一种智能电能表安全检测电路及智能电能表的制作方法

本实用新型属于电能表检测技术领域，尤其涉及一种智能电能表安全检测电路及智能电能表。

背景技术：

目前，智能电能表的智能化主要体现在抄表和付费方面，却无法用于对用户负载的用电情况进行安全检测；在安全检测方面通常采用漏电检测开关和短路检测开关进行漏电和短路检测以保护用户负载的用电安全，当用户负载的漏电流达到设定阈值或者线路电流超过设定阈值时，则执行断电保护；然而，在设定阈值以下的漏电流和非法负荷电流缺乏预警功能，不能真正排除用户负载的用电安全隐患。

因此，传统的技术方案中存在的智能电能表存在不能对漏电流和非法负荷电流进行预警而无法排除负载用电安全隐患的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种智能电能表安全检测电路及智能电能表，旨在解决传统的技术方案中存在的智能电能表存在不能对漏电流和非法负荷电流进行预警而无法排除负载用电安全隐患的问题。

本实用新型是这样实现的，一种智能电能表安全检测电路，包括：

与零线和火线连接，用于通过检测火线电流、零线电流以及零线和火线之间的电压生成火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并计算第一电参数的采样转换模块；

与所述采样转换模块连接，用于根据所述火线电流数字信号、所述零线电流数字信号以及所述零线-火线间电压数字信号计算生成第二电参数，并根据所述第二电参数和预存的负荷特征库获取预警信息的安全检测模块；

与所述采样转换模块和所述安全检测模块连接，用于存储并显示所述第一电参数以及所述预警信息的主控模块；及

连接于所述主控模块和主站系统之间，用于转发所述预警信息的上行通讯模块。

在其中一个实施例中，所述安全检测模块具体用于：根据火线电流有效值和零线电流有效值获取漏电预警信息；根据所述第二质量参数与所述负荷特征库获取当前负载类型和当前负载的工作状态，根据所述当前负载类型和所述负荷特征库中的用户类型信息获取非法负载预警信息；根据所述当前负载的工作状态计算生成总功率，并根据所述总功率和阈值功率获取超负荷预警信息；根据所述零线电流有效值、所述火线电流有效值以及预设短路电流获取短路预警信息。

在其中一个实施例中，所述采样转换模块包括：与火线连接，用于检测火线电流并生成火线电流采样模拟信号的火线电流采样电路；与零线连接，用于检测零线电流并生成零线电流采样模拟信号的零线电流采样电路；与零线和火线连接，用于检测零线和火线之间的电压并生成零线-火线间电压模拟信号的电压采样电路；及分别与所述火线电流采样电路、所述零线电流采样电路以及所述电压采样电路连接，用于根据所述火线电流采样模拟信号、所述零线电流采样模拟信号以及所述零线-火线间电压模拟信号生成所述火线电流数字信号、所述零线电流数字信号以及所述零线-火线间电压数字信号，并计算生成电流有效值、电压有效值、功率以及电能的电能计量芯片。

在其中一个实施例中，所述安全检测模块包括：与所述采样转换模块连接，用于读取所述火线电流数字信号、所述零线电流数字信号以及所述零线-火线间电压数字信号的SPI通讯接口电路；与所述SPI通讯接口电路连接，用于根据所述火线电流数字信号、所述零线电流数字信号以及所述零线-火线间电压数字信号计算生成电压质量参数值、火线电流有效值、零线电流有效值以及功率，并根据所述电压质量参数值、所述火线电流有效值、所述零线电流有效值以及所述功率和预存的负荷特征库获取预警信息的安全检测芯片；及连接于所述安全检测芯片和所述主控模块之间，用于根据供电电源生成第一电压以给所述安全检测芯片供电的电压转换电路。

在其中一个实施例中，所述火线电流采样电路包括：锰铜分流器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容以及第二电容；所述锰铜分流器与所述火线串接，所述锰铜分流器的第一端、所述第一电阻的第一端以及所述第二电阻的第一端共接，所述锰铜分流器的第二端、所述第一电阻的第二端以及所述第三电阻的第一端共接，所述第二电阻的第二端与所述第一电容的第一端共接作为所述火线电流采样电路的第一输出端，所述第三电阻的第二端与所述第二电容的第一端共接作为所述火线电流采样电路的第二输出端，所述第一电容的第一端和所述第二电容的第二端共接于地。

在其中一个实施例中，所述零线电流采样电路包括：零线互感器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第三电容以及第四电容；所述零线互感器与所述零线串接，所述零线互感器的第一端、所述第四电阻的第一端以及所述第五电阻的第一端共接，所述零线互感器的第二端、所述第四电阻的第二端以及所述第六电阻的第一端共接，所述第五电阻的第二端与所述第三电容的第一端共接作为所述零线电流采样电路的第一输出端，所述第六电阻的第二端与所述第四电容的第一端共接作为所述零线电流采样电路的第二输出端，所述第三电容的第一端和所述第四电容的第二端共接于地。

在其中一个实施例中，所述电压采样电路包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第五电容以及第六电容；所述第七电阻的第一端与所述零线连接，所述第九电阻的第一端与所述火线连接，所述第七电阻的第二端、所述第八电阻的第一端以及所述第五电容的第一端共接作为所述电压采样电路的第一输出端，所述第九电阻的第二端与所述第六电容的第一端共接作为所述电压采样电路的第二输出端，所述第八电阻的第二端、所述第五电容的第二端以及所述第六电容的第二端共接于地。

此外，还提供一种智能电能表，包括上述的智能电能表安全检测电路。

上述的智能电能表安全检测电路，通过安全检测模块根据第二电参数和负荷特征库获取预警信息，主控模块存储并显示第一电参数以及预警信息，并通过上行通讯模块转发预警信息，从而获取线路是否存在漏电以及超负荷的信息，并发送预警信息，可以有效排除负载用电安全隐患。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的智能电能表安全检测电路的模块示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的智能电能表安全检测电路的模块示意图；

图3为本实用新型另一实施例提供的智能电能表安全检测电路的电路原理图；

图4为本实用新型另一实施例提供的智能电能表安全检测电路的模块示意图；

图5为本实用新型另一实施例提供的智能电能表安全检测电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了本实用新型较佳实施例提供的智能电能表安全检测电路的模块示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

参考图1，智能电能表安全检测电路包括：采样转换模块10、安全检测模块20、主控模块30以及上行通讯模块40。

其中，采样转换模块10与零线和火线连接，用于通过检测火线电流、零线电流以及零线和火线之间的电压生成火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并计算第一电参数；安全检测模块20与采样转换模块10连接，用于根据火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号计算生成第二电参数，并根据所述第二电参数和预存的负荷特征库获取预警信息；主控模块30与采样转换模块10和安全检测模块20连接，用于存储并显示第一电参数和预警信息；上行通讯模块40连接于主控模块30和主站系统之间，用于转发预警信息。该第一电参数具体包括电流有效值、电压有效值、功率以及电能；该第二电参数具体包括电压质量参数值、火线电流有效值、零线电流有效值、功率以及谐波分量。在具体的实施例中，主控模块30包括单片机、时钟电路、存储电路、显示电路以及通讯电路，用于从采样转换模块10读取电压、电流、功率以及电能等各项计量数据，从安全检测模块20读取预警信息，并将读取的数据进行存储、显示以及通过上行通讯模块40上传主站系统，从而控制智能电能表各项功能的正常运行。上行通讯模块40转发电流有效值、电压有效值、功率、电能以及预警信息，以使主站系统可定时抄读电压、电流、功率以及电能等各项计量数据和智能电能表的运行预警信息数据；上行通讯模块40与主站系统之间可以通过PLC电力线载波、微功率无线进行通讯。

在本实施例中，通过安全检测模块20根据第二电参数和负荷特征库获取预警信息，主控模块30存储并显示第一电参数以及预警信息，并通过上行通讯模块40转发预警信息，从而获取线路是否存在漏电以及超负荷的信息，并发送预警信息，可以有效排除负载用电安全隐患。

在其中一个实施例中，安全检测模块20具体用于：根据火线电流有效值和零线电流有效值获取漏电预警信息；根据第二质量参数与负荷特征库获取当前负载类型和当前负载的工作状态；根据当前负载类型和负荷特征库中的用户类型信息获取非法负载预警信息，用户类型信息包括居民用户或工业用户；根据当前负载的工作状态计算生成总功率，并根据总功率和阈值功率获取超负荷预警信息；根据零线电流有效值、火线电流有效值以及预设短路电流获取短路预警信息。在具体实施例中，当安全检测模块20判断零线电流有效值和火线电流有效值不相等时，则线路存在漏电，其中漏电流为火线电流有效值与零线电流有效值的差值，漏电流的阈值范围可以根据实际应用需求设置；例如：当漏电流为10mA-30mA时，安全检测模块20获取漏电预警信息；当漏电流大于30mA时，则自动拉阀断电，同时安全检测模块20输出断电信息。负荷特征库指的是已知的常用电器的各种工作状态的负荷特征数据集合，可以不断更新。安全检测模块20调取负荷特征库与电压质量参数值、功率对比，可获取当前负载的类型、能耗、工作状态以及启停时间，并且通过根据线路上全部当前负载的工作状态预估总功率，当总功率大于阈值功率，获取超负荷预警信息，还可以分析超负荷的原因，如：线路上的负载过多、电器用电异常等。当零线电流有效值或者火线电流有效值在预设时间内达到预设短路电流时，则自动紧急拉阀处理，同时安全检测模块20输出短路预警信息；安全检测模块20通过对比当前负载类型和负荷特征库中相应的用户类型信息，若工业用户出现在居民用户负载上，则工业用户为非法负载，例如：电焊机出现在居民用户负载上，则电焊机为非法负载，从而使安全检测模块20获取非法负载预警信息。

在其中一个实施例中，采样转换模块10包括：火线电流采样电路101、零线电流采样电路102、电压采样电路103、电能计量芯片104。

其中，火线电流采样电路101与火线连接，用于检测火线电流并生成火线电流采样模拟信号；零线电流采样电路102与零线连接，用于检测零线电流并生成零线电流采样模拟信号；电压采样电路103与零线和火线连接，用于检测零线和火线之间的电压并生成零线-火线间电压模拟信号；电能计量芯片104分别与火线电流采样电路101、零线电流采样电路102以及电压采样电路103连接，用于根据火线电流采样模拟信号、零线电流采样模拟信号以及零线-火线间电压模拟信号生成火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并计算生成电流有效值、电压有效值、功率以及电能。在具体的实施例中，采样转换模块10还包括第一通讯接口105和第二通讯接口106，第一通讯接口105连接于主控模块30和电能计量芯片104之间，用于转发电流有效值、电压有效值、功率以及电能；第二通讯接口106连接于安全检测模块20和电能计量芯片104之间，用于转发火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号。

在其中一个实施例中，安全检测模块20包括：SPI通讯接口电路201、安全检测芯片202以及电压转换电路203。

其中，SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通讯接口电路201与第三通讯接口204连接，用于转发火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号；安全检测芯片202与SPI通讯接口电路201连接，用于根据火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号计算电压质量参数值、火线电流有效值、零线电流有效值以及功率，并根据生成结果与负荷特征库对比获取预警信息；电压转换电路203连接于安全检测芯片202和主控模块30之间，用于根据供电电源生成第一电压以对安全检测芯片202供电。在具体的实施例中，安全检测模块20还包括第三通讯接口204和第四通讯接口205，第三通讯接口204与第二通讯接口106连接，用于转发火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号；第四通讯接口205连接于安全检测芯片202和主控模块30之间，用于转发预警信息。本实施例中的安全检测模块20可以对现场发现的具体异常情况进行上报，对可能产生安全事故的紧急情况进行自动拉闸处理，实现了对电网末梢的实时安全用电检测，自动拉闸处理可有效避免事故的发生，并且将停电控制在较小范围内，避免不必要的大面积停电，同时上报预警信息可帮助检修人员快速定位到故障点和发生故障的原因。

在其中一个实施例中，火线电流采样电路101包括：锰铜分流器、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1以及第二电容C2；锰铜分流器与火线串接，锰铜分流器的第一端、第一电阻R1的第一端以及第二电阻R2的第一端共接，锰铜分流器的第二端、第一电阻R1的第二端以及第三电阻R3的第一端共接，第二电阻R2的第二端与第一电容C1的第一端共接作为火线电流采样电路101的第一输出端，第三电阻R3的第二端与第二电容C2的第一端共接作为火线电流采样电路101的第二输出端，第一电容C1的第一端和第二电容C2的第二端共接于地。

在其中一个实施例中，零线电流采样电路102包括：零线互感器、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3以及第四电容C4；零线互感器与零线串接，零线互感器的第一端、第四电阻R4的第一端以及第五电阻R5的第一端共接，零线互感器的第二端、第四电阻R4的第二端以及第六电阻R6的第一端共接，第五电阻R5的第二端与第三电容C3的第一端共接作为零线电流采样电路102的第一输出端，第六电阻R6的第二端与第四电容C4的第一端共接作为零线电流采样电路102的第二输出端，第三电容C3的第一端和第四电容C4的第二端共接于地。

在其中一个实施例中，电压采样电路103包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第五电容C5以及第六电容C6；第七电阻R7的第一端与零线连接，第九电阻R9的第一端与火线连接，第七电阻R7的第二端、第八电阻R8的第一端以及第五电容C5的第一端共接作为电压采样电路103的第一输出端，第九电阻R9的第二端与第六电容C6的第一端共接作为电压采样电路103的第二输出端，第八电阻R8的第二端、第五电容C5的第二端以及第六电容C6的第二端共接于地。

下面以图5所示的电路原理图为例对本实用新型的智能电能表安全检测电路的工作原理进行说明，详述如下：

采用锰铜分流器检测火线电流并通过火线电流采样电路101生成火线电流采样模拟信号；电流互感器检测零线电流并通过零线电流采样电路102生成零线电流采样模拟信号；电压采样电路103检测零线和火线之间的电压并生成零线-火线间电压模拟信号；电能计量芯片104将火线电流采样模拟信号、零线电流采样模拟信号以及零线-火线间电压模拟信号转换为火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并计算生成电流有效值、电压有效值、功率以及电能。

使安全检测芯片202通过第二通讯接口106、第三通讯接口204以及SPI通讯接口实时读取火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并根据火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号计算生成电压质量参数值、火线电流有效值、零线电流有效值以及功率。安全检测芯片202根据火线电流有效值和零线电流有效值并且在火线电流有效值和零线电流有效值不相等时生成漏电预警信息；根据电压质量参数值、功率和预设的负荷特征库获取当前负载类型和工作状态，再根据当前负载的工作状态计算总功率，并且在总功率大于阈值功率时生成超负荷预警信息；在预设时间内的零线电流有效值或者火线电流有效值大于预设短路电流时生成短路预警信息。

从而使主控模块30通过第四通讯接口205接收漏电预警信息、超负荷预警信息以及短路预警信息，通过第一通讯接口105接收电流有效值、电压有效值、功率以及电能的数据，并对接收的数据进行存储和显示，进而使上行通讯模块40转发电预警信息、超负荷预警信息、短路预警信息、电流有效值、电压有效值、功率以及电能的数据至主站系统，以便于工作人员定时抄读电压、电流、功率以及电能等各项计量数据和智能电能表的运行各项预警信息数据，同时可帮助工作人员快速定位到故障点和发生故障的原因。

本实用新型的有益效果：

(1)通过采样转换模块将检测的火线电流、零线电流以及零线和火线之间的电压生成火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号，并计算第一电参数，使安全检测模块根据实时读取的火线电流数字信号、零线电流数字信号以及零线-火线间电压数字信号计算生成第二电参数，并根据第二电参数和预设的负荷特征库获取预警信息，以使主控模块存储并显示第一电参数和预警信息，并通过上行通讯模块转发预警信息。

(2)通过计算所检测的零线电流、火线电流以及零线-火线间电压，便可获取线路是否存在漏电、超负荷、短路以及非法负载等情况，从而发送相应预警信息，可以有效排除负载用电安全隐患。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。