專利名稱：一種智能電力計量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電能計量裝置，特別涉及一種通過預付電費才能得到 電力供應的智能電力計量裝置，屬于中高壓電能計量技術領域。
背景技術：
隨著我國國民經濟的快速增長，供電網覆蓋了全國，但用電設備的分布十 分零散，為了及時收取分散使用的用電設備的電費，防止竊電，需要一種新型 電力計量裝置，該裝置既能精確計量電能，又能按先付費后使用的方式消費電 力，電費用完后如不預付電費則經告警切斷電力供應。
現有的電力計量裝置是將高壓母線上的電流和電壓一次參數通過傳統的 電力電流和電壓互感器轉變為二次信號，該二次信號送入電能表的輸入端，經 過表內的第二級電流和電壓互感器轉換為小幅度信號后再輸入到計量芯片進 行計量運算和顯示，即現有的電力計量裝置需要兩級電力互感器進行電能參數 轉換，現有的電力計量裝置所使用的電力互感器主要缺陷是體積大、重量重; 高壓互感器因采用絕緣油或六氟化硫氣體絕緣，存在著氣體泄漏引起爆炸的潛 在危險；存在鐵磁飽和與鐵磁諧振的不良影響；動態范圍小、頻帶窄；制造成 本隨著電網電壓電流等級的提高成幾何級數增加；二次線圈帶負載能力差帶來 二次線損壓降給電能表計量造成較大的誤差。這種結構的電能計量裝置在中高 壓電力計量上深受傳統電力互感器固有缺點的嚴重影響，也不具備智能計量的 功能。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種光電數字智能電力計量裝置，取代現有的電 力互感器組合式計量箱，電力母線的電能參數只需經一次變換，通過數字化和 光纖化處理，就能完成電能數據的傳輸、計量計算、顯示耗用的電能，并具有 開通、切斷電力供應的功能。
為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案為
一種智能電力計量裝置，它包括高壓側電子組合式互感器計量箱、高壓側 開關裝置控制單元、高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元；低壓側高精度 多路PCM光電數字復用單元、低壓側開關裝置控制單元、預付費計量單元和電 力負荷管理單元。高壓母線接入電子組合式互感器計量箱和高壓側開關裝置控
制單元，電子組合式互感器計量箱與高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元 相連，該高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元通過電纜、光纜與低壓側高 精度多路PCM光電數字復用單元的相連，該低壓側高精度多路PCM光電數字復用 單元分別與低壓側開關裝置控制單元、預付費計量單元相連，低壓側開關裝置 控制單元通過預付費計量單元與電力負荷管理單元相連。高壓母線電流和電壓 參數通過電子組合式互感器計量箱感應和分壓出的電流、電壓的二次信號輸送到低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元；然后通過低壓頂lJPCM高精度多路光
電數字復用單元的發送接口將電力負荷管理單元的控制信號反饋到高壓側高
精度多路PCM光電數字復用單元、高壓側開關裝置控制單元，用以控制電力開
關的斷合o
本實用新型的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現。 前述的一種智能電力計量裝置，其中所述的電子組合式互感器計量箱包括 兩個感應電流互感器、兩個感應電壓互感器、高壓供電模塊、調理模塊。所述
兩個感應電流互感器分別串接在高壓母線的A相和C相中，各自的輸出端分別與 調理模塊相連。所述兩個感應電壓互感器分別跨接在高壓母線的A相和C相間， 各自的輸出端分別與調理模塊相連。所述高壓供電模塊跨接在高壓母線的A相 和C相間，所述高壓供電模塊的輸出端接幵關裝置控制單元和調理模塊，兩個 感應電流互感器和兩個感應電壓互感器用于傳感高壓母線的電能數據，調理模 塊用于對互感器輸出數據進行處理，高壓供電模塊給高壓側調理模塊和開關裝 置控制單元供電。
前述的一種智能電力計量裝置，其中所述高壓側高精度多路PCM光電數字 復用單元、低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元分別包括PCM編譯碼器、幀 同步信號產生器、抽樣信號產生器、晶振。二路電流和二路電壓二次信號輸入 到發送接收接口，經抽樣信號產生器抽樣，再經過幀同步信號產生器、晶振量 化，PCM編譯碼器編碼，下行傳輸由高精度多路PCM光電數字復用單元解碼還原
成原始信號輸入預付費計量單元，上行傳輸與下行傳輸相同。
前述的一種智能電力計量裝置，其中所述高壓側開關裝置控制單元包括高 壓側開關裝置和高壓控制電路。所述低壓側開關裝置控制單元包括低壓控制模 塊。所述低壓控制模塊接收預付費計量單元輸出的信號，經低壓控制模塊輸送 到高壓控制模塊，控制電力開關的斷合。
前述的一種智能電力計量裝置，其中所述預付費計量單元包括型號為 ATT7022全數字電能計量芯片、型號為AT89LV51的單片機MCU和型號為 DMC24138的LCD顯示模塊。電能計量芯片對電能信號采樣，輸出脈沖經單片 機MCU計量，并通過LCD顯示模塊實時顯示用戶電量，同時將信號輸送到電力 負荷管理單元。
前述的一種智能電力計量裝置，其中所述電力負荷管理單元包括采集模塊 和數據處理模塊，所述采集模塊包括通信電路、型號為89C51的CPU、存儲電 路、脈沖輸入電路。所述數據處理模塊包括通信電路、存儲電路、時鐘電路， 型號為AT89C51的CPU，還包括GPRS模塊。采集模塊將計量單元輸送的脈沖經 光電隔離、整形后輸入到CPU，轉換成相應的計量單位存儲到存儲電路中，還 能采集遠程監測的電量信息。采集模塊的通信電路將電量信息輸送到數據處理 模塊的通信電路中，數據處理模塊抄取采集模塊中的數據，并將數據存儲于存 儲電路中，還將數據通過GPRS模塊傳至供電管理中心。
本實用新型將傳統的8根電量數據傳輸線減少為一根光纜或電纜傳輸線， 將現有的電能表的表外電力互感器一次電能參數傳感、表內二級互感器減幅變為一次電能參數傳感，并將電能計量和顯示功能融為一體，直接從中高壓電力 輸電線路上傳感電能參數。采用電子組合式互感器計量箱，應用光/電傳輸手
段，通過高精度多路PCM時分復用單元，將高壓側的電能參數變換為四組與母 線電能參數成高線性度的低幅值二次電流/電壓參數信息傳輸到低壓側的計量 單元，完成電能計量所需的四路電能數據傳輸、計量計算與顯示。
本實用新型可根據用戶需求和控制室距采樣點的遠近，靈活采用光/電傳 輸和模擬/數字處理方式，傳輸的距離不受限制。同時通過低壓側高精度多路 PCM光電數字復用單元，將控制信號上傳，完成對開關裝置的開合控制，通過 高壓側高精度多路PCM時分復用單元，將四路電能數據復合成一路，通過光/ 電傳輸信道傳輸到預付費計量單元，在低壓側高精度多路PCM時分復用單元還 原成四路低幅值信號，直接進入計量芯片進行電能計算。本實用新型改變了現 有電力電能表與母線電力互感器分離的模式帶來的弊端，解決了傳統電能表需 要進行兩次互感器參數變換而引入較大的計量誤差，豐富了電能計量功能，提 高了設備的計量準確度，增加了電力計量系統的安全穩定性。
本實用新型的優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖 示和解釋，這些實施例，是參照附圖僅作為例子給出的。
圖l是本實用新型的方框圖。
圖2是電子組合式互感器計量箱的方框圖。
圖3是開關裝置控制單元方框圖。
圖4是高精度多路PCM光電數字復用單元方框圖。
圖5是預付費計量單元方框圖。
圖6是電力負荷管理單元方框圖。
以下結合附圖和實施例對本實用新型式作詳細說明。
如圖1所示，本實用新型包括裝在輸電塔上的高壓側電子組合式互感器計 量箱l、高壓側開關裝置控制單元2、高壓側高精度多路PCM光電數字復用單 元3;裝在地面上的低壓側的高精度多路PCM光電數字復用單元4、低壓側開 關裝置控制單元5、預付費計量單元6和電力負荷管理單元7。高壓母線接入 到高壓側電子組合式互感器計量箱1和高壓側開關裝置開關裝置2，高壓側電 子組合式互感器計量箱1與高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元2相連， 該高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元3通過電纜、光纜與裝在地面上的 低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元4相連，低壓側高精度多路PCM光電 數字復用單元4分別與開關裝置控制單元5、預付費計量單元6相連，低壓側 開關裝置控制單元5通過預付費計量單元6與電力負荷管理單元7相連。
如圖2所示，在電子組合式互感器計量箱1中，兩個感應電流互感器11 分別串接在高壓母線的A相和C相中，兩個感應電壓互感器12跨接在高壓母 線的相間，在電子組合式互感器計量箱1中，還有高壓供電模塊13、調理模 塊14，高壓供電模塊13的輸出端通開關裝置控制單元2，調理模塊14用于對互感器輸出數據進行處理。高壓供電模塊13給高壓側調理模塊14和高壓側開 關裝置控制單元2供電。
在高壓側輸變電母線的電流和電壓電能參數，通過電流互感器11、電壓 互感器12感應和分壓出與母線電流電壓成線性關系的二組電流信號和二組電 壓信號，這四組信號送到高精度多路時分復用數字傳輸單元3的高壓側輸入 端，經光數字處理后從發送接口傳輸到地面低壓側高精度多路時分復用數字傳 輸單元4的輸入端，分解還原成二路電流與二路電壓信號輸入到預付費計量單 元6進行電量計算，再通過預付費計量單元6的RS—485串口 ，將電量數據分 別送入LCD顯示模塊63和電力負荷管理單元7，向用戶顯示耗用的電量，同 時電量數據由電力負荷管理單元7經GPRS模塊73上傳到供電公司的用電管理 中心。
如圖3所示，高壓側開關裝置控制單元2包括高壓側開關裝置21和高壓 控制電路22;低壓側開關裝置控制單元5包括低壓控制模塊51。低壓控制模 塊51接收預付費計量單元6輸出的信號經低壓控制模塊51輸送到高壓控制模 塊22，控制電力開關的斷合。
如圖4所示，高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元3和低壓側高精度 多路PCM光電數字復用單元4均包括PCM編譯碼器32、幀同步信號產生器33、 抽樣信號產生器34、晶振35。 二路電流和二路電壓二次信號輸入到發送接收 接口31，經抽樣信號產生器34抽樣，幀同步信號產生器33、晶振35量化， PCM編譯碼器32編碼，下行傳輸由低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元4 還原成原始信號輸入預付費計量單元6。
如圖5所示，預付費計量單元6包括型號為ATT7022全數字電能計量芯片 61、型號為AT89LV51的單片機MCU 62和型號為DMC24138的LCD顯示模塊63; 電能計量芯片61對電能信號采樣，輸入為用戶端的負載電壓與負載電流，經 計算向單片機輸出電能計量數據的數字脈沖，MCU通過檢測ATT7022芯片CF1 引腳上脈沖的個數來計算用戶用電量，并將電量值累加，并通過LCD顯示模塊 63實時顯示用戶電量，同時可以模擬方式控制開關裝置控制單元2對用戶供 電進行控制，也可以數字光方式通過光信道將開出信號傳送到高壓側進行開關 閉合控制，還將信號輸送到電力負荷管理單元7。預付費計量單元6設有電能 脈沖形式輸出端和RS-232/RS485串行接口各種電量數字形式輸出端，能方便 地通過聯網進行集中管理，可測量有功電量、無功電量、有功功率、無功功率、 電壓、電流及時間等參數。
本實施例的全數字電能計量芯片61采用智能計量芯片ATT7022，完成對 用戶電量的實時采集，并設有遠程控制關斷功能，該芯片具有自動化、智能化 和高精度的特點。可以實現自動記錄用戶電量信息，實時計費，復費率計算， 自動進行斷電檢測。本實施例的單片機MCU 62采用AT89LV51作為實時計量微 控制器。本實施例的LCD顯示模塊63采用LCD顯示模塊DMC24138。
如圖6所示，電力負荷管理單元7包括采集模塊71、數據處理模塊72、 采集模塊71包括通信電路711、型號為89C51的CPU712、存儲電路713、脈沖輸入電路714。數據處理模塊72包括通信電路721、存儲電路722、時鐘電 路723、型號為AT89C51的CPU 724。
采集模塊71設置在預付費計量單元6與數據處理模塊72之間，采集模塊 71具有RS485通信功能，以便與有RS485接口的計量單元以及上層的數據處 理模塊進行通信。采集模塊71負責采集預付費計量單元6中的數據，并可以 通過RS485接口點對點直接傳輸和利用局域網兩種方式傳輸到數據處理模塊 72，具有系統對時、手動抄表、自動抄表、數據查詢等功能。采集模塊71除 采集計量單元的數據外，還可以對需要進行遠程監測的電量進行采集。
采集模塊71將各預付費計量單元6的脈沖并轉換成不同的電量計量單位， 將各預付費計費單元6的各種數據存于存儲電路713中， 一個采集模塊71能 采集16個脈沖信號。當接到數據處理單元72的讀數命令后，采集模塊71將 各預付費計量單元6的數據上傳至數據處理模塊72，采集模塊71還負責監測 環境的變化，如備用電源電壓狀態等。本實施例的存儲電路713采用X25645 芯片。
數據處理模塊72包括通信電路721、存儲電路722、時鐘電路723，型號 為AT89C51的CPU 724,還包括GPRS模塊73。本實施例的時鐘電路723采用時 鐘芯片DS12887，保證在斷電的情況下數據不丟失，用于存儲表總數和表號等 重要數據。本實施例的存儲電路722采用存儲芯片28C256，該芯片為大容量 的歷史數據保存電路。本實施例的GPRS模塊73采用采用內置TCP/IP協議棧 的GR47模塊，采用串口通信，用AT命令進行操作，它以通用的RS232/485 接口和簡單的AT命令交互界面，并提供更方便的電源接口。 GR47內置GPRS 模塊和IP模塊，提供TCP/IP協議轉換，支持GPRS和短消息的收發，并提供 RS232、通用I/O 口等多種接口以適應各種環境下的需要。
數據處理模塊72是本實用新型的橋梁，用以連接采集模塊71和供電公司 的管理中心。在采集模塊71和管理中心之間利用GSM提供的兩種無線數據傳 輸業務GPRS (通用分組無線業務)和MSM (短消息業務)進行抄表數據的傳 輸。數據處理模塊72使用具有GPRS和短信息收發功能的GR47無線MODEM, 采用AT指令集由單片機CPU 712對其進行相關控制，可以和管理中心實現GPRS 和短信息二種方式的數據傳輸。GPRS覆蓋范圍廣，利用GPRS的無線公網平臺 不需為遠程抄錄電能計量數據進行專門布線，采用包月計費方式可降低通信費 用。數據處理模塊72的作用是向下與采集模塊71通信，向上通過GPRS模塊 73和管理中心進行通信。
本實用新型將預付費計量單元6輸送的脈沖經光電隔離、整形后輸入到 CPU 712轉換成相應的計量單位存儲到存儲電路713中，還能采集遠程監測的 電量信息。通信電路711將電量信息輸送到數據處理模塊72的通信電路721 中，數據處理模塊72抄取采集模塊71中的數據，并將數據存儲于存儲電路 722中，還將數據通過GPRS模塊73傳至供電管理中心。
用戶用IC卡或工作站的PC機輸入電費后，預付費計量單元6給與之相接 的低壓側開關裝置控制單元5發出指令，該開關裝置控制單元5經低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元4，將信號上傳，高壓側高精度多路時分復用數 字傳輸單元3接受并還原信號給高壓側開關裝置控制單元2合閘接通供電，同 樣在用戶電費耗完時，低壓側開關裝置控制單元5受控向高壓側開關裝置控制 單元2發送開斷信號，斷開電源。
供電公司用電管理中心與數據處理模塊72之間的通信是通過GPRS網絡進 行的，數據處理模塊72接到通信命令后進行相應的應答處理。數據處理模塊 72與采集模塊71之間可以利用串行總線(RS485總線或CAN現場總線)進行 通信的。通過以太網形式的網絡電力網絡相當于一個共享媒體， 一個數據處理 模塊72和它負責的采集模塊71組成了相當于以太網形式的網絡，數據處理模 塊72和采集模塊71相當于網絡上一個節點，每個節點有唯一的網絡地址。每 個節點只對目的地址和本節點地址相同的數據進行響應。每次通信由數據處理 模塊72發起，采集模塊71在接到通信命令后進行相應的應答處理。用電管理 中心和數據處理模塊72之間是上層遠程通信，數據處理模塊72和采集模塊 71之間是底層近程通信。
本實用新型采用模塊化組態技術，能根據用戶要求，模塊化配置成不同需 要的功能，既可組合成最簡模擬方式直傳計量，也可配置成為不同的數據通信 模式，不同功能的計量單元和功能完善的傳輸距離無限制的光數字方式一體化 計量電力負荷模式。
本實用新型將中高壓電能參數傳感與計量終端實現一體化，全面解決計量 二次線損和有效地防竊電，為提高電力企業經濟效益和管理現代化提供有效的 支持手段，為全面實現發、輸、配電網用戶能量的電能參數傳感、采集計量、 分析和計費的智能化工作提供了可靠的保障。
除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或 等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護范圍內。
權利要求1.一種智能電力計量裝置，其特征在于它包括電子組合式互感器計量箱(1)、高壓側開關裝置控制單元(2)、高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(3)、低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(4)、低壓側開關裝置控制單元(5)、預付費計量單元(6)和電力負荷管理單元(7)；高壓母線接入電子組合式互感器計量箱(1)和高壓側開關裝置控制單元(2)，電子組合式互感器計量箱(1)與高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(3)相連，該高精度多路PCM光電數字復用單元(3)通過電纜、光纜與低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(4)相連，低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(4)分別與低壓側開關裝置控制單元(5)、預付費計量單元(6)相連，低壓側開關裝置控制單元(5)通過預付費計量單元(6)與電力負荷管理單元(7)相連；高壓母線電流和電壓參數通過電子組合式互感器計量箱(1)感應和分壓出的電流、電壓二次信號輸送到低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(4)，然后通過低壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(4)的發送接口將電力負荷管理單元(7)的控制信號反饋到高壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(3)、高壓側開關裝置控制單元(2)，用以控制電力開關的斷合。
2. 根據權利要求1所述的一種智能電力計量裝置，其特征在于所述電 子組合式互感器計量箱(1)包括兩個感應電流互感器(11)、兩個感應電壓互感器(12)、高壓供電模塊(13)、調理模塊(14);所述兩個感應電流互 感器(11)分別串接在高壓母線的A相和C相中，各自的輸出端分別與調理模 塊(13)相連；所述兩個感應電壓互感器(12)分別跨接在高壓母線的A相和 C相間，各自的輸出端分別與調理模塊(14)相連；所述高壓供電模塊(13) 也跨接在高壓母線的A相和C相間，所述高壓供電模塊(13)的輸出端通開關 裝置控制單元(2)，兩個感應電流互感器(11)和兩個感應電壓互感器(12) 用于傳感高壓母線的電能數據，調理模塊(14)用于對互感器輸出數據進行處 理。高壓供電模塊(13)給高壓側調理模塊(14)和開關裝置控制單元(2) 供電。
3. 根據權利要求l所述的一種智能電力計量裝置，其特征在于所述高 壓側高精度多路PCM光電數字復用單元(3)、低壓側高精度多路PCM光電數字 復用單元(4)均包括PCM編譯碼器(32)、幀同步信號產生器(33)、抽樣信 號產生器(34)、晶振(35); 二路電流和二路電壓二次信號輸入到發送接收接 口 (31)，經抽樣信號產生器(34)抽樣，再經幀同步信號產生器(33)、晶振(35)量化，PCM編譯碼器(32)編碼，下行傳輸由高精度多路PCM光電數字 復用單元(4)解碼還原成原始信號輸入預付費計量單元(6)，上行傳輸與下 行傳輸相同。
4. 根據權利要求l所述的一種智能電力計量裝置，其特征在于所述高 壓側開關裝置控制單元(2)包括高壓側開關裝置(21)和高壓控制電路(22);所述低壓側開關裝置控制單元(5)包括低壓控制模塊(51);所述低壓控制模塊(51)接收預付費計量單元(6)輸出的信號，經低壓控制模塊(51)輸 送到高壓控制模塊(22)，控制電力開關的斷合。
5、 根據權利要求1所述的一種智能電力計量裝置，其特征在于所述預 付費計量單元(6)包括型號為ATT7022全數字電能計量芯片(61)、型號為 AT89LV51的單片機MCU (62)和型號為DMC24138的LCD顯示模塊(63);電 能計量芯片(61)對電能信號采樣，輸出脈沖經單片機MCU (62)計量，并通 過LCD顯示模塊(63)實時顯示用戶電量，同時將信號輸送到電力負荷管理單 元(7)。
6、 根據權利要求l所述的一種智能電力計量裝置，其特征在于所述電 力負荷管理單元(7)包括采集模塊(71)和數據處理模塊(72)，所述采集 模塊(71)包括通信電路(711)、型號為89C51的CPU (712)、存儲電路(713)、 脈沖輸入電路(714);所述數據處理模塊(72)包括通信電路(721)、存儲 電路(722)、時鐘電路(723)、型號為AT89C51的CPU (724);還包括GPRS 模塊(73);采集模塊(71)將計量單元(6)輸送的脈沖經光電隔離、整形 后輸入到CPU (712)轉換成相應的計量單位存儲到存儲電路(713)中，還能 采集遠程監測的電量信息；采集模塊的通信電路(711)將電量信息輸送到數 據處理模塊(72)的通信電路(721)中，數據處理模塊(72)抄取采集模塊(71)中的數據，并將數據存儲于存儲電路(722)中，還將數據通過GPRS模 塊(73)傳至供電管理中心。
專利摘要本實用新型公開了一種智能電力計量裝置，包括高壓側電子組合式互感器計量箱、高壓側開關裝置控制單元、高壓側PCM光電數字復用單元；低壓側PCM光電數字復用單元、低壓側開關裝置控制單元、預付費計量單元和電力負荷管理單元。高壓母線先后接入計量箱、高壓側開關裝置，計量箱與高壓側PCM光電數字復用單元相連，再通過電纜、光纜送到低壓側PCM光電數字復用單元，該復用單元分別與低壓側開關裝置控制單元、計量單元相連，然后與電力負荷管理單元連接。本實用新型可在預付電費后通過電能計量，對開關裝置進行斷通控制，滿足電力系統高精度計量與繼電保護暫態特性的要求，適應電力計量與保護的光纖化、數字化和網絡化的發展。
文檔編號G07F15/00GK201159748SQ20082003168
公開日2008年12月3日 申請日期2008年2月2日 優先權日2008年2月2日
發明者張寶中, 楊先明 申請人:鎮江市丹高電器有限公司