專利名稱：電表自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電表集中管理、自動監(jiān)控系統(tǒng)，具體是一種適用于電力系統(tǒng)對電表集中管理的電表自動控制系統(tǒng)。
背景技術：
電表管理一直是一件供電部門非常關心而又很麻煩的事。傳統(tǒng)的抄表收費和用電監(jiān)察都是由專人到用戶現(xiàn)場抄表和檢查，將所收集的電表數(shù)據匯總到供電部門，供電部門再根據相關規(guī)定出票收費。這樣既需要大量的抄收人員，勞動強度大，效率低，又可能出現(xiàn)人為差錯，產生一些不必要的社會影響，同時也影響供電部門的企業(yè)形象。目前國內外抄表方式主要有人工抄表、預付費和自動抄表三種。人工抄表是通過抄表人員到現(xiàn)場對每一只電表讀數(shù)抄表，將抄到的電表數(shù)據帶回供電部門處理，再通知用戶交費；預付費方式是用戶先到供電部門預先購電，供電部門將所購電量寫入某種介質卡，由用戶自己將含有相應電量的數(shù)據通過卡送入自己的電表中，完成先交費后用電的過程；自動抄表系統(tǒng)(工作范圍一般限定在一個臺區(qū)內)根據所使用的技術不同可分為總線方式、短距離無線電(以下簡稱RF)方式和電力線載波(以下簡稱PLC)方式。
總線方式主要采用RS485總線。由于RS485總線方式在使用時必須用電線把每一只電表都分別連接到集中器上，再由集中器通過電話線(或其他通訊方式)把所采集到的電表數(shù)據傳到計算機管理系統(tǒng)，構成自動抄表系統(tǒng)(以下簡稱AMR)。由于電表數(shù)量很大，電表與集中器之間連線較多，需要在樓道里專門布線，給系統(tǒng)安裝帶來了較大的困難和工作量；同時，增加了較多的接頭，容易產生接觸不良影響抄表的可靠性，特別是時間長了以后，接觸不良現(xiàn)象更加嚴重，大大增加了系統(tǒng)的維護工作量。另外，安裝在樓道里的電線容易遭到人為破壞，影響抄表系統(tǒng)的正常工作。這些問題的存在制約了RS485總線自動抄表系統(tǒng)的大量使用。
PLC方式是直接利用電力線作為通訊線路傳送數(shù)據，不需要重新布線，大大減少了安裝工作量，安裝使用較為方便。但由于電力線上存在許多不確定干擾因素，特別是特征阻抗和諧波分量隨機變化較大，極大的影響了通訊的可靠性和效率(如數(shù)據傳輸速度較慢，可能出現(xiàn)較長時間段的通訊堵塞)，無法真正做到雙向有效通訊，影響了功能的增加和應用范圍的擴大，目前只有最基本的抄表功能，效率較低(為了避開干擾，提高通訊效率，一般都選擇在夜間作為抄表時間)。
RF方式，是利用公共無線電頻段(ISM頻段)進行數(shù)據通訊，通訊效率高，安裝簡單，使用方便。但由于空間電磁波干擾較大，特別是障礙物阻擋情況隨機，發(fā)射功率受限，直接影響了傳輸距離，目前在國內使用較少。自動抄表系統(tǒng)三種方式的情況對比如下表所示。
自動抄表系統(tǒng)情況對照表

從目前國內外使用的情況看，國外發(fā)達地區(qū)采用RF方式和PLC方式抄表的較多，欠發(fā)達地區(qū)采用人工抄表和預付費方式的較多。
發(fā)明的內容為了克服目前電力管理部門現(xiàn)行自動抄表系統(tǒng)存在的不足，實現(xiàn)系統(tǒng)準實時雙向、快速可靠的通訊，解決目前供電部門非常關心的實際問題，更好的為供電部門和用戶服務，充分利用各種新技術的特點，整合優(yōu)勢，構建一套功能更完善、更實用的電表自動控制系統(tǒng)確實很有必要。本實用新型的目的是提供一種電表自動控制系統(tǒng)(以下簡稱MACS)，為實現(xiàn)供電部門對電表的管理提供有力的技術支撐，并且能夠更加方便用戶，提高現(xiàn)行電表的管理水平。
技術方案通過對現(xiàn)行自動抄表系統(tǒng)存在問題的分析和對RF技術和PLC技術的優(yōu)缺點的研究，本實用新型將RF技術與PLC技術有機地結合，利用單片機控制技術和計算機網絡技術構建一套全新的準實時雙向通訊的電表網絡系統(tǒng)，使電表自動控制系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實。將兩種技術有機的結合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，揚長避短，將產生較好的協(xié)同效應。利用RF方式(在微功率的條件下不受無線電管理部門的制約)通訊速度快、傳送信息量大的特點，完成系統(tǒng)的大量抄表和中繼功能；利用PLC傳輸距離遠的特點，完成集中器與電表的遠距離通訊(RF無法通訊)。這樣既能獲得了傳輸速度快和傳輸距離遠的效果，又能將不同范圍的干擾巧妙的規(guī)避，這樣就大大的降低了系統(tǒng)被干擾而影響系統(tǒng)通訊的概率，大大提高了系統(tǒng)的通訊速度、通訊效率和可靠性，使系統(tǒng)做到了準實時雙向通訊，實現(xiàn)了許多現(xiàn)有自動抄表系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能(如在線監(jiān)測電表的運行狀態(tài)；電表自動登錄和撤除時自動報警；將竊電信息迅速返回計算機控制管理系統(tǒng)；通過編程使電表能在普通計量、預付費、多費率之間相互轉換；即使普通電表也可完成電力部門關心的負荷曲線功能)；同時又保持系統(tǒng)的安裝使用簡單方便，便于維護的優(yōu)點。
根據上述技術方案，本MACS包括計算機控制管理系統(tǒng)、集中器和電表；其中計算機控制管理系統(tǒng)與若干個集中器之間通過PSTN、數(shù)傳電臺和GPRS中的至少一種方式連接；集中器通過RF和PLC方式與若干個電表連接，完成對電表的控制和管理；各電表之間通過RF方式和PLC方式彼此相連。
在上述MACS中還可以包括計算機控制管理系統(tǒng)、集中器、電表和三相多功能電表；其中計算機控制管理系統(tǒng)與若干個集中器之間通過PSTN、數(shù)傳電臺和GPRS中的至少一種方式連接；集中器通過RF和PLC方式與若干個電表連接，完成對電表的控制和管理；各電表之間通過RF方式和PLC方式彼此相連；所述計算機控制管理系統(tǒng)通過GPRS直接與若干個三相多功能電表連接，或經集中器通過RS485接口與三相多功能電表相連，完成對三相多功能電表的控制和管理。
上述集中器具有RS485、IR和USB接口，其中接口RS485連接三相多功能電表，IR、USB與現(xiàn)場設備連接。這樣以電表、集中器和計算機控制管理系統(tǒng)構成的準實時自動控制系統(tǒng)就實現(xiàn)了對電表的監(jiān)視、控制、功能轉換和信息反饋等功能；同時通過局域網還能將所有信息傳到相關的管理部門，為決策部門提供決策依據。
上述系統(tǒng)的工作原理是這樣的計算機控制管理系統(tǒng)是操作人員控制和管理MACS的工作平臺，操作人員通過相應的應用程序完成對整個MACS的控制和管理。集中器是MACS的關鍵，它起著承上啟下的作用。利用PSTN或GPRS將電表數(shù)據傳給計算機控制管理系統(tǒng)，同時也接受相應的控制電表的各種命令；它主要由單片機系統(tǒng)、RF單元、PLC單元和各種接口單元，包括GPRS、PSTN、IR、USB、RS485組成，各單元間通過串口與單片機系統(tǒng)相連，形成一個完整的單片機控制系統(tǒng)。集中器在與電表通訊中，如果不能直接通訊，則集中器會自動通過智能路由方式選擇作為中繼的電表進行中繼通訊以保證通訊的暢通。利用硬件連接，通過編程，實現(xiàn)與計算機控制管理系統(tǒng)的數(shù)據交換；實現(xiàn)現(xiàn)場抄控；實現(xiàn)與電表的數(shù)據交換和監(jiān)控電表。特別是在與電表交換數(shù)據中，若RF方式受到干擾無法通訊時，單片機控制系統(tǒng)會自動更換信道(保持與集中器一致)，連續(xù)通訊；若更換信道都無法通訊時，則自動將RF方式切換到PLC方式繼續(xù)通訊；同樣，在PLC受到干擾無法通訊時，單片機控制系統(tǒng)會自動將PLC方式切換到RF方式繼續(xù)通訊。這里的電表由計量單元、開關、竊電報警輸出口、RF單元、PLC單元和單片機系統(tǒng)組成。用電量、竊電報警信號都通過連線直接與單片機系統(tǒng)相連，RF單元和PLC單元都通過串口與單片機系統(tǒng)相連；用電量和報警信號以脈沖方式送單片機；單片機系統(tǒng)通過編程凍結電表數(shù)據和控制電表的特征(普通、預付費、多費率相互轉換)并與集中器保持準實時通訊。
本實用新型的技術效果是很顯著的，由上述原理構成的MACS，將RF技術和PLC技術有機的結合，克服了現(xiàn)有類似系統(tǒng)不能實現(xiàn)的準實時雙向通訊功能，構建了一個電表智能控制的網絡工作平臺，既實現(xiàn)了通訊的高速、可靠和高效率，又保持了安裝使用簡單和方便的特點，實現(xiàn)了自動抄表、自動登錄和退出自動報警；實現(xiàn)了同時凍結系統(tǒng)內所有電表的數(shù)據，使線損計算更加準確；實現(xiàn)了可隨時監(jiān)控每只電表的運行狀況、迅速反饋竊電信息，為用電監(jiān)查提供了可靠依據；實現(xiàn)了遠距離編程改變電表特征(即普通、預付費和多費率相互轉換)的功能，為電表管理的現(xiàn)代化提供了一套既科學又適用的MACS，為電表管理的數(shù)字化、網絡化走出了一條新路。MACS的推廣使用，將大大提高供電部門的勞動生產率，方便客戶，將會對目前電表的管理帶來較大的進步，使電表的管理水平上一個新的臺階。


本實用新型的上述結構可以通過附圖給出的實施例進一步說明。
本實用新型有如下附圖附圖1為電表自動控制系統(tǒng)(MACS)結構框圖；附圖2為電表電原理圖；附圖3為集中器電原理圖；附圖4為計算機控制管理系統(tǒng)；附圖5為PLC電原理圖；附圖6為RF電原理圖。
具體實施方式
參見附圖1，圖中MACS包括計算機控制管理系統(tǒng)、集中器和電表，其中計算機控制管理系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)、GPRS和PSTN以及數(shù)傳電臺、網絡線；計算機控制管理系統(tǒng)通過GPRS或PSTN或數(shù)傳電臺中的至少一種連接集中器，通過集中器接收電表數(shù)據和發(fā)送控制指令。集中器包括單片機系統(tǒng)、GPRS和PSTN以及數(shù)傳電臺、IR和USB以及RS485接口、RF單元和PLC單元，集中器通過RF單元和PLC單元連接電表，接收電表數(shù)據和發(fā)送控制指令；通過IR和USB以及RS485與現(xiàn)場設備和三相多功能電表連接，接受初始化數(shù)據和發(fā)送電表數(shù)據；電表包括計量單元、磁保持繼電器、單片機系統(tǒng)、RF單元、PLC單元。所述三相多功能表可采用型號為DSSD188帶RS485接口的三相多功能電表。
參見附圖2，實施例中電表采用單相電表或三相電表，所述電表均具有竊電報警輸出功能。其中單相電表包括RF單元、PLC單元、計量單元、開關和單片機系統(tǒng)(圖中省略了電源部分)；電表的計量單元單相電表采用ADE7751芯片(三相電表采用ADE7752芯片)；輸入AC220v分別接到電表的采樣端和PLC單元的通訊通道；電表的交流輸出端通過磁保持繼電器后作為交流AC220v輸出。電表單元的計量脈沖和竊電報警脈沖接單片機系統(tǒng)的I/O口，作為單片機系統(tǒng)的計量和報警信號；單片機系統(tǒng)通過串口與RF單元和PLC單元連接，通過I/O口線控制磁保持繼電器開或關，以及顯示電量數(shù)據。電表通過RF單元和PLC單元相互連接，實現(xiàn)通訊中繼；通過RF單元和PLC單元發(fā)送和接收集中器的信息。(三相電表輸入電源為三相AC380v，除計量單元與單相電表不同以外，其余部分基本一樣)參見附圖3，圖中集中器包括單片機系統(tǒng)、硬時鐘、RF單元、PLC單元、電源部分、GPRS(PSTN、數(shù)傳電臺)和IR(USB、RS485)接口。其中以AC380v作為電源部分的輸入電源和PLC通訊通道；電源部分為集中器中所有單元和接口提供工作電源；單片機系統(tǒng)通過串口與GPRS(PSTN、數(shù)傳電臺)、IR、USB、RS485、RF單元和PLC單元連接；集中器通過GPRS、PSTN及數(shù)傳電臺(至少一種)與計算機控制管理系統(tǒng)連接，傳送電表數(shù)據和接收計算機指令；集中器通過IR、USB任一種接口與現(xiàn)場設備相連，現(xiàn)場接收指令和發(fā)送數(shù)據；集中器通過RF單元和PLC單元接收電表數(shù)據和向電表發(fā)送指令；集中器通過RS485與三相多功能電表連接，完成與三相多功能電表的數(shù)據交換。
參見附圖4，圖中計算機控制管理系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)、網絡線和GPRS、PSTN及數(shù)傳電臺中的至少一種。計算機系統(tǒng)通過串口與GPRS、PSTN及數(shù)傳電臺連接；通過網絡線與上級局域網相連。計算機控制管理系統(tǒng)利用GPRS、PSTN及數(shù)傳電臺中的至少一種與集中器連接，通過集中器接收電表數(shù)據和向電表發(fā)送指令；同時，利用網絡線與上級局域網交換數(shù)據。另外，計算機控制管理系統(tǒng)還可以通過GPRS直接與三相多功能電表連接，與三相多功能電表交換數(shù)據。
參見附圖5，圖中PLC單元包括藕合電路、功率放大器、選頻電路、中頻慮波器、串口和通訊芯片PL3105；其中變壓器TR、電容C4組成的藕合電路；電感L1、電容C3、三極管V1、V2、V3、V4、電阻R1、R2、電容C1、C2組成的推挽式功率放大器；二極管D7、D6、電感L2、電容C6、C5、電阻R3組成的選頻電路；FLT1、FLT0為中頻慮波器的接線端。PLC單元通過串口與外部單片機系統(tǒng)串口連接，通過TR和C4與AC220v電網連接；功率放大器通過L1連接藕合電路，通過C1、C2連接PL3105的SIGOUT端；選頻電路通過R3、C5連接藕合電路，通過C6連接PL3105的SININ；PLC單元發(fā)送信息時，外部單片機系統(tǒng)通過串口向PL3105寫入信息，經PL3105調制后，通過功率放大器放大信號，再經藕合電路將信號藕合到AC220v電網上；PLC單元接收數(shù)據時，AC220v電網上的信號經藕合電路傳給選頻電路，再由C6傳到PL3105的SIGIN，經PL3105解調后，通過串口傳送到外部單片機系統(tǒng)，完成PLC單元的信息收發(fā)功能。所述外部單片機系統(tǒng)為電表的單片機系統(tǒng)如PIC16F64。對于集中器來說，其PLC單元與安裝在電表內的PLC單元在結構上是一樣的，其相對于PLC單元的外部單片機系統(tǒng)就是如型號為LPC2214的單片機系統(tǒng)。
參見附圖6，圖中RF單元包括LC濾波器、由C31、C42、L41、L32組成的選頻電路、L101電感、C171、C181、XTAL及RF通訊芯片CC1000組成的帶時鐘電路的RF通訊芯片和單片機PL3103。選頻電路C31、C42經LC濾波器連接天線，經C31、L32連接RF通訊芯片CC1000的RFIN端，經C42、C41、L41連接CC1000的RFOUT端；CC1000的RSSI/IF、PALE、PDATE、PCLK、DCLK、DIO分別連接單片機的AD1、P12、P13、P15、P16、P35，天線阻抗為50歐。RF單元接收數(shù)據時，信號經天線感應并濾波后，經過選頻電路選頻，由C31、L32送CC1000的RFIN，通過CC1000解調后傳送給PL3103，再由PL3103串口傳給外部單片機系統(tǒng)；RF單元發(fā)送數(shù)據時，外部單片機系統(tǒng)將數(shù)據通過PL3103串口，寫入CC1000芯片，經CC1000調制后，從RFOUT端經過功率放大器和濾波器后，再通過天線發(fā)射出去，完成信息的收發(fā)功能。這里的所述外部單片機系統(tǒng)為電表的單片機系統(tǒng)如PIC16F64或集中器的單片機系統(tǒng)LPC2214。對于集中器、電表來說，其RF單元在結構上是一樣的。
權利要求1.一種電表自動控制系統(tǒng)，包括計算機控制管理系統(tǒng)、其特征是，還包括集中器、電表或/和三相多功能電表；其中計算機控制管理系統(tǒng)與若干個集中器之間通過PSTN、數(shù)傳電臺和GPRS中的至少一種方式連接；集中器通過RF和PLC方式與若干個電表連接，完成對電表的控制和管理；各電表之間通過RF方式和PLC方式彼此相連；所述計算機控制管理系統(tǒng)通過GPRS直接與若干個三相多功能電表連接，或經集中器通過RS485接口與三相多功能電表相連，完成對三相多功能電表的控制和管理。
2.根據權利要求1所述的電表自動控制系統(tǒng)，其特征是計算機控制管理系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)、GPRS和PSTN以及數(shù)傳電臺；計算機控制管理系統(tǒng)通過GPRS、PSTN或數(shù)傳電臺中的至少一種連接集中器，通過集中器接收電表數(shù)據和發(fā)送控制指令。
3.根據權利要求1所述的電表自動控制系統(tǒng)，其特征是集中器包括單片機系統(tǒng)、硬時鐘、RF單元、PLC單元、電源部分、GPRS、PSTN、數(shù)傳電臺中的至少一種和IR、USB、RS485接口；其中以AC380v作為電源部分的輸入電源和PLC通訊通道；電源部分為集中器中所有單元和接口提供工作電源；單片機系統(tǒng)通過串口與GPRS、PSTN、數(shù)傳電臺、IR、USB、RS485、RF單元和PLC單元連接；集中器通過GPRS、PSTN及數(shù)傳電臺中的至少一種與計算機控制管理系統(tǒng)連接，傳送電表數(shù)據和接收計算機指令；集中器通過IR、USB任一種接口與現(xiàn)場設備相連，現(xiàn)場接收指令和發(fā)送數(shù)據；集中器通過RF單元和PLC單元接收電表數(shù)據和向電表發(fā)送指令；集中器通過RS485與三相多功能電表連接，完成與三相多功能電表的數(shù)據交換。
4.根據權利要求1所述的電表自動控制系統(tǒng)，其特征是所述PLC單元包括藕合電路、功率放大器、選頻電路、中頻慮波器、串口和通訊芯片(PL3105)；其中由變壓器(TR)、電容(C4)組成的藕合電路；由電感(11)、三極管(V1、V2、V3、V4)、電阻(R1、R2)、電容(C1、C2、C3)組成的功率放大器；由二極管(D7、D6)、電感(L2)、電容(C5、C6)、電阻(R3)組成的選頻電路；PLC單元通過串口與外部單片機系統(tǒng)串口連接，通過藕合電路與AC220v電網連接；功率放大器通過(L1)連接藕合電路，通過電容(C1、C2)連接通訊芯片(PL3105)的SIGOUT端；選頻電路通過(R3、C5)連接藕合電路，通過(C6)連接通訊芯片(PL3105)的SININ端；PLC單元發(fā)送信息時，外部單片機系統(tǒng)通過串口向通訊芯片寫入信息，經通訊芯片調制后，通過功率放大器放大信號，再經藕合電路將信號藕合到AC220v電網上；PLC單元接收數(shù)據時，AC220v電網上的信息經藕合電路傳給選頻電路，再由電容(C6)傳到通訊芯片的SIGIN端，經通訊芯片解調后，通過串口傳送到單片機系統(tǒng)，完成PLC單元的信息收發(fā)。
5.根據權利要求1所述的電表自動控制系統(tǒng)，其特征是所述RF單元包括LC濾波器、由電容(C31、C42)、電感(L41、L32)組成的選頻電路、帶時鐘電路的單片機系統(tǒng)；其中選頻電路通過電容(C31、C42)經LC濾波器連接天線，經電容(C31)、電感(L32)連接RF通訊芯片(CC1000)的RFIN端，經電容(C42、C41)、電感(L41)連接通訊芯片的RFOUT端；RF單元接收數(shù)據時，信號經天線感應并濾波后，經過選頻電路選頻，由(C31、L32)送至RF通訊芯片(CC1000)的RFIN端，通過(CC1000)解調后傳送給單片機(PL3103)，再由串口傳給外部單片機系統(tǒng)；RF單元發(fā)送數(shù)據時，外部單片機系統(tǒng)將數(shù)據通過PL3103串口，寫入RF通訊芯片，經RF通訊芯片調制后，從RFOUT端經過選頻電路和濾波器后，通過天線發(fā)射出去，完成信息的收發(fā)功能。
6.根據權利要求1所述的電表自動控制系統(tǒng)，其特征是所述電表采用具有竊電報警輸出功能的單相電表或三相電表，其中單相電表包括RF單元、PLC單元、計量單元、開關和單片機系統(tǒng)；電表的采樣端和PLC單元的通訊通道分別接輸入AC220v電網；電表的交流輸出端通過磁保持繼電器作為交流AC220v輸出；電表單元的計量脈沖和竊電報警脈沖接單片機系統(tǒng)的I/O口，作為單片機系統(tǒng)的計量和報警信號；單片機系統(tǒng)通過串口與RF單元和PLC單元連接，通過I/O口線控制磁保持繼電器開或關，以及顯示電量數(shù)據；電表通過RF單元和PLC單元相互連接，實現(xiàn)通訊中繼；通過RF單元和PLC單元發(fā)送和接收集中器的信息。
專利摘要本實用新型涉及的電表自動控制系統(tǒng)，包括計算機控制管理系統(tǒng)與若干個集中器之間通過PSTN、數(shù)傳電臺和GPRS中的至少一種方式連接；集中器通過RF和PLC方式與若干個電表連接，完成對電表的控制和管理；各電表之間通過RF方式和PLC方式彼此相連。本實用新型將RF技術和PLC技術有機的結合，構建了一個電表智能控制的網絡工作平臺，既實現(xiàn)了自動抄表等功能，又可隨時監(jiān)控每只電表的運行狀況、迅速反饋竊電信息，為用電監(jiān)查提供了可靠依據；實現(xiàn)了遠距離編程改變電表特征(即普通、預付費和多費率相互轉換)的功能，提高了供電部門的勞動生產率，使電表的管理水平上一個新的臺階。
文檔編號H02J13/00GK2884657SQ200620109889
公開日2007年3月28日 申請日期2006年1月28日 優(yōu)先權日2006年1月28日
發(fā)明者李樂天 申請人:李樂天