一种基于物联网智能服务电能表的制作方法

技术领域：

本发明适用于智能电能表技术领域，发明一种具有物联网功能并以此提供优质服务的基于物联网智能服务电能表。

背景技术：
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目前传统智能电能表，具有电能量的计量、信息储存并处理、自动监测和控制等功能电能表。随着泛在物联智能电网的提出和应用，电力系统网络末端客户侧，也需要一种能够及时采集、汇总、交互、应用计量信息的智能电能表。目前智能电能表，没有进行深度的开发应用。本发明设计一款相适应可深度挖掘末端数据的智能服务电能表。

技术实现要素：
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本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便的基于物联网智能服务电能表。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于物联网智能服务电能表，其特征在于：包括主控cpu模块装置，以及与之分别连接的电能计量模块装置、摄像模块装置、显示模块装置、通信模块装置、时钟模块装置、存储模块装置、电源模块装置、定位模块装置，电能计量模块装置包括电压采集模块装置、电流采集模块装置；各个模块装置安装在外壳内。

主控cpu模块装置经通信模块装置连接系统主站装置和/或移动终端装置。

主控cpu模块，为提高数据计算能力，采用的嵌入式arm9系列的通用处理器，可以方便电能表采集数据与储存模块存储的的负荷特性模型进行匹配运算。

电能计量模块中，电流采集模块在零线处安装零线电流互感器，采集零线电流数据；电流采集模块在火线处安装火线电流互感器，采集火线电流数据，并储存于储存模块中，还能够经通信模块发送给系统主站，以供电力公司分析用户的用电负荷特性和用电异常行为。

摄像模块，采用ccd高清数字式摄像头，位于智能电能表前置面板上，当破坏、开启电能表时，能触发开启摄像头，可以捕捉静态图像以及短时间动态图像，并储存于储存模块中，以固化用电异常行为中的证据，还能够经通信模块发送给系统主站、移动终端。

定位模块，通过gps定位，自动获取该电能表的位置信息，以方便现场工作人员适时及时找到电能表位置。

通信模块，可采用485方式、载波方式、无线gprs/cdma方式与系统主站（即系统后台）通信，同时可通过gprs/cdma方式向手持业务移动终端交互相关信息。

移动终端，是指用于可移动的业务终端，与智能电能表通过gprs/cdma等方式交互相关信息，智能电能表将用电异常行为、gps定位数据，及时发送给现场用电检查人员。

系统主站，安装在电力公司。

显示模块，采用lcd显示屏，是用来显示计量电能表显示电量和相关的数据。

时钟模块，可以为电能表提供实时时钟，为电能表冻结、费率切换提供依据，同时为用电负荷特性数学模型数据提供时钟依据。

储存模块，是用来存储电能表参数、电量及历史数据，同时存储用户用电负荷特性数学模型的数据。

电源模块，是为电能表无外部电源情况下，可以提供持续供电的电源装置。

外壳包括相互扣合在一起的前表壳和后表壳，扣合后通过表头的固定螺丝和表尾的固定螺丝将前表壳与后表壳固定在一起；后表壳内侧位于固定螺丝接触底面处固定有金属垫片，后表壳与金属垫片之间夹有绝缘垫片，金属垫片连接高电位，各个固定螺丝经前表壳连接地电位，主控cpu连接金属垫片为其提供高电位，主控cpu连接外壳为其提供地电位；前表壳和后表壳扣合后拧紧时各个固定螺丝同时接触前表壳和金属垫片；固定螺丝采用金属螺丝；或者，后表壳内侧位于各个固定螺丝接触底面处分别固定安装一个摄像模块触发开关，各个摄像模块触发开关相互并联，前表壳和后表壳扣合后各个固定螺丝拧紧时同时接触前表壳和摄像模块触发开关并且关闭摄像模块触发开关，任意一个固定螺丝松动，该固定螺丝下面的摄像模块触发开关就会打开，触发摄像模块进行拍摄。

后表壳、绝缘垫片、金属垫片，三者粘贴在一起，或者通过绝缘螺钉固定在一起；绝缘螺钉采用木质螺钉、塑料螺钉、树脂螺钉的一种。

该基于物联网智能服务电能表进行计算用电负荷特性的方法，其特征在于：计算该用户的用电负荷特性，所采用的计算方法为遗传算法，是对存储的电压、电流、时间数据进行搜索、处理的方法；

用电负荷特性模型遗传算法流程，提取用户负荷典型数据模型的n种负荷，根据n种典型数据模型建立其对应目标函数和约束条件，随机产生初始群体的n个染色体，利用计量电压、电流、时间数据计算负荷类型匹配度，进行适应值判断，满足约束条件则计算种群目标函数并对适应值排序，然后进行遗传操作，包括选择、交叉、变异，产生新的染色体个体，并保留n个个体，满足收敛条件后，最终输出最佳用户负荷方案。

移动终端可以采用手机、平板电脑或专门的终端机。

本发明的有益效果是：具有物联网功能，能够深度挖掘末端数据的智能服务电能表，可建立客户的用电负荷特性模型，并可得出用电负荷特征数据。通过智能电能表将客户的电力负荷数据采集形成客户端大数据，并有效挖掘客户的用电负荷特性，为政府、电力公司、用户等提供优质服务。能够建立有效的用电异常行为数据，记录用电异常行为证据，为电力公司的反窃电工作提供技术支持。本发明物联网智能服务电能表，可适用并支持泛在物联智能电网的实施。

本发明的物联网智能电能表，增加ccd高清前置摄像头，当电能表遭到破坏或强制开启时，可固化图像证据，配合用电检查，有利于反窃电工作。

本发明的物联网智能电能表，含有gps定位模块，并通过gprs/cdma等方式与手持业务移动终端进行交互相关信息，可方便现场工作人员及时处理相应电能表信息。

本发明所述的智能电能表，在传统智能电能表基础上，增加零线电流互感器，可获取更多价值的数据，利于构建用电异常行为数据，为电力公司的反窃电工作提供技术支持。

附图说明：

附图为本发明的结构示意图。

图1物联网智能电能表结构框图。

图2物联网智能电能表火线、零线增加电流互感器图。

图3物联网智能电能表外形图。

图4为物联网智能电能表摄像头触发原理图。

图5利用遗传算法判别用电负荷特性流程图。

主控cpu模块1、电能计量模块2、摄像模块3、lcd显示模块4、通信模块5、时钟模块6、存储模块7、电源模块8、定位模块9；移动终端10、系统主站11、电压采集模块12、电流采集模块13。

前置摄像头14、表头固定螺丝15、显示器16、轮显按键17、gps模块位置18、通信模块位置19、gprs/cdma通信卡位置20、通信模块天线位置21、表尾固定螺丝22、火线进线23、火线出线24、零线进线25、零线出线26、表壳27、固定螺丝28、固定螺丝接触底面29。

火线电流互感器30、零线电流互感器31。金属垫片32，摄像模块触发开关33。

具体实施方式：

附图为本发明的一种具体实施例。

本发明专利提供的物联网智能服务电能表，包括主控cpu模块装置1，以及与之分别连接的电能计量模块装置2、摄像模块装置3、lcd显示模块装置4、通信模块装置5、时钟模块装置6、存储模块装置7、电源模块装置8、定位模块装置9；电能计量模块装置2包括电压采集模块装置12、电流采集模块装置13，二者分别连接主控cpu模块装置。各个模块装置安装在外壳内。

主控cpu模块装置1经通信模块装置2连接系统主站装置11和/或移动终端装置10。

电能计量模块中，电流采集模块在零线处安装零线电流互感器31，采集零线电流数据，电流采集模块在火线处安装火线电流互感器30，采集火线电流数据，并储存于储存模块中，还能够经通信模块发送给系统主站，以供电力公司分析用户的用电负荷特性和用电异常行为。

主控cpu模块1，为提高数据计算能力，采用嵌入式arm9系列的通用处理器。可以方便电能表采集数据与储存模块存储的的负荷特性模型进行匹配运算。

摄像模块，采用ccd高清数字式摄像头，位于智能电能表前置面板上，当破坏、开启电能表时，能触发开启摄像头，可以捕捉静态图像以及短时间动态图像，并储存于储存模块中，以固化用电异常行为中的证据，还能够经通信模块发送给系统主站、移动终端。

定位模块，通过gps定位，自动获取该电能表的位置信息，以方便现场工作人员适时及时找到电能表位置。

通信模块，可采用485方式（485通信装置）、载波方式（载波通信装置）、无线gprs/cdma方式（gprs通信装置/cdma通信装置）与系统主站（即系统后台）通信，同时可通过gprs/cdma方式向手持业务移动终端交互相关信息。

移动终端，是指用于可移动的业务终端，可与智能电能表通过gprs/cdma等方式交互相关信息，智能电能表将用电异常行为、gps定位数据，及时发送给现场用电检查人员。

系统主站，安装在电力公司。

显示模块，采用lcd显示屏，是用来显示计量电能表显示电量和相关的数据。

时钟模块，可以为电能表提供实时时钟，为电能表冻结、费率切换提供依据，同时为用电负荷特性数学模型数据提供时钟依据。

储存模块，是用来存储电能表参数、电量及历史数据，同时存储用户用电负荷特性数学模型的数据。

电源模块，是为电能表无外部电源情况下，可以提供持续供电的电源装置。

外壳包括相互扣合在一起的前表壳和后表壳，扣合后通过表头的固定螺丝15和表尾的固定螺丝22将前表壳与后表壳固定在一起；后表壳内侧位于固定螺丝接触底面处固定有金属垫片32，后表壳与金属垫片之间夹有绝缘垫片，金属垫片连接高电位，各个固定螺丝经前表壳连接地电位，主控cpu连接金属垫片为其提供高电位，主控cpu连接外壳为其提供地电位；前表壳和后表壳扣合后拧紧时各个固定螺丝同时接触前表壳和金属垫片；固定螺丝采用金属螺丝；或者，后表壳内侧位于各个固定螺丝接触底面处分别固定安装一个摄像模块触发开关33，各个摄像模块触发开关相互并联，前表壳和后表壳扣合后各个固定螺丝拧紧时同时接触前表壳和摄像模块触发开关并且关闭摄像模块触发开关，任意一个固定螺丝松动，该固定螺丝下面的摄像模块触发开关就会打开，触发摄像模块进行拍摄。

后表壳、绝缘垫片、金属垫片，三者粘贴在一起，或者通过绝缘螺钉固定在一起；绝缘螺钉采用木质螺钉、塑料螺钉、树脂螺钉的一种。

该智能电能表，主控cpu选择嵌入式arm9系列的通用处理器，采用c++语言进行相应的编程，以完成遗传算法计算流程。

该智能电能表，增加摄像头模块，摄像头采用ccd高清摄像头。在电能表在产生外力破坏、打开电能表时，能触发开启摄像头，能够捕捉静态图像以及短时间动态图像，并将静态和动态图画储存于储存模块7中，以固化用电异常行为中的证据，通过无线通信模块发送给移动终端和系统主站，从而发送给电力部门人员进行专项检查，精确打击用电行为异常的用户，为电力公司的反窃电工作提供技术支持。

摄像头触发摄像原理，固定螺丝表壳位置27为地电位信号，固定螺丝接触底面29为高电位信号；当固定螺丝拧紧时，固定螺丝接触底面29将为地电位信号。当破坏、强制开启电能表时，表头固定螺丝15或表尾固定螺丝22松动，脱离固定螺丝接触底面29，固定螺丝接触底面29恢复为高电平信号，触发摄像头14拍摄照片。将摄像静态和动态图画储存于储存模块7中，以固化破坏电能表的证据，并及时上传电力系统主站。

该智能电能表，在传统智能电能表电流采集模块13零线电流上增加电流互感器，相对传统智能电能表可获取更多意义的数据，以建立准确的用电异常行为数据，通过无线通信模块发送给移动终端和系统主站，从而发送给电力部门人员进行专项检查，精确打击用电行为异常的用户，为电力公司的反窃电工作提供技术支持。

该智能电能表，所有的计算结果均可通过通信模块传输到电力系统主站11，用于提供电力部门电力进行用电规划指导。

定位模块，通过gps定位，自动获取该电能表的位置信息，通过通信模块的gprs/cdma等方式与移动终端交互信息，以方便现场工作人员适时及时找到电能表位置，及时处理电能表信息。

该智能电能表，增加手持移动终端10，即可移动的业务终端，作为人机交互模块，通过通信模块的gprs/cdma等方式，将用电异常行为、gps定位数据，及时发送给现场用电检查人员。

移动终端可以采用手机、平板电脑或专门的终端机。

外壳上安装有轮显按键17，用于操作电能表表屏显示器所显示的内容，使显示器显示想要的内容。

本发明的基于物联网智能服务电能表进行计算用电负荷特性的方法，计算该用户的用电负荷特性，所采用的计算方法为遗传算法，是对存储的电压、电流、时间数据进行搜索、处理的方法；

用电负荷特性模型遗传算法流程，提取用户负荷典型数据模型的n种负荷，根据n种典型数据模型建立其对应目标函数和约束条件，随机产生初始群体的n个染色体，利用计量电压、电流、时间数据计算负荷类型匹配度，进行适应值判断，满足约束条件则计算种群目标函数并对适应值排序，然后进行遗传操作，包括选择、交叉、变异，产生新的染色体个体，并保留n个个体，满足收敛条件后，最终输出最佳用户负荷方案。

居民用电负荷特性，是对家用照明、电视机、冰箱、空调、加湿器等电器的典型数据特点进行建立用电负荷模型。即电器功率特性与时间的关系数学模型，该模型可根据不同地区生活习惯专门建立。

该物联网智能服务电能表，可利用采集得到的电压、电流、功率及时间等数据，对用电负荷模型进行匹配，并可分析用户的用电负荷特征。能够将客户的电力负荷的用电情况统计分析，形成客户端大数据，有效挖掘客户的用电负荷特性。

该物联网智能电能表，建立用电负荷特性模型后，储存于储存模块7中，主要包括洗衣机、冰箱、空调、电热水器等居民负荷数据的用电特性。例如，照明数据一般发生在夜间出现峰值，并根据灯具功率、时间建立其典型照明模型；洗衣机数据主要在早晨或晚上，并根据其功率、时间建立其典型数学模型；电热水器、空调的等一般在晚上使用频率较高，建立功率与时间的典型数学模型等。

上述建立的用电负荷特性数学模型，不限与上述描述，并可根据用户用电生活习惯与技术革新适时调整。

所述建立的数学模型可以通过通讯模块5进行适时升级。

本发明的物联网智能电能表，第一步是对数据的采集。利用电能表计量模块2，电压采集模块12、电流采集模块13、时钟模块6对用户对电压、电流、以及对应的时间等数据进行采集，并将这些数据存储于存储模块7中。

电力用户数据端的大数据，为计算的方面，进行简化，获取典型时刻的数据进行取得。

智能电能表采集电压、电流为时间连续数据，为简化数据同时保留数据的有效特征，做以下简化。简化大数据获取规则为，根据智能物联电能表每15分钟提取一次数据，对用户每天采集96个数据，一个月2880个负荷数据进行分时段数据存储。

本发明利用上述客户侧简化大数据和上述典型负荷模型，计算该用户的负荷特点，所采用的计算方法为遗传算法。

可建立目标函数和约束条件如公式（1）-公式（6），但不限于此。

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u2t、i2t是第二种电器在时间t的电压、电流值，u3t、i3t是第三种电器在时间t的电压、电流值，uft、ift是第f种电器在时间t的电压、电流值。

上述的遗传算法，是采用生物进化规律演化而来的随机化搜索方法。

所述的用电负荷特性模型遗传算法流程如下：

第一步根据典型电器的时序负荷模型随机产生初始群体，初始群体中含有n=100个染色体，即随机产生100个可能结果，设置进化代数r=0，最大迭代代数r=50。

第二步根据公式（2）-（5）约束条件对初始群体染色体进行判别，将不合格的直接剔除。

第三步根据目标函数公式（1）、（6）计算各染色体的适应度值，并进行排序。

第四步根据遗传算法交叉、变异操作，产生新的n个染色体，并将进化代数r+1。

第五步判断是否达到收敛条件或者迭代次数达到设定值maxgenr=50，即输出最终结果值。

本发明所述遗传算法流程是基本流程，不限于此，可根据负荷数据情况改进。

本发明计算得到的用电负荷模型结果、数据可以发给用户进行有序用电方案引导，数据可以发给电力部门进行配电网规划数据支撑。