CN102830281A

CN102830281A - 一种智能电能表及公用事业仪表抄表系统

Info

Publication number: CN102830281A
Application number: CN2012102998418A
Authority: CN
Inventors: 张平; 陈凯; 宋锡强; 梁胜民
Original assignee: Holley Technology Co Ltd
Current assignee: CHONGQING HUAHONG INSTRUMENT Co.,Ltd.
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CN102830281B

Abstract

本发明公开了一种智能电能表，包括信号采集单元，用于接入电网电力线；信号处理单元，用于接收、计算和处理信号采集单元的数字信号值；通讯端，用于接收通讯请求或发送数据；控制单元，用于控制对智能电能表的外部数据信息获取和发送数据，所述控制单元与信号处理单元和通讯端连接。本发明还公开了一种公用事业仪表抄表系统，包括终端系统及前述智能电能表，还包括通过M-BUS总线加以通讯连接的水表、气表和热表，所述智能电能表通过无线网络与终端系统之间进行通讯。本发明无需使用用电信息数据采集设备和数据集中器设备，且将不同的公用事业仪表接设在M-BUS总线上进行控制管理，具有功耗较低，通讯稳定，结构简洁，成本低的优点。

Description

一种智能电能表及公用事业仪表抄表系统

技术领域

本发明涉及公用事业商品（例如水、电、天然气等）测量仪器仪表领域，更特定言之，本发明涉及一种替代数据采集器或集中器设备的智能电能表，以及包括这种智能电能表的集中抄表系统。

背景技术

民用仪表的远程抄表方式是由一个数据采集器通过RS485总线进行通讯和数据抄收，然后将这些数据发送给一个数据集中器设备，再由集中器与数据管理终端系统进行通讯和数据上传。而相反，数据管理终端系统的命令亦需要通过终端系统——集中器——采集器——电能表这个连接关系来发送和传输。

因此，需要另外装配采集器和集中器设备，对于安装分散的用户而言，其户内装设的电表极其不适合再使用RS485或类似无线方式的通讯方案，任一级中间节点故障均会导致后级表计无法进行数据读取，而即使使用了GPRS通讯方式，则同样需要装设单独的GPRS外置模块，而且需要嵌入专用的SIM卡和电池方能使用，成本较高。

而目前的民用仪表领域中均通过表计发送数据给采集器设备，最新颖的技术是使用心跳帧的形式维持一次数据通讯的有效连接，即每过一个周期定时发送一个自定义的询问帧，避免应答设备因长时间等待而中断本次连接。本领域技术人员应当了解，若通过这种方式发送数据，大量的心跳帧无疑将增加通讯功耗和费用，例如使用GPRS网络进行通讯，则发送信息需要向网络运营方支付通讯费用。同时，这种方式导致AMR系统中前置机的数据处理量的持续增加。

发明内容

本发明旨在解决现有技术存在的缺陷，设计一种智能电能表以及装设这种智能电能表的集中抄表（AMR）系统，去除了现有技术中AMR系统必须使用的数据采集设备和集中器。在本发明的优选实施例中，将智能电能表作为一个服务器或客户端类的设备，它可以直接与外部数据收集管理终端建立实时可靠的有效连接，免除了数据发送和分拣处理的过程，同时避免了数据传输可能出现的问题及功耗，同时不会因为装设了多种组件而增加表计的成本和体积重量。

在本发明的另一优选实施例中，通过M-BUS总线的方式，将多种公用事业仪表（例如水表、气表或热表）连接至本发明智能电能表，以实现多种表计的数据联抄技术。同样地，通过总线的方式在一个有效区域内设定数据采集设备，获取其他仪表（包括电能表）的数据信息，这样可以替代现有技术中的数据采集和分拣功能设备，也免除了现场布线的困扰。

为了实现上述设计目的，本发明的技术方案1，设计一种智能电能表，在其中装设有相互耦合在一起的处理器和控制器，处理器用于接收和处理电力能耗数据信息，并接收控制器发送的数据命令，同时处理器又能够控制所述的控制器获取外部源的数据信息，或向外部设备终端发送数据命令。

为了实现上述设计目的，本发明的技术方案2，设计一种公用事业仪表抄表系统系统，其中包括了前述的智能电能表和其他类型的公用事业仪表，通过总线方式加以连接。

技术方案1：一种智能电能表，它接设于电网电力线与电网用户负载之间，包括：信号采集单元，用于接入电网电力线，进一步获取其电流和电压信号并转换成电力数字信号值；信号处理单元，用于接收这些电力数字信号值并进行计算和数据处理；通讯端，用于接收通讯请求或发送数据；进一步包括：控制单元，用于控制对所述智能电能表的外部数据信息获取和发送数据，所述控制单元通过若干个接口与信号处理单元和通讯端加以连接。

进一步地，在本发明的优选实施例中，包括用于提供智能电能表内部组件的工作电压的变压器PT和电源设备，用于将电网电压和电流转换成为信号处理单元和控制单元所需5V和15V的工作电压。

进一步地，在本发明的优选实施例中，在控制单元中设定一个电源控制端，用于控制通讯端所需要的通讯电压，因不同类型的通讯所需的频率和功耗不同，所以需要通过控制单元预先判定通讯类型，随后进行通讯端口设置，然后对通讯端进行通讯控制。

进一步地，在本发明的优选实施例中，包括用于显示电能耗用量和外部数据信息的LCD显示器，它与控制单元相互电连接。

进一步地，在本发明的优选实施例中，分别在信号处理单元和控制单元上设置UART接口，用于两者之间的数据信息的互相发送和接收。在信号处理单元的一个FLASH单元或RAM中设定数据采集模组和接口类，在控制单元的FLASH或RAM中设定数据处理模组和接口类命令。

在本发明的优选实施例中，在电能表正常工作时，信号处理单元发送数据采集命令CHECK_M至控制单元，或通讯接口类命令SMS_PROMPT，以控制控制单元对外部设备进行数据采集，例如对一个有效通讯区域内的其他电能表进行电量数据进行采集，以此使本发明智能电能表实现一个数据采集设备的功能。

在本发明的另一优选实施例中，在电能表正常工作时，控制单元发送数据处理命令STAT_M至信号处理单元，以此使本发明电能表作为一个数据集中器设备，实现对电力能耗数据的分拣和处理。

技术方案2：一种公用事业仪表抄表系统，它包括终端系统，并包括如前所述的智能电能表，进一步包括水表、气表和热表。其中，所述智能电能表与水表、气表以及热表是通过M-BUS总线加以通讯连接，所述智能电能表通过无线网络与终端系统之间进行通讯。

进一步地，在本发明的优选实施例中，所述水表、气表和热表中装设有用于接收和应答数据信息的应答单元，所述智能电能表通过M-BUS总线向水表、气表和热表获取公用商品耗用量数据信息，以此作为一个数据采集设备。

进一步地，在本发明的优选实施例中，所述智能电能表是通过其中设置的控制单元向水表、气表和热表发送数据信息获取命令。

进一步地，在本发明的优选实施例中，所述智能电能表通过其通讯端与终端系统之间以WLAN、WIFI、3G或ADSL无线方式加以连接。

本发明的优选实施例摒弃了当前抄表系统所必须使用的用电信息数据采集设备和数据集中器设备，且将不同的公用事业仪表接设在M-BUS总线上。1）通过电表中装设专用集成单元来获取其他公用事业仪表的公用商品耗用量数据信息，以此作为一个数据采集设备。2）通过电表内部装设的通讯模块，可以使之直接与终端主站系统进行有效通讯（例如通过GSM、3G、WIFI等网络，或最简单的PLC通讯），并利用内部芯片实现对数据的分拣功能，以此替代了一个数据集中器设备的功能。3）在表计内部设定命令，摒弃了常规技术中需要定时发送心跳帧来获取应答信息，保证远程网络表计持续在线，且利用总线电力线供电，功耗较低，且通讯稳定，本发明结构简洁，降低了成本，具有显著的社会、经济效益。

附图说明

本发明的优选实施方式将在以下通过参照附图的方式加以详细体现，图中的相同功能组件/模块以相同符号加以标记，其中的

图1为本发明智能电能表的功能结构原理图；

图2为本发明抄表系统的结构原理图；

图3为本发明抄表系统的数据发送与回复的流程图。

具体实施方式

图1示意性绘示出本发明智能电能表的优选实施例，它接设于电网电力线SPL与电网用户负载LD之间，包括：

信号采集单元10，它用于接入电网电力线SPL，进一步获取其电流I和电压U信号并转换成电流I_X和电压U_X数字信号值；

信号处理单元11，优选为一个CPU或DSP芯片，它用于接收这些电力数字信号值I_X和U_X并进行计算和数据处理，通过公式P=∑I_X·U_X的形式累乘得出电网用户的耗电功率，并通过一个积分器得出电能耗用量以及其他电网管理终端需要获取的数据信息，例如无功功率、伏安特性等，这些需要CPU内部组件功能的运行来得出；

通讯端12，用于接收通讯请求或发送数据，优选地包括一个天线单元以及通讯芯片；

控制单元13，优选为一个系统级MCU芯片，用于控制对本发明智能电能表的外部数据信息获取，或将内部处理的数据发送给外部设备。控制单元13通过若干个接口131与信号处理单元11和通讯端12加以连接。

进一步地，在本发明的优选实施例中，包括用于提供智能电能表内部组件的工作电压的变压器PT和电源15，用于将电网电压和电流转换成为DSP芯片11和MCU芯片13所需5V和15V的工作电压。

进一步地，在本发明的优选实施例中，MCU芯片13中设定一个电源控制端132，用于控制通讯端12所需要的通讯电压，因不同类型的通讯所需的频率和功耗不同，所以需要通过MCU芯片13预先判定通讯类型，随后进行通讯端口设置，然后对通讯端12进行通讯控制。

进一步地，在本发明的优选实施例中，包括用于显示电能耗用量和外部数据信息的显示器16，它与MCU芯片13相互电连接。

进一步地，在本发明的优选实施例中，分别在DSP芯片11和MCU芯片13上设置UART接口，用于两者之间的数据信息的互相发送和接收。在DSP芯片11的一个FLASH单元或RAM中设定数据采集模组和接口类，在MCU芯片13的FLASH或RAM中设定数据处理模组和接口类。

例如，在本发明的优选实施例中，在电能表正常工作时，DSP芯片11发送数据采集命令CHECK_M至MCU芯片13，或通讯接口类命令SMS_PROMPT，以控制MCU芯片13对外部设备进行数据采集，例如对一个有效通讯区域内的其他电能表进行电量数据进行采集，以此使本发明电能表实现一个数据采集设备的功能。

例如，在本发明的另一优选实施例中，在电能表正常工作时，MCU芯片13发送数据处理命令STAT_M至DSP芯片11，以此使本发明电能表作为一个数据集中器设备，实现对电力能耗数据的分拣和处理。

图2示意性绘示出一种公用事业仪表抄表系统，它包括终端系统5，并包括如前所述的智能电能表1，进一步包括水表2、气表3和热表4。其中，智能电能表1与水表2、气表3以及热表4是通过M-BUS总线形式加以通讯连接，智能电能表1通过无线网络与终端系统5之间进行通讯。

进一步地，在本发明的优选实施例中，水表2、气表3和热表4中分别装设有用于接收和应答数据信息的应答单元21、31、41，智能电能表1通过M-BUS总线向水表2、气表3和热表4获取公用商品耗用量数据信息，以作为一个数据采集设备。

进一步地，在本发明的优选实施例中，所述智能电能表1是通过其中设置的控制单元13向水表2、气表3和热表4发送数据信息获取命令。

进一步地，在本发明的优选实施例中，所述智能电能表1通过其通讯端12与终端系统5之间以WLAN、WIFI、3G或ADSL无线方式加以连接。

进一步地，在本发明的优选实施例中，M-BUS总线是采用有线或无线的方式，同时可提供一种可选架构，在电能表1与水表2、气表3或热表4之间增加一个加密设备，为了防止系统外部设备通过非正常手段来获取数据。

在任何情况下，M-BUS总线的通讯波特率固定为2400，设置为偶校验，8个数据位和1个停止位。

进一步地，在本发明的优选实施例中，在通讯过程中采用AES-128加密机制或无加密机制，加密的字节仅针对于应用层数据内容，其中CRC校验字节不加密，若应用层数据内容不是16字节的整数倍，则需要采用帧字节进行填充；采用CI域两个标号：采用特定帧字节表示电表1至其他类型公用事业仪表2、3、4的数据是加密的。

在M-BUS总线上连接的设备，除了电能表1以外，都设有唯一的密钥，当设备开始通讯时获取密钥，例如，加密接口类可设定为0xyyH，其中0x表示加密的接口类命令，yy表示加密的数据长度，可设定一个最小的长度值，初始化设定为00，需要系统根据数据标头编辑出密钥值。

在本发明的优选实施例中，1）电表1发送初始化操作帧给其他类型公用事业仪表，例如气表3，应当单元31接收到这些数据帧的时候，需要回复单字节帧E5H，同时需要初始化气表3的通讯状态，准备开始通讯；

电表发送的数据帧为（其中start character表示帧头，stop character表示帧尾）：

FIELD

start character

C field

A field

CS

stop character

DATA-HEX

10

40

xx

16

2）当总线上的设备初始化完成之后，应答单元31将气表3当前的数据信息传送给电表1；电表采用请求，所发送的数据请求为：

start character	C field	A field	CS	stop character
					10	5B	PAddress	校验和	16

当气表3一旦接收到此请求帧时，需要进行回复，回复内容固定12字节头内容+当前温度补偿的用气量+当前温度未补偿的用气量+气表3阀门状态，回复数据内容：

3）当气表3接收到如上数据帧，则通过应答单元31进行回复，同时需要将DATA区的数据设置为气表3设备的地址，之后电表1将使用此地址与气表3进行通讯。

4）气表3的阀门需要通过电表1的控制单元（MCU芯片）13进行远程控制，终端系统5通过发送信息的方式控制电表1，所述电表1再将此信息发送至气表3，以进行远程控制，电表1发送数据帧为：

其中DATA区的XX数据设定为00-关阀门；01-开阀门；02-保持目前的状态。

5）电表1在系统时间改变之后，需要进行时间校准，气表3接收到电表1的新时钟信息后，若时间差超出60s，则需要置位时钟错误标志，并将电表1的时间作为新的时间。

6）当气表3被电表1进行复位后，则之前分配的地址清零，加密的密钥清零，恢复为初始状态，此时电表1发送控制帧（特殊的长帧），气表3回复正确接收的信息。

以上仅为本发明的优选实施方式，旨在体现本发明的突出技术效果和优势，并非是对本发明的技术方案的限制。本领域技术人员应当了解的是，一切基于本发明技术内容所作出的修改、变化或者替代技术特征，皆应当涵盖于本发明所附权利要求主张的技术范畴内。

Claims

1.一种智能电能表，它接设于电网电力线与电网用户负载之间，包括：信号采集单元（10），用于接入电网电力线，进一步获取其电流和电压信号并转换成电力数字信号值；信号处理单元（11），用于接收这些电力数字信号值并进行计算和数据处理；通讯端（12），用于接收通讯请求或发送数据；其特征在于进一步包括：控制单元（13），用于控制对所述智能电能表的外部数据信息获取和发送数据，所述控制单元（13）通过若干个接口（131）与信号处理单元（11）和通讯端（12）加以连接。

2.如权利要求1所述的智能电能表，其特征在于：进一步包括用于显示电能耗用量和外部数据信息的显示器（16），它与控制单元（13）相互电连接。

3.一种公用事业仪表抄表系统，它包括终端系统（5），并包括如权利要求1所述的智能电能表（1），进一步包括水表（2）、气表（3）和热表（4），其特征在于：所述智能电能表（1）与水表（2）、气表（3）以及热表（4）是通过M-BUS总线加以通讯连接，所述智能电能表（1）通过无线网络与终端系统（5）之间进行通讯。

4.如权利要求1所述的公用事业仪表抄表系统，其特征在于：所述水表（2）、气表（3）和热表（4）中装设有用于接收和应答数据信息的应答单元（21）；31；41），所述智能电能表（1）通过M-BUS总线向水表（2）、气表（3）和热表（4）获取公用商品耗用量数据信息，以作为一个数据采集设备。

5.如权利要求4所述的公用事业仪表抄表系统，其特征在于：所述智能电能表（1）是通过其中设置的控制单元（13）向水表（2）、气表（3）和热表（4）发送数据信息获取命令。

6.如权利要求1所述的公用事业仪表抄表系统，其特征在于：所述智能电能表（1）通过其通讯端（12）与终端系统（5）之间以WLAN、WIFI、3G或ADSL无线方式加以连接。