技术领域
[0001] 本实用新型涉及电
能量计量技术，尤其是一般
电能表改造成智能电表的装置。 背景技术
[0002] 智能
电网要求电能表具备智能电表的功能，即双向、分时、阶梯计量以及预付费控和远程控等。但是，现场已安装的电能表大量是机械式电能表和少量脉冲式电能表。如果将
机械表或脉冲表更换成智能电表，不仅投资大，造成很大的人
力物力浪费，与建设节约型社会相违背，而且，换表的工程量大，容易出现计量接线错误。
[0003] 因此需要解决的技术问题是：不更换电能表就能将机械电能表或脉冲电能表改造为智能电表。实用新型内容
[0004] 为解决上述技术问题，本实用新型提供一种相对应的一种将普通电能表改造成智能电表的装置，包括：
探头和采集终端，其特征是：所述探头连接所述采集终端、固定并对准所述电能表的电能窗口用于感应电能表的电能图像；所述采集终端从所述探头读取所述电能图像、判断功率方向和计算电能增量、累积成电能量正反向表底、分时表底和阶梯表底、显示和预付费控制负荷，与外部数字设备相互通信。完成智能电表的功能。 [0005] 在本
发明装置的一个
实施例中，一种将普通电能表改造成智能电表的装置，包括：探头和采集终端，所述探头连接所述采集终端、固定并对准所述电能表 的电能窗口用于感应电能表的电能图像；所述采集终端从所述探头读取所述电能图像、判断功率方向和计算电能增量、累积成电能量正反向表底、分时表底和阶梯表底、显示和预付费控制负荷，与外部数字设备相互通信。
[0006] 优选的，所述电能表为机械电能表，所述电能图像为所述机械电能表的机械转盘的转向图像，所述探头包括：发光管，其向所述机械电能表的机械转盘发射光；沿所述机械转盘正向旋转的方向顺序布置第一感光管和第二感光管，分别接收所述发射光被所述机械转盘反射的反射光，并根据反射光的强弱分别输出脉冲M1和脉冲M2；所述采集终端根据脉冲M1超前或滞后脉冲M2判断功率方向和计算电能增量。
[0007] 优选的，所述探头包括用于感应表底码轮图像的图像
传感器和用于
光源的照明灯；所述采集终端包括
图像识别器，用于识别表底码轮图像为表底数据，并根据当前表底数据比上次表底数据的大小判断功率方向和计算电能增量。
[0008] 优选的，探头还包括壳、玻璃板和线路板；所述发光管由采集终端输出的电源V+供电；所述第一感光管的发射极接地、集
电极输出脉冲M1；所述第二感光管的发射极接地、集电极输出脉冲M2；线路板用于固定发光管、第一感光管和第二感光管，壳、玻璃板用于探头的封装；探头对准电能表的机械转盘并被直接粘接到所述电能表的窗口玻璃上。 [0009] 优选的，所述采集终端具有一
接口电路和
单片机MPU，接口电路包括两个整形电路和
电阻，两个整形电路用于对来自探头的脉冲M1和M2进行整形、去除抖动，然后输出到所述单片机MPU；电阻用于将电源Vcc转换成恒
电流后输出到探头的V+。
[0010] 优选的，所述接口电路还包括电阻和VMOS管，所述MPU输出的O1经电阻后接VMOS管的栅极，VMOS管的漏极接地、源极接V+；上电后，O1输出0，VMOS管不导通，V+有电，探头的发光管发光，所述单片机MPU接收脉冲M1和M2；经过一段时间后，MPU能够预测脉冲的间隔T，之后，当MPU接收到M1和M2后，关断对脉冲的输入并输出O1为1、VMOS管导通、 V+无电，探头的发光管停止发光；延时一段小于T的时间，MPU输出O1为0、关断VMOS管、探头的发光管又发光、再打开MPU的脉冲输入，如此继续。
[0011] 优选的，探头还包括导光体、总线驱动电路、
电路板和壳体；线路板用于固定图像传感器、照明灯和实现电路布线，壳用于探头的封装；探头对准电能表的表底码轮以快速粘结的方式粘在机械表的前玻璃面板上；导光体将照明灯的发光引导到表底码轮；V+无电时由自然光照亮表底码轮；表底码轮的影像通过导光体映射到图像传感器上，图像传感器将感受的每幅影像变成一
帧图像数据、经过总线驱动电路和
数据总线DB输出图像数据到采集终端；图像传感器的工作受控于采集终端。
[0012] 优选的，所述采集终端包括接口电路和单片机MPU，该接口电路包括总线驱动电路、图像识别器和电阻；总线驱动电路接收经数据总线DB输入的来自探头的图像数据、并输出到图像识别器，图像识别器将图像数据转换为表底数据WS、输出WS到单片机MPU；电源Vcc经过电阻将
电压转换成恒电流后输出到探头的V+。
[0013] 优选的，采集终端包括接口电路、单片机MPU、晶振、复位与看
门狗电路、时钟电路、
开关量输入电路DI、开关量输出电路DO、人机接口电路、通信电路和电源；探头经接口电路连接采集终端的单片机MPU；晶振产生的震荡
信号为单片机MPU提供工作
频率；复位和看门狗电路输入到单片机MPU产生上电复位和监视MPU的运行；时钟电路即
实时时钟RTC连接MPU为其提供秒脉冲和时间日期数据；开关量输入电路DI输入门禁信号、负荷开关的状态信号、输出到单片机MPU；开关量输出电路DO输入单片机MPU输出的开关量信号、输出控制负荷开关，由负荷开关控制用电户的用电电源；人机接口电路接收单片机MPU的数据并用
液晶或数码管显示或通过按键接收人工输入命令输出到MPU；通信电路用于单片机MPU与外部数字设备的数据交换；电源为采集终端内部电路提供电源。
[0014] 优选的，采集终端还包括模拟输入电路。
[0015] 本实用新型还包括一种将N个普通电能表改造成智能电表的装置，包括：N个探头和一个采集终端，其中，所述N个探头分别固定并对准所述N个电能表的电能窗口、感应电能图像、连接所述采集终端；所述采集终端经过N个接口电路分别从所述N个探头读取所述N个电能图像、判断N个功率方向和计算N个电能增量、累积成N个电能量正反向表底、N个分时表底和N个阶梯表底并显示；通过N个开关量输出电路控制N个负荷开关，达到预付费控制和远程控制；从而，完成N个智能电表的功能。
[0016] 本实用新型的方案针对现有电能表，将其改造成智能电表，能够完成电能量的双向、分时、阶梯计量等所有智能电表的功能和性能。
附图说明
[0017] 图1是本发明方法和装置工作状况的示意图。
[0018] 图2是探头的第一实施例，其中
[0019] 图2A为探头第一实施例安装的正视图，
[0020] 图2B是探头第一实施例安装的俯视图，
[0021] 图2C是探头第一实施例电气原理图，
[0022] 图2D是探头第一实施例流过正向功率时这种探头输出的脉冲
波形。
[0023] 图3是对应探头第一实施例的采集终端的一种接口电路。
[0024] 图4是探头的第二实施例，其中，
[0025] 图4A为探头第二实施例安装的正视图，
[0026] 图4B是探头第二实施例安装的俯视图，
[0027] 图4C是探头第二实施例电气原理图。
[0028] 图5是对应探头第二实施例的采集终端的一种接口电路。
[0030] 图7是采集终端中单片机MPU的主计算过程图。
[0031] 图8是四个电能表共用一个采集终端的实施方案。
[0032] 具体实施方式
[0033] 图1是本发明方法和装置工作状况的示意图。在图1中，本发明的改造对象是电能表1，数字设备3是已有设备，本发明包括采集终端2和探头4。其工作状况是这样的：探头4
感知电能表1的电能图像，
输出信号到采集终端2，探头4由采集终端2提供电源；采集终端2接收探头4输出的代表电能量的信号、判断正反向、换算成电能增量、累积成电能量正反向表底、分时表底和阶梯表底、显示和预付费控制负荷，与数字设备3相互通信，完成智能电表的功能。
[0034] 图2是探头的第一实施例，图2A至2D中，探头4包括发光管41、第一感光管42和第二感光管43。图2B中，还示出了壳44、玻璃板45和线路板46。发光管41由采集终端2输出的电源供电V+(图2C)。V+有电后发光管41发光；第一感光管42的发射极接地、集电极输出脉冲M1；第二感光管43的发射极接地、集电极输出脉冲M2。图2B中，线路板46用于固定发光管41、第一感光管42和第二感光管43。壳44、玻璃板45用于探头4的封装；探头4作为一个整体被直接粘接到所述电能表的玻璃12上、对准电能表1的机械转盘11，且沿着转盘11的正向旋转方向先是第一感光管42，再是第二感光管43。当电能表通过正向功率时，图2D，脉冲M1超前于脉冲M2；反之，当电能表通过负向功率时脉冲M1滞后于脉冲M2。
[0035] 图3是对应探头第一实施例的采集终端的一种接口电路。图3中，接口电路21包括两个整形电路211和212、电阻214，从探头输出的脉冲M1和M2输入到采集终端2的两个整形电路211和212，整形、去除抖动后输出到单片机MPU 22；两个整形电路211和212可以有多种实施方式，是常规技术，这里省略。电源Vcc经过电阻214将电压转换成恒电流后输出到探头的V+。
[0036] 为了延长探头中发光管的寿命，接口电路21还包括电阻215和VMOS管216，单片机MPU 22输出的O1经电阻215后接VMOS管216的栅极，VMOS管216的漏极接地、源极接V+；上电后，O1输出0，VMOS管216不导通，V+有电、探头的发光管发光，MPU接收脉冲M1和M2；经过一段时间后，单片机MPU的计算流程能够预测脉冲的间隔T，之后，当MPU接收到M1和M2后，关断对脉冲的输入并输出O1为1、VMOS管216导通、V+无电、探头的发光管停止发光；延时一段小于T的时间，单片机MPU输出O1为0、关断VMOS管216、探头的发光管又发光、再打开单片机MPU 22的脉冲输入，如此继续。发光管间歇发光，可以延长探头寿命。 [0037] 在图2和图3的实施例中，采集终端2接收第一感光管42和第二感光管43输出的电脉冲M1和M2，依据M1和M2的时序判断输出方向标志F，若M1超前于M2，则F＝1为正向；否则，M1滞后于M2，则F＝-1为反向；感知到一个电脉冲(一个M1和一个M2)，一个电脉冲对应的电能增量为Δ， 公式1：Δ＝1/C kWh，
[0038] 其中，C为电能表1的常数，单位是转/kWh；
[0039] 采集终端测量上一个脉冲到当前脉冲的时间间隔为T，单位是S。
[0040] 图4是探头的第二实施例，其中，图4A至4C是图像传感器探头示意图，探头4包括导光体47、照明灯4A、总线驱动电路49、电路板46和壳体44。电路板46用于固定图像传感器48和照明灯4A并用于实现电路布线，壳44用于探头4的封装；探头4可采用快速粘结剂等方式粘在机械表1的前玻璃面板12上、对准电能表1的表底码轮13，能够清晰采集表底码轮的图像。导光体47将照明灯4A的发光引导到表底码轮。为了节电，V+受采集终端的控制，夜间V+带电、照明灯4A发光、经过导光体47照亮表底码轮13；白天V+无电、由自然光照亮表底码轮13。表底码轮13的影像通过导光体47映射到图像传感器48上，图像传感器48将感受的每个影像变成一帧图像数据、经过总 线驱动电路49输出图像数据到数据总线DB上。图像传感器48的工作受控于采集终端2，也可以接收经数据总线DB、总线驱动电路49送来的
控制信号，每收到一次控制信号开始工作，感受图像、输出一帧图像数据，之后休息。
[0041] 图5是采集终端对应探头第二实施例的一种接口电路，接口电路21包括总线驱动电路217、图像识别器218和电阻214，探头4输出的图像数据经数据总线DB输入到采集终端2的总线驱动电路217，再到图像识别器218，将图像数据转换为表底数据WS，WS输出到单片机MPU 22；电源Vcc经过电阻214将电压转换成恒电流后输出到探头4的V+；为了省电，单片机MPU 22输出O1经电阻215后接VMOS管216的栅极，VMOS管216的漏极接地、源极接V+；夜间MPU输出的O1为0，VMOS管216不导通，探头4的照明灯发光；白天单片机MPU22输出的O1为1、关断探头4的照明灯；MPU 22每收到一次表底数据WS后进行一次计算，当前的表底数据WSk与上一次的表底数据WSk-1相减获得两次转换间的电能量ΔW、当前表底数据的时刻与上一次表底数据的时刻之间的差为时间间隔T，单位是S，
[0042] 公式2：ΔW＝WSk-WSk-1：
[0043] 如果ΔW≥0则为正向F＝1，否则，ΔW＜0为反向F＝-1；
[0044] 公式3：Δ＝|ΔW|。
[0045] 图6是采集终端2的电路框图。在图6中，采集终端2包括与探头4的接口电路21、单片机MPU 22、晶振23、复位与看门狗电路24、时钟电路25、通信电路27、开关量输入电路29、开关量输出电路2A和电源28；探头4经接口电路21(见图3或图5)连接单片机MPU
22；晶振23产生的震荡信号输入到单片机MPU为其提供工作频率；复位和看门狗电路24输入到MPU产生上电复位和监视MPU的运行，一旦MPU程序出格则产生复位信号强制MPU重新复位；时钟电路25即实时时钟RTC连接单片机MPU 22为MPU提供秒脉冲和时间日期数据；通信电路27接收MPU的输出数据、输出到外部 数字设备3，或接收外部数字设备3输入的数据、输出到单片机MPU 22，进行数据交换；开关量输入电路29输入计量箱的门禁信号和负荷开关的状态信号、输出到单片机MPU 22；开关量输出电路2A接收单片机MPU输出的开关量信号、输出控制负荷开关，由负荷开关控制用电户的用电电源(负荷开关可以内置在采集终端2内，也可以外挂在采集终端外部)；电源28接收市电、转换成低压后为采集终端2内部电路提供电源。
[0046] 图6还包括人机接口电路26，以接收单片机MPU22的数据并用液晶或数码管显示或通过按键接收人工输入命令输出到MPU 22。考虑到用电户和抄表工容易读取和操作，人机接口电路26还可以单独成设备，经过短距离无线如蓝牙或Zegbee、或低压载波与单片机MPU22通信。随着
智能电网的发展，这种免布线带通信的人机接口将成为智能用户交互终端。
[0047] 图7是采集终端2中单片机MPU的主计算过程图。首先，输入电能增量Δ、当前时间t、功率方向F和当前所在阶梯J以及算术有功总表底WS、正向有功总表底W+、反向有功总表底W-、正向有功分时表底W+Tk、反向有功分时表底W-Tk、当前所在的阶梯表底WAJ和剩余电费YZ的起始值，其中，Δ由接口程序按公式1或公式3来确定，t即当前时间由实时时钟RTC提供，YZ即剩余电费，F即功率方向，J即所在阶梯年初时复位为1；计算过程开始； [0048] 1，依据当前时间t，查分时费率表获得所在时段的费率种类k；
[0049] 2，判断功率方向F＝1吗？如果功率方向为正F＝1，则累积正向有功总表底W+＝W++Δ、算术有功总表底WS＝WS+Δ、正向有功分时表底W+Tk＝W+Tk+Δ和剩余电费YZ＝YZ-Δ×C+k；否则，费率方向为负F＝-1，则累积反向有功总表底W-＝W-+Δ、算术有功总表底WS＝WS-Δ、反向有功分时表底W-Tk＝W-Tk+Δ和剩余电费YZ＝YZ+Δ×C-k；
[0050] 3，累积阶梯电量，满足F＝1的条件下，首先，累积当前所在的阶梯J的阶梯表底WAJ＝WAJ+Δ；其次，当满足WAJ＞AgJ条件下，计算Δ＝WAJ-AgJ， 并令WAJ+1＝Δ、WAJ＝AgJ和J＝J+1，到下一步；不满足WAJ＞AgJ条件，则直接到下一步；
[0051] 4，计算阶梯电费，满足F＝1的条件下，累积剩余电费YZ＝YZ-Δ×ΔC+J； [0052] 5，计算过程结束并返回，输出当前所在阶梯J、算术有功总表底WS、正向有功总表底W+、反向有功总表底W-、正向有功分时表底W+Tk、反向有功分时表底W-Tk、当前所在的阶梯表底WAJ和剩余电费YZ。
[0053] 计算过程输出的算术有功总表底WS应当与电能表的表底码轮的数据一致，如果初值相等；某段时间内累积的正向有功总电量ΔW+(为时段起始表底W+与时段末表底W+的差)应当与正向有功分时电量的和ΣΔW+Tk一致；同理，反向有功总电量ΔW-应当与反向有功分时电量的和ΣΔW-Tk一致；某段时间内所有阶梯计量之和ΣΔWAj应当与正向有功总电量ΔW+一致；某段时间内的剩余电费YZ应当与该时段内抄收的分时有功电量ΔW+Tk或ΔW-Tk、阶梯电量ΔWAj，按照对应的分时用电费率或发电费率、附加阶梯电费计算出来的剩余电费应当一致；以上诸一致性可以作为本方案的探头和采集终端的检验标准。 [0054] 上述1中，k＝1，2，3，...，对应不同的费率种类；
[0055] 上述2中，C+k和C-k为当前时段的用电费率和发电费率，也作为计算过程的输入可由通信程序从外部数字设备3来；
[0056] 电能增量Δ对应的电费是：
[0057] 公式4：ΔY+＝Δ×C+k，或ΔY-＝Δ×C-k；
[0058] 计算剩余预付费值：
[0059] 公式5：YZ＝YZ-ΔY+，当F＝1；或YZ＝YZ+ΔY-，当F＝-1；
[0060] 上述3中，AgJ为当前所在阶梯的阶梯电量给定值，J＝1，2，3，...，也作为计算程序的输入可由通信程序从外部数字设备3来；
[0061] 上述4中，ΔC+J为当前所在阶梯的附加阶梯费率，也作为计算程序的输入可由通信程序从外部数字设备3来；
[0062] 电能增量Δ对应的附加阶梯电费ΔYAj是：
[0063] 公式6：ΔYAj＝Δ×ΔC+j；
[0064] 剩余预付费值是：
[0065] 公式7：YZ＝YZ-ΔYAj；
[0066] 当YZ减少到剩余预付费警告值YGZ，则采集终端2通过通信向外部数字设备3发送欠费告警信号，由外部数字设备3发信号如短信通知用电户续费；当YZ减少到剩余预付费关闭值，例如0时，当然也可以设定其他的小于剩余预付费警告值，则采集终端2通过开关量输出电路图6的2A输出控制信号切断负荷开关停止向用电户供电。
[0067] 采集终端还可以通过通信接收外部数字设备3输入的遥控命令，控制负荷开关分断或闭合向用户停止或继续供电。
[0068] 采集终端2将表底WS、W+、W-、W+Tk、W-Tk、WA1、WA2、WA3、...以及剩余电费YZ输出到
人机界面用于显示、经通信输出到其它数字设备3用于远程抄表。
[0069] 在上述方案中，采集终端2还依据时间间隔T和电能增量Δ、计算输出有功功率P，
[0070] 公式8： 单位是W，若P＞0为正向有功，否则，P＜0为反向有功。
[0071] 按公式6求出的P随机误差可能很大，为此，对P进行数字低通滤波。数 字低通
滤波器可以采用n阶巴特沃斯或n阶切比
雪夫滤波器或n阶卡尔曼滤波器，n＝1，2，3，4。 [0072] 图6还包括模拟输入电路2B，以输入模拟电压信号u、输出经模数变换器后的
采样信号uk到MPU 22，由MPU的计算电压有效值U、谐波分解输出基波的电压有效值U1和第k次谐波的电压有效值Uk。
[0073] 有功功率P、电压有效值U、基波U1和第k次谐波Uk到图6的人机接口电路26进行显示、经通信电路27输出到外部数字设备3。
[0074] 多个电能表可以共用一个采集终端，图8是四个电能表共用一个采集终端的实施方案。在图8中，将采集终端2的接口电路21、开关量输入电路29和开关量输出电路2A都增加到N(图中是4)个，其它不变，则一个采集终端2能够通过N个探头带N
块电能表。 [0075] 采集终端2采用
导轨安装或磁
铁吸附两种安装方式，非常方便地安装在计量箱的导轨上或吸附在计量箱的金属板上。
[0076] 本发明的技术方案并不局限于上述实施例。对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思的任何改变和变型都属于本发明的保护范围。例如，利用已有知识，很容易将探头4的两个脉冲M1和M2调制到一起，如M1为正脉冲、而M2为负脉冲，经一根线输出到采集器2后再解调还原成两个脉冲M1和M2。
[0077] 通过本发明方案的实施，容易将已有普通电能表改造成双向、分时、阶梯 计量、计费、预付费控、远程控，并输出有功功率P和电压U以及门禁、开关状态等遥信信号；与智能电表相比，除少输出电流I和
无功功率Q外，其它功能一致、性能接近。而电流I和无功功率Q对于低压线路几乎没有需求，所以，这种改造方案能够满足智能电网对电能表的要求，并且，投资小、改造工程量小，不会出现计量接线错误。并且，多个电能表共用一个采集器，能够大幅度地减少投资。
