CN113030565B - 一种具有输入保护的负荷辨识智能电表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有输入保护的负荷辨识智能电表。该智能电表包括电流采样单元、电压采样单元、滤波单元、输入保护电路、计量芯片、主控单元和通信单元等。本发明通过在电流采样单元与滤波单元之间设置输入保护电路，输入保护电路根据两组分压比例不同的分压电阻自动工作，根据电流采样单元输出的电压不同，可在自动进行分压输入并切换计算系数或切断信号输入，当用户的进线电流在原有的额定范围内时，不影响智能电表的测量精度，可扩展可允许输入的最大电流信号值，并可对滤波单元和计量芯片均可进行保护，避免输入电压过高造成损坏，当电流采样单元输出的电流降低时，可自动恢复成正常运行模式。

Description

一种具有输入保护的负荷辨识智能电表
技术领域
本发明涉及负荷辨识智能电表技术领域，具体涉及一种具有输入保护的负荷辨识智能电表。
背景技术
细粒度负荷辨识技术包括侵入式和非侵入式两类，其中，侵入式负荷辨识的建设和维护成本高，而且推广难度也较大，从而限制了其发展。然而非侵入式负荷辨识只需要在进线安装一个终端，采集用户进线的电压和电流数据，通过终端内的信号处理和算法识别即可实现用户用电行为的辨识，无需侵入用户的家内进行施工，从而更易于推广运用。
现有的非侵入式负荷辨识技术与智能电表相结合，利用智能电表的计量数据资源，通过内置于电表中负荷分析模块实现各类电器负荷工作状态，能耗水平等信息感知，配合用电信息采集系统及其主站软件完成与电力用户的信息交互。用电负荷辨识智能电能表在不影响用户生活、不改变现有电能采集架构、不改变电能表外观的前提下，就可实现居民用电负荷辨识。现有的智能电表可承受的最大电流为一个定值，随着用户用电设备越来越多样化，负载数量和功率也在增加，在遇到大功率设备启动或短路造成用户的进线电流超过最大承受值后，如果此时用户的空气开关未达到断开条件或达到断开条件但未能正常断开时，就容易造成智能电表损坏，并且，在智能电表损坏期间，用户可能仍可正常用电，但用户的电量无法继续统计，对相关配电单位造成经济损失。可以通过改变信号变换电路的元件参数来增加可允许最大输入电流，但是改变后信号变换电路输出的信号随用户进线电流的变化的敏感度会降低，例如，某型号的智能电表在用户的进线电流变幅为10A时，原有的信号变换电路的输出电压的变幅为0.5V，而改变之后的信号变换电路输出电压的变幅可能仅为0.2V，从而可能影响用户进线电流的采样精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种具有输入保护的负荷辨识智能电表。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有输入保护的负荷辨识智能电表，包括：
电流采样单元，包括电流互感器和与所述电流互感器连接的第一信号变换电路，所述电流互感器用以采集用户进线的电流数据，所述第一信号变换电路用以将电流信号形式的电流数据转换成电压信号形式的电流数据；
电压采样单元，包括电压互感器和与所述电压互感器连接的第二信号变换电路，所述电压传感器用以采集用户进线的电压数据，所述第二信号变换电路用以将电流信号形式的电压数据转换成电压信号形式的电压数据；
滤波单元，与所述第二信号变换电路连接，以对所述电压数据进行滤波处理；
输入保护电路，连接在所述第一信号变换电路与滤波单元之间，用以在电压信号形式的电流数据未超过阈值时，将第一信号变换电路与滤波单元连接，以将电压信号形式的电流数据传送至滤波单元进行滤波处理，并在电压信号形式的电流数据超过阈值时，控制第一信号变换电路与滤波单元断开；
计量芯片，与所述滤波单元连接，用以接收滤波处理后的电压数据和电流数据，并根据电压数据和电流数据计算用户的瞬时功率及电能数据，且当所述输入保护电路断开期间，以断开前的电压数据和电流数据继续计算电能数据，并将电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据发送至主控单元；
主控单元，与所述计量芯片和通信单元分别连接，用以接收所述计量芯片发送的电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据，并基于其接收的数据进行负荷辨识，以生成负荷辨识结果，所述主控单元控制通信单元将负荷辨识结果和电能数据发出。
进一步的，所述输入保护电路包括一端与第一信号变换电路连接的电阻R1，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的另一端接地，所述三极管Q1的发射极接地，且其集电极与继电器K1的线圈的一端连接，所述继电器K1的线圈的另一端与第一信号变换电路连接，所述继电器K1的常闭触点连接在继电器K1的线圈的另一端与滤波单元之间，且其常开触点连接在电源模块的正极与计量芯片之间。
进一步的，所述输入保护电路还包括一端连接在继电器K1的线圈的另一端与继电器K1的常闭触点之间的电阻R4，所述电阻R4的另一端与电阻R5的一端和三极管Q2的基极连接，所述电阻R5的另一端接地，所述三极管Q2的发射极接地，且其集电极与继电器K2的线圈的一端连接，所述继电器K2的线圈的另一端连接在电阻R4的另一端与继电器K2的常闭触点之间，所述继电器K2的常闭触点串联在继电器K1的常闭触点的前侧，所述继电器K2的线圈的另一端与其常闭触点之间还与继电器K2的第一常开触点的一端连接，所述继电器K2的第一常开触点的另一端与电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端与电阻R8和继电器K2的常闭触点与继电器K1的常闭触点之间分别连接，所述电阻R8的另一端接地，所述继电器K2的第二常开触点与电源模块的正极和计量芯片分别连接，以在继电器K2动作时，使所述计量芯片切换电流数据的计算系数。
进一步的，所述继电器K1的线圈还反向并联有二极管D1，所述二极管D1串联有电阻R3；所述继电器K2的线圈还反向并联有二极管D2，所述二极管D2串联有电阻R6。
进一步的，所述主控单元还连接有人机交互单元。
进一步的，所述人机交互单元包括LCD触控屏。
进一步的，所述通信单元包括电能脉冲输出单元和RS485通信单元。
有益效果：本发明通过在电流采样单元与滤波单元之间设置输入保护电路，输入保护电路根据两组分压比例不同的分压电阻自动工作，根据电流采样单元输出的电压不同，可在自动进行分压输入并切换计算系数或切断信号输入，当用户的进线电流在原有的额定范围内时，不影响智能电表的测量精度，可扩展可允许输入的最大电流信号值，并可对滤波单元和计量芯片均可进行保护，避免输入电压过高造成损坏，当电流采样单元输出的电流降低时，可自动恢复成正常运行模式。
附图说明
图1是本发明实施例的具有输入保护的负荷辨识智能电表的结构示意图；
图2是本发明实施例的输入保护电路的电气原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种具有输入保护的负荷辨识智能电表，包括电流采样单元1、电压采样单元2、滤波单元3、输入保护电路4、计量芯片5、主控单元6和通信单元7等。
其中，电流采样单元1具体包括电流互感器和第一信号变换电路，电流互感器用来采集用户进线的电流数据，该电流数据为电流信号形式的，电流互感器与第一信号变换电路连接，第一信号变换电路用来将电流信号形式的电流数据转换成电压信号形式的电流数据。
电压采样单元2具体包括电压互感器和第二信号变换电路，电压传感器用来采集用户进线的电压数据，该电压数据也是电流信号形式的，第二信号变换电路用来将电流信号形式的电压数据转换成电压信号形式的电压数据。
滤波单元3与第一信号变换电路和第二信号变换电路分别连接，以对电流数据和电压数据进行滤波处理。
输入保护电路4连接在第一信号变换电路与滤波单元3之间，当第一信号变换电路输出的电压信号形式的电流数据未超过阈值时，将第一信号变换电路与滤波单元3连接，以将电压信号形式的电流数据传送至滤波单元3进行滤波处理，当第一信号变换电路输出的电压信号形式的电流数据超过阈值时，控制第一信号变换电路与滤波单元3断开，防止信号电压超出额定范围损坏器件。
计量芯片5与滤波单元3连接，用来接收滤波处理后的电压数据和电流数据，并根据电压数据和电流数据计算用户的瞬时功率及电能数据，且当输入保护电路断开期间，以断开前的电压数据和电流数据继续计算电能数据，并将电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据发送至主控单元6。
主控单元6包括单片机，主控单元6与计量芯片5和通信单元7分别连接，用以接收计量芯片5发送的电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据，并基于其接收的数据进行负荷辨识，以生成负荷辨识结果，主控单元6控制通信单元7将负荷辨识结果和电能数据发出。
如图2所示，本发明实施例的输入保护电路4包括一端与第一信号变换电路连接的电阻R1，电阻R1的另一端与电阻R2的一端三极管Q1的基极连接，电阻R2的另一端接地，三极管Q1的发射极接地，且其集电极与继电器K1的线圈的一端连接，继电器K1的线圈的另一端与第一信号变换电路连接，继电器K1的常闭触点连接在继电器K1的线圈的另一端与滤波单元之间，且其常开触点连接在电源模块8的正极与计量芯片5之间。第一信号变换电路输出的电压经过电阻R1和电阻R2组成的分压电路分压，由于分压比由电阻R1和电阻R2的阻值决定。可以设定电阻R1与电阻R2的分压比例，假设第一信号变换电路输出的电压达到VS1时，使得VS1刚好满足三极管Q1的导通电压条件，从而触发三极管Q1导通，从而使继电器K1的线圈有电流通过而吸合，此时继电器K1的常闭触点断开，从而断开第一信号变换电路与滤波单元之间的连接，避免高电压信号输入。继电器K1的常开触点闭合，提供高电平信号至计量芯片5，触发计量芯片5以断开前的电压和电流数据继续计算电能数据，避免期间用户使用的电量无法统计，期间虽然实际的电流数据可能会超过断开前的电流，以最低值计算可避免与用户产生纠纷。当用户进行上的空气开关断开或进线上的电流降低时，三极管Q1恢复截止状态，继电器K1的常闭触点闭合，将第一信号变换电路与滤波单元3之间连接，恢复正常工作。在本实施例中，VS1优选为一个不大于智能电表可允许输入最大电流经第一信号变换电路转化后的电压值，可以根据实际参数进行设定，优选略小于可允许输入最大电流，留有一定的安全冗余区间。
本发明实施例的输入保护电路4还包括一端连接在继电器K1的线圈的另一端与继电器K1的常闭触点之间的电阻R4，电阻R4的另一端与电阻R5的一端和三极管Q2的基极连接，电阻R5的另一端接地，三极管Q2的发射极接地，且其集电极与继电器K2的线圈的一端连接，继电器K2的线圈的另一端连接在电阻R4的另一端与继电器K2的常闭触点之间，继电器K2的常闭触点串联在继电器K1的常闭触点的前侧，继电器K2的线圈的另一端与其常闭触点之间还与继电器K2的第一常开触点的一端连接，继电器K2的第一常开触点的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R8和继电器K2的常闭触点与继电器K1的常闭触点之间分别连接，电阻R8的另一端接地，继电器K2的第二常开触点与电源模块8的正极和计量芯片5分别连接，以在继电器K2动作时，使计量芯片5切换电流数据的计算系数。第一信号变换电路输出的电压经过电阻R4和电阻R5组成的分压电路分压，分压比由电阻R4和电阻R5的阻值决定。可以设定电阻R4与电阻R5的分压比例，假设第一信号变换电路输出的电压达到VS2时，使得VS2刚好满足三极管Q2的导通电压条件，从而触发三极管Q2导通，从而使继电器K2的线圈有电流通过而吸合，此时继电器K2的常闭触点断开，从而断开第一信号变换电路与滤波单元3之间的连接，并且继电器K2的常开触点闭合，一方面使得第一信号变换电路输出的电压信号经过电阻R7与电阻R8组成的分压电路分压后提供至滤波单元3，另一方面提供高电平信号触发计量芯片5切换电流数据的计算系数，该计算系数的大小与切换前的计算系数的关系与电阻R7和电阻R8的分压比相关。在本实施例中，VS2优选为一个不大于智能电表可允许输入最大电流经第一信号变换电路转化后的电压值，可以根据实际参数进行设定，优选略小于可允许输入最大电流，留有一定的安全冗余区间。VS1大于VS2，其根据电阻R1和电阻R2以及电阻R7和电阻R8的分压比进行确定，保证分压后输入的电压值小于可允许的最大输入电压值。当第一信号变换电路小于VS2时，继电器K1和继电器K2的常闭触点均闭合，计量芯片5以原有的计算系数正常工作。当第一信号变换电路输出的电压信号大于VS2且小于VS1时，继电器K2的常开触点闭合，继电器K2的常闭触点断开，继电器K1的常闭触点闭合，从而使输入保护电路4对第一信号变换电路输出的电压信号分压提供至滤波单元3，计量芯片5以切换后的计算系数工作。当第一信号变换电路输出的电压信号大于VS1时，继电器K1和继电器K2的常闭触点均断开，切断第一信号变换电路与滤波单元3之间的连接，此时计量芯片5以断开前的电压和电流数据继续计算电能数据。
继电器K1的线圈还优选反向并联有二极管D1，二极管D1串联有电阻R3；继电器K2的线圈还反向并联有二极管D2，二极管D2串联有电阻R6。主控单元6还连接有人机交互单元9，人机交互单元9包括LCD触控屏，用来实现如参数、通信等相关设定。通信单元7包括电能脉冲输出单元和RS485通信单元，具有脉冲信号输出和RS485信号两种输出方式。
以上所述仅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，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有输入保护的负荷辨识智能电表，其特征在于，包括：
电流采样单元，包括电流互感器和与所述电流互感器连接的第一信号变换电路，所述电流互感器用以采集用户进线的电流数据，所述第一信号变换电路用以将电流信号形式的电流数据转换成电压信号形式的电流数据；
电压采样单元，包括电压互感器和与所述电压互感器连接的第二信号变换电路，所述电压传感器用以采集用户进线的电压数据，所述第二信号变换电路用以将电流信号形式的电压数据转换成电压信号形式的电压数据；
滤波单元，与所述第二信号变换电路连接，以对所述电压数据进行滤波处理；
输入保护电路，连接在所述第一信号变换电路与滤波单元之间，用以在电压信号形式的电流数据未超过阈值时，将第一信号变换电路与滤波单元连接，以将电压信号形式的电流数据传送至滤波单元进行滤波处理，并在电压信号形式的电流数据超过阈值时，控制第一信号变换电路与滤波单元断开；
计量芯片，与所述滤波单元连接，用以接收滤波处理后的电压数据和电流数据，并根据电压数据和电流数据计算用户的瞬时功率及电能数据，且当所述输入保护电路断开期间，以断开前的电压数据和电流数据继续计算电能数据，并将电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据发送至主控单元；
主控单元，与所述计量芯片和通信单元分别连接，用以接收所述计量芯片发送的电压数据、电流数据、瞬时功率和电能数据，并基于其接收的数据进行负荷辨识，以生成负荷辨识结果，所述主控单元控制通信单元将负荷辨识结果和电能数据发出；
所述输入保护电路包括一端与第一信号变换电路连接的电阻R1，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的另一端接地，所述三极管Q1的发射极接地，且其集电极与继电器K1的线圈的一端连接，所述继电器K1的线圈的另一端与第一信号变换电路连接，所述继电器K1的常闭触点连接在继电器K1的线圈的另一端与滤波单元之间，且其常开触点连接在电源模块的正极与计量芯片之间；
所述输入保护电路还包括一端连接在继电器K1的线圈的另一端与继电器K1的常闭触点之间的电阻R4，所述电阻R4的另一端与电阻R5的一端和三极管Q2的基极连接，所述电阻R5的另一端接地，所述三极管Q2的发射极接地，且其集电极与继电器K2的线圈的一端连接，所述继电器K2的线圈的另一端连接在电阻R4的另一端与继电器K2的常闭触点之间，所述继电器K2的常闭触点串联在继电器K1的常闭触点的前侧，所述继电器K2的线圈的另一端与其常闭触点之间还与继电器K2的第一常开触点的一端连接，所述继电器K2的第一常开触点的另一端与电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端与电阻R8和继电器K2的常闭触点与继电器K1的常闭触点之间分别连接，所述电阻R8的另一端接地，所述继电器K2的第二常开触点与电源模块的正极和计量芯片分别连接，以在继电器K2动作时，使所述计量芯片切换电流数据的计算系数；
所述三极管Q1在第一信号变换电路输出的电压为VS1以上时导通，所述三极管Q2在第一信号变换电路输出的电压为VS2以上时导通；
其中，VS2＜VS1＜允许输入最大电流经第一信号变换电路转化后的电压值。
2.根据权利要求1所述的具有输入保护的负荷辨识智能电表，其特征在于，所述继电器K1的线圈还反向并联有二极管D1，所述二极管D1串联有电阻R3；所述继电器K2的线圈还反向并联有二极管D2，所述二极管D2串联有电阻R6。
3.根据权利要求1所述的具有输入保护的负荷辨识智能电表，其特征在于，所述主控单元还连接有人机交互单元。
4.根据权利要求3所述的具有输入保护的负荷辨识智能电表，其特征在于，所述人机交互单元包括LCD触控屏。
5.根据权利要求1所述的具有输入保护的负荷辨识智能电表，其特征在于，所述通信单元包括电能脉冲输出单元和RS485通信单元。
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