CN104459413A - 一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电力计量领域，提供了一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置，包括采样单元，提供多路外接引脚，用于采集各用电分支的电压和电流，并将采集到的电压值和电流值传输出去；处理单元，用于接收所述采样单元传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在所述分析结果满足设定条件时输出一电能计量脉冲或警示信号，同时将所述分析结果进行存储。本发明通过集成多回路电力计量技术的方法，实现对整个家居内部全部用电分支的用电状况的整体监控，不仅实现了对使用电量的计量，还能够对用电状况进行安全监控，同时还对监控数据进行存储，方便用户查询。

Description

一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置

技术领域

本发明属于电力计量领域，尤其涉及一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置。

背景技术

社会经济的快速发展，人们生活水平的日益提高，各种各样的家用电器已经进入了千家万户，致使普通居民家庭对电力供应的需求日益激增。而据调查显示，普通居民家庭用户电能浪费现象严重，56.5％的市民清楚知道很多电器只要接通电源就会耗电，11.6％的市民表示听说过这个现象，14.6％的市民则表示完全不知道。鉴于发电过程带来的环境污染问题和用电侧的电能浪费现象，如何合理、有效的控制居民家庭能耗是重要的研究课题。

当前每户居民家庭用户的供电系统中，普遍是只在居民家庭入户位置安装有一只供电公司提供的电能表，该电能表是作为供电公司的计量收费工具在使用。该电能表仅计量此居民家庭用户的总用电量信息与一些简单电能数据，这些数据仅仅是供电公司在采集与使用，居民家庭用户很难实时获得这些用电信息。居民家庭用电信息仅在每月以电费账单的形式反馈给居民家庭用户，而电费账单只告知了用户一定时期内的总用电量，并不能给予用户详细的家居用电能耗构成。

供电线路在接入到居民家庭后一般会产生多个用电分支，如图1示例中就有4个回路的用电分支，用于各种家庭电器的用电供应。而对于居民家庭内部各用电分支的用电状况，当前并没有有效的方法进行监测与管控，导致居民家庭用户对各个用电分支下各种电器的电能消费情况无法知晓，用电消费时没有依据，导致盲目用电消费。特别是某些老旧、高耗能的家用电器造成电能的白白浪费，但当前这些状况都没有有效的方法和手段能去发现与预防。

随着居民家庭使用的电器越来越多，用电安全的问题也日益严重，由违规用电造成的财产损失、人员伤亡事件也日益增多，如何更加有效的保障人们安全用电，是一个急需解决的难题。

盲目用电或不安全用电通常都是因为对自身用电状况不了解造成的，现今，人们对自身的用电状况缺乏有效的了解工具、手段与途径，导致盲目的用电。

现有居民家庭用电的电力计量监测方法，通常有安装专业的单相电力电能表或使用简易插座式电力监测仪两种方式。

单相电力电能表具有计量精度高、性能稳定等优点，是国家质量监督局认可的专用电力计量器具，具有权威性。

单相电力电能表属于专业电力计量仪表，安装方式以工业应用方式设计，不适合居民家庭的安装或便携使用，为满足能够方便使用的需求，市场上出现了一些做成插座形式的简易电力监测仪表。这些简易电力监测仪表使用比较简便，只要将用电设备插头插入到已通电的电力监测仪表插孔中取电，即可通过电力监测仪表实现对该用电设备用电状况的监测与查看。

电力电能表的操作与使用需要一定的专业技术水平与特定安装箱体，要实际在居民家庭中应用仍存在一定的限制，采用单相导轨电表的方式采集各个分支用电状况，每个分支都是互相独立的计量，相互之间数据无法集中统计与分析。并且对安装空间的要求也比较高，需要占用较大的箱体空间。电力监测仪则仅仅实现对单个电器进行电能计量与电力参数测量功能，计量精度与稳定性没有保障，最大用电计量容量也比较小(仅限对单个电器的用电计量)，数据只能人工的方式离散采集，无法实现对居民家庭整体用电监测的综合管理要求。

综合分析上述特点，上述装置的应用局限性总结如下：

a.每个用电回路的监测彼此独立，采集数据比较离散，需要借助其他工具或人工的方式进行数据的采集、整合与统计，不便于实现对整个居民家庭用电的整体管理、查看与分析。

b.装置功能单一，仅仅实现简单的电量计量、状况查看等功能，不能实现对居民家庭用电状况的长期监控与保护。

c.装置为针对专业领域的专业人士设计，装置的安装、使用与操作均需要一定的电力专业知识，不能普及到普通居民家庭用户应用。

d.单个装置最大用电计量容量偏小，对较大用电容量计量不能满足，需要单独定制大容量规格装置才能满足。

e.装置必须采用多个组合使用的方式才能实现多用电分支的监测，因此对安装空间、接线、布线均有较高要求，不适合普通居民家庭多用电回路，并且安装空间又比较有限的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置，旨在目前电力监测装置监控单一，安装复杂，无法进行长期监控的问题。

本发明是这样实现的，一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置，包括：

采样单元，提供多路外接引脚，用于采集各用电分支的电压和电流，并将采集到的电压值和电流值传输出去；

处理单元，用于接收所述采样单元传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在所述分析结果满足设定条件时输出一电能计量脉冲或警示信号，同时将所述分析结果进行存储。

进一步地，所述采样单元包括至少一片三相计量芯片，所述三相计量芯片可接入最多三路用电分支。

进一步地，所述处理系统包括：

处理器，用于接收所述采样单元传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在分析结果满足设定条件时输出一控制信号或警示信号，并将分析结果进行存储；

脉冲输出电路，用于接收所述控制信号后输出一电能计量脉冲。

再进一步地，所述处理器在将所述分析结果在进行存储前，还对所述分析结果进行可视化处理，生成各参数的时间变化曲线图表，最后将所述分析结果和所述时间变化曲线图表进行存储。

再进一步地，所述电力综合分析包括下述分析中的一种或多种：

总电能分析：对各用电分支的所述电压值和电流值进行单独计算，生成各用电分支的单支电能数据，再对所述单支电能数据进行求和得出总电能数据；

脉冲分析：统计单位时间内的总电能增量数据⊿E，将总电能增量⊿E与脉冲常数K相乘取整得到一计算值，在所述计算值超过设定值时生成一用于控制所述脉冲输出电路的控制信号；

漏电分析：将各用电分支的所述电流值和零线电流值进行代数和计算得出总漏电流值，在所述总漏电流值超过设定值时生成一警示信号；

电压分析：在电压相对稳定状态下，以分钟为单位间隔计算电压平均值及保存电压数据曲线；当出现电压突变时，将电压数据曲线保存单位变换为秒，以秒为间隔单位计算电压平均值及保存电压数据曲线；

负荷分析：根据所述电压值和电流值计算各用电分支分钟平均有功功率，按分钟为单位保存分钟平均有功功率值，生成以分钟为单位的有功功率记录数据负荷曲线；

数据分析：将各用电分支的所述电压值和电流值独立统计，并按照一定标准进行独立保存。

进一步地，所述的多回路电力监测装置还包括显示单元，与所述处理单元相连接，用于在接收到输出指令时，将所述分析结果以可视化的方式进行显示。

进一步地，所述的多回路电力监测装置还包括通讯单元，与所述处理单元相连接，用于与外部系统进行数据传输。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过集成多回路电力计量技术的方法，提供多路接线引脚，分别接入家庭各用电分支，不仅实现对整个家居内部全部用电分支的用电计量与监控，还能对各用电分支的计量数据进行统计和分析，使用本发明不仅实现了对使用电量的计量，对用电状况进行安全监控，同时还能将监测数据进行存储，方便用户查询。

附图说明

图1是普通居民家庭用户用电线路简图。

图2是本发明实施例提供的一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置的安装示意图。

图3是本发明提供的一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的ATT7022E三相计量芯片的应用示意图。

图5是本发明实施例提供的两片ATT7022E组合成六回路分支计量采样电路示意图。

图6是本发明实施例提供的多回路电力计量SPI集成通信原理框图。

图7是本发明实施例提供的多回路电力计量集成电压异常事件曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明提供的多回路电力监测装置1可分别直接接入多路用电分支，无需进行复杂的电路布线即可对各用电分支进行单独的电力计量。

图3为本发明提供的本发明提供的一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置的结构示意图，包括：处理单元11和采样单元12，采样单元12提供多路外接引脚，用于采集各用电分支的电压和电流，并将采集到的电压值和电流值传输给处理单元11；处理单元11，用于接收采样单元12传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在所述分析结果满足设定条件时输出一电能计量脉冲或警示信号，同时将所述分析结果进行存储。

本发明方法的核心是通过用一片处理器芯片(MCU)组合多片三相计量芯片，由处理器作为主控，控制多片三相计量芯片实现多个用电回路电力计量功能。

在具体实施过程中，计量芯片可采用ADI公司的ADE775x系列、钜泉公司的ATT702xE系列、锐能微公司的RX8302等三相电力计量芯片

在本具体实施方式中，三相计量芯片选用钜泉公司的ATT7022E，处理器选用ST公司的STM32F107VCT6为例进行介绍。

本发明针对多回路电力计量应用，灵活运用三相计量芯片的多路计量通道，将三相计量芯片运用到单相用电计量应用中。

将单片三相电力计量芯片按单相用电计量来使用，最多只能支持3个回路单相用电计量，三相计量芯片的A、B、C相计量通道分别作为三个单相通道来使用。要满足4回路、6回路、9回路、12回路或更多用电回路分支计量时，使用单一芯片无法满足这么多计量回路的需求。因此实际应用中将多片三相计量芯片进行组合使用，灵活运用三相计量芯片的电力计量功能，再由处理系统将各分支计量电能数据进行重新组合、计算与处理，从而实现对居民家庭多用电分支特点应用场合的用电计量与监控。

电力计量采样电路中涉及到交流电压、电流两个基本分量的采样，在ATT7022E三相计量芯片数据手册中提供了典型的三相供电方式应用示意图，如图4所示，在单相计量应用中仅需一路电压U计量，所以应去除三相计量应用中的B、C相电压采样电路，将三相计量芯片各相电压采样输入复用同一路电压采样电路，使各分支采样输入电压一致。

新增1路入户端零线电流I0采样电路，扩展1-N路分支电流I′(1-n)采样电路。(I0为总入户的零线电流(用于漏电流监测)，I′为各用电分支电流。)

图5所示为采用了两片ATT7022E组合成的六回路分支计量采样电路应用，为实现多回路用电分支计量集成应用，需要同步实时将各用电分支离散的电力计量数据采集到处理器后，由处理器对离散数据进行统一整合与处理，实现对所有用电分支电能数据的系统化处理、统计与管理。

如图6所示，处理器和三相计量芯片均提供了SPI通信接口，基本的SPI通信方式以四条通信控制线为物理接口，分别包括:SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MISO、SPI_MOSI。本应用中将多片三相计量芯片SPI通信口中三根通信控制线(SPI_CLK、SPI_MISO、SPI_MOSI)并联，SPI_CS则单独控制，多片三相计量芯片共享同一路SPI通信接口与通用处理器的SPI通信接口连通，实现SPI数据通信。

处理器作为主SPI控制器为每一片三相计量芯片分配一个片选控制引脚，分别与三相计量芯片的SPI_CS相连，同一时间内只能选中一片三相计量芯片的SPI_CS，依次轮流控制三相计量芯片SPI_CS使能，从而共享同一路SPI通信口实现计量数据采集。

入户总用电数据是所有用电分支的用电总和，入户总用电容量相对与各用电分支会较大些，如果直接对入户总用电能进行计量，对计量电路的容量参数与空间体积会有更高的要求。

为减小因入户总用电较大用电容量导致对计量电路的较高要求，在本应用中不直接对总入户线路进行计量，采用对各用电分支单独计量，将各用电计量集中后，对各用电分支用电数据累加得到总入户电能数据，入户总电能数据E采用将各用电分支计量出的电能数据E′取代数和的方式：E＝∑E′。

居民家庭用户对家用电器的待机耗电情况普遍没有过了解，为使居民家庭用户对家电的待机耗电情况能够有个直观、准确的认识，从而减少不必要的用电损耗。装置将对总及各用电分支进行待机用电电能的统计与监测。

待机用电统计结合各线路动态负荷变化状况与当前静态负荷值进行判断当前是否处于待机耗电状态，判断依据为单位时间内动态负荷变化率低于设定值(n％)，当前静态负荷值低于设定值(nkW)，则判断该用电线路进入待机耗电状态，确认进入待机耗电状态后则开始单独统计各用电线路的待机耗电数据。

电能计量脉冲的输出是电力计量类装置校准的基本手段，在本应用中因涉及到计量芯片的组合使用问题，各计量芯片都具备电能计量脉冲输出功能，但各计量芯片脉冲输出仅反映的是其自身芯片计量数据，如采用计量芯片组合的工作模式，直接使用计量芯片输出并不能准确反映整个系统的电能计量脉冲输出，这里将对电能计量脉冲的输出方式进行技术改进。

处理器采集各计量芯片的电能数据，按kWh(千瓦时)电能单位计算得出各分支电能数据：E′，按代数和的方式进行入户总电能数据累计：E＝∑E′，统计单位时间段内入户总电能增量数据：E，入户总电能增量数据E与脉冲常数K进行电能量与脉冲数的换算：K′＝INT(E*K)，当K′每满足进位条件时则由处理器控制脉冲输出电路输出一个电能计量脉冲，“INT”为取整运算

在实施例中，电能计量脉冲输出要求：脉冲宽度要求为80mS±10mS，当脉冲周期小于180mS时，电能计量脉冲以占空比为1：1的等宽脉冲输出。

通过本发明，可以进行如下的用电安全监测：

漏电监测:漏电流常由家用电器短路、或人为触电事故引起，现有的漏电保护装置对当前漏电流值没有办法做到量化显示，只有当漏电流达到其设定的固定阀值时才能执行切断动作。

通过对用电分支电流I′与入户零线电流I0进行代数和计算，直接测算出居民家庭用电中的总漏电流值Ib：Ib＝Abs(∑I′+I0)。

设定漏电流告警定值，当超出定值时进行警示。自动记录发生漏电异常状况事件记录，保存异常状态下漏电流曲线，方便对出现异常状况历史记录的查询。

电压监测：电压的波动对家用电器的正常使用与寿命均会产生比较严重的影响，《中华人民共和国电力行业标准DL/T 500-1992》、《中华人民共和国电力行业标准DL/T 500-2009》中规定了电压监测统计的基本方式与方法，但在对电压异常发生时状况进行还原方面没有定义，还原异常发生时状况对分析单次电压异常事件对居民家庭用电影响比较有现实意义。

为实现电压异常发生时状况的还原功能，使用统计电压曲线与电压异常事件记录结合的方式：如图7所示，在电压相对稳定状态下，以分钟为单位间隔计算电压平均值及保存电压数据曲线。当出现电压突变时，将电压数据曲线保存单位变换为秒，以秒为间隔单位计算电压平均值及保存电压数据曲线，当突变事件结束时同步记录电压异常事件。

负荷监测：监测与统计每个用电分支的负荷状况，可以使人们对每个用电分支的用电安全状况加以了解，了解各用电分支实际的容量需求与不安全用电的预警。

统计每个用电分支功率负荷，计算每个用电分支的最大需量，最大需量值即是该用电分支的最大用电容量值，当线路的设计容量能够超过最大需量值时就不会出现因线路超负荷用电导致的安全性问题。

时段负荷曲线：每个独立用电分支计算该用电分支分钟平均有功功率，按分钟为单位保存分钟平均有功功率值，生成以分钟为单位的有功功率记录数据即为负荷曲线。

数据集成：每个用电分支的参数与数据按测量点(1-N)的方式分类独立统计、保存及访问，对各电能数据编排按《中华人民共和国电力行业标准DL/T645-2007》规范定义数据项标识进行保存，实现与国家电力抄表通信系统的兼容，同时支持按MODBUS协议进行数据访问。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现家居用电智能化管理的多回路电力监测装置，其特征在于，包括：

采样单元，提供多路外接引脚，用于采集各用电分支的电压和电流，并将采集到的电压值和电流值传输出去；

处理单元，用于接收所述采样单元传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在所述分析结果满足设定条件时输出一电能计量脉冲或警示信号，同时将所述分析结果进行存储。

2.如权利要求1所述的多回路电力监测装置，其特征在于，所述采样单元包括至少一片三相计量芯片，所述三相计量芯片可接入最多三路用电分支。

3.如权利要求1所述的多回路电力监测装置，其特征在于，所述处理系统包括：

处理器，用于接收所述采样单元传输的所述电压值和电流值进行电力综合分析得到分析结果，在分析结果满足设定条件时输出一控制信号或警示信号，并将分析结果进行存储；

脉冲输出电路，用于接收所述控制信号后输出一电能计量脉冲。

4.如权利要求3所述的多回路电力监测装置，其特征在于，所述处理器在将所述分析结果在进行存储前，还对所述分析结果进行可视化处理，生成各参数的时间变化曲线图表，最后将所述分析结果和所述时间变化曲线图表进行存储。

5.如权利要求3所述的多回路电力监测装置，其特征在于，所述电力综合分析包括下述分析中的一种或多种：

总电能分析：对各用电分支的所述电压值和电流值进行单独计算，生成各用电分支的单支电能数据，再对所述单支电能数据进行求和得出总电能数据；

脉冲分析：统计单位时间内的总电能增量数据⊿E，将总电能增量⊿E与脉冲常数K相乘取整得到一计算值，在所述计算值超过设定值时生成一用于控制所述脉冲输出电路的控制信号；

漏电分析：将各用电分支的所述电流值和零线电流值进行代数和计算得出总漏电流值，在所述总漏电流值超过设定值时生成一警示信号；

电压分析：在电压相对稳定状态下，以分钟为单位间隔计算电压平均值及保存电压数据曲线；当出现电压突变时，将电压数据曲线保存单位变换为秒，以秒为间隔单位计算电压平均值及保存电压数据曲线；

负荷分析：根据所述电压值和电流值计算各用电分支分钟平均有功功率，按分钟为单位保存分钟平均有功功率值，生成以分钟为单位的有功功率记录数据负荷曲线；

数据分析：将各用电分支的所述电压值和电流值独立统计，并按照一定标准进行独立保存。

6.如权利要求4至5任一项所述的多回路电力监测装置，其特征在于，还包括显示单元，与所述处理单元相连接，用于在接收到输出指令时，将所述分析结果以可视化的方式进行显示。

7.如权利要求1至5任一项所述的多回路电力监测装置，其特征在于，还包括通讯单元，与所述处理单元相连接，用于与外部系统进行数据传输。