CN109212308A - 智能断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供智能断路器，主要包括：电能采集单元，用于实时采集用电设备的电压信息/电流信息；处理单元，连接所述电能采集单元，用于接收所述电压信息/电流信息；通信单元，连接所述处理单元，用于将所述电压信息/电流信息向外发送；开关电源单元，连接所述处理单元，用于根据输入的市电输出直流电，从而为与所述处理单元连接的各工作单元供电。本发明的智能断路器不仅能提供保护功能，还能实时地采集设备的用电信息，并将用电信息实时地上传至云端等服务侧，以供用户远程查看，有助于服务侧在对这些用电信息进行分析后给出分析结果，从而指导用户的用电行为。
Description
技术领域
本发明涉及断路器领域，特别是涉及一种新型的智能断路器。
背景技术
随着社会发展，电力需求量持续增加，电力供需形势持续紧张，用电形势十分严峻。传统的电监测设备往往只能记录总用电量，例如：只能读出用户每月的总用电量，用户并不能掌握用电设备实时的用电情况。此外，传统的电监测设备为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表，但其显示界面小、信息存储量也小、处理能力有限、可操作性差，用户无法对电能信息和用户用电行为进行完整的分析。
为了更好地服务用户，如何克服现有电监测设备存在的缺陷，提供新型的电监测设备来实现电能能耗的实时监测和准确分析，已逐渐成为业内亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种智能断路器，用于解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种智能断路器，包括：电能采集单元，用于实时采集用电设备的电压信息/电流信息；处理单元，连接所述电能采集单元，用于接收所述电压信息/电流信息；通信单元，连接所述处理单元，用于将所述电压信息/电流信息向外发送；开关电源单元，连接所述处理单元，用于根据输入的市电输出直流电，从而为与所述处理单元连接的各工作单元供电。
于本发明一实施例中，所述处理单元包括：电能计量SOC芯片；其中，所述电能计量SOC芯片包括：前端电电压采集通道、和/或前端电电流采集通道。
于本发明一实施例中，所述前端电电压采集通道及所述前端电电流采集通道分别包括保护二极管，用于通道中有干扰信号输入时将电压保持在一定范围内。
于本发明一实施例中，所述前端电电流采集通道还包括：滤波电感和压敏电阻，用于增强通道间的抗干扰能力以及数据采集的准确性。
于本发明一实施例中，所述电能采集单元包括：分压电阻/锰铜分流器、及信号调理电路，其中，所述分压电阻用于根据测量电压得到毫伏级的电压信号；所述锰铜分流器用于根据测量电流得到毫伏级的电流信号；所述信号调理电路用于将所述毫伏级的电压信号送入所述前端电电压采集通道，和/或用于将所述毫伏级的电流信号送入所述前端电电流采集通道。
于本发明一实施例中，所述开关电源单元包括：隔离的反激式开关电源。
于本发明一实施例中，还包括：控制单元，包括：继电器单元、及继电器驱动单元；漏电保护单元，用于检测线路是否发生漏电，并在线路漏电时断开所述继电器单元，从而起到保护作用。
于本发明一实施例中，所述继电器单元包括：磁保持继电器。
于本发明一实施例中，所述漏电保护单元包括：互感器、运算放大器，其中，所述互感器用于检测漏电信号，所述运算放大器用于将所述漏电信号放大以得到毫伏级的电压信号；经所述运算放大器得到的电压信号被送入所述前端电电流采集通道，以供所述电能计量SOC芯片判断其是否超过预设漏电阈值，若是，则令所述继电器单元断开。
于本发明一实施例中，还包括：温度测量单元，连接所述处理单元，用于实时测量线路温度；所述处理单元在判断出线路温度高于预设值时令所述智能断路器断开线路。
于本发明一实施例中，还包括：按键单元，连接所述处理单元，用于提供手动控制所述智能断路器断开和闭合的按键。
于本发明一实施例中，还包括：指示灯单元，连接所述处理单元，用于显示所述智能断路器的工作状态。
如上所述，本发明的智能断路器，克服了现有断路器和电能表所存在的缺陷，能够实时地采集设备的用电信息，并将用电信息实时地上传至云端等服务侧，用户可以远程地查看用电信息，并且，服务侧在对这些用电信息进行分析后，得出的分析结果还能够指导用户的用电行为。除此之外，本发明的智能断路器还提供多功能的保护功能，一旦检测到发生故障就会立刻断开断路器，并将故障信息发送给用户等。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的智能断路器的结构示意图。
图2显示为本发明另一实施例中的智能断路器的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
目前的空气断路器均只有简单的开关功能，本发明以目前主流断路器为基础，实现了断路器的智能化。
如图1所示，本发明的智能断路器，包括：处理单元、开关电源单元、控制单元、电能采集单元、漏电保护单元、通信单元、按键单元、指示灯单元、温度测量单元，其中，所述处理单元与所述开关电源单元、所述控制单元、所述电能采集单元、所述漏电保护单元、所述通信单元、所述按键单元、所述指示灯单元、所述温度测量单元相连接。
以下将对各个单元分别进行阐述：
所述处理单元，优选为SOC芯片，例如：集成有电能计量电路和MCU微控制器的电能计量SOC芯片，该芯片体积小，能有效减小线路板的面积。
所述开关电源单元，输入市电，输出直流电源，给其他单元提供了可靠的工作电源。
所述控制单元，包括：继电器和驱动芯片，驱动芯片增强脉冲的驱动能力，可靠地控制继电器。
所述电能采集单元，采集电压、电流信号，并将采集到的电压和电流信号发送至所述处理单元。当所述处理单元为SOC芯片时，所述电能采集单元还用于将采集的电压和电流信号转化为SOC芯片可以处理的信号，并发送至SOC芯片。
所述漏电保护单元，用于在检测到线路发生漏电时，可靠地断开继电器，从而起到保护的作用。
所述通信单元，提供无线、有线通讯接口，从而将用户侧的用电监测信息向外发送。
所述按键单元，提供物理按键，用户可以通过该物理按键手动控制继电器的断开和闭合。
所述指示灯单元，提供指示灯，用于指示断路器的工作状态。
所述温度测量单元，用于实时地测量线路上温度，从而在检测到线路温度过高时能够让断路器断开线路。
本发明的智能断路器在加入电能采集功能、通讯单元和智能控制后，可以实时监测用户用电情况，并将数据上传至云端等服务侧，以供服务侧对用户用电行为进行智能分析，从而对用电设备进行智能控制。此外，本发明的智能断路器还提供了漏电保护、温度保护等功能，并可在检测到故障时生成故障信息，发送给用户，有效地保证了用电安全。
在一种具体的实施方式中，本发明的智能断路器的结构如图2所示：
所述SOC芯片可以采用杭州万高的单相电能计量SoC芯片V9821S，其集成了模拟前端、电能计量模块、增强型8052内核等功能模块。该芯片具有性价比高、抗干扰能力强、测量精度高等优点。可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。
所述开关电源单元，优选为采用隔离的反激式开关电源，输出隔离的两路直流电压12VDC和5VDC。当输入电压在很大范围内波动时，所述开关电源单元仍可有较稳定的输出，经实际实验检测，所述开关电源单元目前已可实现交流输入在85-265V间无需切换而达到稳定输出的效果。本发明采用开关电源方案，相对于工频变压器和传统的LDO方案，具有功耗小、效率高、体积小等诸多优点。
所述控制单元，包括：磁保持继电器和信号驱动芯片。继电器采用磁保持类型的继电器，优点是功耗低、安全、可靠。信号驱动芯片用于增强脉冲的驱动能力，可靠地控制磁保持继电器。
所述电能采集单元的电流测量采用锰铜电阻(锰铜分流器)来实现，大电流经过锰铜电阻，在电阻两侧得到的mV级的低压小信号，经信号调理电路送入V9821S的前端电电流采集通道；所述电能采集单元的电压测量采用分压电阻来实现，220V高压经过电阻分压，得到的是毫伏级的低压交流小信号，经信号调理电路送入V9821S的前端电电压采集通道。
计量芯片V9821S的电流通道和电压通道及外围电路，将交流小信号送入计量芯片内部。断路器计量单元的两个采集通道，都加入了保护二极管，使两个通道在有干扰信号输入的情况下电压也可保持在一定的范围之内；电流采集通道还加入了滤波电感和压敏电阻，从而增强两个通道的抗干扰能力并保证数据采集的精确性。
所述漏电保护单元，其互感器采集微小的漏电信号，微小的信号经过一个精密的运放处理，将小信号放大20倍，得到mV级的低压小信号，送入V9821S的电流采集通道。当V9821S采集到的漏电信号超过漏电阈值时产生断开继电器脉冲，将继电器断开，从而起到漏电保护的作用。
所述通信单元，包括：有线RS-485通信、无线NB-IOT通信。具体的：
RS-485芯片采用TI公司的RS-485芯片，RS-485芯片具有良好的抗干扰性、较长的传输距离，具有业内通用的接口。RS-485是总线型通讯，采用手拉手连接，可以实现多机通讯，扩展性较好，当要增加节点数量时，无需改变布线。
NB-IoT是IoT领域的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。本发明的智能断路器的NB-IOT可以采用移远通信BC95模块，从而实时地与云端通讯，将用电信息上传云端，以供云端实时地对用电信息进行分析，并且，用户还能通过手机APP可以实时地从云端获取用电信息。
所述按键/指示灯单元，提供物理按键，用户可以通过该物理按键手动控制继电器的断开和闭合；提供指示灯，用于指示断路器的工作状态。
所述温度测量单元，包括：热敏电阻，用于实时地测量线路上温度，从而在检测到线路温度过高时能够让断路器断开线路。
本发明的智能断路器，最大限度地减小了断路器的体积，通过单相电能计量SOC芯片采集电能数据，通过有线RS-485接口对外提供数据接口，通过NB-IOT模块向云端上传用电信息。当云端对用电信息进行实时分析和记录，用户就可以通过手机APP实时地从云端获取用电信息。当云端数据经过分析、计算和处理后，可以通过图表等形式向用户展示，从而有利于指导用户的用电行为。此外，本发明的智能断路器在检测到电压电流异常时，立刻断开继电器，起到有效的保护作用；在检测到线路温度异常时，断开线路，从而起到有效的保护作用，同时，还可以将故障信息上传云端，以供云端记录故障信息等。
综上所述，本发明将电监测节点实物设计成断路器形式，从而完成对用户侧电能的实时监测，系统精度高、稳定性好，有利于为用户选择用电行为提供一个有利的参考。本发明的智能断路器，集计量、通信、过压过流漏电保护等诸多功能于一身，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种智能断路器，其特征在于，包括：
电能采集单元，用于实时采集用电设备的电压信息/电流信息；
处理单元，连接所述电能采集单元，用于接收所述电压信息/电流信息；
通信单元，连接所述处理单元，用于将所述电压信息/电流信息向外发送；
开关电源单元，连接所述处理单元，用于根据输入的市电输出直流电，从而为与所述处理单元连接的各工作单元供电。
2.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，所述处理单元包括：电能计量SOC芯片；其中，所述电能计量SOC芯片包括：前端电电压采集通道、和/或前端电电流采集通道。
3.根据权利要求2所述的智能断路器，其特征在于，所述前端电电压采集通道及所述前端电电流采集通道分别包括保护二极管，用于通道中有干扰信号输入时将电压保持在一定范围内。
4.根据权利要求2所述的智能断路器，其特征在于，所述前端电电流采集通道还包括：滤波电感和压敏电阻，用于增强通道间的抗干扰能力以及数据采集的准确性。
5.根据权利要求2所述的智能断路器，其特征在于，所述电能采集单元包括：分压电阻/锰铜分流器、及信号调理电路，其中，
所述分压电阻用于根据测量电压得到毫伏级的电压信号；
所述锰铜分流器用于根据测量电流得到毫伏级的电流信号；
所述信号调理电路用于将所述毫伏级的电压信号送入所述前端电电压采集通道，和/或用于将所述毫伏级的电流信号送入所述前端电电流采集通道。
6.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，所述开关电源单元包括：隔离的反激式开关电源。
7.根据权利要求2所述的智能断路器，其特征在于，还包括：
控制单元，包括：继电器单元、及继电器驱动单元；
漏电保护单元，用于检测线路是否发生漏电，并在线路漏电时断开所述继电器单元，从而起到保护作用。
8.根据权利要求7所述的智能断路器，其特征在于，所述漏电保护单元包括：互感器、运算放大器，其中，
所述互感器用于检测漏电信号，所述运算放大器用于将所述漏电信号放大以得到毫伏级的电压信号；
经所述运算放大器得到的电压信号被送入所述前端电电流采集通道，以供所述电能计量SOC芯片判断其是否超过预设漏电阈值，若是，则令所述继电器单元断开。
9.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，还包括：温度测量单元，连接所述处理单元，用于实时测量线路温度；所述处理单元在判断出线路温度高于预设值时令所述智能断路器断开线路。
10.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，还包括：按键单元、和/或指示灯单元，分别连接所述处理单元，其中，所述按键单元用于提供手动控制所述智能断路器断开和闭合的按键；所述指示灯单元用于显示所述智能断路器的工作状态。
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