本發(fā)明涉及電力設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種一體化智能電能表及電力計量與控制保護系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

中國目前正致力于建設(shè)堅強智能電網(wǎng)，主要涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度6個環(huán)節(jié)，其內(nèi)涵是以堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為職稱，以智能控制為手段，實現(xiàn)電力系統(tǒng)從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)的智能感知、智能識別、智能控制的功能，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，智能電網(wǎng)可以整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理，將電網(wǎng)提升為互動運轉(zhuǎn)的全新模式，提高整個電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。隨著智能電網(wǎng)高級計量體系的研究和建設(shè)，與居民直接相關(guān)的用電信息采集和在線控制保護的功能需求逐漸顯現(xiàn)。由于用戶各種需求的增加，要去智能電力計量表除了需要具備傳統(tǒng)多功能電力計量表的功能外，還需要具備雙向通行功能、雙向計量功能、多種負荷控制方式、電源控制保護、電能質(zhì)量檢測和遠程升級等功能。

目前我國電力系統(tǒng)在用電環(huán)節(jié)仍以傳統(tǒng)用電方法為主，只是采用智能電能表與空氣開關(guān)配合使用，在電力參數(shù)測量和遠程抄表方面有初步應(yīng)用，目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的分時峰谷電表、預(yù)付費電表和自動抄表均不支持信息和電腦的交互，他們都不能同電網(wǎng)和用戶進行實施互動，缺少具有電力計量、只能控制和雙向通信的產(chǎn)品面世。隨著國家對電網(wǎng)及其設(shè)備等智能化升級及改造的展開，不僅需要控制保護系統(tǒng)對客戶端故障進行保護性自動分閘，同時也需要對由于供電前端的異常故障進行保護分閘，還需要故障解除后在符合安全規(guī)范的前提下重新合閘恢復(fù)供電。尤其是根據(jù)2011年頒布的《中華人民共和國國家標準：住宅設(shè)計規(guī)范（GB50096-2011）》的要求，新建住宅被建議應(yīng)安裝過電壓、欠電壓保護裝置。但是，在實際操作中，市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品都存在如下缺陷：主要使用空氣開關(guān)，只能針對用戶過流、短路、漏電等故障進行控制保護分閘，且分閘后無法自動合閘；或者在智能電表后加裝一個能自動分合閘的微型斷路器，但作為兩個分立元件，智能電表無法檢測控制微型斷路器。上述情形阻礙了智能電網(wǎng)向用電領(lǐng)域的延伸進行。

隨著階段電價政策在國內(nèi)的推廣和展開，用戶的用電量被分為幾個階段，為了更合理的安排自己的用電，用戶有了解每天甚至是每個時刻自己用電信息的需求；而供電公司一般只于每月底向用戶提供一張用電量及金額的單據(jù)。此時，用電信息對于用戶來說屬于歷史信息，只能指導(dǎo)繳費，無法合理的安排自己的用電情況。若用戶想及時了解自己的用電情況，只能去表箱查看。而由于大單元地方電力計量表箱是物業(yè)集中管理，業(yè)主無法直接看到電力計量表的數(shù)據(jù)。對于用戶關(guān)心的階梯電價的設(shè)置情況，更是只能通過去供電公司營業(yè)廳去查詢。因此，目前通過人工的方式來獲取用電信息的方法不僅繁瑣不便，而且無法實時提供，用戶無法實時根據(jù)用電實際情況調(diào)整自己的用電計劃。

綜上所述，如何提供一種兼具智能電力計量表與智能微型斷路器功能，實時計量電力數(shù)據(jù)并雙向傳輸，且能根據(jù)電網(wǎng)實時參數(shù)主動保護分閘并現(xiàn)場、遠程報警，故障解除后在符合相關(guān)規(guī)范的前提下自動或根據(jù)遠程命令合閘，同時具有電能質(zhì)量監(jiān)測和遠程升級等功能，成為本領(lǐng)域亟待解決的一項技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種一體化智能電能表及電力計量與控制保護系統(tǒng)，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的計量，且能根據(jù)電網(wǎng)實時參數(shù)主動保護分閘和在故障解除后自動或根據(jù)遠程命令合閘，并能實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)和控制信號的實時雙向傳輸。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一體化智能電能表，包括：計量檢測模塊、線路保護模塊、主控模塊和電源模塊；

所述計量檢測模塊包括分別連接所述主控模塊的電量檢測單元、計量單元、時鐘單元、人機交互單元；所述電量檢測單元用于檢測電流、電壓模擬信號并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述計量單元用于測量電路功率及能量參數(shù)；所述時鐘單元用于提供高精度時間信息，以及輸出時鐘脈沖信號；所述人機交互單元包括用于顯示電能表工作狀態(tài)、計量數(shù)據(jù)、時鐘信息及通信連接信息的顯示單元，以及用于信息輸入的操作單元；

所述線路保護模塊用于根據(jù)所述主控模塊的指令進行自動分閘、合閘操作；

所述主控模塊包括中央處理器單元、存儲單元和通信單元；所述中央處理器單元用于處理所述計量檢測模塊的測量數(shù)據(jù)，控制所述線路保護模塊進行分、合閘操作，以及通過所述通信單元與外部設(shè)備或遠程終端進行信息交互；所述存儲單元用于存儲所述中央處理器單元處理的電量信息及配置或交互信息；所述通信單元用于所述主控模塊與外部終端之間的數(shù)據(jù)交互。

進一步的，所述線路保護模塊包括接線單元、開關(guān)單元、過零檢測單元及狀態(tài)檢測單元，所述接線單元用于電力線路的接入，所述開關(guān)單元用于完成自動分、合閘操作，所述過零檢測單元用于檢測電壓、電流過零點，所述狀態(tài)檢測單元用于檢測分/合閘機構(gòu)的工作狀態(tài)，并在檢測到異常狀態(tài)時將報警信息發(fā)送給所述主控模塊。

進一步的，所述計量單元測量的電路參數(shù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、有功能量及無功能量，并提供獨立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線頻率及過零中斷。

進一步的，所述存儲單元為FLASH、EPPROM或鐵電存儲芯片中的一種。

進一步的，所述顯示單元包括自發(fā)光顯示屏、操作按鍵和指示燈。

進一步的，所述時鐘單元為支持總線的低功耗、高精度時鐘芯片，且內(nèi)置溫度補償晶振。

進一步的，所述開關(guān)單元包括分/合閘電源和分/合閘機構(gòu)，所述分/合閘機構(gòu)為由電機帶動的動觸點與靜觸點接觸或者電磁吸合動觸點與靜觸點接觸或者電源激勵永磁體吸合動觸點與靜觸點接觸或者SCR/IGBT/MOSFET/GTR半導(dǎo)體器件中的至少任意一種。

進一步的，所述過零檢測單元用于檢測電壓、電流過零點，且所述開關(guān)單元在電壓為零時合閘，在電流為零時分閘。

優(yōu)選的，所述通信單元采用RS-485、紅外IR傳輸、TCP/IP以太網(wǎng)通信、wifi無線通信、Zigbee無線通信、Z-Wave無線通信中的一種或幾種。

優(yōu)選的，所述通信單元采用電力線通信。

進一步的，所述通信單元包括電力線載波發(fā)送模塊和接收模塊。

進一步的，所述通信單元和中央處理器單元之間設(shè)有加密單元。

優(yōu)選的，所述加密單元包括對稱加密單元和非對稱加密單元，所述對稱加密單元使用對稱密鑰組加密所述通信單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述非對稱加密單元用于根據(jù)固件信息或外部即時數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述對稱密鑰組。

本發(fā)明還提供了一種電力計量與控制保護系統(tǒng)，包括至少一個上述的智能電能表，以及匯接模塊、遠程終端和客戶端，所述電能表通過所述通信單元與所述匯接模塊通信，所述匯接模塊通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與所述遠程終端進行數(shù)據(jù)交互，所述遠程終端通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與所述客戶端進行數(shù)據(jù)交互；

所述智能電能表與所述匯接模塊通信的內(nèi)容包括電能表狀態(tài)信息、通訊狀態(tài)信息、用電賬戶實時用電量信息、電能質(zhì)量信息、用電異常信息、電能表在線通訊狀態(tài)信息、電能表操作日志信息、分/合閘指令信息及報警信息；

所述遠程終端用于監(jiān)測、存儲及管理用戶數(shù)據(jù)，生成并執(zhí)行節(jié)能用電方案，以及分析用戶數(shù)據(jù)，生成優(yōu)化供電方案；

所述客戶端用于用戶與系統(tǒng)進行交互，包括查詢用電信息、管理綁定用戶、控制線路保護模塊進行分/合閘操作，以及生成或選擇節(jié)能用電方案。

優(yōu)選的，所述智能電能表上的通信單元與所述匯接模塊之間的通信方式為電力線載波通信。

優(yōu)選的，所述通信單元與匯接模塊之間的通信信道在授權(quán)頻率內(nèi)分成多個獨立的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，各子載波并行傳輸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述匯接模塊與遠程終端之間的通信網(wǎng)絡(luò)包括電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、同軸電纜網(wǎng)絡(luò)、公眾互聯(lián)網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)。

進一步的，所述遠程終端為云計算網(wǎng)絡(luò)中心，所述云計算網(wǎng)絡(luò)中心包括服務(wù)器和硬件隔離裝置；所述服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、彈性計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和實時控制服務(wù)器；所述服務(wù)器和硬件隔離裝置連接于數(shù)據(jù)總線上，所述硬件隔離裝置與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、彈性計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和實施控制服務(wù)器一一對應(yīng)。

進一步的，所述客戶端為PC終端或移動終端，通過安裝于所述PC終端上的應(yīng)用程序或者移動終端上的APP訪問所述云計算網(wǎng)絡(luò)中心。

本發(fā)明的一體化智能電能表，通過在智能電力計量表上集成線路保護模塊，實現(xiàn)了電能表的安全、自動分合閘操作，避免了傳統(tǒng)的保護開關(guān)斷開后無法自動合閘需要人工操作的步驟，提高了智能化程度。另一方面，通過在通信單元前設(shè)置加密單元，實現(xiàn)了通信內(nèi)容的加密傳輸，從而提高了智能電能表的安全性，使之能接入公用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了電能表與用戶之間的直接數(shù)據(jù)交互，克服了傳統(tǒng)的電能表僅由供電公司接收數(shù)據(jù)的缺陷。

另一方面，本發(fā)明的電力計量與控制保護系統(tǒng)，將上述智能電能表通過電力線通信接入基于云計算的互聯(lián)網(wǎng)，在不改變用戶習(xí)慣的情況下，方便用戶與供電管理部門及時了解掌握用電信息，進而合理用電、管電，最終實現(xiàn)節(jié)約用電；同時可建立和進一步完善用電統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)范圍，將用戶供電線路的潮流數(shù)據(jù)納入其中，實現(xiàn)建立智能用電全景潮流分布模型，實時檢測供電線路負荷狀態(tài)，為確保用電安全發(fā)揮更大的作用。此外，通過收集用戶的用電規(guī)劃和虛擬用電的模擬結(jié)果，可以預(yù)測未來用電趨勢，并進行經(jīng)濟和安全性分析，從而徹底改變以往對于用戶用電潮流的感知和分析控制能力不足的局面，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)提供重要的技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的智能電能表的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的智能電能表的計量檢測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的智能電能表的加密單元的示意圖；

圖4為本發(fā)明的智能電能表的線路保護模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的電力計量與控制保護系統(tǒng)的模塊組成示意圖。

具體實施方式

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應(yīng)當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

本發(fā)明首先提供了一種一體化智能電能表，其主要克服了現(xiàn)有電能表的兩個缺點：一是計量的電量數(shù)據(jù)需要抄表員進行現(xiàn)場抄表，不能遠程獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。二是現(xiàn)有的電能表是和空開分開使用的，只有當線路中出現(xiàn)電流異常時，空開才會自動跳閘；然而，當異常解除后，還需要人工操作進行空開的復(fù)位，不能遠程復(fù)位，從而造成操作的不方便。

為了克服上述缺點，如圖1所示，在一個較佳實施例中，本發(fā)明的一體化智能電表包括如下模塊：計量檢測模塊、線路保護模塊、主控模塊和電源模塊，上述模塊一體化安裝于電表外殼內(nèi)。

其中，如圖2所示，計量檢測模塊包括：

用于檢測電流、電壓模擬信號并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電量檢測單元；

用于測量電路功率及能量參數(shù)的計量單元；

用于提供高精度時間信息，以及輸出時鐘脈沖信號的時鐘單元；

以及用于顯示電能表工作狀態(tài)、計量數(shù)據(jù)、時鐘信息及通信連接信息的顯示單元和用于信息輸入的操作單元，兩者組成人際交互單元。

上述的計量檢測模塊可以高精度地檢測實時用電量，并進行顯示。

作為優(yōu)選方案，本實施例中，所述計量單元測量的電路參數(shù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、有功能量及無功能量，并提供獨立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線頻率及過零中斷。顯示單元包括自發(fā)光顯示屏、操作按鍵和指示燈。時鐘單元支持總線的低功耗、高精度時鐘芯片，且內(nèi)置溫度補償晶振。

線路保護模塊用于根據(jù)所述主控模塊的指令進行自動分閘、合閘操作。具體的，如圖4所示，包括：

用于電力線路接入的接線單元；

用于完成自動分、合閘操作的開關(guān)單元；

用于檢測電壓、電流過零點的過零檢測單元及狀態(tài)檢測單元；

以及，用于檢測分/合閘機構(gòu)的工作狀態(tài)，并在檢測到異常狀態(tài)時將報警信息發(fā)送給所述主控模塊的狀態(tài)檢測單元。

上述線路保護模塊，能夠在線路中的電壓、電流異常時自動斷開電路，同時發(fā)出報警信息。而在故障解除后，又可在主控模塊的控制下實現(xiàn)自動合閘，避免了人工合閘的操作，提高了便捷性。

作為優(yōu)選方案，本實施例中，開關(guān)單元包括分/合閘電源和分/合閘機構(gòu)，其中，分/合閘機構(gòu)可以是由電機帶動的動觸點與靜觸點接觸，或者是電磁吸合動觸點與靜觸點接觸，或者是電源激勵永磁體吸合動觸點與靜觸點接觸，也可以是SCR/IGBT/MOSFET/GTR半導(dǎo)體器件中的任意一種。過零檢測單元檢測電壓、電流過零點，且開關(guān)單元在電壓為零時合閘，在電流為零時分閘，避免了電路中浪涌的產(chǎn)生，保護用電設(shè)備。

主控模塊包括：

用于處理計量檢測模塊的測量數(shù)據(jù)，控制線路保護模塊進行分、合閘操作，以及通過通信單元與外部或遠程終端進行信息交互的中央處理器單元；

用于存儲中央處理器單元處理的電量信息，記錄、配置或交互信息的存儲單元；

以及用于主控模塊與外部終端之間的數(shù)據(jù)交互的通信單元。

作為優(yōu)選方案，本實施例中，中央處理器采用單片機、ARM、DSP中的至少任意一種，根據(jù)遠程命令或監(jiān)測到電量參數(shù)超越保護限制時，向線路保護模塊發(fā)送分閘命令；接收到遠程命令或監(jiān)測到電量參數(shù) 符合安全合閘規(guī)范時，向線路保護模塊發(fā)送合閘命令。

存儲單元為FLASH、EPPROM或鐵電存儲中的一種，存儲包括歷史電量數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、凍結(jié)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

通信單元采用RS-485、紅外IR傳輸、TCP/IP以太網(wǎng)通信、wifi無線通信、Zigbee無線通信、Z-Wave無線通信中的一種或幾種。

或者，作為更進一步的優(yōu)選方案，通信單元包括電力線載波發(fā)送模塊和接收模塊，采用電力線作為通信媒介，進行電力線載波通信，從而省去了專門的通信線路，簡化了電能表內(nèi)的布線線路。

作為優(yōu)選方案，本實施例中，通信單元和主控模塊之間設(shè)有加密單元，應(yīng)用于所有需要身份認證、數(shù)據(jù)加密/解密、安全存儲、通信保密等較高數(shù)據(jù)安全要求的操作，實現(xiàn)安全控制的目的。

具體的，如圖3所示，加密單元包括對稱加密機制和非對稱加密機制。其中，對稱加密機制使用對稱密鑰組加密通信單元發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，而非對稱加密機制用于根據(jù)固件信息或外部即時數(shù)據(jù)產(chǎn)生出對稱密鑰組。其工作流程如下：

1）系統(tǒng)激活時需要注冊手機并獲得驗證碼；

2）該驗證碼與系統(tǒng)硬件本身的序號一并經(jīng)非對稱密鑰系統(tǒng)產(chǎn)生一組對稱密鑰；

3）隨后的數(shù)據(jù)通信采用該組對稱密鑰中的一個；

4）實際采用的對稱密鑰定期更換。

本發(fā)明還提供了一種電力計量與控制保護系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有的電力計量表箱是物業(yè)集中管理，業(yè)主無法直接看到電力計量表的數(shù)據(jù)的缺陷?，F(xiàn)有的電力計量系統(tǒng)，對于用戶關(guān)心的階梯電價的設(shè)置情況，只能通過去供電公司營業(yè)廳去查詢；而通過人工的方式來獲取用電信息的方法不僅繁瑣不便，而且無法實時提供，用戶無法實時根據(jù)用電實際情況調(diào)整自己的用電計劃。

為了解決上述問題，如圖5所示，在本發(fā)明的較佳實施例中，一種電力計量與控制保護系統(tǒng)，包括至少一個前述的智能電能表，以及匯接模塊、遠程終端和客戶端。

其中，智能電能表通過通信單元與匯接模塊通信，通信的內(nèi)容包括實時用電量信息、電能表狀態(tài)信息、分/合閘指令信息及報警信息等。

作為優(yōu)選方案，智能電能表上的通信單元與匯接模塊之間的通信方式為電力線載波通信，從而避免了專用通信線路的鋪設(shè)，提高了電路線的利用效率，且具有較高的穩(wěn)定性。

具體的，上述電力線載波通信在授權(quán)頻率內(nèi)將給定信道分成幾十乃至幾百個獨立不同的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，有效提高頻帶利用率。在傳輸過程中，持續(xù)地檢測每個子頻道的干擾狀況，如果發(fā)現(xiàn)有突發(fā)的干擾（如諧波）產(chǎn)生或者某些子頻道內(nèi)的電磁干擾非常嚴重，電力線載波通信可以智能地做出調(diào)整，即轉(zhuǎn)移到其他無干擾的子頻道內(nèi)傳輸，避開干擾源。因此能同時有效地抵抗多種干擾，即使是在配電網(wǎng)受到嚴重干擾的情況下，也可保證高帶寬傳輸效率，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠通信。

匯接模塊通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與遠程終端進行數(shù)據(jù)交互。匯接模塊與遠程終端之間的通信網(wǎng)絡(luò)包括電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、同軸電纜網(wǎng)絡(luò)、公眾互聯(lián)網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)。

遠程終端用于檢測、存儲及管理用戶用電數(shù)據(jù)，以及提供并執(zhí)行節(jié)能用電方案。

作為優(yōu)選方案，遠程終端為云計算網(wǎng)絡(luò)中心，包括服務(wù)器和硬件隔離裝置。其中，服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、彈性計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和實時控制服務(wù)器。服務(wù)器和硬件隔離裝置連接于數(shù)據(jù)總線上，且硬件隔離裝置與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、彈性計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和實施控制服務(wù)器一一對應(yīng)。

遠程終端通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與客戶端進行數(shù)據(jù)交互，包括查詢用電信息、控制線路保護模塊進行分/合閘操作，以及制定或選擇節(jié)能用電方案等。

作為優(yōu)選方案，客戶端為PC終端或移動終端，通過安裝于所述PC終端上的應(yīng)用程序或者移動終端上的APP訪問所述云計算網(wǎng)絡(luò)中心。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。