CN106655088B - 一种智能保护开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及剩余电流保护装置，具体为一种智能保护开关,包括采集部分、中央控制部分、存储部分、网络部分和执行部分。其中采集部分将采集的信息进行模数转换，单向发送给中央控制部分；中央控制部分采用FPGA，实现数据比对、分析和数据交换；储存部分为Flash储存器，划分为三个部分：实时储存数据，旧时数据和厂家数据；厂家数据由厂家通过网络写入，旧时数据为采集部分提供的数据，实时数据也是由采集部分提供的数据；网络部分为中央控制部分和外界网络部分提供网络服务；执行部分控制电力线通断,可选用继电器、可控硅或电力CMOS管。解决了启动电流影响电力系统的稳定和对活体触电电流的判断的问题。

Description

一种智能保护开关

技术领域

本发明涉及剩余电流保护装置，具体为一种智能保护开关。

背景技术

在武一所著的《非线性剩余电流检测技术与保护技术的研究》第一章中，详细的介绍了现有的剩余电流检测技术门类，大致可以分为：正弦剩余电流检测技术、脉动直流剩余电流检测技术、平滑直流剩余电流检测技术等，其中应用最多、最广泛的就是正弦剩余电流检测技术，所采用的检测方法主要是电磁互感法。电磁式剩余电流互感器的工作原理与电流互感器的工作原理类似，其原边电流、磁心励磁电流及副边线圈电流之间存在磁势平衡关系。N₁i₀＝N₂i₂+N₁i_m；式中的N₁为原边匝数，通常只有一匝；i₀为原边剩余电流；N₂为副边匝数；i₂为副边电流；i_m为磁心励磁电流。由于励磁电流的影响，剩余电流和副边电流并不存在绝对的线性关系，二者幅值和相位的误差与磁心材料、磁心尺寸、绕组形状、被测电流大小与频率以及副边绕组的负载情况等有关。而在朱遵义，刘静波所著的《剩余电流互感器的特性分析》中，针对电磁互感法中的电流互感器进行了特性分析。得出了结论是：在某些情况下，互感器的特性会导致漏电保护器拒动或者误动。脉动直流剩余电流检测技术：国外对脉动直流剩余电流检测技术的研究已较为成熟，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。对于脉动直流剩余电流，所采用的检测方法仍然是电磁互感器法；平滑直流剩余电流检测技术：脉动直流剩余电流检测技术能同时检测正弦交流和脉动直流两类剩余电流，而平滑直流剩余电流检测技术则要同时检测正弦交流、脉动直流和平滑直流三类剩余电流，而且包括高频交流剩余电流(频率可高达1kHz)。因此，平滑直流剩余电流检测技术的要求最高，实现起来也最困难，是当前研究热点和难点。

在由夏越、杜松坏等人所著的《中国剩余电流保护技术与装置的发展趋势》中，具体介绍了目前市场上各种剩余电流保护装置的特点。总结如下：在电流动作型的装置中：性能不稳定，易误动和拒动，不能区分触电电流与线路泄漏电流。脉冲动作型的装置中：存在保护死区易误动作；测电路环节较多成本较高。鉴幅鉴相型装置中：存在保护死区，电子电路较脉冲动作型复杂；成本最高。电流分离型装置中：算法复杂，电路复杂，成本较高。前三种装置中存在一个共性的问题：性能不稳定，存在死区。这对于用电的安全是一个非常大的隐患。也明确的提出了：电流分离型的剩余电流保护装置的前景广阔。

另外在王慈，王曾平等人所著的《感性负载启动电流与短路电流的识别》中，指出感性负载在启动时需要一个比维持正常运行大得多(大约为3-7倍)的启动电流。故在启动时有可能造成保护的误动，影响电力系统供电的稳定性，影响生产和生活的正常进行。在汤世源《智能型开关电器的意义与开发现状》指出，当前广泛运用智能型电力开关装置已经是必然趋势。在社会的发展下，智能化开关电器也在电力系统中逐渐得到推广，取得了良好的效果。与传统开关相比而言，智能型开关设备的优势就在于其“智能化”，智能型开关电器可以满足人工智能的要求，开关设备有着良好的信息感知功能，可以对周围信息进行处理，并做出智能化的判断，同时，还可以对处理结果进行操作。此外，智能型开关，有效减少了维护的次数，实现硬件运行软件化需求，有着良好的自诊断与在线监测功能，可以提供相关的网络化接口，因此，智能型开关电器在诞生之后，就表现出良好的发展前景。但其也同时指出：由于智能开关起步较晚还有许多问题要解决。如：1.由传统的机械化操动装置向电子操动装置的转变会存在一些技术性问题，使控制回路在工作过程中面临着强电磁干扰。2.复杂繁琐的智能控制装置和一些附加的开关设备在线监测装置必不可少的会增加智能型开关设备的生产成本。3.智能型开关电器对技术要求非常高。尤其是数据采集部分的传感器。4.从目前的发展形势来看，建设绿色电网的呼声越来越高。从文献中可以看出，节能也已成为智能开关电器的重要要求之一。

发明内容

本发明提供了一种智能保护开关，解决了启动电流影响电力系统的稳定和对活体触电电流的判断的问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种智能保护开关，包括采集部分、中央控制部分、存储部分、网络部分和执行部分；其中采集部分包括电流型电压互感器和电流互感器，将采集的信息进行模数转换，单向发送给中央控制部分；

中央控制部分采用FPGA，实现数据比对、分析和数据交换；数据比对是通过将采集部分的数据与存储部分的数据进行比对，预测电路的参数的发展趋势，为未知的危险提供预警；数据分析是通过数据进行变换，与已知的数据进行比对，寻找相似信号；若在判断活体触电时，通过对采集到的数据进行S变换，分析数据，寻找活体触电信号，当捕获住信号的时候，中央控制部分立即动作，发出断开开关信号；若在大功率电器接入电路时，设定启动电流的持续时间t_H，当启动电流在t_H范围还是没能使电器启动的话，而此时的启动电流已经威胁到了电力系统的安全运行的时候，中央控制会通过执行部分断开电源；数据交换：是通过网络部分获取厂家更新的产品信息，作为数据分析的基本参照；上传本地的信息，为厂家提供产品数据，由厂家进行大数据分析，最后告知用户的产品使用情况；

储存部分为Flash储存器，划分为三个部分：实时储存数据，旧时数据和厂家数据；厂家数据由厂家通过网络写入，旧时数据为采集部分提供的数据，实时数据也是由采集部分提供的数据；

网络部分采用载波通信技术，为简化布局和实现模块化设计，采用中心节点和终端节点结构体系，若采用wifi芯片，则作为中心节点，为中央控制部分和外界网络部分提供网络服务，或若采用电力线载波通信芯片，则作为终端节点，与中心节点完成数据的交换；

执行部分是控制电力线通断，根据客户需求的不同，提供安全不同等级的器件，如继电器(欧姆龙的I/O继电器)、可控硅或电力CMOS管等等。本发明具有剩余电流保护的功能，所以对比目前市面上的剩余电流保护装置是有很大的必要的。在电流动作型的装置中：性能不稳定，易误动和拒动，不能区分触电电流与线路泄漏电流。其不能区分触电电流和线路泄漏电流，易误动和拒动是致命的。本发明对触电电流的针对型设计，是本设计相对于电流动作型的最大的优势。脉冲动作型的装置中：存在保护死区易误动作；测电路环节较多成本较高。在本发明中考虑到终端节点和中心节点的层次设计中，用户可以有针对性的，对家庭电路中需要优先保护的部分布置本产品，这样可以大大提高用电的安全性。并且针对其易误动的缺陷，本发明中对启动电流的处理方式，可以大大的减少本设计的误动机率，是明显的优势。

与现有技术相比，本发明专利的优点有：1)相比较市场上面的现有的产品，本发明中融入的活体检测技术，极大的提高了活体触电时候，电路响应的概率。这样的效果就可以显著的减少了触电电流对人员的造成的伤害。2)通过数据交换，比对，得出对产品使用情况的预测，使用者可以得知产品的使用情况，并得知产品未来使用情况的发展趋势，这也是本发明的一大创新之处。也是相比目前市场上产品所没有的新功能。3)载波通信技术，网络数据交换的功能的使用，使得中心节点之间，节点与节点之间的通信成为可能，也为系统级别的电网工作状态检测提供可能。可以助力智能电网的发展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

一种智能保护开关，包括采集部分、中央控制部分、存储部分、网络部分和执行部分。

上述采集部分包括电流型电压互感器和电流互感器，将采集的信息进行模数转换，单向发送给中央控制部分，而后，中央控制部分与储存部分进行信息交换，对采集部分发送过来的信息进行实时的分析。在任龙霞所著的《活体触电识别研究》中提出：在电力系统应用中，采集电压电流信号，通常要求一个周期记录96个点，即采样率为4800Hz，故采集部分的采样频率被设定在4800Hz。

中央控制部分，拟采用FPGA芯片ALTERA-EP4CE10E22I7N作为主控芯片。主要实现：数据比对，分析和数据交换。数据比对是通过将采集部分的数据与存储部分的数据进行比对，预测电路的参数的发展趋势，为未知的危险提供预警。数据分析：通过数据进行变换，与已知的数据进行比对，寻找相似信号。例如通过对采集到的数据进行S变换，分析数据，寻找活体触电信号，当捕获住信号的时候，中央控制部分立即动作，发出断开开关信号，保护人员的人身安全。再或者是当家庭用电功率将要到达进户线容量时，人为的再次开启一台电器，其功率仍未超过进户线容量，但是用电器开启时候的启动电流会造成普通的断路器工作，这时候中央控制部分通过数据分析，感知到接入的用电器信息，为其度过启动电流时期，使电路正常工作。数据交换：是通过网络部分获取厂家更新的产品信息，作为数据分析的基本参照；上传本地的信息，为厂家提供产品数据，由厂家进行大数据分析，最后告知用户的产品使用情况。

储存部分拟采用SAMSUNG-K9WAGWAGU18大容量存储器，其储存容量为2GB，本发明中应用了4片Flash，其容量为8GB。8GB的容量被划分为三个部分：实时储存数据，旧时数据和厂家数据。厂家数据由厂家通过网络写入flash，旧时数据为采集部分前一段时间采集的数据，实时数据也是由采集部分提供的数据，它们的作用是：厂家数据和旧时数据都为实时数据提供参考依据，作为判断的标准。网络部分，采用目前较为普遍的wifi芯片，采用成熟的ESP8266芯片，确保其运行稳定。或者采用电力线载波通信芯片ST7950T，在参考文献《基于PRIME标准的低压电力线载波通信组网方案》中，ST7950T已经被成功使用了。网络部分主要的作用就是为中央控制部分和外界internet提供网络服务。上传本地数据，下载网络上的厂家数据。

对本发明解决的问题做进一步阐述。1.启动电流会影响影响电力系统的稳定，解决方案为：采集部分会通过实时的信息采集，将采集到的电流信息传递给中央控制部分。中央控制部分通过数据分析，得出结论：此时的电流为启动电流，则中央控制通过执行部分的开关工作来控制电力系统的工作情况，对于启动电流，中央控制的原则是：在保证安全用电的情况下，设定启动电流的持续时间t_H(电流越大，t_H越短)，当启动电流在t_H范围还是没能使电器启动的话，而此时的启动电流已经威胁到了电力系统的安全运行的时候，中央控制会通过执行部分断开电源。2.在剩余电流为活体触电的情况下，我们最为优先考虑。首先仍然是采集部分将采集的信息发送给中央控制部分，中央控制部分通过数据分析，得到结论：此时的电流为活体触电电流。则中央控制通过执行部分关断电源。保障人员的生命安全。3.针对互感器的特性：我们要选用高质量的互感器，提高其稳定性。

在解决上述问题的同时，充分体现其智能化才是本次设计的最大的优势。首先对于电磁干扰的困扰，使用屏蔽罩、光电隔离等技术、优化PCB布局布线，尽可能的降低电磁干扰对电路的影响。考虑到绿色环保，本发明应用的FPGA为由ALTERA公司提供的EP4CE10E22I7N高性能芯片，正常工作的功耗约为0.4W，符合绿色环保的要求，以电流型电压互感器和电流互感器作为主要传感器。

本发明是对现有技术的一种集成再创造，从而使其更加智能，更加安全。在目前的家庭电路的管理系统中，只有在发生故障时，才会工作。这种被动的工作方式仅仅是可以应对突发式的用电故障(例如：电路短路)，但不能够规避那些有预见性的用电隐患(例如：当家庭用电及将要到达进户线容量的时候，大功率电器接入电路时候的启动电流可能会造成跳闸)。另外值得我们注意的还有：其活体触电识别的概率比较低，存在误识别或者不识别的情况，然而不识别的情况对于人员有着致命的威胁。所以采取一种主动的，具有控制能力的，智能化的家庭用电管理系统是有必要的。主动体现在：信息采集系统实时采集信息，与厂家给定的信息进行比对，也和之前采集的信息进行比对，检测用电器状态是否正常。例如：通过实时的监控，得到用电器的用电信息，将其与厂家发送的信息比较，将其与以前的信息比较，评估用电器的状态，预期其发展趋势，提早发出警报。控制能力体现在：通过载波通信，完成中心节点和个个终端节点直接的信息交换，完成对个个终端的控制。具体的控制能力为：控制个个终端节点的通断。智能化体现在：通过网络，将采集的信息传递给厂家，让厂家对其产品进行评估，对故障进行预测，通过网络告知用户用电器的状态。并且中心节点可以通过自己收集信息，进行分析，得到结果，告知用户。

Claims (1)

1.一种智能保护开关，其特征在于包括采集部分、中央控制部分、存储部分、网络部分和执行部分；其中采集部分包括电流型电压互感器和电流互感器，将采集的信息进行模数转换，单向发送给中央控制部分；

中央控制部分采用FPGA，实现数据比对、分析和数据交换；数据比对是通过将采集部分的数据与存储部分的数据进行比对，预测电路的参数的发展趋势，为未知的危险提供预警；数据分析是通过数据进行变换，与已知的数据进行比对，寻找相似信号；若在检测活体触电时，通过对采集到的数据进行S变换，分析数据，寻找活体触电信号，当捕获住活体触电信号的时候，中央控制部分立即动作，发出断开开关信号；若在大功率电器接入电路时，设定启动电流的持续时间t_H，当启动电流在t_H范围还是没能使电器启动的话，而此时的启动电流已经威胁到了电力系统的安全运行的时候，中央控制部分会通过执行部分断开电源；数据交换：是通过网络部分获取厂家更新的产品信息，作为数据分析的基本参照；上传本地的信息，为厂家提供产品数据，由厂家进行大数据分析，最后告知用户的产品使用情况；

储存部分为Flash储存器，划分为三个部分：实时储存数据，旧时数据和厂家数据；厂家数据由厂家通过网络写入，旧时数据为采集部分提供的数据，实时数据也是由采集部分提供的数据；

网络部分采用wifi芯片作为中心节点，为中央控制部分和外界网络部分提供网络服务，或采用电力线载波通信芯片作为终端节点，与中心节点完成数据的交换；

执行部分控制电力线通断,可选用继电器、可控硅或电力CMOS管。