳实施例中，本发明的一体化智能电表包括如下模块：计量检测模块、线路保护模块、主控模块和电源模块，上述模块一体化安装于电表外壳内。

其中，如图2所示，计量检测模块包括：

用于检测电流、电压模拟信号并经A/D转换为数字信号的电量检测单元；

用于测量电路功率及能量参数的计量单元；

用于提供高精度时间信息，以及输出时钟脉冲信号的时钟单元；

以及用于显示电能表工作状态、计量数据、时钟信息及通信连接信息的显示单元和用于信息输入的操作单元，两者组成人际交互单元。

上述的计量检测模块可以高精度地检测实时用电量，并进行显示。

作为优选方案，本实施例中，所述计量单元测量的电路参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、谐波、有功能量及无功能量，并提供独立的有功功率和有效值、电压电流有效值、线频率及过零中断。显示单元包括自发光显示屏、操作按键和指示灯。时钟单元支持总线的低功耗、高精度时钟芯片，且内置温度补偿晶振。

线路保护模块用于根据所述主控模块的指令进行自动分闸、合闸操作。具体的，如图4所示，包括：

用于电力线路接入的接线单元；

用于完成自动分、合闸操作的开关单元；

用于检测电压、电流过零点的过零检测单元及状态检测单元；

以及，用于检测分/合闸机构的工作状态，并在检测到异常状态时将报警信息发送给所述主控模块的状态检测单元。

上述线路保护模块，能够在线路中的电压、电流异常时自动断开电路，同时发出报警信息。而在故障解除后，又可在主控模块的控制下实现自动合闸，避免了人工合闸的操作，提高了便捷性。

作为优选方案，本实施例中，开关单元包括分/合闸电源和分/合闸机构，其中，分/合闸机构可以是由电机带动的动触点与静触点接触，或者是电磁吸合动触点与静触点接触，或者是电源激励永磁体吸合动触点与静触点接触，也可以是SCR/IGBT/MOSFET/GTR半导体器件中的任意一种。过零检测单元检测电压、电流过零点，且开关单元在电压为零时合闸，在电流为零时分闸，避免了电路中浪涌的产生，保护用电设备。

主控模块包括：

用于处理计量检测模块的测量数据，控制线路保护模块进行分、合闸操作，以及通过通信单元与外部或远程终端进行信息交互的中央处理器单元；

用于存储中央处理器单元处理的电量信息，记录、配置或交互信息的存储单元；

以及用于主控模块与外部终端之间的数据交互的通信单元。

作为优选方案，本实施例中，中央处理器采用单片机、ARM、DSP中的至少任意一种，根据远程命令或监测到电量参数超越保护限制时，向线路保护模块发送分闸命令；接收到远程命令或监测到电量参数 符合安全合闸规范时，向线路保护模块发送合闸命令。

存储单元为FLASH、EPPROM或铁电存储中的一种，存储包括历史电量数据、事件记录数据、冻结量数据等数据。

通信单元采用RS-485、红外IR传输、TCP/IP以太网通信、wifi无线通信、Zigbee无线通信、Z-Wave无线通信中的一种或几种。

或者，作为更进一步的优选方案，通信单元包括电力线载波发送模块和接收模块，采用电力线作为通信媒介，进行电力线载波通信，从而省去了专门的通信线路，简化了电能表内的布线线路。

作为优选方案，本实施例中，通信单元和主控模块之间设有加密单元，应用于所有需要身份认证、数据加密/解密、安全存储、通信保密等较高数据安全要求的操作，实现安全控制的目的。

具体的，如图3所示，加密单元包括对称加密机制和非对称加密机制。其中，对称加密机制使用对称密钥组加密通信单元发送或接收的数据，而非对称加密机制用于根据固件信息或外部即时数据产生出对称密钥组。其工作流程如下：

1）系统激活时需要注册手机并获得验证码；

2）该验证码与系统硬件本身的序号一并经非对称密钥系统产生一组对称密钥；

3）随后的数据通信采用该组对称密钥中的一个；

4）实际采用的对称密钥定期更换。

本发明还提供了一种电力计量与控制保护系统，以克服现有的电力计量表箱是物业集中管理，业主无法直接看到电力计量表的数据的缺陷。现有的电力计量系统，对于用户关心的阶梯电价的设置情况，只能通过去供电公司营业厅去查询；而通过人工的方式来获取用电信息的方法不仅繁琐不便，而且无法实时提供，用户无法实时根据用电实际情况调整自己的用电计划。

为了解决上述问题，如图5所示，在本发明的较佳实施例中，一种电力计量与控制保护系统，包括至少一个前述的智能电能表，以及汇接模块、远程终端和客户端。

其中，智能电能表通过通信单元与汇接模块通信，通信的内容包括实时用电量信息、电能表状态信息、分/合闸指令信息及报警信息等。

作为优选方案，智能电能表上的通信单元与汇接模块之间的通信方式为电力线载波通信，从而避免了专用通信线路的铺设，提高了电路线的利用效率，且具有较高的稳定性。

具体的，上述电力线载波通信在授权频率内将给定信道分成几十乃至几百个独立不同的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输数据，有效提高频带利用率。在传输过程中，持续地检测每个子频道的干扰状况，如果发现有突发的干扰（如谐波）产生或者某些子频道内的电磁干扰非常严重，电力线载波通信可以智能地做出调整，即转移到其他无干扰的子频道内传输，避开干扰源。因此能同时有效地抵抗多种干扰，即使是在配电网受到严重干扰的情况下，也可保证高带宽传输效率，从而实现数据的高速可靠通信。

汇接模块通过有线或无线网络与远程终端进行数据交互。汇接模块与远程终端之间的通信网络包括电力线载波通信网络、光纤网络、同轴电缆网络、公众互联网和无线通信网络。

远程终端用于检测、存储及管理用户用电数据，以及提供并执行节能用电方案。

作为优选方案，远程终端为云计算网络中心，包括服务器和硬件隔离装置。其中，服务器包括数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实时控制服务器。服务器和硬件隔离装置连接于数据总线上，且硬件隔离装置与数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实施控制服务器一一对应。

远程终端通过有线或无线网络与客户端进行数据交互，包括查询用电信息、控制线路保护模块进行分/合闸操作，以及制定或选择节能用电方案等。

作为优选方案，客户端为PC终端或移动终端，通过安装于所述PC终端上的应用程序或者移动终端上的APP访问所述云计算网络中心。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。