CN109638967B - 一种智能配电箱的用电安全预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能配电箱的用电安全预警方法，步骤一、采集配电箱进线上的实时电流值I，并计算出电流有效值Ia；步骤二、采集配电箱进线上的实时电压值U，并计算出电压有效值Ua；步骤三、设定实时电流值I的绝对阈值、实时电压值U的绝对阈值，设定电流有效值Ia的有效阈值、电压有效值Ua的有效阈值；步骤四、对实时电流值I和电流有效值Ia进行过流保护预警，当实时电流值I或电流有效值Ia超过对应的阈值时，进行过电流保护，切断电源，发出预警；步骤五、对线路上的电信号进行双向超限保护预警。本发明解决了线路故障预警不及时的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及智能用电监控技术领域，具体涉及一种智能配电箱的用电安全预警方法。
背景技术
物联网技术近十年发展十分迅速。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，是继计算机、互联网之后的第三次世界信息产业浪潮，并有逐步替代传统互联网的趋势。其应用遍及智能交通、环境保护、市政管理、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、环境检测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系检测、食品溯源、敌情侦查和情报搜索等众多领域。针对物联网业务巨大的市场潜力以及发展速度，继续一款基于物联网用电的综合监控终端------智能家用配电箱。
基于物联网的用电综合监控终端主要包括监控终端、运营商网络服务器和用户终端。监控终端即我们要做的设备，主要是电路的数据采集和通信，之后监控终端和运营商网络进行信息交互，服务器负责数据的分析、汇总、存储和运算等。用户终端(手机、电脑)可以对服务器进行访问及控制命令的发布。
目前智能家用配电箱没有远程的故障监控和报警功能，或者当过电流、过电压发生时，报警和处理不及时，到时线路故障进一步严重，损耗线路设备。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的目的是提供一种智能配电箱的用电安全预警方法，在软件上，通过监测和计算线路上的电信号值，并与设定值进行比较，当有效值或绝对值任何一个超过设定值时进行报警和保护，同时，在硬件上通过一级双向超限保护，当过电流或过电压发生时，通过该双向超限保护电路即可及时发出预警并进行保护处理，本发明解决了线路故障预警不及时的技术问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种智能配电箱的用电安全预警方法，包括以下步骤：
步骤一、采集配电箱进线上的实时电流值I，并计算出电流有效值Ia；
步骤二、采集配电箱进线上的实时电压值U，并计算出电压有效值Ua；
步骤三、设定实时电流值I的绝对阈值、实时电压值U的绝对阈值，设定电流有效值Ia的有效阈值、电压有效值Ua的有效阈值；
步骤四、对实时电流值I和电流有效值Ia进行过流保护预警，当实时电流值I或电流有效值Ia超过对应的阈值时，进行过电流保护，切断电源，发出预警；
或者，对实时电压值U和电压有效值Ua进行过压保护预警，当实时电压值U和电压有效值Ua超过对应的阈值时，进行过电压保护，切断电源，发出预警；
步骤五、对线路上的电信号进行双向超限保护预警。
优选的，建构一电信号采集电路，该电信号采集电路包括：
若干串联的分压电阻，第一个所述分压电阻连接火线进线端，最后一个所述分压电阻连接一第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的输出端连接至电压采集端；
电压采样电阻，其第一端连接所述第一比较器的同相输入端，所述电压采样电阻的第二端连接第一电源端，所述第一电源端连接零线进线端；
第一分压电路，其包括串联的两个电阻，所述第一分压电路的第一端连接第一电源端，所述第一分压电路的第二端连接所述第一比较器的输出端，所述第一分压电路的中间端连接所述第一比较器的反相输入端；
电流采样电阻，所述电流采样电阻的第一端连接一第二比较器的同相输入端和外部负载的一端，外部负载另一端连接至火线进线端，电流采样电阻的第二端连接所述零线进线端，”，所述第二比较器的输出端连接至电流采集端；
第二分压电路，其包括串联的两个电阻，所述第二分压电路的第一端连接第一电源端，所述第二分压电路的第二端连接所述第二比较器的输出端，所述第二分压电路的中间端连接所述第二比较器的反相输入端。
优选的，建构一双向超限保护电路，该双向超限保护包括：
第三比较器，其反相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第三比较器的同相输入端连接一第三分压电路的中间；
第四比较器，其同相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第四比较器的反相输入端连接一第四分压电路的中间；
第一三极管，其为P型三极管，所述第一三极管的基极分别与所述第三比较器和第四比较器的输出端连接，所述第一三极管的集电极连接一第五分压电路的第一端，所述第五分压电路的第二端接地；以及
第二三极管，其为N型三极管，所述第二三极管的基极连接至所述第五分压电路的中间端，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极连接至所述双向超限保护电路的输出端。
优选的，所述第一比较器至第四比较器连接至第二电源端，所述第一电源端的电压值为第二电源端电压值的一半，所述第一三极管的发射极连接所述第二电源端。
优选的，对实时电流进行A/D采样，所述实时电流值I的计算方法为：
I＝(IAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R3/R2)/Ris；
其中，X为A/D满量程数值，电流的即时A/D数据为IAD，VCC为第二电源端电压值，Ris是电流采样电阻，R3、R2是第二分压电路中的两个电阻。
优选的，对实时电压进行A/D采样，所述实时电压值U的计算方法为：
U＝(UAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R11/R10)*(R5+R6+R7+R8+R9)/R9；
其中，电压的即时A/D数据为UAD，VCC为第二电源端电压值，R9是电压采样电阻，R11、R10是第一分压电路中的两个电阻，R5、R6、R7、R8是所述分压电阻。
优选的，步骤一中，所述电流有效值Ia的计算方法为：
所述电压有效值Ua的计算方法为：
其中，一个周期A/D采集的数据个数为N，n＝1,2,3…N，In为一个周期内采集到的第n个实时电流值，Un为一个周期内采集的第n个实时电压值。
优选的，所述双向超限保护电路的输入端与所述电信号采集电路的输出端连接，所述第三比较器对实时电流值I或实时电压值U进行负超限保护比较，所述第四比较器对实时电流值I或实时电压值U进行正超限保护比较，当负超限或正超限保护时，触发第一三极管导通，进而触发第二三极管输出保护驱动信号。
优选的，所述第三比较器的同相输入端与地线之间、所述第四比较器的反相输入端与地线之间、所述第二三极管基极与地线之间分别连接一电容。
优选的，所述第一三极管的基极分别通过一电阻与所述第三比较器和第四比较器的输出端连接，所述第三比较器的反相输入端、第四比较器的同相输入端分别通过一电阻与所述电信号采集电路的输出端连接。
与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：
1、本发明可以远程监测配电箱上的电信号，方便终端监测和控制；
2、通过软件算法的改进，根据采集到的信号好进行阈值判定，当任何一电信号的有效值或瞬时值超限时，进行预警和保护处理；
3、通过硬件的改进，当过电流或过电压发生时，通过双向超限保护电路即可及时发出预警并进行保护处理，从而实现了软硬件的双重保护，提高了线路用电的安全性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是电源电路图；
图2是电信号采集电路图；
图3是双向超限保护电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
本发明提供了一种智能配电箱的用电安全预警方法，首先构建一电信号采集电路，以便于对线路上的电信号进行实时监测，并将监测结果传送至远端终端，实现远程监控。
如图1-图2所示，该电信号采集电路包括：
若干串联的分压电阻R5-R8，第一个所述分压电阻R5连接火线进线端，最后一个所述分压电阻R8连接一第一比较器OP1的同相输入端，所述第一比较器OP1的输出端通过电阻R12连接至电压采集端。
电压采样电阻R9，其第一端连接所述第一比较器OP1的同相输入端，所述电压采样电阻R9的第二端连接第一电源端VCC/2，所述第一电源端VCC/2连接零线进线端，电压采样电阻R9两端并联一电容C9。
第一分压电路，其包括串联的两个电阻R10和R11，所述R10的第一端连接第一电源端VCC/2，所述R11的第二端连接所述第一比较器OP1的输出端，所述R10和R11的中间端连接所述第一比较器OP1的反相输入端。
电流采样电阻Ris，其串联在所述零线进线端，所述电流采样电阻Ris的第一端通过电阻R1连接一第二比较器OP2的同相输入端，电阻R1第二端与电流采样电阻Ris第一端两端并联一电容C7，所述第二比较器OP2的输出端通过电阻R4连接至电流采集端。
第二分压电路，其包括串联的两个电阻R2和R3，所述R2的第一端连接第一电源端VCC/2，所述R3的第二端连接所述第二比较器OP2的输出端，所述R2和R3的中间端连接所述第二比较器OP2的反相输入端。
上述技术方案中，所述第一比较器OP1至第四比较器OP4连接至第二电源端VCC，所述第一电源端的电压值为第二电源端电压值的一半。电源电路如图1所示，第一三端稳压模块输出第二电源端VCC，第二三端稳压模块输出第一电源端VCC/2。所述第一三极管Q1的发射极连接所述第二电源端VCC。
智能配电箱的用电安全预警方法具体包括以下步骤：
步骤一、采集配电箱进线上的实时电流值I，并计算出电流有效值Ia；对实时电流进行A/D采样，所述实时电流值I的计算方法为：
I＝(IAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R3/R2)/Ris；
其中，X为A/D满量程数值，电流的即时A/D数据为IAD，VCC为第二电源端电压值，Ris是电流采样电阻，R3、R2是第二分压电路中的两个电阻。
步骤一中，所述电流有效值Ia的计算方法为：
步骤二、采集配电箱进线上的实时电压值U，并计算出电压有效值Ua；对实时电压进行A/D采样，所述实时电压值U的计算方法为：
U＝(UAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R11/R10)*(R5+R6+R7+R8+R9)/R9；
其中，电压的即时A/D数据为UAD，VCC为第二电源端电压值，R9是电压采样电阻，R11、R10是第一分压电路中的两个电阻，R5、R6、R7、R8是所述分压电阻。
所述电压有效值Ua的计算方法为：
其中，一个周期A/D采集的数据个数为N，n＝1,2,3…N，In为一个周期内采集到的第n个实时电流值，Un为一个周期内采集的第n个实时电压值。
步骤三、在软件算法中设定实时电流值I的绝对阈值、实时电压值U的绝对阈值，设定电流有效值Ia的有效阈值、电压有效值Ua的有效阈值；比如，绝对阈值可以是电压或电流峰值的1.3倍，有效阈值可以是电压或电流有效值的1.2倍，具体可以根据线路总功率和设备参数来设定；
步骤四、根据步骤一计算得到的瞬时值和有效值，在软件算法上对实时电流值I和电流有效值Ia进行过流保护预警，当实时电流值I或电流有效值Ia超过对应的阈值时，进行过电流保护，切断电源，发出预警；
或者，对实时电压值U和电压有效值Ua进行过压保护预警，当实时电压值U和电压有效值Ua超过对应的阈值时，进行过电压保护，切断电源，发出预警；从而在软件上对电信号进行了有效率的预警和保护；
步骤五、对线路上的电信号进行双向超限保护预警。具体的，建构一双向超限保护电路，如图3所示，该双向超限保护包括：
第三比较器OP3的反相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第三比较器OP3的同相输入端连接一第三分压电路R14和R15的中间；
第四比较器OP4的同相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第四比较器OP4的反相输入端连接一第四分压电路R17和R18的中间；
第一三极管Q1为P型三极管，所述第一三极管Q1的基极分别与所述第三比较器OP3和第四比较器OP4的输出端连接，所述第一三极管Q1的集电极连接一第五分压电路的第一端，所述第五分压电路的第二端接地；以及
第二三极管Q2为N型三极管，所述第二三极管Q2的基极连接至所述第五分压电路的中间端，所述第二三极管Q2的发射极接地，所述第二三极管Q2的集电极连接至所述双向超限保护电路的输出端。
其中，所述第三比较器OP3的同相输入端与地线之间设置电容C11，所述第四比较器OP4的反相输入端与地线之间设置电容C12，所述第二三极管Q2基极与地线之间分别连接一电容C13。
所述第一三极管Q1的基极通过一电阻R19与所述第三比较器OP3的输出端连接，所述第一三极管Q1的基极通过一电阻R20和第四比较器OP4的输出端连接，所述第三比较器OP3的反相输入端通过一电阻R13与所述电信号采集电路的输出端连接。同时，第四比较器OP4的同相输入端分别通过一电阻R16与所述电信号采集电路的输出端连接。
所述双向超限保护电路的输入端与所述电信号采集电路的输出端连接，所述第三比较器OP3对实时电流值I或实时电压值U进行负超限保护比较，所述第四比较器OP4对实时电流值I或实时电压值U进行正超限保护比较，当负超限或正超限保护时，触发第一三极管Q1导通，进而触发第二三极管Q2输出保护驱动信号。
由上所述，本发明在软件上，通过监测和计算线路上的电信号值，并与设定值进行比较，当有效值或绝对值任何一个超过设定值时进行报警和保护，同时，在硬件上通过一级双向超限保护，当过电流或过电压发生时，通过该双向超限保护电路即可及时发出预警并进行保护处理。
比如是电流的有效值设限，则是通过软件计算出来的电流有效值与设定值进行比较，决定是否保护。同时根据有效值阀值可以计算出绝对值阀值，任何一个数据超过绝对值阀值，立刻启动保护策略，保护速度快。另外在硬件上加一级双向超限保护后，可以更快的保护短路的过电流。
可以理解的是，过电压也可以用这个双向超限保护电路进行极限的保护。
综上，本发明可以远程监测配电箱上的电信号，方便终端监测和控制；同时，通过软件算法的改进，根据采集到的信号好进行阈值判定，当任何一电信号的有效值或瞬时值超限时，进行预警和保护处理；进一步的，通过硬件的改进，当过电流或过电压发生时，通过双向超限保护电路即可及时发出预警并进行保护处理，从而实现了软硬件的双重保护，提高了线路用电的安全性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采集配电箱进线上的实时电流值I，并计算出电流有效值Ia；
步骤二、采集配电箱进线上的实时电压值U，并计算出电压有效值Ua；
步骤三、设定实时电流值I的绝对阈值、实时电压值U的绝对阈值，设定电流有效值Ia的有效阈值、电压有效值Ua的有效阈值；
步骤四、对实时电流值I和电流有效值Ia进行过流保护预警，当实时电流值I或电流有效值Ia超过对应的阈值时，进行过电流保护，切断电源，发出预警；
或者，对实时电压值U和电压有效值Ua进行过压保护预警，当实时电压值U和电压有效值Ua超过对应的阈值时，进行过电压保护，切断电源，发出预警；
步骤五、对线路上的电信号进行双向超限保护预警；
建构一电信号采集电路，该电信号采集电路包括：
若干串联的分压电阻，第一个所述分压电阻连接火线进线端，最后一个所述分压电阻连接一第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的输出端连接至电压采集端；
电压采样电阻，其第一端连接所述第一比较器的同相输入端，所述电压采样电阻的第二端连接第一电源端，所述第一电源端连接零线进线端；
第一分压电路，其包括串联的两个电阻，所述第一分压电路的第一端连接第一电源端，所述第一分压电路的第二端连接所述第一比较器的输出端，所述第一分压电路的中间端连接所述第一比较器的反相输入端；
电流采样电阻，所述电流采样电阻的第一端连接一第二比较器的同相输入端和外部负载的一端，外部负载另一端连接至火线进线端，电流采样电阻的第二端连接所述零线进线端，”，所述第二比较器的输出端连接至电流采集端；
第二分压电路，其包括串联的两个电阻，所述第二分压电路的第一端连接第一电源端，所述第二分压电路的第二端连接所述第二比较器的输出端，所述第二分压电路的中间端连接所述第二比较器的反相输入端；
建构一双向超限保护电路，该双向超限保护包括：
第三比较器，其反相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第三比较器的同相输入端连接一第三分压电路的中间；
第四比较器，其同相输入端与电流信号或电压信号端连接，所述第四比较器的反相输入端连接一第四分压电路的中间；
第一三极管，其为P型三极管，所述第一三极管的基极分别与所述第三比较器和第四比较器的输出端连接，所述第一三极管的集电极连接一第五分压电路的第一端，所述第五分压电路的第二端接地；以及
第二三极管，其为N型三极管，所述第二三极管的基极连接至所述第五分压电路的中间端，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极连接至所述双向超限保护电路的输出端。
2.如权利要求1所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，所述第一比较器至第四比较器的电源端连接至第二电源端，所述第一电源端的电压值为第二电源端电压值的一半，所述第一三极管的发射极连接所述第二电源端。
3.如权利要求2所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，对实时电流进行A/D采样，所述实时电流值I的计算方法为：
I＝(IAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R3/R2)/Ris；
其中，X为A/D满量程数值，电流的即时A/D数据为IAD，VCC为第二电源端电压值，Ris是电流采样电阻，R3、R2是第二分压电路中的两个电阻。
4.如权利要求3所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，对实时电压进行A/D采样，所述实时电压值U的计算方法为：
U＝(UAD/X*VCC-VCC/2)/(1+R11/R10)*(R5+R6+R7+R8+R9)/R9；
其中，电压的即时A/D数据为UAD，VCC为第二电源端电压值，R9是电压采样电阻，R11、R10是第一分压电路中的两个电阻，R5、R6、R7、R8是所述分压电阻。
5.如权利要求4所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，步骤一中，所述电流有效值Ia的计算方法为：
所述电压有效值Ua的计算方法为：
其中，一个周期A/D采集的数据个数为N，n＝1,2,3…N，In为一个周期内采集到的第n个实时电流值，Un为一个周期内采集的第n个实时电压值。
6.如权利要求5所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，所述双向超限保护电路的输入端与所述电信号采集电路的输出端连接，所述第三比较器对实时电流值I或实时电压值U进行负超限保护比较，所述第四比较器对实时电流值I或实时电压值U进行正超限保护比较，当负超限或正超限保护时，触发第一三极管导通，进而触发第二三极管输出保护驱动信号。
7.如权利要求6所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，所述第三比较器的同相输入端与地线之间、所述第四比较器的反相输入端与地线之间、所述第二三极管基极与地线之间分别连接一电容。
8.如权利要求7所述的智能配电箱的用电安全预警方法，其特征在于，所述第一三极管的基极分别通过一电阻与所述第三比较器和第四比较器的输出端连接，所述第三比较器的反相输入端、第四比较器的同相输入端分别通过一电阻与所述电信号采集电路的输出端连接。
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