一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统的制作方法

1.本发明涉及配用电安全节能用电技术领域，特别涉及一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统。


背景技术：

2.智慧安全用电管控系统是一种进行智慧安全用电管控的智能系统，近年来，随着生产经营单位电气线路老旧、线路隐患多且隐蔽性强，众多小微企业缺乏专业电工，肉眼无法直观发现电气隐患，传统的检测手段难以及时排查各种隐患等一系列难题，使得电气火灾的监测和预警很难落实到位，电气线路发生电气故障是导致电气火灾产生的主要因素，例如漏电、短路、接触不良、短路电弧等常见的电气故障。针对以上电气火灾的产生因素，传统的电气火灾探测方法已不能满足要求。该发明提出了一系列的电气火灾鉴别方法，为后面发展电气火灾的监测模型指明了前进方向，本发明依托电气量特征识别技术，从电气火灾发生的根源入手，利用危险电器识别和危险用电行为捕捉精准切断危险电器，同时利用大量电气量特征识别监测终端，将多传感器数据融合技术引入电气火灾监测领域，并将信号处理、无线/有线通信等先进技术的有机结合、以及云端大数据平台的先进数据挖掘技术的支撑，实现对区域内危险电器运行与异常电气事件预知防护的目的，对传统电气火灾防护具有颠覆性理论意义，具有较大研究价值。同时采集家庭用户用电的海量数据，实现分布式设备的即插即用；采用信息化手段，利用价格杠杆，调动电力用户参与需方响应，实现基于新型负荷特性的需求侧实时响应优化技术；整合开发能量管理成套装置设备、无线通信协议和需求侧实时响应优化技术的配电侧/需求侧综合能源管理系统；开展基于配网侧/需求侧综合能源管理系统的示范工程建设，为“双碳”、“限电”政策落地的技术难题提供可行的参考方案，随着科技的不断发展，人们对于智慧安全用电管控系统的制造工艺要求也越来越高。
3.现有的智慧安全用电管控系统在使用时存在一定的弊端，电气火灾探测系统的几种典型应用如can总线技术、zigbee技术、plc技术等，但没有针对电气火灾探测误报率高的问题提出一种好的解决办法；一种基于bp神经网络和模糊逻辑技术的多传感器数据融合火灾监测模型，该模型一定程度上提高了火灾检测精度，但探测准确性较低；直接使用模糊bp神经网络对检测得到的电气火灾特征参量进行融合识别，保证了一定的检测精度，但没有考虑探测参量的时序特征，导致抗干扰性能较差。上电气火灾检测方法虽然具有一定理论意义，但在对探测精度要求较高的区域，难以落地实践，目前尚未提出有效解决方案，给人们的使用过程带来了一定的不利影响，为此，我们提出一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控
系统，通过微型智能断路器采集、上传电气线路实时运行数据，利用温湿度、气体等传感器获取环境数据，然后输送到微型边缘计算终端中，借助于温湿度效应变化以及电磁感应的基本原理对电气设备温度以及电压电流等负荷数据进行分析比样，控制系统对变化的幅值数值进行各种数据线性算法分析，可以有效解决背景技术中的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统，包括计量采集系统、数据传输系统、管理平台、交流剩余电流物联网监测终端、系统主机、传感单元、智能操作系统、开入单元、开出单元、后台服务器，所述管理平台连接系统主机，所述系统主机连接交流剩余电流物联网监测终端、数据传输系统与智能操作系统，所述数据传输系统连接计量采集系统，所述计量采集系统连接传感单元，所述智能操作系统连接开入单元，所述开入单元连接开出单元，所述开出单元连接后台服务器。
8.作为本技术一种优选的技术方案，所述管理平台对系统主机进行控制，所述系统主机控制交流剩余电流物联网监测终端与智能操作系统，所述系统主机接收数据传输系统、计量采集系统与传感单元的数据。
9.作为本技术一种优选的技术方案，所述开入单元连接隔离开关模块，所述隔离开关模块连接智能电表模块，所述智能电表模块连接蓝牙费控模块，所述蓝牙费控模块连接用户端，所述用户端连接远程控制模块，所述智能电表模块、蓝牙费控模块、用户端为开出单元。
10.作为本技术一种优选的技术方案，包括以下步骤：
11.s1：当回路电流保持在小型断路器设定的额定电流值及以下时，该电流产生的热效应使金属元件产生的变形很小，不能使自动脱扣机构解扣；当回路电流超过设定的额定电流时，小型断路器的金属元件温度升高，可以产生足够的热变形，推动自由脱扣机构解扣，此时，接触系统中的动静触头分开，切断电流回路，实现电流过流保护功能；
12.s2：短路保护系统由螺管式电磁铁感测回路电流的变化，当回路电流处于正常值或在设定的短路保护值以下时，螺管式电磁铁产生的电磁吸力不能克服反力弹簧的作用力，铁芯保持在初始位置；当电流回路发生短路故障时，电流急剧增加，螺管式电磁铁产生的电磁力克服反力弹簧的作用下快速打开，切断电流回路，实现电流短路保护功能；
13.s3：自由脱扣机构的作用是当回路存在过电流故障或其他禁止合闸命令的信号时，即使操作小型断路器的手柄，欲使其合闸，小型断路器的动触头依然保持在断开位置；当回路存在过电流或短路故障而发出分断指令时，使小型断路器脱扣，切断电流回路；
14.s4：灭弧系统包括导弧板、灭弧室，作用是当小型断路器在断开过大的短路电流时，通过对电弧的作用，实现限制电流继续增加的趋势，即限流作用，并最终将电弧熄灭，当电弧进入灭弧室时，被灭弧室内的金属栅片分隔成许多段，每段电弧都在金属栅片附近产生一个近极电压，使整个电弧的压降迅速提高，使电弧迅速熄灭。
15.作为本技术一种优选的技术方案，所述系统主机具备智能用电管理功能，实时监测用户用电信息，所述管理平台设有数据分析功能，为管理部门提供依据，实现科学化、智能化的用电管理。
16.作为本技术一种优选的技术方案，所述管理平台对用户用电负荷的动态变化敏锐地捕捉，提取电气变化量如电压、电流、有功功率、功率因数，通过与电气量特征识别特征库
进行比对识别出用户内部负荷的变化，构建精细化用户画像。
17.作为本技术一种优选的技术方案，所述系统主机采用超低功耗的mcu处理器，采集实时监控和显示剩余电流、温度、电压、电流等数值并发出，采用本地声光报警、手机app远监控、短信报警、电话通知等多种方式，对于报警信号和控制信号，指示报警部位，记录并保存报警信息。
18.作为本技术一种优选的技术方案，所述智能操作系统通过微型智能断路器采集，上传电气线路实时运行数据，利用温湿度、气体等传感器获取环境数据，并输送到微型边缘计算终端中，借助于温湿度效应变化以及电磁感应的基本原理对电气设备温度以及电压电流等负荷数据进行分析比样，控制系统对变化的幅值数值进行各种数据线性算法分析，当处理数值满足设定电气定值与报警预值，设备自动断电，同时发出警报声音或者是光线信，系统连接有触摸显示屏用于操作管理。
19.(三)有益效果
20.与现有技术相比，本发明提供了一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统，具备以下有益效果：该一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统，针对现有配用电技术中存在用电安全隐患和用电浪费的问题，通过微型智能断路器采集、上传电气线路实时运行数据，利用温湿度、气体等传感器获取环境数据，然后输送到微型边缘计算终端中，借助于温湿度效应变化以及电磁感应的基本原理对电气设备温度以及电压电流等负荷数据进行分析比样，控制系统对变化的幅值数值进行各种数据线性算法分析，当处理数值满足设定电气定值与报警预值，设备就会自动断电，同时发出警报声音或者是光线信号以提醒人们，系统连接有触摸显示屏用于供客户进行操作管理，该管控系统真正意义做到了电气火灾隐患提早发现、及早治理，实现从人防到技防的转变，解决了人员少、监管难的问题，预防了因电气线路隐患而引起的火灾，从源头上遏制了电气火灾的发生，是电气安全运行的新模式，集成了负荷集中识别及管理控制、能源互联网需求实时响应、电网与用户互联等技术，统一了硬件接口、支持多种无线与电力线载波通讯协议；可以自定义漏电流定值范围设置(10ma-1000ma)，解决人体触碰30ma电流不可完全摆脱的安全隐患；可以每月定时执行漏电自检工作，克服90％的用户每月按一次漏电按钮手动自检的困难；可远程根据季节用电负荷特性、线路老化状况实时查询设置三相电流、三相电压、漏电电流、额定电流值、过欠压保护值、漏电动作值、跳闸次数等参数，不需要就地设置设备运行参数，可实时监控电路运行状况，及时反馈线路的短路、过流、过压等故障，提前获取线路预警信息，及时发现线路安全隐患，有效减少火灾、电击等意外事故的发生；配合智能电能表实现智能费控功能的关键器件，额定电流相对较大(》100a)的智能电能表一般采用微型断路器的方式来实现各种费控功能，实现了多种分布式电气设备的智能控制，微型断路器是配合智能电表使用，可以实现欠费自动分闸断电，续费自动合闸续电的功能，微型断路器和电表之间有两根线连接，分别是控制信号线和反馈线，控制线采用ac220v电平方式，控制单元供电从控制信号线取电，拉闸动作时可以从相线短暂用电，动作结束后相线泄露电流需要小于0.2ma，反馈信号也采用ac220v电平方式，内部串联100kω电阻后输出，控制单元上包含一个用于带动执行机构的直流马达，通过马达动作带动断路器分闸和合闸，并由位置传感器检测马达的实际位置，整个智慧安全用电管控系统结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
21.图1为本发明一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统的整体结构示意图。
22.图2为本发明一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统中断路器连接的结构示意图。
23.图3为本发明一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统中微型断路器的结构示意图。
24.图4为本发明一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统中微型断路器系统框图的结构示意图。
25.图5为本发明一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统中ucc28910芯片工作原理图的结构示意图。
具体实施方式
26.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.如图1-5所示，一种基于微型管理终端的智慧安全用电管控系统，包括计量采集系统、数据传输系统、管理平台、交流剩余电流物联网监测终端、系统主机、传感单元、智能操作系统、开入单元、开出单元、后台服务器，所述管理平台连接系统主机，所述系统主机连接交流剩余电流物联网监测终端、数据传输系统与智能操作系统，所述数据传输系统连接计量采集系统，所述计量采集系统连接传感单元，所述智能操作系统连接开入单元，所述开入单元连接开出单元，所述开出单元连接后台服务器。
30.进一步的，所述管理平台对系统主机进行控制，所述系统主机控制交流剩余电流物联网监测终端与智能操作系统，所述系统主机接收数据传输系统、计量采集系统与传感单元的数据。
31.进一步的，所述开入单元连接隔离开关模块，所述隔离开关模块连接智能电表模
块，所述智能电表模块连接蓝牙费控模块，所述蓝牙费控模块连接用户端，所述用户端连接远程控制模块，所述智能电表模块、蓝牙费控模块、用户端为开出单元。
32.进一步的，包括以下步骤：
33.s1：当回路电流保持在小型断路器设定的额定电流值及以下时，该电流产生的热效应使金属元件产生的变形很小，不能使自动脱扣机构解扣；当回路电流超过设定的额定电流时，小型断路器的金属元件温度升高，可以产生足够的热变形，推动自由脱扣机构解扣，此时，接触系统中的动静触头分开，切断电流回路，实现电流过流保护功能；
34.s2：短路保护系统由螺管式电磁铁感测回路电流的变化，当回路电流处于正常值或在设定的短路保护值以下时，螺管式电磁铁产生的电磁吸力不能克服反力弹簧的作用力，铁芯保持在初始位置；当电流回路发生短路故障时，电流急剧增加，螺管式电磁铁产生的电磁力克服反力弹簧的作用下快速打开，切断电流回路，实现电流短路保护功能；
35.s3：自由脱扣机构的作用是当回路存在过电流故障或其他禁止合闸命令的信号时，即使操作小型断路器的手柄，欲使其合闸，小型断路器的动触头依然保持在断开位置；当回路存在过电流或短路故障而发出分断指令时，使小型断路器脱扣，切断电流回路；
36.s4：灭弧系统包括导弧板、灭弧室，作用是当小型断路器在断开过大的短路电流时，通过对电弧的作用，实现限制电流继续增加的趋势，即限流作用，并最终将电弧熄灭，当电弧进入灭弧室时，被灭弧室内的金属栅片分隔成许多段，每段电弧都在金属栅片附近产生一个近极电压，使整个电弧的压降迅速提高，使电弧迅速熄灭。
37.进一步的，所述系统主机具备智能用电管理功能，实时监测用户用电信息，所述管理平台设有数据分析功能，为管理部门提供依据，实现科学化、智能化的用电管理。
38.进一步的，所述管理平台对用户用电负荷的动态变化敏锐地捕捉，提取电气变化量如电压、电流、有功功率、功率因数，通过与电气量特征识别特征库进行比对识别出用户内部负荷的变化，构建精细化用户画像。
39.进一步的，所述系统主机采用超低功耗的mcu处理器，采集实时监控和显示剩余电流、温度、电压、电流等数值并发出，采用本地声光报警、手机app远监控、短信报警、电话通知等多种方式，对于报警信号和控制信号，指示报警部位，记录并保存报警信息。
40.进一步的，所述智能操作系统通过微型智能断路器采集，上传电气线路实时运行数据，利用温湿度、气体等传感器获取环境数据，并输送到微型边缘计算终端中，借助于温湿度效应变化以及电磁感应的基本原理对电气设备温度以及电压电流等负荷数据进行分析比样，控制系统对变化的幅值数值进行各种数据线性算法分析，当处理数值满足设定电气定值与报警预值，设备自动断电，同时发出警报声音或者是光线信，系统连接有触摸显示屏用于操作管理。
41.实施例一：
42.如图3、4、5所示，微型断路器是配合智能电表使用，可以实现欠费自动分闸断电，续费自动合闸续电的功能，微型断路器和电表之间有两根线连接，分别是控制信号线和反馈线，控制线采用ac220v电平方式，控制单元供电从控制信号线取电，拉闸动作时可以从相线短暂用电，动作结束后相线泄露电流需要小于0.2ma，反馈信号也采用ac220v电平方式，内部串联100kω电阻后输出，控制单元上包含一个用于带动执行机构的直流马达，通过马达动作带动断路器分闸和合闸，并由位置传感器检测马达的实际位置。
43.根据《电能表外置断路器技术规范》，微型断路器需要满足以下技术要求：
44.1)额定控制电平电压：ac220v；
45.2)额定控制电平电流：≤1ma；
46.3)相线泄露电流：控制单元合闸后，每相线消耗的稳态电流小于0.2ma；
47.4)额定频率：50hz或60hz；
48.5)自动合闸时间：≤3s；
49.6)上电延时：≥4s。
50.微型断路器为全自动断路器，具备欠费分闸、付费合闸、费控状态指示、欠费脱口保持、状态反馈等功能。
51.微型断路器的技术参数中有要求相线泄露电流在控制单元合闸后，每相线消耗的稳态电流小于0.2ma，因此必须要采用超低功耗的mcu，根据微型断路器控制单元的功能和性能，总结mcu的具体技术要求：
52.1)低功耗：不超过150ua；
53.2)flash：4kb左右；
54.3)ram：1kb左右；
55.4)具备片内eeprom；
56.5)封装：20脚，tssop封装；
57.6)adc：10位或12位，1通道。
58.根据以上的mcu具体技术要求，选择msp430fr铁电系列的msp430fr2111，这是ti公司为微型断路器、充电宝、电子烟等领域量身定制的超低功耗的mcu。
59.mcu发出的合闸和分闸指令需要由直流电机来执行，并最终带动执行机构完成动作，这个系统里采用drv8848方案，其一组控制输出直接驱动直流电机执行指令，另一组输出用来控制位置霍尔传感器drv5023的供电电源通断，以降低合闸后的系统功耗，从而达到0.2ma输入电流的要求。
60.微型断路器需要从交流供电线取电，且方案对体积要求较高，因此方案选用集成mosfet的ucc28910源边控制反激方案。ucc28910是专门用于隔离反激式电源，在无需光耦合器的情况下提供稳定的输出电压和电流，其内置的700v启动和智能电源管理模块可以在保证器件实现高压启动情况下，使器件在正常工作期间将内部高压启动电流源关闭，因此方案可实现极低的待机功率，以满足0.2ma输入电流要求。ucc28910输出电压为12v，给微型断路器的直流电机和霍尔传感器供电，同时通过tlv70433将12v转化为3.3v给mcu供电。
61.实施例二：
62.如图3、4、5所示，本系统基于微型断路器，该设备包括接触系统、灭弧系统、操作机构、自由脱扣机构、过电流保护系统和短路保护系统，通过操作手柄使操作机构带动接触系统中的动触头运动，使小型断路器接通和分断，实现对电气线路的控制，通过电流热效应和磁效应的感测，对电气线路发生过载、短路等故障时实施保护。
63.(1)当回路电流保持在小型断路器设定的额定电流值及以下时，该电流产生的热效应使金属元件产生的变形很小，不能使自动脱扣机构解扣；当回路电流超过设定的额定电流时，小型断路器的金属元件温度升高，可以产生足够的热变形，推动自由脱扣机构解扣，此时，接触系统中的动静触头分开，切断电流回路，实现电流过流保护功能。
64.(2)短路保护系统由螺管式电磁铁感测回路电流的变化，当回路电流处于正常值或在设定的短路保护值以下时，螺管式电磁铁产生的电磁吸力不能克服反力弹簧的作用力，铁芯保持在初始位置；当电流回路发生短路故障时，电流急剧增加，螺管式电磁铁产生的电磁力克服反力弹簧的作用下快速打开，切断电流回路，实现电流短路保护功能。
65.(3)自由脱扣机构的作用是当回路存在过电流故障或其他禁止合闸命令的信号时，即使操作小型断路器的手柄，欲使其合闸，小型断路器的动触头依然保持在断开位置；当回路存在过电流或短路故障而发出分断指令时，使小型断路器脱扣，切断电流回路。
66.(4)灭弧系统包括导弧板、灭弧室，作用是当小型断路器在断开过大的短路电流时，通过对电弧的作用，实现限制电流继续增加的趋势，即限流作用，并最终将电弧熄灭。当电弧进入灭弧室时，被灭弧室内的金属栅片分隔成许多段，每段电弧都在金属栅片附近产生一个近极电压，使整个电弧的压降迅速提高，使电弧迅速熄灭。
67.此外，该发明还提供一种电力指纹识别方法，通过建立单个设备的模型、投切时暂态事件、5分钟内稳态运行情况来分别识别。主要包括：基于模型识别、基于稳态数据识别、基于暂态数据识别。
68.(1)基于模型识别
69.①
针对各种类型的家用电器(尤其是违规电器)利用simulink软件搭建模型。
70.②
获取各种电器实际测得的电压和电流数据(实验中，目前在尝试瞬时值、有效值、谐波数据)
71.③
利用第一步搭建好的各种电器模型，将实际电压数据分别输入到各个模型中(模型中使用受控电压源)，输出电流数据，将其与实际电流数据比较获得一个差值，然后不断调整模型中电阻、电感等参数，直到这个差值达到最小。初步考虑采用最优化算法来调整参数，例如遗传算法，可以实现多参数寻优。
72.上一步在每个模型中对所有测得的电器数据都获取了最优参数(若调参过程无法收敛则认为该电器不属于此模型)，使用决策树算法针对参数(考虑将最优参数下对应的最小差值也作为决策树分类参数)对电器进行分类，判断电器是否属于该模型。
73.工作原理：集成了负荷集中识别及管理控制、能源互联网需求实时响应、电网与用户互联等技术，统一了硬件接口、支持多种无线与电力线载波通讯协议；可以自定义漏电流定值范围设置(10ma-1000ma)，解决人体触碰30ma电流不可完全摆脱的安全隐患；可以每月定时执行漏电自检工作，克服90％的用户每月按一次漏电按钮手动自检的困难；可远程根据季节用电负荷特性、线路老化状况实时查询设置三相电流、三相电压、漏电电流、额定电流值、过欠压保护值、漏电动作值、跳闸次数等参数，不需要就地设置设备运行参数，可实时监控电路运行状况，及时反馈线路的短路、过流、过压等故障，提前获取线路预警信息，及时发现线路安全隐患，有效减少火灾、电击等意外事故的发生；配合智能电能表实现智能费控功能的关键器件，额定电流相对较大(》100a)的智能电能表一般采用微型断路器的方式来实现各种费控功能，实现了多种分布式电气设备的智能控制，微型断路器是配合智能电表使用，可以实现欠费自动分闸断电，续费自动合闸续电的功能，微型断路器和电表之间有两根线连接，分别是控制信号线和反馈线，控制线采用ac220v电平方式，控制单元供电从控制信号线取电，拉闸动作时可以从相线短暂用电，动作结束后相线泄露电流需要小于0.2ma，反馈信号也采用ac220v电平方式，内部串联100kω电阻后输出，控制单元上包含一个用于
带动执行机构的直流马达，通过马达动作带动断路器分闸和合闸，并由位置传感器检测马达的实际位置。
74.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
75.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。