CN104466736A - 一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其包括：总线断路器、剩余电流检测模块、总线断路器电气位置前的电源隔离变压器及电压相序检测模块、对各个分路进行电流检测的负载电流检测模块以及负载电流检测模块检测的信号进行放大调离的模拟信号调理模块、起主控作用的MCU***及电源模块、通信模块、能控制分路通断的分路断路控制器以及报警控制驱动模块，安装于通用配电箱内的整体低压电器产品，实现住宅内单相或三相交流电源的智能配电、智能用电保护、智能监测和控制。
Description
技术领域
本发明涉及住宅配电及低压用电保护技术领域，特别是涉及将低压用电的多种保护技术集成并构成一个智能的具有家用配电功能的低压电器装置的电子技术领域，同时也涉及智能家居领域。
背景技术
当前家庭的住宅配电一般是首先在住宅配电箱箱内安装导轨，然后在导轨上安装单相或三相的进线总空气开关（断路器），再用不同颜色不同规格的导线连接至规格不同的各个单相或三相的分路空气开关。进线总断路器常常配漏电保护器，因此，常使用一体漏电断路器作为进线总断路器。这样的配电箱在技术日益进步、安全要求不断提高的今天，其存在着愈来愈不容忽视的不足之处：
(1)虽然配电箱是按国标生产的，但配电箱内断路器和导线是人工安装的，存在质量不稳定的因素；
(2)现在配电箱内所采用的小型断路器大多为磁饱和式断路器，无论瞬时脱扣整定电流还是过载保护的整定电流和整定时间的精度都不高，误差大，而且产品参数离散性大，有些产品只有过载保护功能；
(3)现行配电方式中没有配电线路电气火灾监测与保护， 只有在进线总线处装有保护人身的电击漏电保护器，也就是说在目前的住宅配电中没有实现剩余电流的分级保护，容易引起误动作或保护不到位造成人员、设备的危险和损失，而且大多是AC型剩余电流保护器，面对愈来愈多的变频电器和高频电器，常常不能确保万无一失；
(4) 现行配电方式无法实现智能配电和智能控制，常常是一幢楼一套配电方案。如果某一分路的负载发生变化，需要使断路器起到切实的用电保护就必须更换相应分路上的断路器。这就需要花费额外的时间成本和材料成本，因此，目前绝大多数住户都是不管用电负载的变化将就着用，这就存在着安全隐患；
(5)如果使用现行的住宅配电方案，如住户要实现住宅智能化，实现监视、控制电器设备，必须另配住宅智能***，这样会造成布线和设备的浪费。
发明内容
本发明的目的是制造一个具有智能配电、用电保护和分路控制功能的低压电器产品，取代现在采用不同规格的分立空气断路器和导线在住宅配电箱内构成的住宅配电***。
本发明提供一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其作为一个整体的低压电器产品安装于通用家居配电箱内，所述智能家用配电装置将接入的一路单相或三相交流电源分配成多个单相或三相交流输出分路；所述智能家用配电装置包括：总线断路器、剩余电流检测模块、安装在总线断路器电气前端位置的电源隔离变压器及电压相序检测模块、对各个分路进行电流检测的负载电流检测模块、对负载电流检测模块检测的信号进行放大调离的模拟信号调理模块、起主控作用的MCU***及电源模块、通信模块、能控制分路通断的分路断路控制器以及报警控制驱动模块；所述剩余电流检测模块分为设置在总线上的用于线路火灾监测的第一级剩余电流检测模块和在分路上的用于防止人体触电的第二级剩余电流检测模块。
所述电源隔离变压器及电压相序检测模块包括隔离变压器或隔离电源模块，并安装于总线断路器电气前端位置。
所述通信模块包括任意一种或多种EIB、RS485、Wifi、蓝牙、电力载波通信、Zigbee通信方式。
多个智能家用配电装置通过电力线进行并联或级联时组成的大型住宅配电***和控制网络，并在其中具有路由功能。
所述MCU***及电源模块、通信模块和模拟信号调理模块组成一个SELV***。
发明的有益效果是：安装于通用配电箱内的整体低压电器产品，实现住宅内单相或三相交流电源的智能配电、智能用电保护、智能监测和控制；设置在总线上的剩余电流检测模块检查住宅内电源线的漏电，用以防止因配电线路漏电引起的电气火灾，在墙壁电源插座和连接容易触及电器外壳的输出分路上安装的剩余电流检测模块其主要功能是防止人体触电危险的发生；易于拓展为智能家居***。
附图说明
图1是本发明的内部结构示意图。
图2是较大型住宅中本发明的并联与级联的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
如图1所示，本发明提供一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其作为一个整体的低压电器产品安装于通用家居配电箱0内，所述智能家用配电装置10将接入的一路单相或三相交流电源分配成多个单相或三相交流输出分路，所述智能家用配电装置10包括：总线断路器2、剩余电流检测模块3、在总线断路器2电气前端位置的电源隔离变压器及电压相序检测模块11、对各个分路进行电流检测的负载电流检测模块8以及负载电流检测模块检测的信号进行放大调离的模拟信号调理模块4、起主控作用的MCU***及电源模块6、能控制分路通断的分路断路控制器7以及报警控制驱动模块9。
电源隔离变压器及电压相序检测模块11提供的电压信号、剩余电流检测模块3提供的电流信号和从负载电流检测模块8获取负载电流信号都进入模拟信号调理模块4，信号进放大调理至适合电平连接到MCU***6的ADC输入端，同时，模拟信号调理模块4还包含了对各个分路负载电流信号进行阈值比较的比较器，此比较器的输出可以链接到MCU***6的中断输入端，也可以与MCU***6中输出驱动信号进行逻辑运算操作后驱动分路断路控制器7。
经过模拟信号调理模块4后连接到ADC输入端的各分路负载电流信号、总线及分路剩余电流信号、各AC电压信号的波形都是全波整流后的呈半个交流波形的脉动直流波形。MCU***对这些波形进行AD采样，转换成数字信号，并计算这些电信号的有效值及应用快速方法识别瞬时故障电流和畸变剩余电流，从而实现对分路上的用电器和人身进行各种保护。
各个分路的额定电流以及过载保护、短路保护、瞬时保护的整定参数都可以由本装置的MCU***6使用通信模块5中的任一介质与外部计算机或智能设备进行通信来设定。
本发明增加了现行的依靠小型热磁空气断路器构成的住宅配电***所没有的瞬时保护功能，并纠正了其各种保护参数离散性大、常常不能正确进行分级保护的缺陷。
所述电源隔离变压器及电压相序检测模块11包括隔离变压器或隔离电源模块。电源隔离变压器及电压相序检测模块11使用一个隔离变压器（单相或三相）或隔离电源模块为整个装置提供浮地的直流电源***（包括为EIB总线提供所需的24V直流电源），同时，为过压欠压保护、缺相与相序保护提供AC电压信号。
本发明在模拟信号调理模块4中取自隔离变压器或隔离电源模块的电压信号并进行相序判断，这对于大型住宅中越来越多三相的电器显得尤为重要，并增加了现行住宅配电***中所没有的欠压过压保护功能。
通过单相或三相的总线断路电器2和单相或三相的输出分路断路控制器7以及本装置内部线路实现住宅家用配电功能；在总线断路电器2的电气后端和各输出分路上都接有剩余电流检测模块3，各个分路的相线上均有负载电流检测模块8。
所述剩余电流检测模块3分别设置在总线上的用于线路火灾监测的第一级剩余电流检测模块以及分路上的用于防止人体触电的负载电流检测模块。总线上的剩余电流检测主要功能是负责检查住宅内电源线的漏电，用以防止因配电线路漏电引起的电气火灾，其剩余不动作电流设置在不大于300mA。在墙壁电源插座和连接容易触及电器外壳的输出分路上安装的剩余电流检测其主要功能是防止人体触电危险的发生，其剩余不动作电流设置在不大于30mA。
在剩余电流有效值的识别算法上，针对由于家庭中变频电器和高频电器愈来愈多剩余电流波形呈现出正弦脉动直流波形或残缺不规则的脉动直流波形等情况，采用了直流跟踪、差分阈值判断和平均功率估计等方法相结合，快速准确地计算出有效值，能够实现A型剩余电流保护器的功能，确保剩余电流保护动作的准确性。
总线上的第一级剩余电流检测模块所检测的剩余电流是某个住宅内的总剩余电流，是各个安装了第二级剩余电流检测模块的分路与其他分路（如灯光线路）上所有剩余电流的总和。因此，本发明装置能检测因线路绝缘层破损、接线处接触不良引起的电弧性短路所产生的剩余电流，从而全面预防电气火灾的发生。至于引起电气火灾的其他原因如过载、短路、线路过热，是通过剩余电流检测模块和多段式用电保护机制加以预防的。
每一个输出分路的相线上都装有负载电流检测模块，可以精确测量分路的负载电流；同时通过本发明装置的通信模块可以设定各分路过载保护、短路保护及瞬时保护的整定参数，因此每个住户可以根据自己家庭每一分路用电负荷大小精确配置设定各分路的整定参数，并可以在日后负荷变化时及时调整相应分路的整定参数。
所述通信模块5包括EIB（是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准）、RS485、Wifi、蓝牙、电力载波通信、Zigbee通信方式。通信模块5使用一种或几种方式和外部设备（外部显示键盘设备、外部灯光操作控制面板、住宅灯光调光设备、一个住宅内的第二个本发明装置）进行通信和控制。另外，各种台式、移动计算机及其他智能移动设备还能通过USB、Wifi和蓝牙方式与本发明装置进行通信，对各个用电保护整定参数的进行设置，同时也能遥控各输出分路的通断。
通过智能家用配电装置10的通信模块5中的一个或多个介质与智能家用配电装置10相联接的外部设备可以是运行了本智能家用配电装置10制造商发布的APP的智能通用分路（如智能手机、平板电脑等），也可以是与智能家用配电装置10配套的专用外设。
多个智能家用配电装置10通过电力线进行并联或级联时组成的大型住宅配电***和控制网络中具有路由功能。
本发明在通过电力线进行并联或级联时组成的大型住宅配电***和控制网络中具有路由功能，即一个本发明下总线设备的操作控制信号可以传输到另一个本发明下总线操作显示设备或控制另一个本发明中某一分路的通断。
在较大型的住宅内，为了使室内电力线布置得更为安全和简洁，可以采用多个智能家用配电装置10使用并联或级联的方式连接，如图2 所示。在这种方式下，智能家用配电装置10的MCU***和通信模块，充当了路由器的作用。即通过操作某一区域内EIB或RS485总线上的显示操作设备，可以控制另外区域内的用电分路、分路上的智能设备（如调光设备、电动窗帘、智能通风设备）或与另一智能家用配电装置10相连的EIB或RS485总线上的显示操作设备。
所述MCU***、电源模块、通信模块及模拟信号调理模块组成一个SELV***。SELV***也就是SELV电路指安全特低电压电路，即作了适当的设计和保护的二次电路，使得在正常条件下或单一故障条件下，任意两个可触及的零部件之间，以及任意的可触及零部件和设备的保护接地端子（仅对I类设备）之间的电压，均不会超过安全值。
此***内最高电压是EIB总线所需要的直流24V电源。本发明装置10还向使用RS485方式连接本装置通信模块5的外部设备（外部显示键盘设备、外部灯光操作控制面板）提供5~12V直流电源。
本发明在实现一路单相或三相接入交流源转换成多个单相或三相交流输出分路的配电过程中，同时实现了以下多种用电保护功能：二级剩余电流检测和保护、总回路和（部分或全部）分路的过负荷反时限特性保护、短路特性保护、瞬时特性保护、线路火灾检测报警、欠电压、过电压及缺相保护、相序检测或相线零线错位保护。本发明以嵌入式MCU为核心包含剩余电流检测模块、各个分路负载电流检测模块、电压检测、相序及错位检测模块、电源模块和通信模块。通信模块具有多种通信介质，外部设备通过通信模块可以设置本发明的各个保护参数。另外，本发明可以和多种不同的外部设备相连，构成智能家居***，也可以和其他智能家居***相连，从而实现对各分路的遥控、遥测、遥感。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其特征在于：其作为一个整体的低压电器产品安装于通用家居配电箱(0)内，所述智能家用配电装置（10）将接入的一路单相或三相交流电源分配成多个单相或三相交流输出分路；所述智能家用配电装置（10）包括：总线断路器（2）、剩余电流检测模块（3）、安装在总线断路器电气前端位置的电源隔离变压器及电压相序检测模块（11）、对各个分路进行电流检测的负载电流检测模块（8）、对负载电流检测模块检测的信号进行放大调离的模拟信号调理模块（4）、起主控作用的MCU***及电源模块（6）、通信模块（5）、能控制分路通断的分路断路控制器（7）以及报警控制驱动模块（9）；所述剩余电流检测模块（3）分为设置在总线上的用于线路火灾监测的第一级剩余电流检测模块和在分路上的用于防止人体触电的第二级剩余电流检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其特征在于，所述电源隔离变压器及电压相序检测模块（11）包括隔离变压器或隔离电源模块，并安装于总线断路器电气前端位置。
3.根据权利要求1所述的一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其特征在于，所述通信模块（5）包括任意一种或多种EIB、RS485、Wifi、蓝牙、电力载波通信、Zigbee通信方式。
4.根据权利要求1所述的一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其特征在于，多个智能家用配电装置（10）通过电力线进行并联或级联时组成的大型住宅配电***和控制网络，并在其中具有路由功能。
5.根据权利要求1所述的一种具有多种用电保护功能的智能家用配电装置，其特征在于，所述MCU***及电源模块、通信模块和模拟信号调理模块（4）组成一个SELV***。
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