CN106526365B

CN106526365B - 单火线用电数据测量方法及单火线智能断路器

Info

Publication number: CN106526365B
Application number: CN201610942443.1A
Authority: CN
Inventors: 刘玉林; 钟子斌; 王攀攀
Original assignee: Shenzhen Oribo Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Oribo Technology Co Ltd
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: CN106526365A

Abstract

本发明涉及一种单火线用电数据测量方法，包括步骤：经由取样电路生成与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例的市电电压参考信号，并将所述市电电压参考信号提供给所述计量模块；经由电流测量电路测量与所述单火线智能断路器相连的火线中的电流信号，并将所述电流信号提供给所述计量模块；所述计量模块根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据。本发明还提供一种带计量功能的单火线智能断路器，具有体积小且测量精准度高的优点。

Description

单火线用电数据测量方法及单火线智能断路器

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种单火线用电数据测量方法及一种带计量功能单火线智能断路器。

背景技术

随着社会发展和百姓生活水平的提高，各种电器的数量越来越多，当前建筑节能方案很多都要基于不同用途负载的用电量及负载质量进行实时的测量与监控，尤其是在二级、三级或者末级配电箱的输入或输出端对负载进行用电量数据的测量，进而有针对性的采取一些节能的措施，例如，对高耗能的负载进行手动控制、定时控制等以减少功率损耗。

具体的做法通常是在配电箱中增加电能测量模块/单元，将火线、零线同时引入到测量模块/单元，可以实时测试电压、电流、功率、功率因数、用电量等用电数据，相当于完成电子电表功能类似的测量功能。但是这种方法需要在测量模块/单元端同时接入火线和零线，考虑到安规问题，火线和零线之间需要保持足够的安全间距，从而导致测量模块/单元的体积不可避免的增大。

还有一种做法是只测试电流大小，而功率、用电量等其他用电数据则根据测得的电流以及预设的固定电压推导计算而出。这种方法不需要在测量模块端接入零线，因此不需要考虑火线、零线间距的安规问题，但仅依据预设的固定电压来推导计算用电数据，无法准确测量功率及用电量等数据，尤其是负载的质量较差、功率因数不为1时，测量的误差非常大，依此推导的功率实际上不是有用功率，而是视在功率。

发明内容

有鉴于此，提供一种测量精准度高的单火线用电数据测量方法以及带计量功能的单火线智能断路器实有必要。

一种单火线用电数据测量方法，所述单火线智能断路器内置计量模块，所述测量方法包括：经由取样电路生成与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例的市电电压参考信号，并将所述市电电压参考信号提供给所述计量模块；经由电流测量电路测量与所述单火线智能断路器相连的火线中的电流信号，并将所述电流信号提供给所述计量模块；所述计量模块根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据。

一种带计量功能的单火线智能断路器，包括：计量模块，用于：采集市电电压参考信号，所述市电电压参考信号与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例；经由电流测量电路采集与所述单火线智能断路器相连的火线中的电流信号；以及根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据。

相对于现有技术，本发明实施例提供的单火线用电数据测量方法及带计量功能的单火线智能断路器、其经由取样电路生成市电电压参考信号，并根据该市电电压参考信号以及火线中的电流信号，不需将零线接入计量模块，无需考虑火线与零线间距的安规问题，且测量用电数据时对市电电压参考信号进行采样可以完成高精度的电压、电流、功率、功率因数以及用电量等电能测量功能，具有体积小以及测量精准度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的具总线架构的单火线智能断路器架构示意图。

图2是图1所示的主控模块内取样电路的电路示意图。

图3-5分别是本发明实施例提供的单火线用电数据测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，其为本发明实施例提供的一种智能配箱100的架构示意图。如图1所示，智能配电箱100包括：主控模块10以及一个或多个智能断路器20。其中，主控模块10与智能断路器20之间由通信总线30连接。智能断路器30还与负载40相连，智能断路器30主要用于控制负载40与火线之间电路的通断。也就是说，智能断路器30是控制器或者断路器。

主控模块10包括电源模块11、通讯模块12、网络模块13以及取样电路14。其中，电源模块11用于将市电(例如220V交流电)转换成低压直流电(如5V，1.5A)，该低压直流电用于给通讯模块12以及网络模块13提供电力，同时，该低压直流电还通过总线30向智能断路器20提供低压直流电源用于控制电路。通讯模块12用于与智能断路器20进行网络通讯。而网络模块13用于与云端或者本地的服务器进行通讯。

参阅图2，其为取样电路14的电路图。如图2所示，取样电路14包括：取样器210以及阻抗匹配器220。其中取样器210的输入端与输出端分别与零线及火线相连，取样器210包括两个电阻器，其阻值分别为Z1、Z2。其中，Z1>Z2，取样器210的输出电压与Z1/Z2的比例相关，例如，当Z1＝99*Z2时，则取样器210的输出电压为输入电压的0.01倍。

可以理解的是，取样电路210的目的在于将市电电压等比例的缩小预定倍数，因此，取样电路14的具体电路实现并不限于图2所示的方式，例如，取样电路210还可以采用一个电压互感器替换，完成相同的功能。

阻抗匹配器220其输入端为取样电路210所输出的市电电压的同波形信号，其对取样器210输出的信号进行电流放大，确保在负载变化时不会影响该信号的波形畸变、幅值变化、相位变化等。一般来说，阻抗匹配器220的电流放大倍数为1左右，也可以扩展到0.1～10倍；阻抗匹配器220的输入端偏置电流低于取样电路210在主回路采样电压所消耗电流的0.1％；信号经过阻抗匹配器220放大后，在所有有效的输入、输出条件下，其全部谐波失真(THD)小于0.1％。

阻抗匹配器220的输出与总线30内的市电电压参考线相连，阻抗匹配器220的最大输出电流大于在智能配电箱100中所有智能断路器20从市电电压参考信号上消耗的电流总和；阻抗匹配器220所采用的运放供电，一般采用正负电源供电，其参考地为火线。

由于取样电路14并未改变市电的相位，因此，且相位与市电保持相同(如，相位差小于±0.1度)。市电参考信号电压与实时的市电电压保持严格固定的比例(基于Z1/Z2，如市电电压信号等于实时市电电压的1％)。取样电路14输出的市电电压信号是一个标准的恒压源，输出负载变化时，输出电压保持不变，如输出电流在0.01mA～300mA的范围内，输出电压的变化范围小于0.1％。

智能断路器20包括电源模块21、通讯模块22、计量模块23、控制模块24、以及断路器25。其中，电源模块21用于从总线30中获取低压直流电源并向智能断路器20内部的其他模块提供低压直流电源。通讯模块21用于通过总线30与主控模块10之间建议网络通讯，从而可以与主控模块10之间进行数据传输。计量模块23用于对智能断路器20的所控制的火线回路的功率进行测量统计。控制模块24用于控制断路器25的通断。

在本实施例中，通信总线30至少包括5根信号线，分别为：低压直流正、参考地、数据通讯线1、数据通讯线2、以及市电电压参考信号线。其中，低压直流正以及参考地与主控模块10的电源模块11的输出相连接，从而智能断路器20的电源模块21可从该低压直流正与参考地获取低压直流电源。基于数据通讯线1、2，主控模块10的通讯模块12与智能断路器20的通讯模块22之间可以建立网络通信，其采用的通信协议例如可以是串口通信协议。所有智能断路器20的计量模块23与总线30内的市电电压参考信号线相连。因此，计量模块23可以获取实时的市电参考电压信号。

此外，在断路器25内还包括电流采集电路，其一般采用电流感应电阻、电流互感器等电流感应元器件，电流采集电路用于将火线主回路上的电路值采集到之后提供给计量模块23。

如上所述，计量模块23一方面从市电电压参考信号中获取到市电电压参考信号，另一方面从电流采集电路处获取到火线主回路的电流值，基于该电压值与电流值就可以计算其他的用电数据。例如：计量模块11对采样的电流和电压数据进行AD转换后再执行计算，以得出该智能断路器20所接用电负载40的电压(U)、频率(f)、电流(I)、有功功率(P＝U*I*

)、视在功率(S＝U*I)、功率因数(

，

为电压和电流之间的相位差)或/及用电量(基于实时功率作积分运算)以作为用电数据/数据。

当总线30的通讯采集总线架构的串行通信总线时，通讯模块22可以等待主控模块10的轮询请求，在接收到轮询请求时返回实时用电数据(如电流、电压、功率等)以及累积的用户电参数(例如用电量)，或者根据主控模块10发送的指令执行特定的程序，例如下载或者校正测量方法的计算公式、参数等。

主控模块10的通讯模块12在接收到智能断路器20返回用电数据后，可以存储，也可以通过网络模块13将用电数据发送至云端。

除了同步用电数据之外，网络模块13还可以接收来自服务器或者云端的控制指令，并通过总线30将该指令发送给智能设备20，由该智能设备20的控制模块24控制断路器25的通断。

根据本实施例的提供的技术方案，在具有总线架构的单火线智能断路器网络中，通过在总线中添加一条电压值与市电电压保存固定比例，且相位相同的市电电压信号参考线，可以在智能断路器测量功率等用电数据时，使用该市电电压参考信号作为基准电压。相比于采用固定的电压值来推算功率，其功率测量的准确性得以大幅度提高。而且由于单火线的设置，在无须考虑零-火线安全规范的前提下，智能断路器的体积得以降低。

参阅图3，其为本发明实施例提供的单火线用电数据测量方法的流量图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1、经由取样电路生成与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例的市电电压参考信号，并将所述市电电压参考信号提供给所述计量模块。

如图1所示，经由取样电路14，可以生成相位与市电保持相同(如，相位差小于±0.1度)、电压与实时的市电电压保持严格固定的比例(基于Z1/Z2，如市电电压信号等于实时市电电压的1％)的市电电压参考信号。且取样电路14输出的市电电压信号是一个标准的恒压源，输出负载变化时，输出电压保持不变，如输出电流在0.01mA～300mA的范围内，输出电压的变化范围小于0.1％。

步骤S2、经由电流测量电路测量与所述单火线智能断路器相连的火线中的电流信号，并将所述电流信号提供给所述计量模块。

步骤S3、所述计量模块根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据。

参阅图4，本发明实施例还提供一种单火线用电数据测量方法，其与图3所示的方法相似，其不同之处在于，还包括：

步骤S4，所述计量模块将所述用电数据发送给所述通讯模块，所述通讯模块用于将所述用电数据发送给与所述单火线智能断路器相连的主控模块。以及

步骤S5、所述通讯模块还接收所述主控模块发送的指令，并根据所述指令上传所述用电数据、下载或者校正所述预定的测量方法。

根据本实施例的技术方案，主控模块10可以基于通信总线实现用户数据的实时采集，并可以主动对智能设备20内的用电数据测量进行实时的更新以能更符合实际情形以提升功率等用电数据测量的准确性。而更新的内容例可以包括进行用户数据计算时的公式、参考等。

参阅图5，本发明实施例还提供一种单火线用电数据测量方法，其与图3所示的方法相似，其不同之处在于，还包括：

步骤S6、根据所述市电电压参考信号检测市电的周期及过零点，当需要闭合所述控制器器时，根据所述周期以及过零点对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在闭合的瞬间所述控制器两端的电压接近于零。以及

步骤S7、当需要断开所述控制器时，根据所述计量模块的功率因数与所述市电电压参考信号的过零点，判断电流与电压的相位差，并根据所述相位差对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在断开的瞬间所述控制器两端的电压接近于零或者主回路的电流低于预定值。

可以理解的时，此处的延迟时间可为预测的电压零点或者主回流电流值最低的时间减去断路器开关的作动时间。例如，若断路器开关闭合或打开的时间为20毫秒，当前时间距离下一次零点的时间为30毫秒，则在10毫秒后发出闭合或者断开的指令，则断路器开关闭合或者断开的时间就恰好处于电压零点。断路器开关闭合或者打开的时间可以是基于实验数据得到。此外，可以理解的时，由于断路器的老化，此时间可能会逐渐变长，因此，可以基于断路器的工作时间，给该时间一个修正值，以提升准确性。

根据本实施例的技术方案，由于市电电压信号的相位与市电电压的相位一致，因此可精确地控制断路器25闭合、断开的时间点位于电压零点或者主回路电流处于较低的水平。如此，可以减少控制器开关的应力，延长控制器的寿命。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种单火线用电数据测量方法，应用于单火线智能断路器，所述单火线智能断路器内置计量模块，其特征在于，所述单火线智能断路器还包括电源模块和断路器，所述电源模块用于为所述计量模块和断路器供电，所述测量方法包括：

经由取样电路生成与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例的市电电压参考信号，并将所述市电电压参考信号提供给所述计量模块，其中，所述取样电路设置在所述单火线智能断路器的外部，所述取样电路包括取样器和阻抗匹配器，所述取样器用于将市电电压等比例的缩小预定倍数，所述阻抗匹配器用于对所述取样器输出的信号进行电流放大，其中，所述阻抗匹配器输出的市电电压参考信号的最大输出电流大于该参考信号在所有测量回路中消耗的电流总和；

经由电流测量电路测量与所述断路器相连的所述火线中的电流信号，并将所述电流信号提供给所述计量模块，其中，所述火线还通过所述断路器与负载连接；

所述计量模块根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据，其中，所述用电数据包括所述负载的电压，所述市电电压参考信号为标准的恒压源，输出负载变化时，输出电压保持不变。

2.如权利要求1所述的单火线用电数据测量方法，其特征在于，所述单火线智能断路器还包括通讯模块，所述计量模块将所述用电数据发送给所述通讯模块，所述通讯模块用于将所述用电数据发送给与所述单火线智能断路器相连的主控模块。

3.如权利要求2所述的单火线用电数据测量方法，其特征在于，所述通讯模块还接收所述主控模块发送的指令，并根据所述指令上传所述用电数据、下载或者校正所述预定的测量方法。

4.如权利要求1所述的单火线用电数据测量方法，所述单火线智能断路器还包括用于控制所述火线通断的控制器，其特征在于，所述方法还包括：根据所述市电电压参考信号检测市电的周期及过零点，当需要闭合所述控制器时，根据所述周期以及过零点对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在闭合的瞬间所述控制器两端的电压接近于零。

5.如权利要求1所述的单火线用电数据测量方法，其特征在于，所述方法还包括：当需要断开控制器时，根据所述计量模块的功率因数与所述市电电压参考信号的过零点，判断电流与电压的相位差，并根据所述相位差对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在断开的瞬间所述控制器两端的电压接近于零或者主回路的电流低于预定值。

6.一种带计量功能的单火线智能断路器，其特征在于，包括：电源模块、计量模块和断路器，所述电源模块用于为所述计量模块和断路器供电，所述计量模块用于：

采集取样电路生成的市电电压参考信号，所述市电电压参考信号与市电电压具有相同波形与相位，且其电压值与市电电压值成固定比例，其中，所述取样电路设置在所述单火线智能断路器的外部，所述取样电路包括取样器和阻抗匹配器，所述取样器用于将市电电压等比例的缩小预定倍数，所述阻抗匹配器用于对所述取样器输出的信号进行电流放大，其中，所述阻抗匹配器输出的市电电压参考信号的最大输出电流大于该参考信号在所有测量回路中消耗的电流总和；

经由电流测量电路采集与所述断路器相连的所述火线中的电流信号，其中，所述火线还通过所述断路器与负载连接；以及

根据所述市电电压参考信号、所述电流信号以及预定的测量方法计算所述单火线智能断路器的用电数据，其中，所述用电数据包括所述负载的电压，所述市电电压参考信号为标准的恒压源，输出负载变化时，输出电压保持不变。

7.如权利要求6所述的带计量功能的单火线智能断路器，其特征在于，所述单火线智能断路器还包括通讯模块，所述计量模块将所述用电数据发送给所述通讯模块，所述通讯模块用于将所述用电数据发送给与所述单火线智能断路器相连的主控模块或者云端服务器。

8.如权利要求6所述的带计量功能的单火线智能断路器，其特征在于，还包括用于控制所述火线通断的控制器，所述控制器根据所述市电电压参考信号检测市电的周期及过零点，当需要闭合所述控制器器时，根据所述周期以及过零点对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在闭合的瞬间所述控制器两端的电压接近于零。

9.如权利要求8所述的带计量功能的单火线智能断路器，其特征在于，当需要断开所述控制器时，所述控制器根据所述计量模块的功率因数与所述市电电压参考信号的过零点，判断电流与电压的相位差，并根据所述相位差对控制所述控制器的信号设定一个延迟时间，使得所述控制器在断开的瞬间所述控制器两端的电压接近于零或者主回路的电流低于预定值。