CN113311361A - 一种多功能智慧用电监控终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能智慧用电监控终端，包括有用于安装固定的外壳，外壳内设置有电路板，在电路板上配置有前端模块和后端模块；前端模块包括有、采集电路、故障电弧探测电路、驱动电路、基准频率采样电路、信号输出电路、通讯电路以及第一主控电路；后端模块包括有电弧处理电路和第二主控电路；还包括有为前端模块和后端模块供电的电源电路。本发明具有以下优点和效果：本发明可实现电弧采集，通过分析高频，低频数据、滤波整型来达到电弧识别的目的，为现有的电表箱装置增设电弧检测及识别的功能，会进一步的保证使用的安全性。

Description

一种多功能智慧用电监控终端
技术领域
本发明涉及故障检测和电表装置领域，特别涉及一种多功能智慧用电监控终端。
背景技术
目前，全国广泛应用的民用电表箱装置，除外观差异外，其内部结构基本相同，既表前开关、表后断路器、电能表、开关、断路器及其必要联接器件间采取通用导线，螺丝钉紧固的方式进行联接。
然，这些电表箱装置仅具有漏电保护功能，为了防止因漏电引起的触电事故或火灾、以及因过电流引起的各种安全事故，会检测在线路上发生的漏电，若漏电量超过设定值，则将跳闸信号发送到跳闸线圈以使断路器跳闸。
但是，在线路上发生的故障中，在线路上产生的电弧作为引起火灾的主要因素之一受到关注。这是因为对电火灾的原因进行分析的结果显示，发现在很多情况下发生电弧是电火灾的先决因素。若是在现有的电表箱装置上增加电弧检测的功能，无疑会进一步的保证使用的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能智慧用电监控终端，以解决背景技术中所提出的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多功能智慧用电监控终端，包括有用于安装固定的外壳，所述的外壳内设置有电路板，在所述的电路板上配置有前端模块和后端模块；
所述的前端模块包括有：
用于完成计量和漏电检测的采集电路；
用于对故障电弧进行探测的故障电弧探测电路；
用于驱动断路器内的磁继电器工作的驱动电路；
用于采集交流电上不受故障电弧干扰的基准频率的基准频率采样电路；
用于报警信号输出及脱扣信号输出的信号输出电路；
用于与后端模块进行通讯的通讯电路；
以及分别与所述的采集电路、故障电弧探测电路、驱动电路、基准频率采样电路、信号输出电路和通讯电路相连的第一主控电路；
所述的后端模块包括有：
用于接收并对故障电弧进行检测判断的电弧处理电路；
以及与所述的电弧处理电路相连的第二主控电路；
还包括有为所述的前端模块和后端模块供电的电源电路。
进一步设置是：所述的采集电路包括有漏电检测模块、电能采集模块和电能计量芯片U2；其中，
电能采集模块包括有电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，电阻R1和电阻R2的一端分别连接在互感器和用电导线P1上，电容C1和电容C2相串联后的两端分别连接在电阻R1和电阻R2的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第一通道模拟输入引脚上，电容C1和电容C2之间接入至模拟地；
漏电检测模块包括有电阻R3、电阻R7、电阻R8、电容C3和电容C4，电阻R3和电阻R8的一端分别连接在电阻R7的两端，且该电阻R7的两端分别连接在互感器和漏电互感器P2上，电容C3和电容C4相串联后的两端分别连接在电阻R3和电阻R8的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第二通道模拟输入引脚上，电容C3和电容C4之间接入至模拟地；
电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚分别连接在主控电路上；该电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚与主控电路之间分别连接有光耦模块U8、光耦模块U6、光耦模块U5、光耦模块U4和光耦模块U1。
进一步设置是：所述的基准频率采样电路包括有电阻R24、电阻R26、电阻R27、电容C18、二极管D1和光耦U11，电阻R27的一端连接在二极管D1的负极和光耦U11的1脚，电阻R27的另一端和二极管D1的正极接入至交流电，二极管D1的正极连接在光耦U11的2脚，光耦U11的3脚接地，光耦U11的4脚连接在电阻R24的一端、电阻R26的一端和电容C18的一端，R24的另一端接入在电源模块，电阻R26的另一端连接在采集电路，电容C18的另一端接地。
进一步设置是：所述的信号输出电路包括有用于报警信号输出的第一信号单元及用于脱扣信号输出的第二信号单元，所述的第一信号单元由继电器K1和三极管Q1组成，三极管Q1连接在继电器K1的线圈端以继电器K1进行动作；所述的第二信号单元由继电器K2和三极管Q2组成，三极管Q2连接在继电器K2的线圈端以继电器K2进行动作。
进一步设置是：所述的通讯电路包括有第一通讯单元和第二通讯单元，所述的第一通讯单元包括有485通讯芯片，所述的第二通讯单元包括有GPRS无线模块。
进一步设置是：所述的电弧处理电路包括有电容C101、电容C102、电容C1010、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R1011、电阻R1015、电阻R1016、电阻R1017、电阻R1018、电阻R1019、电阻R1021、开关二极管D101、开关二极管D102、开关二极管D103、触发器U102和接插件J103，通过所述的接插件J103来连接前端模块和后端模块，电容C102的一端连接在接插件J103的2脚，电容C102的另一端连接在电阻R104的一端和电容C101的一端，电阻R104的另一端接地，电容C101的另一端连接在电阻R103的一端和电阻R102的一端，电阻R103的另一端接地，电阻R102的另一端连接在开关二极管D103的3脚和第二主控电路，开关二极管D103的1脚接地、2脚连接在电源电路；
触发器U102的1脚连接在电阻R1017的一端，电阻R1017的另一端连接在电阻R1015的一端和接插件J103的16脚，电阻R1015的另一端连接在第二主控电路；触发器U102的2脚接地；触发器U102的3脚连接在电阻R1018的一端，电阻R1018的另一端连接在开关二极管D102的1脚、电阻R1016的一端和接插件J103的15脚，电阻R1016的另一端连接在电源电路，开关二极管D102的2脚接地、3脚悬空；触发器U102的4脚连接在第二主控电路和电阻R1019的一端，电阻R1019的另一端连接在电源电路；触发器U102的5脚连接在电源电路和电容C1010的一端，电容C1010的另一端接地；
接插件J103的6脚连接在电阻R1021的一端，电阻R1021的另一端连接在第二主控电路，接插件J103的5脚连接在开关二极管D101的1脚和电阻R1011的一端，电阻R1011的另一端连接在电源电路，开关二极管D101的2脚接地、3脚悬空。
进一步设置是：所述的电弧处理电路还包括有提供故障电弧的基础判断值的工频变压器/光耦采集电路，该工频变压器/光耦采集电路包括有电阻R101、电阻R105、电阻R106、电阻R107、电阻R108、电容C103和比较器U101，比较器U101的1脚连接在电阻R108的一端和电阻R107的一端，电阻R107的另一端接地，电阻R108的另一端连接在电源变压耦合进来的信号端；比较器U101的2脚接地；比较器U101的3脚连接在电阻R105的一端和电阻R106的一端，电阻R105的另一端接地，电阻R106的另一端连接在基准频率采样电路的信号端；比较器U101的4脚连接在电阻R101的一端和第二主控电路，电阻R101的另一端连接在电源电路；比较器U101的5脚连接在电源电路和电容C1013的一端，电容C103的另一端接地。
进一步设置是：所述的故障电弧探测电路包括有故障电弧进行检测的核心芯片M3。
本发明的有益效果在于：
本发明可实现电弧采集，通过分析高频，低频数据、滤波整型来达到电弧识别的目的，为现有的电表箱装置增设电弧检测及识别的功能，会进一步的保证使用的安全性。
以下结合具体实施方式，进一步阐述有益效果。
附图说明
图1为实施例中采集电路的电路图；
图2为实施例中驱动电路的电路图；
图3为实施例中基准频率采样电路的电路图；
图4为实施例中电源电路的电路图；
图5为实施例中故障电弧探测电路的电路图；
图6为实施例中信号输出电路的电路图；
图7为实施例中通讯电路的电路图；
图8为实施例中第一主控电路的电路图一；
图9为实施例中第一主控电路的电路图二；
图10为实施例中第一主控电路的电路图三；
图11为实施例中电弧处理电路的电路图；
图12为实施例中第二主控电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1至12所示，一种多功能智慧用电监控终端，包括有用于安装固定的外壳，外壳内设置有电路板，在电路板上配置有前端模块和后端模块；
前端模块包括有：
用于完成计算和漏电检测的采集电路；
用于对故障电弧进行探测的故障电弧探测电路；
用于驱动断路器内的磁继电器工作的驱动电路；
用于采集交流电上不受故障电弧干扰的基准频率的基准频率采样电路；
用于报警信号输出及脱扣信号输出的信号输出电路；
用于与后端模块进行通讯的通讯电路；
以及分别与所述的采集电路、故障电弧探测电路、驱动电路、基准频率采样电路、信号输出电路和通讯电路相连的第一主控电路；
后端模块包括有：
用于接收并对故障电弧进行检测判断的电弧处理电路；
以及与所述的电弧处理电路相连的第二主控电路；
还包括有为所述的前端模块和后端模块供电的电源电路。
具体的，采集电路如附图1所示，包括有漏电检测模块、电能采集模块和电能计量芯片U2；其中，
电能采集模块包括有电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，电阻R1和电阻R2的一端分别连接在互感器和用电导线P1上，电容C1和电容C2相串联后的两端分别连接在电阻R1和电阻R2的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第一通道模拟输入引脚上，电容C1和电容C2之间接入至模拟地；
漏电检测模块包括有电阻R3、电阻R7、电阻R8、电容C3和电容C4，电阻R3和电阻R8的一端分别连接在电阻R7的两端，且该电阻R7的两端分别连接在互感器和漏电互感器P2上，电容C3和电容C4相串联后的两端分别连接在电阻R3和电阻R8的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第二通道模拟输入引脚上，电容C3和电容C4之间接入至模拟地；
电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚分别连接在主控电路上；该电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚与主控电路之间分别连接有光耦模块U8、光耦模块U6、光耦模块U5、光耦模块U4和光耦模块U1。
需要说明的是，通过采集电路来完成计量、漏电检测，光耦模块U8、光耦模块U6、光耦模块U5、光耦模块U4和光耦模块U1起到隔离作用；通过两个互感器来采集高频信号和低频信号。
具体的，基准频率采样电路如附图3所示，包括有电阻R24、电阻R26、电阻R27、电容C18、二极管D1和光耦U11，电阻R27的一端连接在二极管D1的负极和光耦U11的1脚，电阻R27的另一端和二极管D1的正极接入至交流电，二极管D1的正极连接在光耦U11的2脚，光耦U11的3脚接地，光耦U11的4脚连接在电阻R24的一端、电阻R26的一端和电容C18的一端，R24的另一端接入在电源模块，电阻R26的另一端连接在采集电路，电容C18的另一端接地。
需要说明的是，这部分电路是采集交流线路上的频率，采用光耦U11目的是能够采集到一个稳定的频率作为分析的基准值，而且这个值不受故障电弧的干扰。
具体的，信号输出电路如附图6所示，包括有用于报警信号输出的第一信号单元及用于脱扣信号输出的第二信号单元，第一信号单元由继电器K1和三极管Q1组成，三极管Q1连接在继电器K1的线圈端以继电器K1进行动作；第二信号单元由继电器K2和三极管Q2组成，三极管Q2连接在继电器K2的线圈端以继电器K2进行动作。
需要说明的是，继电器K1是报警信号输出，继电器K2是电弧保护器脱扣信号输出，有电弧产生时切断电路。
具体的，通讯电路如附图7所示，包括有第一通讯单元和第二通讯单元，第一通讯单元包括有485通讯芯片，第二通讯单元包括有GPRS无线模块。485通讯芯片为U17,其型号为SP485E；GPRS无线模块为芯片U21及外围电路所示。
另外，驱动电路如附图2所示，包括有一驱动芯片U3，其型号为BL8023F。
另外，电源电路如附图4所示。
另外，第一主控电路包括有第一控制芯片U12A，其型号为STM32；如附图10所示，第一主控电路还包括有设置参数存储用的芯片U13，其型号为HK25P40；还包括有消防联动的部分，包括有光耦U14、电阻R13，电阻R33和电阻R34；还包括有铁电能耗存储芯片U15，其型号为FM24CL512。
具体的，电弧处理电路如附图11所示，其包括有电容C101、电容C102、电容C1010、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R1011、电阻R1015、电阻R1016、电阻R1017、电阻R1018、电阻R1019、电阻R1021、开关二极管D101、开关二极管D102、开关二极管D103、触发器U102和接插件J103，通过所述的接插件J103来连接前端模块和后端模块，电容C102的一端连接在接插件J103的2脚，电容C102的另一端连接在电阻R104的一端和电容C101的一端，电阻R104的另一端接地，电容C101的另一端连接在电阻R103的一端和电阻R102的一端，电阻R103的另一端接地，电阻R102的另一端连接在开关二极管D103的3脚和第二主控电路，开关二极管D103的1脚接地、2脚连接在电源电路；
触发器U102的1脚连接在电阻R1017的一端，电阻R1017的另一端连接在电阻R1015的一端和接插件J103的16脚，电阻R1015的另一端连接在第二主控电路；触发器U102的2脚接地；触发器U102的3脚连接在电阻R1018的一端，电阻R1018的另一端连接在开关二极管D102的1脚、电阻R1016的一端和接插件J103的15脚，电阻R1016的另一端连接在电源电路，开关二极管D102的2脚接地、3脚悬空；触发器U102的4脚连接在第二主控电路和电阻R1019的一端，电阻R1019的另一端连接在电源电路；触发器U102的5脚连接在电源电路和电容C1010的一端，电容C1010的另一端接地；
接插件J103的6脚连接在电阻R1021的一端，电阻R1021的另一端连接在第二主控电路，接插件J103的5脚连接在开关二极管D101的1脚和电阻R1011的一端，电阻R1011的另一端连接在电源电路，开关二极管D101的2脚接地、3脚悬空。
需要说明的是，该电路中主要是对采集过来的2路信号，低频互感器和高频互感器的信号进行滤波，整形，再进行判断，PC5是高频互感器信号，这样是检测故障电弧高频谐波信号；PC0主要是低频信号采集，通过331来判断负载，PA0是采集分析低频波形，在发生故障是检测平肩信号。所以采集过来的信号。都要经波形分析，判断是好弧还是坏弧。
具体的，电弧处理电路还包括有提供故障电弧的基础判断值的工频变压器/光耦采集电路，该工频变压器/光耦采集电路包括有电阻R101、电阻R105、电阻R106、电阻R107、电阻R108、电容C103和比较器U101，比较器U101的1脚连接在电阻R108的一端和电阻R107的一端，电阻R107的另一端接地，电阻R108的另一端连接在电源变压耦合进来的信号端；比较器U101的2脚接地；比较器U101的3脚连接在电阻R105的一端和电阻R106的一端，电阻R105的另一端接地，电阻R106的另一端连接在基准频率采样电路的信号端；比较器U101的4脚连接在电阻R101的一端和第二主控电路，电阻R101的另一端连接在电源电路；比较器U101的5脚连接在电源电路和电容C1013的一端，电容C103的另一端接地。
需要说明的是，这部分的电路是在电源工频变压器后端采集，主要是发生故障电弧时，这个信号也会发生抖动，作为故障电弧的一个基础判断值。331作为比较器使用，输出是一个标准的脉冲信号。
输入信号会出现高低变化，通过331会整形出方波，这样更有利于数字ARM芯片信号捕捉。
另外，第二主控电路如附图12所示，其包括有第二控制芯片U3A，其型号为STM32。
另外，故障电弧探测电路包括有故障电弧进行检测的核心芯片M3；具体电路如附图5所示。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种多功能智慧用电监控终端，包括有用于安装固定的外壳，其特征在于，所述的外壳内设置有电路板，在所述的电路板上配置有前端模块和后端模块；
所述的前端模块包括有：
用于完成计量和漏电检测的采集电路；
用于对故障电弧进行探测的故障电弧探测电路；
用于驱动断路器内的磁继电器工作的驱动电路；
用于采集交流电上不受故障电弧干扰的基准频率的基准频率采样电路；
用于报警信号输出及脱扣信号输出的信号输出电路；
用于与后端模块进行通讯的通讯电路；
以及分别与所述的采集电路、故障电弧探测电路、驱动电路、基准频率采样电路、信号输出电路和通讯电路相连的第一主控电路；
所述的后端模块包括有：
用于接收并对故障电弧进行检测判断的电弧处理电路；
以及与所述的电弧处理电路相连的第二主控电路；
还包括有为所述的前端模块和后端模块供电的电源电路；
所述的电弧处理电路包括有电容C101、电容C102、电容C1010、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R1011、电阻R1015、电阻R1016、电阻R1017、电阻R1018、电阻R1019、电阻R1021、开关二极管D101、开关二极管D102、开关二极管D103、触发器U102和接插件J103，通过所述的接插件J103来连接前端模块和后端模块，电容C102的一端连接在接插件J103的2脚，电容C102的另一端连接在电阻R104的一端和电容C101的一端，电阻R104的另一端接地，电容C101的另一端连接在电阻R103的一端和电阻R102的一端，电阻R103的另一端接地，电阻R102的另一端连接在开关二极管D103的3脚和第二主控电路，开关二极管D103的1脚接地、2脚连接在电源电路；
触发器U102的1脚连接在电阻R1017的一端，电阻R1017的另一端连接在电阻R1015的一端和接插件J103的16脚，电阻R1015的另一端连接在第二主控电路；触发器U102的2脚接地；触发器U102的3脚连接在电阻R1018的一端，电阻R1018的另一端连接在开关二极管D102的1脚、电阻R1016的一端和接插件J103的15脚，电阻R1016的另一端连接在电源电路，开关二极管D102的2脚接地、3脚悬空；触发器U102的4脚连接在第二主控电路和电阻R1019的一端，电阻R1019的另一端连接在电源电路；触发器U102的5脚连接在电源电路和电容C1010的一端，电容C1010的另一端接地；
接插件J103的6脚连接在电阻R1021的一端，电阻R1021的另一端连接在第二主控电路，接插件J103的5脚连接在开关二极管D101的1脚和电阻R1011的一端，电阻R1011的另一端连接在电源电路，开关二极管D101的2脚接地、3脚悬空。
2.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的采集电路包括有漏电检测模块、电能采集模块和电能计量芯片U2；其中，
电能采集模块包括有电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，电阻R1和电阻R2的一端分别连接在互感器和用电导线P1上，电容C1和电容C2相串联后的两端分别连接在电阻R1和电阻R2的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第一通道模拟输入引脚上，电容C1和电容C2之间接入至模拟地；
漏电检测模块包括有电阻R3、电阻R7、电阻R8、电容C3和电容C4，电阻R3和电阻R8的一端分别连接在电阻R7的两端，且该电阻R7的两端分别连接在互感器和漏电互感器P2上，电容C3和电容C4相串联后的两端分别连接在电阻R3和电阻R8的另一端，同时接入至电能计量芯片U2的两个第二通道模拟输入引脚上，电容C3和电容C4之间接入至模拟地；
电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚分别连接在主控电路上；该电能计量芯片U2的电压过零提示引脚、漏电报警输出引脚、电能脉冲引脚及两个通讯引脚与主控电路之间分别连接有光耦模块U8、光耦模块U6、光耦模块U5、光耦模块U4和光耦模块U1。
3.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的基准频率采样电路包括有电阻R24、电阻R26、电阻R27、电容C18、二极管D1和光耦U11，电阻R27的一端连接在二极管D1的负极和光耦U11的1脚，电阻R27的另一端和二极管D1的正极接入至交流电，二极管D1的正极连接在光耦U11的2脚，光耦U11的3脚接地，光耦U11的4脚连接在电阻R24的一端、电阻R26的一端和电容C18的一端，R24的另一端接入在电源模块，电阻R26的另一端连接在采集电路，电容C18的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的信号输出电路包括有用于报警信号输出的第一信号单元及用于脱扣信号输出的第二信号单元，所述的第一信号单元由继电K1和三极管Q1组成，三极管Q1连接在继电器K1的线圈端以继电器K1进行动作；所述的第二信号单元由继电器K2和三极管Q2组成，三极管Q2连接在继电器K2的线圈端以继电器K2进行动作。
5.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的通讯电路包括有第一通讯单元和第二通讯单元，所述的第一通讯单元包括有485通讯芯片，所述的第二通讯单元包括有GPRS无线模块。
6.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的电弧处理电路还包括有提供故障电弧的基础判断值的工频变压器/光耦采集电路，该工频变压器/光耦采集电路包括有电阻R101、电阻R105、电阻R106、电阻R107、电阻R108、电容C103和比较器U101，比较器U101的1脚连接在电阻R108的一端和电阻R107的一端，电阻R107的另一端接地，电阻R108的另一端连接在电源变压耦合进来的信号端；比较器U101的2脚接地；比较器U101的3脚连接在电阻R105的一端和电阻R106的一端，电阻R105的另一端接地，电阻R106的另一端连接在基准频率采样电路的信号端；比较器U101的4脚连接在电阻R101的一端和第二主控电路，电阻R101的另一端连接在电源电路；比较器U101的5脚连接在电源电路和电容C1013的一端，电容C103的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种多功能智慧用电监控终端，其特征在于：所述的故障电弧探测电路包括有故障电弧进行检测的核心芯片M3。
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