CN107356835A - 一种智能电能监测分析系统 - Google Patents

一种智能电能监测分析系统 Download PDF

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CN107356835A CN201710700034.5A CN201710700034A CN107356835A CN 107356835 A CN107356835 A CN 107356835A CN 201710700034 A CN201710700034 A CN 201710700034A CN 107356835 A CN107356835 A CN 107356835A
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Abstract

本发明涉及一种智能电能监测分析系统。本发明包括分支单元、总控制单元和人机交互设备；分支单元包括电能检测模块、从控制器和命令执行单元；电能检测模块检测用电器的电能信息后，通过从控制器将电能信息转换为数字信号，并将数字信号发送给控制单元，主控制单元对电能信息进行分析做出决策后，向命令执行单元发出指令，命令执行单元做出相应的报警措施或采取安全措施；或总控制单元得出相应用电的结论，并对其进行优化；本发明具备对用电器进行用电信息测量、采集、处理和分析功能的同时，所有获取的信息都可以通过无线装置上传至移动设备或者云端网络，能够实现智能硬件、智能传感等功能。

Description

一种智能电能监测分析系统
技术领域
本发明属于电力技术和自动检测技术领域，涉及一种智能电能监测分析系统。
背景技术
随着科技发展与社会进步，越来越多的电器出现在人们的生活中，学习、工作、娱乐等活动都离不开电器。了解用电量最直接的方式是通过电表查询，但是，电表上显示的是总用电量，无法单独给出每种电器的用电量，电器上的功耗指数对于普通用户来说也不够直观，无法让人对用电量有直观明确的认识。每一款电器的功率都不完全相同，同一款电器在不同时期的用电情况也会不同，根据用电情况可以找到最合理节能的使用方式。在不同的应用场景中，不同电器用电量和用电时间等信息能反映出不同的使用信息。如住宅用电系统中，可以通过电视用电量判断看电视的时间长度；在办公系统中，可以通过员工座位的用电情况判断员工的出勤情况；甚至可以利用电器用电量的变化情况来分析判断系统内电器的运行状态和是否需要进行维护等。
根据这些问题，需要一种能够精确记录电器用电量，分析用电情况的系统。可以精确记录系统内电器用电量，并且能够根据用户需求给出用电分析的智能电能监测分析系统。
发明内容
本发明的目的就是提供一种智能电能监测分析系统。
本发明包括分支单元、总控制单元和人机交互设备。所述的分支单元包括电能检测模块、从控制器和命令执行单元，电能检测模块与从控制器通过电连接，从控制器和命令执行单元通过电连接；从控制器的核心为单片机，包括无线收发器和计数器；命令执行单元包括一个或多个功能执行器件；总控制单元为主控制器。命令执行单元和电能检测模块安装于用电器的电源接口端；电能检测模块用于对用电器的电能信息进行测量；从控制器将电能检测模块发出的信号转换为数字信号并通过无线装置发送给总控制单元；分支单元通过从控制器与总控制单元进行通信实现数据由分支到总控的相互传输；命令执行单元执行总控制单元做出的相关决策。所述的总控制单元对分支单元通过从控制器传输至总控制单元的数据进行分析，同时与人机交互设备连接实现信息的处理、分析、反馈和参数输入，对用电器的电能使用情况进行监控和调整。
基于上述系统，有如下电能监测分析步骤：
步骤一、通过电能检测模块通过电阻分压从用电器两端的高电压获取数百毫伏的电压信号、将电器的电流信号转化为数百毫伏的电压信号输入到模数转换器从而实现对交流瞬时电压、瞬时电流的实时监测，测量出用电器相关用电信息，包括电能、电压和电流；得到式⑴、式⑵、式⑶。然后电能信息通过电压频率转换器转换为脉冲信号。每个脉冲表示相应的电能消耗，电能消耗关系式为式⑷。电能检测模块采用能够实现±0.5％的电能测量精度的芯片。
dW＝Pdt ⑵；
其中，P为实时功率，W为消耗的电能，t1为计量时间起点，t2为计量时间终点，为电流和电压的相位角，U为电压，I为电流。
W＝NΔW ⑷；
其中N为电压频率转换器输出的脉冲个数，ΔW为两个脉冲间隔内的电能消耗，是常数。
步骤二、从控制器通过无线收发器实现与主控制器之间的数据通讯；并通过计数器记录步骤一中电能检测模块测量得到的脉冲信号的脉冲个数，将电能信息初步处理为数字信号。
步骤三、总控制单元收到步骤二中采集的数字信号，并通过下述数据分析得出用电器实时电能使用情况。下述对采样周期为T时进行分析，即电能检测模块对电能的采样时间间隔为T。根据电能关系有式⑸和式⑹：
其中，Pt为实时功率，Wt为电能测量模块测得的电能,T为采样周期。
Ptc＝∑|Pt+1-Pt| ⑹；
Ptc为电器在相邻运行周期内功率波动的累加值。
根据式⑸和式⑹得出用电器运行一周、一月或一年内的电能消耗、平均功率和用电器日用电功率差的累加值。
步骤四、总控制单元将步骤三中分析整理获得的一周、一月或一年内用电器的实际用电情况通过主无线收发装置、移动设备或云端进行数据传输，使用者能够随时监控用电器的电能使用情况。
步骤五、总控制单元分析步骤四中用电器的电能使用情况数据，总控制单元做出相应决策使得命令执行单元执行报警措施或采取安全措施，或总控制单元得出相应用电的结论，对用电器的电能使用进行调整。
作为优选，所述的电能检测模块采用RN8209或CSE 7759芯片。
作为优选，所述的无线收发器为WIFI、射频或蓝牙。
作为优选，所述的功能执行器件为继电器或蜂鸣器。
作为优选，所述的人机交互设备为电脑、平板电脑或手机。
作为优选，所述的采样周期T不大于两分钟。
步骤四中所述的通过云端或者直接与移动设备共享的数据，能够在人机交互端的应用程序中实现用电数据的分析判断功能。
本发明是具备对用电器进行用电信息测量、采集、处理和分析功能的系统，所有获取的信息都可以通过无线装置上传至移动设备或者云端网络，可以很方便的与其他物联网设备对接，也能够方便的接入人工智能系统从而实现智能硬件、智能传感等功能。同时利用电能检测技术、自动控制技术、无线通信技术、数据分析原理实现的智能电能监测分析系统，主要特点有：(1)用电器用电情况实时监测。电能检测模块和从属控制模块构成系统的分支职能模块，采集并发送用电数据给总控制单元。(2)电能数据计算、分析以及数据与人机交互端(如移动端、桌面、触摸屏等)共享。主控制模块是系统的控制中心，收集各从控制模块所采集的数据，通过相应的算法得出用电器实时电能使用情况，这些所得数据通过有线或者无线(如WIFI、射频、蓝牙等)数据的上传并通过云端或者直接与移动设备共享数据，利用移动端等人机交互端的应用程序实现用电数据的走势图绘制、分析判断等一系列功能。(3)用电器安全状态警报应对。本发明设计了命令执行单元，系统根据所监测的数据分析判断用电器的工作状态，当用电异常时发出警告，甚至在极端情况下做出断电处理的等安全防范措施。除了以上特点外，本发明具有全自动化、使用简便的优点。系统的数据采集功能、数据分析功能以及数据交换功能等使得系统易于接入物联网或者人工智能设备。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
具体实施方式
如图1所示,一种智能电能监测分析系统，包括分支单元1、总控制单元2和人机交互设备3。分支单元1包括电能检测模块1-1、从控制器1-2和命令执行单元1-3，电能检测模块1-1与从控制器1-2通过电连接，从控制器1-2和命令执行单元1-3通过电连接；从控制器1-2的核心为单片机，包括无线收发器(如WIFI、射频、蓝牙等)和计数器；命令执行单元1-3包括一个或多个功能执行器件(如继电器、蜂鸣器)；总控制单元2为主控制器。命令执行单元1-3和电能检测模块1-1安装于用电器的电源接口端；电能检测模块1-1用于对用电器的电能信息进行测量；从控制器1-2将电能检测模块1-1发出的信号转换为数字信息并通过从无线装置发送给总控制单元2；分支单元1通过从控制器1-2与总控制单元2进行通信，实现数据由分支到总控的相互传输；命令执行单元1-3执行总控制单元2做出的相关决策。总控制单元2对分支单元1通过从控制器1-2传输至总控制单元2的数据进行分析，直接或间接与人机交互设备3连接实现信息的处理、分析、反馈和参数输入，监控该用电器的电能使用情况并对电能的使用进行优化调整。
基于上述系统，有如下电能监测分析步骤：
步骤一、通过电能检测模块1-1通过电阻分压从用电器两端的高电压获取数百毫伏的电压信号、将电器的电流信号转化为数百毫伏的电压信号输入到模数转换器从而实现对交流瞬时电压、瞬时电流的实时监测，并通过运算获得电能信息，测量出用电器相关用电信息(如电压、电流等)，电能测量有公式⑴、公式⑵、公式⑶。然后电能信息通过电压频率转换器转换为脉冲信号。每个脉冲表示相应的电能消耗，如公式⑷所示。此功能能够通过诸RN8209和CSE 7759等芯片均可实现±0.5％的电能测量精度。
dW＝Pdt ⑵；
其中，P为实时功率，W为消耗的电能，t1为计量时间起点，t2为计量时间终点，为电流和电压的相位角，U为电压，I为电流。
W＝NΔW ⑷；
其中N为电压频率转换器输出的脉冲个数，ΔW为两个脉冲间隔内的电能消耗，是常数。
步骤二、从控制器1-2通过无线收发器实现与主控制器之间的数据通讯；并通过计数器记录步骤一中电能检测模块1-1测量得到的脉冲信号的脉冲个数，将电能信息初步处理为数字信号。
步骤三、总控制单元2收到步骤二中采集的数字信号，通过相应的算法得出用电器实时电能使用情况，并通过下述数据分析给出相应分析结果。下述对采样周期T＝30秒时进行分析，即电能检测模块1-1对电能的采样时间间隔为30秒。根据电能关系有式⑸和式⑹：
其中，Pt为实时功率，Wt为电能测量模块测得的电能,T为采样周期。
Ptc＝∑|Pt+1-Pt| ⑹；
Ptc为电器在相邻运行周期内功率波动的累加值。
根据式⑸和式⑹得出用电器运行时间为一天内电能消耗Wd，Wd＝∑Wt；在一天中电器运行时间内的平均功率Pd，Td为一天中电器的运行时间；用电器日用电功率差的累加值Pdc，Pdc＝∑|Pd+1-Pd|。
电器在一个月内电能消耗Wm，Wm＝∑Wd；在一月中电器运行时间内的平均功率Pm，Tm为一月中电器的运行时间。
电器在一年中的电能消耗Wy，Wy＝∑Wm；在一年中电器运行时间内的平均功率Py，Ty为一年中电器的运行时间。
步骤四、总控制单元2将步骤三中分析整理获得一周、一月或一年内用电器的实际用电情况通过主无线收发装置与移动设备或云端进行数据传输，使用者可随时监控该用电器的电能使用情况。
步骤五、总控制单元2分析步骤四中用电器的电能使用情况数据，也能在人机交互端的应用程序中实现用电数据的分析功能。总控制单元2做出相应的决策使得命令执行单元1-3做出报警措施或采取安全措施，或总控制单元2得出相应用电的结论，有下述情况：
①总控制单元2分析过去的日运行功率，发现过去一天该用电器的日运行功率较此前的日运行功率有明显的增加时，总控制单元2控制命令执行单元2发出警报声并在移动端显示该电器存在安全风险；
②某一时刻总控制单元2分析发现该用电器的电器日用电功率差的总和有陡增的情况并且则发出警报提示用户，若无回应则等待数秒后并关断电源，而关断电源与否，用户可以根据需要进行预先设置。根据日用电功率差累加值为表征电器功率波动情况，一个正常的电器的功率波动应该是在一个固定水平范围内的，而对其功率差的累加结果在0附近波动，当日用电功率差的累加值大于阈值则可以判断电器可能存在风险，而日用电功率差的累加值越大则安全风险越高。
③分析相邻运行周期内功率波动的累加值得出一段时间内电器的使用变动情况，如办公室内监测电脑的周期内功率波动的累加值，可以判断员工出勤情况，若等于0或是很小的值，说明电脑在监测期间的功率使用无变动或很小，这就可以判断该电脑在监测期间无人使用或使用很少，也就反映出员工的出勤等情况。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种智能电能监测分析系统，包括分支单元、总控制单元和人机交互设备；其特征在于：所述的分支单元包括电能检测模块、从控制器和命令执行单元，电能检测模块与从控制器通过电连接，从控制器和命令执行单元通过电连接；从控制器的核心为单片机，包括无线收发器和计数器；命令执行单元包括一个或多个功能执行器件；总控制单元为主控制器；命令执行单元和电能检测模块安装于用电器的电源接口端；电能检测模块用于对用电器的电能信息进行测量；从控制器将电能检测模块发出的信号转换为数字信号并通过无线装置发送给总控制单元；分支单元通过从控制器与总控制单元进行通信实现数据由分支到总控的相互传输；命令执行单元执行总控制单元做出的相关决策；所述的总控制单元对分支单元通过从控制器传输至总控制单元的数据进行分析，同时与人机交互设备连接实现信息的处理、分析、反馈和参数输入，对用电器的电能使用情况进行监控和调整；
基于上述系统，有如下电能监测分析步骤：
步骤一、通过电能检测模块通过电阻分压从用电器两端的高电压获取数百毫伏的电压信号、将电器的电流信号转化为数百毫伏的电压信号输入到模数转换器从而实现对交流瞬时电压、瞬时电流的实时监测，测量出用电器相关用电信息，包括电能、电压和电流；得到式⑴、式⑵、式⑶；然后电能信息通过电压频率转换器转换为脉冲信号；每个脉冲表示相应的电能消耗，电能消耗关系式为式⑷；电能检测模块采用能够实现±0.5％的电能测量精度的芯片；
dW＝Pdt ⑵；
<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>dW</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msub> </msubsup> <mi>Pdt</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，P为实时功率，W为消耗的电能，t1为计量时间起点，t2为计量时间终点，为电流和电压的相位角，U为电压，I为电流；
W＝NΔW ⑷；
其中N为电压频率转换器输出的脉冲个数，ΔW为两个脉冲间隔内的电能消耗，是常数；
步骤二、从控制器通过无线收发器实现与主控制器之间的数据通讯；并通过计数器记录步骤一中电能检测模块测量得到的脉冲信号的脉冲个数，将电能信息初步处理为数字信号；
步骤三、总控制单元收到步骤二中采集的数字信号，并通过下述数据分析得出用电器实时电能使用情况；下述对采样周期为T时进行分析，即电能检测模块对电能的采样时间间隔为T；根据电能关系有式⑸和式⑹：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>W</mi> <mi>t</mi> </msub> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，Pt为实时功率，Wt为电能测量模块测得的电能,T为采样周期；
Ptc＝∑|Pt+1-Pt| ⑹；
Ptc为电器在相邻运行周期内功率波动的累加值；
根据式⑸和式⑹得出用电器运行一周、一月或一年内的电能消耗、平均功率和用电器日用电功率差的累加值；
步骤四、总控制单元将步骤三中分析整理获得的一周、一月或一年内用电器的实际用电情况通过主无线收发装置、移动设备或云端进行数据传输，使用者能够随时监控用电器的电能使用情况；
步骤五、总控制单元分析步骤四中用电器的电能使用情况数据，总控制单元做出相应决策使得命令执行单元执行报警措施或采取安全措施，或总控制单元得出相应用电的结论后，对用电器的电能使用进行调整。
2.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：所述的采样周期T不大于两分钟。
3.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：步骤四中所述的通过云端或者直接与移动设备共享的数据，能够在人机交互端的应用程序中实现用电数据的分析判断功能。
4.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：所述的电能检测模块采用RN8209或CSE 7759芯片。
5.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：所述的无线收发器为WIFI、射频或蓝牙。
6.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：所述的功能执行器件为继电器或蜂鸣器。
7.如权利要求1所述的一种智能电能监测分析系统，其特征在于：所述的人机交互设备为电脑、平板电脑或手机。
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