CN110348354A - 一种用电负荷识别系统、方法及宿舍用电管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用电负荷识别系统及方法，该识别系统通过大功率负载识别装置，将宿舍中的特定大功率电器分离开来进行单独的监测，减少监测系统对于负荷监测的压力。识别方法通过对电流功率、波形、上升/下降时间等因素的多重比较，有效防止误判，显著提高负荷识别的准确度。本发明还提出一种宿舍用电管理系统，其通过用电负荷识别系统对宿舍恶意负载进行识别并采取限电策略，防止宿舍内因电路绝缘、过载而引起的电气事故。通过视屏采集处理，监控火焰和烟雾等情况。通过人脸识别闸机对各宿舍人员的进出情况进行识别，若同一宿舍的所有人员均离开宿舍，则断开该宿舍供电。从而能够实现宿舍用电综合管控，省电节能。

Description

一种用电负荷识别系统、方法及宿舍用电管理系统
技术领域
本发明属于用电管理领域，涉及一种用电负荷识别系统、方法及宿舍用电管理系统。
背景技术
集体宿舍普遍存在环境复杂，用电管理难度大的问题。尤其是一些宿舍违规使用电热棒、热得快、电饭煲、电水壶等大功率危险用电设备，经常致使线路过载过热，引发火灾、触电等严重后果。
现有技术中，中国专利CN109143949A公开了一种基于NB-IOT通信校园宿舍用电监控系统，其通过电力检测模块对用电负荷、有无漏电、电缆温度进行监控，及时发现用电超载、漏电保护、电缆高温并远程控制。但对于许多设有热水器、空调、吹风机的宿舍，所有设备同时运行时用电功率较大，监测系统识别负荷压力大。且当只使用电热水壶，电热毯等违禁电器时，电力检测模块难以识别，容易出现误判。因而，校园用电管理中，对恶意负载的准确识别上有着迫切的需求。
发明内容
针对背景技术中提及的恶意负载问题，本发明提出一种可对恶意负载进行准确识别，并予以限电的用电负荷识别系统及方法。本发明还提出一种将视屏处理、人脸识别和该电负荷识别系统进行结合的可对宿舍用电安全进行综合管控的宿舍用电管理系统。
本发明采用的技术方案为：
一种用电负荷识别系统，包括能源路由箱和若干大功率负载识别装置，所述能源路由箱包括中央控制器和若干与各宿舍空开一一对应连接的分支电路，每一分支电路中均接有高精度电流互感器和继电器；
所述中央控制器包括采样模块、供电模块、调度模块、模数转换模块、保护模块和通信模块；多个分支电路分别与所述采样模块相连，各宿舍的电表分别与所述采样模块相连；
所述供电模块与所述采样模块相连，将220V电压转换为所述中央控制器匹配的电压并为所述中央控制器供电；所述模数转换模块、所述保护模块和所述通信模块分别与所述调度模块相连；各继电器分别与所述调度模块相连，各高精度电流互感器分别与所述模数转换模块相连；
所述若干大功率负载识别装置与各宿舍的插接特定设备的大功率插座一一对应连接，多个大功率负载识别装置分别与所述通信模块通过电力载波通信。
进一步地，所述中央控制器还包括显示模块，所述显示模块与所述调度模块相连。
进一步地，所述中央控制器还包括语音报警模块，所述语音报警模块与所述调度模块相连。
一种用电负荷识别方法，该方法通过上述的用电负荷识别系统实现，包括如下步骤：
步骤一、瞬时功率比较，所述调度模块每隔设定的时间段通过所述模数转换模块和多个高精度电流互感器检测一次各宿舍的用电总功率，并将各宿舍的总功率与上次测得的总功率对应进行比较，若差值大于预设值，则瞬时功率超标，进入步骤二；若差值不大于预设值，则正常供电；
步骤二、电流波形比较，所述调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流波形数据，并进行比较，若激增后的电流减去激增前的电流得到的差值电流的波形与供电电压的频率和相位不一致，则断定有纯阻性违规负载投入使用，并采取限电策略；若差值电流的波形与供电电压的频率和相位一致，则进入步骤三；
步骤三、上升/下降时间判别，所述调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流上升时间数据，并与设定的阈值进行比较，若在瞬时功率超标时间段内电流上升时间不大于设定的阈值，则采取限电策略；反之，进入步骤四；
步骤四、谐波分析识别，步骤二中的电流波形为一个含多个谐波分量的复杂波形，若瞬时功率超标时间段内，谐波分量改变，则正常供电；若谐波分量不变，则采取限电措施。
进一步地，所述限电策略为：所述调度模块切断使用恶意负载的宿舍对应的继电器实现断电，并通过手动恢复供电或按照设定时间自动恢复供电。
一种宿舍用电管理系统，包括视频采集模块、视频分析模块、数据服务器、人脸识别闸机、通讯管理机、云平台和上述的用电负荷识别系统；
所述通讯管理机、所述视频分析模块、所述人脸识别闸机、所述云平台分别与所述数据服务器相连，所述视频采集模块与所述视频分析模块相连，所述通信模块与所述通讯管理机进行通讯。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的用电负荷识别系统及方法通过大功率负载识别装置，将宿舍中的特定大功率电器例如空调，热水器等，分离开来进行单独的监测，减少监测系统对于负荷监测的压力。通过对电流功率、波形、上升/下降时间等因素的多重比较，可有效防止误判，并显著提高负荷识别的准确度，防止过载事故的发生。同时，本发明提出的宿舍用电管理系统将该用电负荷识别系统与视屏处理以及人脸识别有机结合，可实现宿舍用电安全的综合管控，省电节能。
附图说明
图1为本发明的用电负荷识别系统的示意图；
图2为能源路由箱的结构示意图；
图3为本发明的用电负荷识别方法的流程图；
图4为本发明的宿舍用电管理系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种用电负荷识别系统，参见图1和图2，包括能源路由箱和若干大功率负载识别装置。
能源路由箱包括中央控制器(MCU)和若干与各宿舍空开一一对应连接的分支电路，每一分支电路中均接有高精度电流互感器和继电器。中央控制器包括采样模块、供电模块、调度模块、模数转换模块、保护模块、通信模块、显示模块和语音报警模块，多个分支电路分别与采样模块相连，各宿舍的电表分别与采样模块相连。
供电模块与采样模块相连，采样模块用于检测宿舍220V侧电压是否出现大的波动，并与供电模块联动供电(即采集各个宿舍整体的用电稳定状态并引入220V电压给供电模块)。
供电模块主要由依次相连的变压电路、整流电路、稳压电路和滤波电路构成，将引入的220V电压转换为5V电压并为整个中央控制器供电。需要指出，给通信模块进行供电时，5V电压输出端后还接有一个稳压变换电路将5V电压转换为3.3V，从而给通信模块提供所需的3.3V电压。
模数转换模块、保护模块、通信模块、显示模块和语音报警模块分别与调度模块相连。调度模块接收采样模块传输过来的220V侧电压数据，当220V侧电压发生波动(电压骤升或骤降)，调度模块控制保护模块工作，以保证整个中央控制器的正常工作。
各继电器分别与调度模块相连，模数转换模块上有多个外部测量通道，各高精度电流互感器分别与模数转换模块上的外部测量通道一一对应相连，从而模数转换模块可获取每一个高精度电流互感器上的电流波形，其与之对应的就是各个宿舍的用电波形。这样模数转换模块就可以分别采集到各宿舍的用电功率、电流波形及电流上升时间数据，并反馈至调度模块。
显示模块采用液晶显示屏，主要用于显示采集到的各个宿舍的用电功率等数据，并在调度模块判断出有宿舍使用违禁电器的时候，将对应宿舍号显示出来，语音报警模块负责用电异常情况下的语音报警。
若干大功率负载识别装置分别与各宿舍的大功率插座一一对应连接，大功率插座上插接特定设备，如热水器、空调、冰箱等。若干大功率负载识别装置分别将对应的大功率用电设备的用电参数实时地通过电力载波传输至通信模块。具体地，大功率负载识别装置为安装在大功率用电设备侧的电能检测装置，主要由电流互感器和采集模块组成，采集大功率用电设备的用电参数。大功率负载识别装置主要是判断匹配的大功率用电设备是否启用，一旦设备启用则反馈至中央控制器MCU，中央控制器MCU再进一步判断是否为违禁的设备。
如图3所示的用电负荷识别方法，该方法通过上述的用电负荷识别系统实现，包括如下步骤：
步骤一、瞬时功率比较，调度模块每隔设定的时间段通过模数转换模块和多个高精度电流互感器检测一次各宿舍的用电总功率，并将各宿舍的总功率与上次测得的总功率对应进行比较，若差值大于预设值(如1200W)，则瞬时功率超标，进入步骤二。若差值不大于预设值，则正常供电。
步骤二、电流波形比较，调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流波形数据(电流波形会在调度模块中保留一段时间)，并进行比较，若激增后的电流减去激增前的电流得到的差值电流的波形与供电电压的频率和相位不一致，则断定有纯阻性违规负载投入使用，并采取限电策略。若差值电流的波形与供电电压的频率和相位一致，则进入步骤三，进一步判别该负载是否串接防限电装置。
步骤三、上升/下降时间判别，调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流上升时间数据，并与设定的阈值进行比较，若在瞬时功率超标时间段内电流上升时间不大于设定的阈值，则采取限电策略。反之，进入步骤四。恶意负载输入电流的上升/下降时间大都为10us。可设定一个合适的域值，如100us，若检测到电流上升时间小于100us，则可以判断有人使用了违禁电器。
步骤四、谐波分析识别，步骤二中的电流波形为一个含多个谐波分量的复杂波形，而这些谐波分量实际上就是宿舍中各个用电设备的用电量，调度模块对该电流波形进行快速傅里叶变换(FFT变换)可以分析得到部分用电设备(如台灯)的电流波形，从而得到这些设备的用电情况。若瞬时功率超标时间段内，谐波分量改变，则正常供电。若谐波分量不变，则采取限电措施。
限电策略具体为：调度模块切断使用恶意负载的宿舍对应的继电器实现断电，并按照设定时间自动恢复供电或手动恢复供电。
一种宿舍用电管理系统，如图4所示，包括视频采集模块、视频分析模块、数据服务器、人脸识别闸机、通讯管理机、云平台和上述的用电负荷识别系统。
通讯管理机、视频分析模块、人脸识别闸机、云平台分别与数据服务器相连，视频采集模块与视频分析模块相连，通信模块与通讯管理机通过以太网进行通讯，协议为MODBUS-MODBUS(TCP/IP)。
用电负荷识别系统通过对宿舍恶意负载识别并采取限电策略，防止宿舍内因电路绝缘、过载而引起的电气事故。通过通讯管理机，用电负荷识别系统将采集以及处理的数据传输至数据服务器。视频采集模块为数字摄像机，安装在宿舍走廊上，视频分析模块对采集的图像进行实时处理，监控火焰和烟雾等情况。人脸识别闸机对各宿舍人员的进出情况进行识别，并反馈至数据服务器，若同一宿舍的所有人员均离开宿舍，则数据服务器通过通讯管理机向能源路由箱发送指令，断开该宿舍供电。
数据服务器实现实现视频采集分析、能源路由箱和人脸识别的数据交互，所有的数据均上传存储于云平台，方便调取查看。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用电负荷识别系统，其特征在于，包括能源路由箱和若干大功率负载识别装置，所述能源路由箱包括中央控制器和若干与各宿舍空开一一对应连接的分支电路，每一分支电路中均接有高精度电流互感器和继电器；
所述中央控制器包括采样模块、供电模块、调度模块、模数转换模块、保护模块和通信模块；多个分支电路分别与所述采样模块相连，各宿舍的电表分别与所述采样模块相连；
所述供电模块与所述采样模块相连，将220V电压转换为所述中央控制器匹配的电压并为所述中央控制器供电；所述模数转换模块、所述保护模块和所述通信模块分别与所述调度模块相连；各继电器分别与所述调度模块相连，各高精度电流互感器分别与所述模数转换模块相连；
所述若干大功率负载识别装置与各宿舍的插接特定设备的大功率插座一一对应连接，多个大功率负载识别装置分别与所述通信模块通过电力载波通信。
2.根据权利要求1所述的用电负荷识别系统，其特征在于，所述中央控制器还包括显示模块，所述显示模块与所述调度模块相连。
3.根据权利要求1或2所述的用电负荷识别系统，其特征在于，所述中央控制器还包括语音报警模块，所述语音报警模块与所述调度模块相连。
4.一种用电负荷识别方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至3中任一项所述的用电负荷识别系统实现，包括如下步骤：
步骤一、瞬时功率比较，所述调度模块每隔设定的时间段通过所述模数转换模块和多个高精度电流互感器检测一次各宿舍的用电总功率，并将各宿舍的总功率与上次测得的总功率对应进行比较，若差值大于预设值，则瞬时功率超标，进入步骤二；若差值不大于预设值，则正常供电；
步骤二、电流波形比较，所述调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流波形数据，并进行比较，若激增后的电流减去激增前的电流得到的差值电流的波形与供电电压的频率和相位不一致，则断定有纯阻性违规负载投入使用，并采取限电策略；若差值电流的波形与供电电压的频率和相位一致，则进入步骤三；
步骤三、上升/下降时间判别，所述调度模块调取瞬时功率超标时间段内的电流上升时间数据，并与设定的阈值进行比较，若在瞬时功率超标时间段内电流上升时间不大于设定的阈值，则采取限电策略；反之，进入步骤四；
步骤四、谐波分析识别，步骤二中的电流波形为一个含多个谐波分量的复杂波形，若瞬时功率超标时间段内，谐波分量改变，则正常供电；若谐波分量不变，则采取限电措施。
5.根据权利要求4所述的用电负荷识别方法，其特征在于，所述限电策略为：所述调度模块控制使用恶意负载的宿舍对应的继电器断电，通过手动恢复供电或按照设定时间自动恢复供电。
6.一种宿舍用电管理系统，其特征在于，包括视频采集模块、视频分析模块、数据服务器、人脸识别闸机、通讯管理机、云平台和权利要求1至3中任一项所述的用电负荷识别系统；所述通讯管理机、所述视频分析模块、所述人脸识别闸机、所述云平台分别与所述数据服务器相连，所述视频采集模块与所述视频分析模块相连，所述通信模块与所述通讯管理机进行通讯。
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