專利名稱：單相電子式斷送電載波電能表的制作方法
技術領域：
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本實用新型涉及一種全電子式電能計量測控儀表。
技術背景-
隨著大規(guī)模的城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設改造工程的啟動和一戶一表、抄表到戶政策 的逐步實施，傳統(tǒng)的手工抄表方式暴露出日益嚴重的質量和效率問題。抄表 環(huán)節(jié)已成為電力營銷的嚴重瓶頸，解決這一問題的根本途徑是采用先進的抄 表技術和抄表手段，即實現(xiàn)遠程集中自動抄表。
遠程集中自動抄表系統(tǒng)的實現(xiàn)方式遠程自動抄表技術主要有電力線載 波通信技術和有線通信技術。有線通信技術存在敷設通信線路施工量大、綜 合成本高、維護費用高、舊城區(qū)施工難度大等固有問題，使得難以大規(guī)模應 用。而電力線載波通信技術采用電力線作為通訊介質，具有充分利用現(xiàn)有資 源、易施工、綜合成本低、不受環(huán)境條件限制等優(yōu)點。由于我國的許多地區(qū) 低壓電網(wǎng)配電線路在規(guī)范性、清潔度、阻抗特性、周波、電壓等方面難以達 到標準，使得國外產(chǎn)品在通信能力、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力等方面均 不能滿足要求。
發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種不需要額外敷設通信線路，經(jīng)濟方便，工 程量小，采用多種調制技術進行電力線載波通信，準確、可靠、抄表能力強 的，具有相互自動中繼和遠程抄表、拉閘控制功能的單相電子式斷送電載波 電能表。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的-
單相電子式斷送電載波電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼 中的電源電路模塊，與所述的電源電路模塊通過電路相連接的電能計量模塊 與電力線載波通信模塊集成在一塊PCB板上，所述的電能計量模塊的前端是 信號取樣模塊，所述的載波通信模塊電路包括載波集中器、所述的電能計量 模塊與電力線載波通信模塊與管理中心計算機相連接。所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的電能計量模塊采用美國模
擬器件(ADI)公司電能芯片ADE7755。
所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的信號取樣模塊包括分壓器 和分流器，所述的取樣模塊與乘法器電路相連接，乘法器的乘積信號通過電 路與電壓頻率(V/F)轉換器連接，經(jīng)過分頻電路輸出的脈沖通過連接電路送 入所述的電力線載波通信模塊的載波擴頻芯片。
所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用擴頻壓 縮載波通訊技術，全部通信通過低壓電力線完成。
這個技術方案有以下有益效果-
1. 目前實現(xiàn)電力線通信的主要手段是通過采用擴展頻譜通信技術(SSC) 來提高抗干擾能力，純擴頻通信技術達不到穩(wěn)定可靠通信的目的，純擴頻通 信技術有其應用范圍的局限性，國外的擴頻通信芯片均屬于純擴頻通信技術 范疇。本產(chǎn)品使用的低壓電力線載波通信技術是在深入研究現(xiàn)代通信理論和 國外擴頻通信產(chǎn)品的基礎上，針對我國低壓電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構、居民住宅 分布狀況而設計，性能指標超過同類產(chǎn)品。該項目的核心技術是利用軟件實 現(xiàn)信號的調擴與解擴，并融入了模式識別、模糊控制及現(xiàn)代信號處理技術， 拓展了純擴頻通信理論，大大提高了通信性能。在信號耦合、阻抗匹配、抗 干擾措施、組網(wǎng)方式等方面進行了深入的研究和大量的實驗，保證了系統(tǒng)在 強噪聲、阻抗變化大、信號衰減大的電力線上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。
2. 本產(chǎn)品的工作原理介紹 電能測量工作原理
用戶所消耗的電能，通過分壓器和分流器的信號取樣，送到乘法器電路， 乘積信號再送到電壓頻率(V/F)轉換器，經(jīng)過分頻電路輸出的脈沖送入載波 擴頻芯片進行脈沖數(shù)據(jù)處理和存儲，并同步驅動電計度器記錄總電量。
電力線載波通信工作原理
電力線載波通信和電能計量是并行工作的，載波通信有四類包文(幀格 式)，既讀取參數(shù)類、設置參數(shù)類、廣播類和控制類。當載波通信芯片接收到 讀取本目的地址(ID，或稱表號)的參數(shù)命令后，立即將相應的數(shù)據(jù)(如總
電量)以擴頻調制載波信號方式饋入電力線。當載波通信芯片接收到設置本
目的地址(ID，或稱表號)的參數(shù)命令后，將設置本地載波單元相應數(shù)據(jù)(如
本地ID，初始電量等)，參數(shù)設置有硬件保護措施。
斷送電控制工作原理
載波芯片對于磁保持繼電器的控制，采用雙向脈沖信號驅動方式；而對 于分勵脫扣斷路器的控制則采用單端電平信號驅動方式。
3.本產(chǎn)品與傳統(tǒng)技術相比有比較大的技術進步
3. 1、電能計量部分與電力線載波通信部分集成在一塊PCB板，性價比 高；單相電子式斷送電載波電能表的硬件設計將計量與載波通信部份歸劃到 一張PCB電路板上，在設計原理以及抗干擾能力上都做了充分處理，并通過 國家電工儀表研究所的EMI認證。
3. 2、計量正、反向有功電能，且以同一方向累計有功電能。 利用美國模擬器件(ADI)公司電能芯片ADE7755的特性，做到電能累計的
正向累計。
3. 3、誤差穩(wěn)定，線性好，長期工作不須調校；
3. 4、數(shù)據(jù)采集模塊采用擴頻壓縮載波通訊技術，全部通信通過低壓電 力線完成。我們的設計盡最大可能提高信號的接收靈敏度，合理地選擇信 號載波頻率(載波中心頻率f(^270kHz)，并利用擴頻通信獨特的抗干擾性能， 以及有效的糾錯編碼方法和數(shù)字濾波技術，使得在極低的信噪比條件下實現(xiàn) 可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
3. 5、與載波集中器、管理中心計算機構成自動抄表系統(tǒng)。
主站抄表管理軟件及通訊單元(簡稱后臺)
主站抄表管理軟件是安裝在各個供電部門計算機上的應用軟件。其中包 括數(shù)據(jù)庫管理模塊、網(wǎng)絡連接模塊、遠程設置模塊、遠程集抄模塊、實時監(jiān) 控模塊、無人值守模塊等。主站管理員可以通過主站計算機操作遠程集中器; 也可以啟動無人值守抄讀方式，定時自動抄讀集中器。主站軟件能夠自動提 取用戶用電特征并進行綜合分析，報出可疑現(xiàn)象。主站管理員可以啟動實時 監(jiān)控電能表功能，實時監(jiān)控可疑用戶電能表的運行情況。
3. 6、采用直序列擴頻通信技術(64位PN)，抗噪聲能力強，通信可靠；
選擇合適的傳輸速率-
仙農(nóng)(Shannon)公式C = WLog2(l十P/N)
C -信道容量(用信道傳輸信息的最大極限速率來度量)
w-信道頻寬
P -信號功率
N -白噪聲功率
仙農(nóng)公式表明，在信道容量(C)給定的條件下，信道帶寬(W)和信噪比(P /N)是可以互換的。即在信道容量保持不變的條件下，可以通過增加頻寬的 方法，在較低的信噪比P/N情況下傳輸信息。這個原理對通信系統(tǒng)的設計具 有指導意義，為擴頻通信通信的發(fā)展奠定了理論基礎。目前，我們采用63位 直序列擴頻編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率為300bps，直觀的表現(xiàn)約為集中器每1秒鐘 抄收1個電表參數(shù)。選擇合適的載波頻率中心頻率fO=270kHz，帶寬 BW二33kKHz。選擇合適的信號饋電和濾波網(wǎng)絡并確保防止電網(wǎng)上的各種干擾沖 擊和雷擊的破壞。提高專用t通信芯片的接收靈敏度，即從噪聲中選出信號 的能力。
3. 7、采用多種調制技術進行電力線載波通信，準確、可靠、抄表能力強。
本產(chǎn)品采用自主知識產(chǎn)權的專用算法，通過擴頻通信技術實現(xiàn)了在電力 線上的可靠數(shù)據(jù)傳輸。利用低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸信道，最大的優(yōu)點是信 道介質是現(xiàn)存的，不需要額外敷設通信線路，經(jīng)濟方便，工程量小。但是， 由于低壓電網(wǎng)具有阻抗變化大(且具有時變性)，干擾強，線路對信號的衰減 大，以及電網(wǎng)拓撲結構復雜等特性，為了在這樣一種較為惡劣的通信環(huán)境下 實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，增加了設計難度，這也是實現(xiàn)集中抄表的技術難點。 針對電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特性，本產(chǎn)品的設計目標是盡最大可能提高信號的接收 靈敏度，合理地選擇信號載波頻率(載波中心頻率fO=270kHz)，并利用擴頻 通信獨特的抗干擾性能，以及有效的糾錯編碼方法和數(shù)字濾波技術，使得在 極低的信噪比條件下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。對于電力線通信信道的特性來說，增大信號發(fā)送功率對于提高通信能力作用是有限的，高發(fā)射功率對系統(tǒng)的可 靠性會帶來負面影響，同時導致信號對電網(wǎng)的污染增大。因此，我們在系統(tǒng) 設計中，全面地考慮了頻率的選擇和通信速率、信號耦合、阻抗匹配、濾波 網(wǎng)絡、擴頻增益和判決閥值等諸多因素
3.8、作為遠程載波抄表終端，可以和載波抄表集中器及主站計算機組成 遠程集中抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)雙向電能計量、實時電量遠程抄表、電量數(shù)據(jù)的遠 程傳送、實現(xiàn)用電的智能化管理。
經(jīng)濟效益集中抄表系統(tǒng)的使用，能夠明顯控制線損。在通常線路狀況 下，臺區(qū)內不包含變壓器部分的線損，能夠控制在3%-5%，若超過此值，大 多數(shù)是臺區(qū)中有偷漏電情問題存在。相對于機械表來說，對于電子載波表， 許多偷電手段無法釆用，從一定意義上也能夠減少電量損失。另外，在主站 計算機中能夠監(jiān)視到電表的運行情況，為用電管理部門提供了輯査對象，并 具有一定的威懾力。
管理效益集中抄表系統(tǒng)的使用，能夠把用電管理部門中最基礎的電表 用電量，準確地反映在計算機中，為用電管理部門進行業(yè)務分析提供了準確 的基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了用電部門的全過程計算機管理。自動化抄表替代人工抄 表是社會發(fā)展的必然趨勢，集中抄表的使用會帶來明顯的經(jīng)濟效益，會帶來 抄表管理的一次革命。
3. 9、性能穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強；
過電壓保護在實際使用情況下，有時存在零線接火，即電壓升為380V 的現(xiàn)象，對此種狀況主要采用變壓器耐壓值增大的方法，使其在380V電壓下，
能夠承受4個小時正常工作時間。合適的抗干擾網(wǎng)絡使從電網(wǎng)引入的干擾 能夠得到有效的抑制。增加防雷擊電路抵抗從電源端或其它接口 (例如電 話線)引入的高強度的電壓沖擊。數(shù)據(jù)的可靠性在載波電能表內部的數(shù)據(jù) 存貯及在上行、下行信道傳輸中，使用獨特的專門技術來加以解決。數(shù)據(jù)的 準確性在方案設計時，保證數(shù)據(jù)的同源特點，如采用電子載波電能表的解 決方案。
3. 10、具有相互自動中繼和遠程拉閘控制功能。數(shù)據(jù)采集單元由于采用應答雙工通信方式，使得各單元相互之間可以完 成雙向電力線通訊，從而具有相互中繼的能力，延長通訊距離。并可通過遠
程PC機向集中器發(fā)送指定，對用戶單只表或多只表進行斷送電控制。集中器
能夠自我學習、自我完善電網(wǎng)拓撲結構，使抄表路由達到最佳。


附圖l是本產(chǎn)品殼體示意圖。
附圖2是本產(chǎn)品殼體俯視圖。
附圖3:是本產(chǎn)品電能部分的電原理圖。
附圖4:是本產(chǎn)品電能測量工作原理圖。
附圖5:是本產(chǎn)品電源供電部分的電原理圖。
附圖6:是載波信號接收、發(fā)送部分的電原理圖。
附圖7: FSK接收部分電原理圖。
附圖8:是附圖l的后視圖。
附圖9:是本產(chǎn)品載波芯片部分的電原理圖。
附圖10:是本產(chǎn)品、斷送電控制部分的電原理圖。
具體實施方式
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實施例1:
單相電子式斷送電載波電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼 中的電源電路模塊，與所述的電源電路模塊通過電路相,的電能計量模塊 與電力線載波通信模塊集成在一塊PCB板上，所述的電能計量模塊的前端是 信號取樣模塊，所述的載波通信模塊電路包括載波集中器、所述的電能計量 模塊與電力線載波通信模塊與管理中心計算機相連接。
所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的電能計量模塊可以采用美 國模擬器件(ADI)公司電能芯片ADE7755。
所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的信號取樣模塊可以包括分 壓器和分流器，所述的取樣模塊與乘法器電路相連接，乘法器的乘積信號通 過電路與電壓頻率(V/F)轉換器連接，經(jīng)過分頻電路輸出的脈沖通過連接電 路送入所述的電力線載波通信模塊的載波擴頻芯片。
所述的單相電子式斷送電載波電能表，所述的數(shù)據(jù)采集模塊釆用擴頻壓縮 載波通訊技術，全部通信通過低壓電力線完成。
實施例2:
參見圖3:用戶所消耗的電能，通過電阻RIO、 Rll、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、 R19、 R20、 R21、 R22、 R23、 R24與C13、 C14電容補償和分 流器的信號經(jīng)R25、 R26限流Cll、 C12電容補償取樣，送到ADE7755中，經(jīng) 內部乘法器電路，乘積信號再送到電壓頻率(V/F)轉換器，經(jīng)過Kl、 K2、 K3、 K4、 SCF分頻電路，F(xiàn)l輸出的脈沖，經(jīng)電阻R30限流，EIO光電藕合器送入載 波芯片中計行計量，經(jīng)電阻R31，發(fā)光二極管LED顯示。
參見附圖5: 單相電子式斷送電載波電能表電源供電原理圖中
市電220V，經(jīng)20K51壓敏電阻，連T1-l和Tl-5， 一組、經(jīng)變壓器隔離 降壓，并經(jīng)VC1整流橋整流，電解電容C5濾波，三端穩(wěn)壓器TS2， 78L05輸 出直流5V，電解電容C6磁片電容C1濾波，輸出供載波芯片電源。二組、經(jīng) 整流二極管VD1整流，電解電容C7濾波，三端穩(wěn)壓器TS1， 78L05輸出直流 5V，電解電容C8磁片電容C2濾波，輸出供電能芯片電源。
參見附圖6、附圖7:單相電子式斷送電載波電能表載波信號接收、發(fā)送 部分、FSK接收部分原理圖中
來自電力線上的載波信號(270KHZ)經(jīng)過C40 , C41耦合濾掉低頻(包 括50H的交流電壓)，通過中周原邊將信號耦合至次級。在這里P6KE22CA， TVS1 起脈沖抑制的作用，抑制電力線上的突發(fā)干擾脈沖和瞬間浪涌電壓，中周起 耦合、傳遞信號的作用，同時還起隔離作用，將強電與信號電路隔離，使之 不共地，提高信號抗干擾能力。其電感量為33UH，它與C40 ， C41組成串聯(lián) 諧振電路，其振蕩中心頻率為270K ，從而保證了無用信號的衰減，而有用的 載波信號的順利通過。
載波信號由中周的次級取出，經(jīng)R61限流，分別由L11，C70和L12，C71 組成的串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路選頻，VD2、 VD3限幅，將信號電壓鉗位在2 V左
右，將信號送至信號處理模擬前端電路AFE3361的混頻器的輸入端16腳， AFE3361內含混頻電路，限幅放大電路和信號整形電路。首先1腳是本振信號
輸入腳，它由載波芯片的12腳發(fā)出185K標準的數(shù)字信號，電感L10，C⑩組 成的并聯(lián)諧振電路形成185K的正弦波形，給混頻電路提供本級振蕩信號，與 16腳的270K信號混頻，由3腳輸出455K混頻信號，經(jīng)陶瓷濾波器CF61濾波， 濾波后波形進一步改善，送入5腳即下一級的限幅放大電路，恢復后的音頻 信號由9腳輸出，經(jīng)R67后然后經(jīng)R67C65R65送入10腳電壓比較器，11腳 為比較器的輸出，進行脈沖整形，電壓比較器的放大倍數(shù)由R66決定，經(jīng)過處 理后的信號由13腳輸出，也就是載波芯片ES16U的2腳輸入信號，由載波芯 片內部進行信號的相關處理，至此完成了信號的接收電路處理任務。 參見附圖9、附圖10:單相電子式斷送電載波電能表載波芯片部分、斷 送電控制部分中經(jīng)過載波芯片ES16U處理后的信號，由13腳發(fā)出，此時 經(jīng)過調制后的載波數(shù)字信號(頻率為270K，)經(jīng)R32送入三極管Ql進行放大 并變換成正弦交流波形，L13，C46組成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡，相對于270KHz其阻抗 無窮大，阻止載波信號向電源的泄漏，另一方面L13又給Ql提供工作電壓，保 證Q1正常工作。放大后的信號經(jīng)C45耦合至中周的4腳，經(jīng)中周進行阻抗 變換并耦合,信號的幅度較放大電路2SD1782的C級有所降低(Vp-p414V), 這是因為TVS管在起作用，經(jīng)C40，C41將調制過的270K信號發(fā)往電力線。 在這里C40 ， C41和中周等組成信號的接收和發(fā)送電路，是傳遞信號的一個 雙向通道。
附圖中標記說明
圖l: 1、銅質鉛封釘。2、表蓋鉛封孔。3、機械式計度器顯示窗口。 4、 停電指示燈。5、有功電能指示脈沖燈。6、面板。7、表蓋。8、端子蓋鉛封 孔。9、端鈕蓋穿孔銅釘。10、端鈕蓋。
圖2: 12、表上蓋。13、電流出。14、電流入。15、表底殼。16、上蓋穿 孔銅鉛封釘。17、檢驗脈沖輸出孔。18、零線入。19、表端子。20、零線出。
圖8中21、電能表外掛釘孔。22、電能表掛勾。23、電能表掛勾固定 釘。24、電能表底殼。25、 27、電能表外固定孔。26、 27、電能表端子固定 螺絲釘孔。
權利要求1.一種單相電子式斷送電載波電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源電路模塊，其特征是與所述的電源電路模塊通過電路相連接的電能計量模塊與電力線載波通信模塊集成在一塊PCB板上，所述的電能計量模塊的前端是信號取樣模塊，所述的載波通信模塊電路包括載波集中器、所述的電能計量模塊與電力線載波通信模塊與管理中心計算機相連接。
2. 根據(jù)權利要求l所述的單相電子式斷送電載波電能表，其特征是所 述的電能計量模塊采用美國模擬器件公司電能芯片ADE7755。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的單相電子式斷送電載波電能表，其特征是:所述的信號取樣模塊包括分壓器和分流器，所述的取樣模塊與乘法器電路相連接，乘法器的乘積信號通過電路與電壓頻率V/F轉換器連接，經(jīng)過分頻電 路輸出的脈沖通過連接電路送入所述的電力線載波通信模塊的載波擴頻芯片。
專利摘要單相電子式斷送電載波電能表，隨著大規(guī)模的城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設改造工程的啟動和一戶一表、抄表到戶政策的逐步實施，傳統(tǒng)的手工抄表方式暴露出日益嚴重的質量和效率問題。抄表環(huán)節(jié)已成為電力營銷的嚴重瓶頸，解決這一問題的根本途徑是實現(xiàn)遠程集中自動抄表。本產(chǎn)品的組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源電路模塊，與所述的電源電路模塊通過電路相連接的電能計量模塊與電力線載波通信模塊集成在一塊PCB板上，所述的電能計量模塊的前端是信號取樣模塊，所述的載波通信模塊電路包括載波集中器、所述的電能計量模塊與電力線載波通信模塊與管理中心計算機相連接。本產(chǎn)品用于基于計算機通訊的遠程抄表和控制。
文檔編號G08C19/00GK201075247SQ20072011568
公開日2008年6月18日 申請日期2007年3月5日 優(yōu)先權日2007年3月5日
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