本發(fā)明涉及一種智能電能表方案，尤其涉及智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

全球資源逐漸稀缺、環(huán)境壓力不斷增大、電力市場化進(jìn)程不斷深入及用戶對電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為全球電力行業(yè)的共同目標(biāo)。智能電網(wǎng)就是利用現(xiàn)代測量、通信、計算機(jī)、自動化等IT先進(jìn)技術(shù)，提高電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換和傳輸效率，確保電網(wǎng)運行更可靠、更靈活、更經(jīng)濟(jì)，能為用戶提供更高的供電質(zhì)量和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

智能電網(wǎng)包含從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個環(huán)節(jié)，智能電表屬于智能用電的環(huán)節(jié)。智能電網(wǎng)建設(shè)對電力設(shè)備提出更高層次的要求。隨著全球智能電網(wǎng)改造進(jìn)程的加快，對基于AMI系統(tǒng)智能電表要求越來越高，智能電表智能之一在于智能通訊，為了更好的監(jiān)測電網(wǎng)設(shè)備，不僅要求電能表上電時能夠和系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，而且提出要求智能電能表斷電能夠掉電上報系統(tǒng)。近年來，越來越多的海外客戶要求智能電能表需要有GPRS掉電上報功能，要實現(xiàn)掉電上報功能，首先表計需要有硬件電路支持，同時配合軟件算法整體實現(xiàn)掉電上報功能。

需要實現(xiàn)掉電上報，硬件電路供電是重要的難點之一，因為GPRS模塊正常工作需要保證1.5W以上的功率，電表掉電之后只能通過儲能設(shè)備進(jìn)行供電，但是對供電設(shè)備尺寸和成本和使用壽命有著決定性的限制。常規(guī)的儲能供電主要是電池，但是電池實現(xiàn)瞬間1.5W供電基本很難實現(xiàn)，而且電池容量消耗太快，壽命無法滿足要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，通過硬件電路和軟件算法配合工作，實現(xiàn)GPRS掉電上報功能，具有成本低，壽命長，電路簡單，維護(hù)方便的優(yōu)勢。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案得以解決：智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，包括電源開關(guān)電路、充電和儲能模塊電路以及光耦隔離的GPRS通訊電路，包括主路電源和輔路電源，所述主路電源和MCU單元相連，MCU單元另一端和光耦合器相連，光耦合器另一端和開關(guān)模塊相連，所述輔路電源連接充電模塊和第一二極管VD1的陽極，第一二極管VD1的陰極連接所述開關(guān)模塊，所述充電模塊和第三二極管VD3的陽極相連，第三二極管VD3的陰極連接有儲能模塊，所述儲能模塊和第四二極管VD4的陽極相連，第四二極管VD4的陰極和所述開關(guān)模塊相連接，所述開關(guān)模塊和第二二極管VD2的陽極相連，第二二極管VD2的陰極連接有GPRS模塊，所述GPRS模塊和所述光耦合器相連。

上述技術(shù)方案中，所述電源開關(guān)電路包括輔路供電電源F_VB，輔路供電電源F_VB連接第一二極管VD1的陽極，第一二極管VD1的陰極并聯(lián)連接有多階濾波模塊、MOS管V1的S極、第一電阻R1以及F_VB1，F(xiàn)_VB1和第一光耦合器E1相連，第一電阻R1的另一端連接MOS管V1的G極，MOS管V1的D極連接第二二極管VD2的陽極，第二二極管VD2的陰極連接F_VB2，MOS管V1的G極并聯(lián)連接有第四電容C4、第二電阻R2和光耦合器E1，第二電阻R2具有分壓作用并且和第四電容C4均接地，所述光耦合器E1連接有第三電阻R3和第四電阻R4，第三電阻R3和M_VM相連，第四電阻R4和M_CTR相連。

上述技術(shù)方案中，所述充電和儲能模塊電路包括輔路供電電源F_VB，輔路供電電源F_VB連接N901穩(wěn)壓器的輸入極，N901穩(wěn)壓器的輸出極連接第三二極管VD3的陽極，N901穩(wěn)壓器的接地極接地，N901穩(wěn)壓器的輸入極連接有第五電容C5和第六電容C6的陽極，N901穩(wěn)壓器的輸出極連接有第七電容C7和第八電容C8的陽極，N901穩(wěn)壓器的接地極連接第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7和第八電容C8的陰極，第三二極管VD3的陰極連接充電限流模塊，充電限流模塊和VCAP的進(jìn)端相連，VCAP的進(jìn)端還連接第九電容C9的陽極，第九電容C9的陰極連接第十電容C10的陽極，第十電容C10的陰極接地，所述第九電容C9和第十電容C10為超級電容，VCAP出端連接第四二極管VD4的陽極，第四二極管VD4的陰極連接F_VB1。

上述技術(shù)方案中，所述光耦隔離的GPRS通訊電路包括第二光耦合器E2和第三光耦合器E3，所述第二光耦合器E2的輸入端分別連接M_VM和R8限流電阻，R8限流電阻的另一端連接TXD，所述第二光耦合器E2的甲輸出端連接F_VCC進(jìn)端，所述第二光耦合器E2的乙輸出端連接第十一電容C11、第九電阻R9和第十電阻R10的一端，第十一電容C11和第九電阻R9另一端和第一三極管V01的B極相連接，第十電阻R10的另一端和第一三極管V01的E極相連并且第一三極管V01的E極接地，所述F_VCC進(jìn)端連接有第十一電阻R11的一端，第十一電阻R11的另一端和第一三極管V01的C極相連接，第一三極管V01的C極還連接有M_RXD，所述第三光耦合器E3的輸入端分別連接M_TXD和第十二電阻R12，第十二電阻R12連接有F_VCC，所述第三光耦合器E3的甲輸出端連接有第十五電阻R15，第三光耦合器E3的甲輸出端還和M_VM相連，所述第三光耦合器E3的乙輸出端連接有第十三電阻R13、第十二電容C12和第十四電阻R14的一端，第十三電阻R13和第十二電容C12另一端和第二三極管V02的B極相連接，第十四電阻R14的另一端和第二三極管V02的E極相連并且第二三極管V02的E極接地，所述第十五電阻R15的另一端和第二三極管V02的C極相連，第二三極管V02的C極還連接有第十六電阻R16，所述第十六電阻R16另一端和RXD相連。

上述技術(shù)方案中，所述第一二極管VD1為肖特基二極管，第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3并聯(lián)組成所述多階濾波模塊，所述多階濾波模塊接地，第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4為貼片電容。

上述技術(shù)方案中，第五電容C5和第八電容C8為電解電容，第六電容C6和第七電容7為貼片瓷片電容，第五電容C5和第六電容C6并聯(lián)組成的輸入濾波電容組合，第七電容7和第八電容C8并聯(lián)組成的輸出濾波電容組合，所述第三二極管VD3和第四二極管VD4為肖特基二極管，第五電阻R5、第六電阻R6和第七電阻R7并聯(lián)組成所述充電限流模塊。

本發(fā)明提供的智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，采用了功率型超級電容供電，并配合外圍電源管理電路和軟件算法綜合實現(xiàn)掉電上報功能，具有成本低，壽命長，電路簡單，維護(hù)方便的優(yōu)勢。本方案通過系統(tǒng)整體調(diào)試，目前運行穩(wěn)定，掉電上報成功率100%，免維護(hù)，是GPRS掉電上報功能實現(xiàn)的理想方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電路框圖。

圖2是本發(fā)明的電源開關(guān)電路圖。

圖3是本發(fā)明的充電和儲能模塊電路圖。

圖4是本發(fā)明的光耦隔離的GPRS通訊電路圖。

圖5是本發(fā)明的軟件流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：如圖1至圖5所示，智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，包括電源開關(guān)電路、充電和儲能模塊電路以及光耦隔離的GPRS通訊電路，包括主路電源和輔路電源，所述主路電源和MCU單元相連，MCU單元另一端和光耦合器相連，光耦合器另一端和開關(guān)模塊相連，所述輔路電源連接充電模塊和第一二極管VD1的陽極，第一二極管VD1的陰極連接所述開關(guān)模塊，所述充電模塊和第三二極管VD3的陽極相連，第三二極管VD3的陰極連接有儲能模塊，所述儲能模塊和第四二極管VD4的陽極相連，第四二極管VD4的陰極和所述開關(guān)模塊相連接，所述開關(guān)模塊和第二二極管VD2的陽極相連，第二二極管VD2的陰極連接有GPRS模塊，所述GPRS模塊和所述光耦合器相連。

所述電源開關(guān)電路包括輔路供電電源F_VB，輔路供電電源F_VB連接第一二極管VD1的陽極，第一二極管VD1的陰極并聯(lián)連接有多階濾波模塊、MOS管V1的S極、第一電阻R1以及F_VB1，F(xiàn)_VB1和第一光耦合器E1相連，第一電阻R1的另一端連接MOS管V1的G極，MOS管V1的D極連接第二二極管VD2的陽極，第二二極管VD2的陰極連接F_VB2，MOS管V1的G極并聯(lián)連接有第四電容C4、第二電阻R2和光耦合器E1，第二電阻R2具有分壓作用并且和第四電容C4均接地，所述光耦合器E1連接有第三電阻R3和第四電阻R4，第三電阻R3和M_VM相連，第四電阻R4和M_CTR相連。

所述充電和儲能模塊電路包括輔路供電電源F_VB，輔路供電電源F_VB連接N901穩(wěn)壓器的輸入極，N901穩(wěn)壓器的輸出極連接第三二極管VD3的陽極，N901穩(wěn)壓器的接地極接地，N901穩(wěn)壓器的輸入極連接有第五電容C5和第六電容C6的陽極，N901穩(wěn)壓器的輸出極連接有第七電容C7和第八電容C8的陽極，N901穩(wěn)壓器的接地極連接第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7和第八電容C8的陰極，第三二極管VD3的陰極連接充電限流模塊，充電限流模塊和VCAP的進(jìn)端相連，VCAP的進(jìn)端還連接第九電容C9的陽極，第九電容C9的陰極連接第十電容C10的陽極，第十電容C10的陰極接地，所述第九電容C9和第十電容C10為超級電容，VCAP出端連接第四二極管VD4的陽極，第四二極管VD4的陰極連接F_VB1。

所述光耦隔離的GPRS通訊電路包括第二光耦合器E2和第三光耦合器E3，所述第二光耦合器E2的輸入端分別連接M_VM和R8限流電阻，R8限流電阻的另一端連接TXD，所述第二光耦合器E2的甲輸出端連接F_VCC進(jìn)端，所述第二光耦合器E2的乙輸出端連接第十一電容C11、第九電阻R9和第十電阻R10的一端，第十一電容C11和第九電阻R9另一端和第一三極管V01的B極相連接，第十電阻R10的另一端和第一三極管V01的E極相連并且第一三極管V01的E極接地，所述F_VCC進(jìn)端連接有第十一電阻R11的一端，第十一電阻R11的另一端和第一三極管V01的C極相連接，第一三極管V01的C極還連接有M_RXD，所述第三光耦合器E3的輸入端分別連接M_TXD和第十二電阻R12，第十二電阻R12連接有F_VCC，所述第三光耦合器E3的甲輸出端連接有第十五電阻R15，第三光耦合器E3的甲輸出端還和M_VM相連，所述第三光耦合器E3的乙輸出端連接有第十三電阻R13、第十二電容C12和第十四電阻R14的一端，第十三電阻R13和第十二電容C12另一端和第二三極管V02的B極相連接，第十四電阻R14的另一端和第二三極管V02的E極相連并且第二三極管V02的E極接地，所述第十五電阻R15的另一端和第二三極管V02的C極相連，第二三極管V02的C極還連接有第十六電阻R16，所述第十六電阻R16另一端和RXD相連。

所述第一二極管VD1為肖特基二極管，第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3并聯(lián)組成所述多階濾波模塊，所述多階濾波模塊接地，第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4為貼片電容。

第五電容C5和第八電容C8為電解電容，第六電容C6和第七電容7為貼片瓷片電容，第五電容C5和第六電容C6并聯(lián)組成的輸入濾波電容組合，第七電容7和第八電容C8并聯(lián)組成的輸出濾波電容組合，所述第三二極管VD3和第四二極管VD4為肖特基二極管，第五電阻R5、第六電阻R6和第七電阻R7并聯(lián)組成所述充電限流模塊。

本方案包括電源開關(guān)電路、充電和儲能模塊電路以及光耦隔離的GPRS通訊電路，這些電路互相配合工作，完成本方案的功能。

MCU，中文叫微控制單元，又稱單片微型計算機(jī)或者單片機(jī)，是把中央處理器的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

對硬件的要求：本發(fā)明的硬件所提供的電能夠支撐的時間，能保證檢測到掉電之后，不少于發(fā)送完上報數(shù)據(jù)所需的時間；并且該硬件能夠提供不小于1.5W的功率，讓GPRS不掉線，并能夠正常工作。需要上報的內(nèi)容，包括alarm寄存器（4個字節(jié)）、正向有功總電量（4個字節(jié)）和正向有功總電量（4個字節(jié)）。在通訊速率為9600情況下，包括通訊頭尾字節(jié)，控制字，和校驗位總的數(shù)據(jù)長度，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容總長度所需的時間為定值，為了留有充分余量和系統(tǒng)主循環(huán)所需時間，必須保證掉電之后儲能電路可以提供不少于10S的時間，保證GPRS模塊可以正常工作。

對軟件的要求：本發(fā)明提供的智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，在檢測到掉電信號之后，為了防止誤判，首先需要進(jìn)行軟件濾波處理，即多次檢測到掉電，才判斷為掉電。然后再進(jìn)行掉電處理，必須第一時間進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，即在中斷內(nèi)進(jìn)行上報處理，但是又不能影響電能等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存。為了確保上報數(shù)據(jù)能夠全部上報完全，在上報動作之后，再延時200ms用于確保數(shù)據(jù)上報完成，然后才進(jìn)入掉電模式，運行掉電程序，并結(jié)束上報的過程。

本發(fā)明的電路，可以分解為電源開關(guān)電路、充電和儲能模塊電路以及光耦隔離的GPRS通訊電路。

本發(fā)明的電源開關(guān)電路，如附圖2所示，主要用于GPRS模塊電源的打開和關(guān)斷，常規(guī)通過復(fù)位信號進(jìn)行對模塊復(fù)位的方式具有可靠性不高的缺點，直接通過打開和關(guān)斷電源，可以徹底對模塊進(jìn)行復(fù)位。第一二極管用于隔離掉電儲能模塊，防止電流反灌。第一電容C1，第二電容C2和第三電容C3為貼片電容，用于組成多階濾波。MOS管V1為壓控型P溝道MOSFET，起到電源開關(guān)的作用。R1和第二電阻R2起到分壓作用，給用MOS管G極提供電壓信號，用于控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷。第四電容C4為貼片電容，對地并聯(lián)到MOS管G極，起到MOS管的軟開和軟關(guān)斷作用。第二二極管起到隔離作用，防止掉電后GPRS模塊部分電流倒灌，對MOS管形成沖擊應(yīng)力。

其中，F(xiàn)_VB為輔路供電電源，為16V。FVB2為開關(guān)后的電源，直接用于GPRS模塊供電。MOS管上電默認(rèn)打開，關(guān)斷的時候IO口通過光耦輸出控制信號，將MOS管關(guān)斷。需要注意的是，MOS管需要硬件默認(rèn)打開，如果需要軟件控制打開，表計掉電之后無法控制IO輸出電壓信號打開，就無法實現(xiàn)掉電之后，儲能電容給GPRS模塊供電。

本發(fā)明的充電和儲能模塊電路，如附圖3所示，充電電路主要是將輔路電源16V降壓成9V的充電電壓。儲能電路主要是用于儲存掉電之后，GPRS上報所需要的供電能量。N901為低壓差線性穩(wěn)壓器LDO，最大輸入36V，輸出9V。第六電容C6為電解電容，第六電容C6為貼片瓷片電容，二者組成LDO的輸入濾波電容組合。第七電容C7為貼片瓷片電容，第九電容C906為電解電容，二者組成LDO的輸出濾波電容組合。VD3為肖特基二極管，主要起到隔離作用，防止后端電流倒灌，形成漏電路徑，消耗儲能電容內(nèi)的能量。

第五電阻R5，第六電阻R6，第七電阻R7為充電限流電阻，主要用于限制超級電容的最大充電電流，為了保證電阻功率足夠，采用3只并聯(lián)方式。第九電容C9和第十電容C10為功率型的超級電容，否則無法在瞬間提供1.5W的功率。超級電容單顆容量為0.5F，耐壓5.4V，因為超級電容可存儲的能量不僅和本身容量有關(guān)還和充電電壓，和放電壓差有著很大的關(guān)系，其中和電壓呈平方關(guān)系。為了儲存更多能量，采取2只超級電容進(jìn)行串聯(lián)使用，雖然總的容量減半了，但是能夠存儲的能量卻提高了一倍左右。另外，因為GPRS模塊的供電電源為3.8V，一般是采用DCDC降壓的方式得到3.8V，要去前端輸入電壓需在5V以上，所以必須將超級電容串聯(lián)使用，并形成較大的放電壓差。經(jīng)過實測，本方案可以支持掉電以后，GPRS工作10S左右，完全滿足大多數(shù)客戶上報數(shù)據(jù)長度要求。VD4為肖特基二極管，主要起到隔離作用，防止正常上電GPRS供電電源倒灌。超級電容耐壓有限，具有被擊穿的風(fēng)險，所以設(shè)置了肖特基二極管可起到隔離保護(hù)的作用。

超級電容器是通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。超級電容突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是容量最大的一種。

本發(fā)明的光耦隔離的GPRS通訊電路，如附圖4所示，第八電阻R8，第二光耦合器E2，第十一電阻R11，第十一電容C11，第九電阻R9，第十電阻R10，第一三極管V01共同組成GPRS模塊通訊接收電路，其中第八電阻R8為限流電阻，第十一電容C11，第九電阻R9，第十電阻R10，第一三極管V01共同組成信號整形電路，第十一電阻R11為上拉電阻。第十二電阻R12，第三光耦合器E3，第十五電阻R15，第十三電阻R13，第十二電容C12，第十四電阻R14，第二三極管V02，第十六電阻R16共同組成GPRS模塊通訊發(fā)送電路，其中第十二電阻R12為限流電阻，第十二電容C12，第十三電阻第十三電阻R13，第十四電阻R14，第二三極管V02共同組成信號整形電路，第十五電阻R15為上拉電阻，第十六電阻R16為阻尼電阻。本方案電路，可以保證，在-40℃~+85℃全溫度范圍內(nèi)，通訊速率為9600的時候通訊正常。第一三極管V01和第二三極管V02為NPN三極管。

本發(fā)明掉電上報的內(nèi)容包括alarm寄存器4個字節(jié)、正向有功總電量4個字節(jié)、正向有功總電量4個字節(jié)。

如附圖5所示，本發(fā)明提供的系統(tǒng)，開始工作之后，先連續(xù)進(jìn)行掉電判斷，每1ms判斷一次，在連續(xù)第七次判斷掉電之后，則開始進(jìn)行上報工作。在進(jìn)行上報共組的同時，進(jìn)行保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)操作。為了確保上報數(shù)據(jù)能夠全部上報完全，在上報動作之后，延時200ms用于確保數(shù)據(jù)上報完成，然后才進(jìn)入掉電模式，運行掉電程序，并結(jié)束上報的過程。

本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于以上實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供的智能電能表GPRS掉電上報系統(tǒng)，采用了功率型超級電容供電，并配合外圍電源管理電路和軟件算法綜合實現(xiàn)掉電上報功能，具有成本低，壽命長，電路簡單，維護(hù)方便的優(yōu)勢。本方案通過系統(tǒng)整體調(diào)試，目前運行穩(wěn)定，掉電上報成功率100%，免維護(hù)，是GPRS掉電上報功能實現(xiàn)的理想方案。