一种带有cpu卡的单相费控智能电能表系统
阅读说明：本技术 一种带有cpu卡的单相费控智能电能表系统 (Single-phase cost control intelligent electric energy meter system with CPU card ) 是由 李屹 王力 李桃 豆玉华 王堃 张奕婷 刘鹏伟 陈旭 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统,涉及电能表技术领域；包括电能计量模块、LCD显示模块、处理器、电量监测模块、电量分析模块以及购电管理模块；本发明中IC卡接口通过读卡器连接CPU卡,实现处理器的内部计费控制；同时CPU卡内置加密单元,避免购电信息泄露,保证了信息安全；电能计量模块统计的用户用电信息可以通过电力线缆发送至LCD显示模块上,用户能够及时了解自己的用电信息,提高节能意识,避免电能浪费；电量分析模块用于对用户用电信息进行分析处理,及时进行购电提醒；购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析,提示用户尽快购电以及购买合适的电量,提高用户体验感。(The invention discloses a single-phase cost control intelligent electric energy meter system with a CPU card, relating to the technical field of electric energy meters; the system comprises an electric energy metering module, an LCD display module, a processor, an electric quantity monitoring module, an electric quantity analysis module and an electricity purchasing management module; the IC card interface is connected with the CPU card through the card reader, so that the internal charging control of the processor is realized; meanwhile, an encryption unit is arranged in the CPU card, so that the leakage of electricity purchasing information is avoided, and the information safety is ensured; the user electricity consumption information counted by the electric energy metering module can be sent to the LCD display module through the electric power cable, so that the user can know the own electricity consumption information in time, the energy-saving consciousness is improved, and the electric energy waste is avoided; the electric quantity analysis module is used for analyzing and processing the electricity utilization information of the user and timely reminding electricity purchase; the electricity purchasing management module is used for analyzing the electricity supplementing quantity after receiving the electricity shortage signal, prompting a user to purchase electricity as soon as possible and purchase proper electricity, and improving user experience.)
技术领域
本发明涉及电能表技术领域，具体是一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统。
背景技术
智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。智能电表作为智能电网的终端，是其重要组成部分，具有电能计量、远程抄表、双向通信、实时监测等功能；
传统的电能表的用电模式是先用电后收费，导致电力公司收费困难，容易引起坏账，且大多数电能表在通信上无法实现远程费控，当用户欠费以后导致收缴电费困难，且还存在非法用户更改电能表参数实施窃电的现象；一部分的远程费控表也无法实现自动算费，所有计费都只能在后台进行；而且费控电表大多数是安装在室外，例如高层建筑通常是安装在地下室，这样对于电量的消费用户是完全无法得知的，这就导致一些用户肆意用电，这样会造成电能的浪费，同时一旦忽略用电情况，可能会出现电量不足导致停电或电量消耗快造成频繁购电或一次性购电过多，电量消耗慢造成电量堆积，资金被占用等问题，影响用户体验感。
发明内容
为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统。本发明中IC卡接口通过读卡器连接CPU卡，实现处理器的内部计费控制；用户只需通过电脑将购电信息输入CPU卡内即可实现购电；同时CPU卡内置加密单元，避免购电信息泄露，保证了信息安全；电能计量模块统计的用户用电信息可以通过电力线缆发送至LCD显示模块上，这样用户在屋内就能够及时了解自己的用电信息，可以提高用户的节能意识，避免电能浪费；
通过设置电量分析模块对用户用电信息进行分析处理，得到缺电系数BH，及时进行购电提醒，同时购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析，提示用户尽快购电以及购买合适的电量，避免购电过少、电量消耗快造成频繁购电或一次性购电过多、电量消耗慢造成电量堆积，资金被占用等问题；提高用户体验感。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统，包括IC卡接口、电能计量模块、LCD显示模块、处理器、载波通信模块、电量监测模块、电量分析模块、提醒模块以及购电管理模块；
所述处理器连接IC卡接口，CPU卡通过读卡器连接IC卡接口，实现处理器的内部计费控制，用户通过电脑将购电信息输入CPU卡内实现购电；
所述电能计量模块用于对用户用电信息进行计量；所述电能计量模块通过载波通信模块以电力线载波通信的方式与LCD显示模块相连接；电能计量模块将统计的用户用电信息通过电力线缆发送至LCD显示模块上，由LCD显示模块进行实时显示；
LCD显示模块：安装在用户室内，用于实时显示用户用电信息；
电量监测模块用于实时监测LCD显示模块显示的用户用电信息并将用户用电信息传输至电量分析模块；所述电量分析模块用于对用户用电信息进行分析处理，具体分析步骤为：
当用户开始用电时，按照用户预设的监测间隔时长采集LCD显示模块显示的用户用电信息；
将用户的当前剩余电量标记为Li，建立当前剩余电量随时间变化的曲线图，对该曲线图进行求导获取电量消耗速率曲线图；对电量消耗速率曲线图进行分析，得到缺电系数BH；
若缺电系数BH≥缺电系数阈值，则判定此时电量不足，生成电量不足信号；所述电量分析模块用于将电量不足信号经处理器传输至购电管理模块；
所述购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析，得到补电量BL，并将电量不足信号和对应的补电量BL发送至用户的手机终端，提示用户尽快购电。
进一步地，所述CPU卡为内置加密单元的智能IC卡，所述用户用电信息包括用户当天用电量、当前剩余电量和当前用电功率。
进一步地，所述电能计量模块包括电压电流互感器、A/D转换器；所述电压电流互感器用于采集电压电流信号并将电压电流信号传输至A/D转换器，A/D转换器接收电压电流信号将其转换成数字信号并将转换后的数字信号传输至处理器；所述处理器用于承担负荷控制、费率控制、数据处理及存储功能。
进一步地，对电量消耗速率曲线图进行分析，得到缺电系数BH，具体为：
当用户的当前剩余电量Li≥电量阈值时，若在第一预设时间T1内，电量消耗速率值均大于预设电耗阈值K，则表示当前剩余电量处于高耗状态；
若当前剩余电量处于高耗状态，获取在第一预设时间T1内用户的电量消耗速率值，并标记为Di，得到消耗速率信息组；
按照标准差计算公式得到消耗速率信息组的标准差α；
若α≤预设标准差阈值；则按照平均值计算公式得到消耗速率信息组的平均值并标记为Ks；同时令参考电耗率CK＝Ks；
若α＞预设标准差阈值，则令参考电耗率CK＝＝(Ks×b1+α×b2)0.45；其中b1、b2为系数因子；利用公式BH＝(CK×a2)/(Li×a1)计算得到缺电系数BH，其中a1、a2为系数因子；
当用户的当前剩余电量Li＜电量阈值时，将用户的实时电量消耗速率值标记为Kz；利用公式BH＝1/(Li×a3-Kz×a4)计算得到缺电系数BH，其中a3、a4为系数因子。
进一步地，所述电量分析模块的具体分析步骤还包括：
V1：若当前剩余电量处于高耗状态，生成电量高耗信号；
所述电量分析模块用于将电量高耗信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当前电量高耗过快，建议合理安排电器使用，避免电路跳闸”；
V2：获取用户的当天用电量DT1；若当天用电量DT1达到预设阈值，则生成用电超量信号；
所述电量分析模块用于将用电超量信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当天用电超量，建议合理安排电器使用，节约用电”；
V3：获取用户的当前用电功率W1；若在第二预设时间T2内，当前用电功率W1均大于预设功率阈值，则生成功率超额信号；
所述电量分析模块用于将功率超额信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当前用电功率超额，建议合理安排电器使用，避免电路跳闸”。
进一步地，所述购电管理模块的具体分析步骤为：
S1：购电管理模块接收到电量不足信号时，获取对应的当前剩余电量Li，并将其标记为补前电量B前；
S2：获取缺电系数BH的计算公式，其中当B前＜电量阈值时，则BH＝1/(Li×a3-Kz×a4)；当B前≥电量阈值时，则BH＝(CK×a2)/(Li×a1)；将Li作为变量，令缺电系数BH＝缺电系数阈值×1/2，求解此时的Li的值，将其作为补后电量B后；
S3：利用公式BL＝B后-B前计算得到补电量BL。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、IC卡接口通过读卡器连接CPU卡，处理器连接IC卡接口，实现处理器的内部计费控制；用户只需通过电脑将购电信息输入CPU卡内即可实现购电；同时CPU卡内置加密单元，避免购电信息泄露，保证了信息安全；
2、电能计量模块用于对用户用电信息进行计量，电能计量模块统计的用户用电信息可以通过电力线缆发送至LCD显示模块上，由LCD显示模块进行实时显示；这样用户在屋内就能够及时了解自己的用电信息，这样可以提高用户的节能意识，避免电能浪费；
3、电量监测模块用于实时监测LCD显示模块显示的用户用电信息；电量分析模块用于对用户用电信息进行分析处理；将用户的当前剩余电量标记为Li，建立当前剩余电量随时间变化的曲线图，对该曲线图进行求导获取电量消耗速率曲线图；对电量消耗速率曲线图进行处理分析，得到缺电系数BH，若缺电系数BH≥缺电系数阈值，则判定此时电量不足，生成电量不足信号，及时提示用户购电，避免电量不足；
4、所述购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析，当购电管理模块接收到电量不足信号时，获取对应的当前剩余电量Li，并将其标记为补前电量B前；获取缺电系数BH的计算公式，将Li作为变量，令缺电系数BH＝缺电系数阈值×1/2，求解此时的Li的值，将其作为补后电量B后；利用公式BL＝B后-B前计算得到补电量BL；所述购电管理模块用于将电量不足信号和对应的补电量BL发送至用户的手机终端，提示用户尽快购电以及购买合适的电量，避免购电过少、电量消耗快造成频繁购电或一次性购电过多、电量消耗慢造成电量堆积，资金被占用等问题；提高用户体验感；
5、本发明中电量分析模块还通过对当前剩余电量、当前用电功率和当天用电量进行监测分析，在当前剩余电量处于高耗状态或当前用电功率过大或当天用电量过多时，及时提醒用户，建议用户合理安排电器使用，能够避免电路跳闸，节约用电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统的原理框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统，包括IC卡接口、电能计量模块、A/D转换器、LCD显示模块、处理器、载波通信模块、电量监测模块、电量分析模块、提醒模块以及购电管理模块；
所述IC卡接口通过读卡器连接CPU卡，所述CPU卡为内置加密单元的智能IC卡，所述处理器连接IC卡接口，CPU卡通过读卡器连接IC卡接口，实现处理器的内部计费控制；用户只需通过电脑将购电信息输入CPU卡内即可实现购电；CPU卡内置加密单元，避免购电信息泄露，保证了信息安全；
所述电能计量模块用于对用户用电信息进行计量，所述电能计量模块包括电压电流互感器、A/D转换器；所述电压电流互感器用于采集电压电流信号并将电压电流信号传输至A/D转换器，A/D转换器接收电压电流信号将其转换成数字信号并将转换后的数字信号传输至处理器；
所述处理器用于承担负荷控制、费率控制、数据处理及存储功能；所述电能计量模块通过载波通信模块以电力线载波通信的方式与LCD显示模块相连接；电能计量模块统计的用户用电信息可以通过电力线缆发送至LCD显示模块上，由LCD显示模块进行实时显示；
LCD显示模块：安装在用户室内，用于实时显示用户用电信息，所述用户用电信息包括用户当天用电量、当前剩余电量和当前用电功率；这样用户在屋内就能够及时了解自己的用电信息，这样可以提高用户的节能意识，避免电能浪费；
电量监测模块用于实时监测LCD显示模块显示的用户用电信息并将用户用电信息传输至电量分析模块；所述电量分析模块用于对用户用电信息进行分析处理，具体分析步骤为：
步骤一：当用户开始用电时，按照用户预设的监测间隔时长采集LCD显示模块显示的用户用电信息；
步骤二：设置用电参数，包括：第一预设时间T1、第二预设时间T2和预设电耗阈值K；其中T1、T2、K均为预设值；
步骤三：将用户的当前剩余电量标记为Li，建立当前剩余电量随时间变化的曲线图，对该曲线图进行求导获取电量消耗速率曲线图；
步骤四：当用户的当前剩余电量Li≥电量阈值时，若在第一预设时间T1内，电量消耗速率值均大于预设电耗阈值K，则表示当前剩余电量处于高耗状态；
若当前剩余电量处于高耗状态，获取在第一预设时间T1内用户的电量消耗速率值，并标记为Di，得到消耗速率信息组；
按照标准差计算公式得到消耗速率信息组的标准差α；
若α≤预设标准差阈值；则按照平均值计算公式得到消耗速率信息组的平均值并标记为Ks；同时令参考电耗率CK＝Ks；
若α＞预设标准差阈值，则令参考电耗率CK＝＝(Ks×b1+α×b2)0.45；其中b1、b2为系数因子；
利用公式BH＝(CK×a2)/(Li×a1)计算得到缺电系数BH，其中a1、a2为系数因子；
步骤五：当用户的当前剩余电量Li＜电量阈值时，将用户的实时电量消耗速率值标记为Kz；
利用公式BH＝1/(Li×a3-Kz×a4)计算得到缺电系数BH，其中a3、a4为系数因子；
步骤六：将缺电系数BH与缺电系数阈值相比较；
若缺电系数BH≥缺电系数阈值，则判定此时电量不足，生成电量不足信号；
所述电量分析模块用于将电量不足信号和对应的当前剩余电量Li、参考电耗率CK、实时电量消耗速率值Kz传输至处理器，所述处理器用于将电量不足信号和对应的当前剩余电量Li、参考电耗率CK、实时电量消耗速率值Kz传输至购电管理模块；
所述购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析，具体步骤为：
S1：购电管理模块接收到电量不足信号时，获取对应的当前剩余电量Li，并将其标记为补前电量B前；
S2：获取缺电系数BH的计算公式，其中当B前＜电量阈值时，则BH＝1/(Li×a3-Kz×a4)；当B前≥电量阈值时，则BH＝(CK×a2)/(Li×a1)；将Li作为变量，令缺电系数BH＝缺电系数阈值×1/2，求解此时的Li的值，将其作为补后电量B后；
S3：利用公式BL＝B后-B前计算得到补电量BL；
所述购电管理模块用于将电量不足信号和对应的补电量BL发送至用户的手机终端，提示用户尽快购电，避免电量不足导致停电；同时结合当前剩余电量Li、参考电耗率CK、实时电量消耗速率值Kz对补电量BL进行分析，提示用户购买合适的电量，避免购电过少、电量消耗快造成频繁购电或一次性购电过多、电量消耗慢造成电量堆积，资金被占用等问题；提高用户体验感；
所述电量分析模块的具体分析步骤还包括：
V1：若当前剩余电量处于高耗状态，生成电量高耗信号；
所述电量分析模块用于将电量高耗信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当前电量高耗过快，建议合理安排电器使用，避免电路跳闸”；
V2：获取用户的当天用电量DT1；若当天用电量DT1达到预设阈值，则生成用电超量信号；
所述电量分析模块用于将用电超量信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当天用电超量，建议合理安排电器使用，节约用电”；
V3：获取用户的当前用电功率W1；若在第二预设时间T2内，当前用电功率W1均大于预设功率阈值，则生成功率超额信号；
所述电量分析模块用于将功率超额信号经处理器传输至提醒模块；所述提醒模块用于发送提醒信息至用户的手机终端，所述提醒信息为“当前用电功率超额，建议合理安排电器使用，避免电路跳闸”；
本发明中电量分析模块通过对当前剩余电量、当前用电功率和当天用电量进行监测分析，在当前剩余电量处于高耗状态或当前用电功率过大或当天用电量过多时，及时提醒用户，建议用户合理安排电器使用，能够避免电路跳闸，节约用电。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
一种带有CPU卡的单相费控智能电能表系统，在工作时，IC卡接口通过读卡器连接CPU卡，处理器连接IC卡接口，实现处理器的内部计费控制；用户只需通过电脑将购电信息输入CPU卡内即可实现购电；同时CPU卡内置加密单元，避免购电信息泄露，保证了信息安全；
电能计量模块用于对用户用电信息进行计量，电能计量模块统计的用户用电信息可以通过电力线缆发送至LCD显示模块上，由LCD显示模块进行实时显示；这样用户在屋内就能够及时了解自己的用电信息，这样可以提高用户的节能意识，避免电能浪费；
电量监测模块用于实时监测LCD显示模块显示的用户用电信息；电量分析模块用于对用户用电信息进行分析处理；将用户的当前剩余电量标记为Li，建立当前剩余电量随时间变化的曲线图，对该曲线图进行求导获取电量消耗速率曲线图；对电量消耗速率曲线图进行处理分析，得到缺电系数BH，若缺电系数BH≥缺电系数阈值，则判定此时电量不足，生成电量不足信号；所述购电管理模块用于接收电量不足信号后对补电量进行分析，当购电管理模块接收到电量不足信号时，获取对应的当前剩余电量Li，并将其标记为补前电量B前；获取缺电系数BH的计算公式，将Li作为变量，令缺电系数BH＝缺电系数阈值×1/2，求解此时的Li的值，将其作为补后电量B后；利用公式BL＝B后-B前计算得到补电量BL；所述购电管理模块用于将电量不足信号和对应的补电量BL发送至用户的手机终端，提示用户尽快购电以及购买合适的电量，避免购电过少、电量消耗快造成频繁购电或一次性购电过多、电量消耗慢造成电量堆积，资金被占用等问题；提高用户体验感。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。