一种具有停电故障录波功能的智能插座的制作方法

本发明属于智能配用电技术领域，尤其涉及一种具有停电故障录波功能的智能插座。

背景技术：

现有的智能插座基于对电力设备的远程监控设计，主要应用于智能家居领域，能够实现正常工作运行状态下数据采集以及数据传输。但是现有智能插座普遍存在如下缺陷：1、不具有录波功能，不能有效记录使用过程中元件的工作状态。2、发生故障导致停电后插座即失效，不再具有任何功能。导致该类智能插座不能完整有效记录故障发生过程中的电力相关参量的变化，不便于进行后续分析。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种具有停电故障录波功能的智能插座，本发明可在故障发生时插座失去电源时，将故障发生前后的波形记录，便于故障定位及后续故障原因分析。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种具有停电故障录波功能的智能插座，包括信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、录波单元、储能单元、控制单元和电源；

所述信号处理单元采集电压和电流波形并进行滤波和整形，转换为可输入控制单元的被测试信号；

所述过零投切单元在电压、电流过零点时，分别对智能插座输出端的负载进行投、切控制；

所述通讯单元用于控制单元与外部通讯；

所述录波单元用于录下停电前后的若干周波数据，并传输给上位机形成实时变化的曲线；

所述储能单元用于为录波单元提供电能，确保所述录波单元能继续工作预设周波数需要的时间；

所述控制单元对信号处理单元输入的被测试信号进行离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧故障及其等级，并决策相应的动作。

本发明还包括接口单元，所述接口单元包括一次主回路和人机交互单元；所述一次主回路为市电输入和输出，市电的电压范围为100v-240v，频率范围为48hz-62hz；所述人机交互单元包括信号指示灯和按键输入，所述信号指示灯包括黄、绿、红3个单色灯和1个三色灯，分别指示不同的运行状态。

上述录波单元包括感应元件、内置的cpu处理器和flash单元，通过所述感应元件采集插座的电压、电流和谐波，通过所述cpu处理器读取电压、电流和谐波,进行软件滤波,计算电压和电流的峰值，并储存在所述flash单元中，同时传输给上位机形成实时变化的曲线，便于直观的观测插座的运行状态。

上述储能单元为和电源输入端直接相连的电容元件；通过预先设定故障后需要录波的周波数，确定需要储存的电量进而确定电容元件的大小；正常运行时，所述储能单元充能；当发生故障导致插座无法正常使用时，所述储能单元为录波单元提供能量，将故障后预先设定的周波数的波形记录储存，为后续的故障分析和故障定位提供方便。

上述信号处理单元包括电流采样电路、电压采样电路、滤波电路、放大电路和整流电路；通过所述电流采样电路及电压采样电路对电压及电流采样，将高电压和大电流信号转为低压小信号；通过所述滤波电路去除低压信号中的低频和超高频部分，取频段为2khz-10khz的有效电弧信号，再通过所述放大电路和整流电路将其转换为可输入所述控制单元的被测试信号。

上述过零投切单元包括硬件执行电路和过零检测子单元；所述硬件执行电路包括继电器和继电器的驱动电路(继电器驱动电路包括由三极管组成的电平转换电路)；所述过零检测子单元包括过零捕获模块、频率计算模块和过零补偿模块，所述过零捕获模块用于获取负载电压和电流的过零时刻t0；所述频率计算模块用于计算系统电压的频率f；所述过零补偿模块在接受到所述控制单元的指令后，在电压、电流过零点时分别对智能插座输出端的负载进行投、切控制；所述过零补偿模块的过零补偿计算方式为：

tp为下发操作指令的时刻，n为预提前周期数，根据应用场合的响应需求而定，t0通常取为0；td为继电器的执行延迟时间。

上述控制单元对信号处理单元输入的被测试信号进行离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧信号产生；如果有电弧产生，进一步判断该信号对应的电弧故障等级，并输出至接口单元指示当前电弧故障等级；当电弧故障达到预设的严重指标时，由所述过零投切单元执行智能插座输出端的负载的分断操作，并将电弧故障信息通过所述通讯单元上报至远方系统；在任何情况下，所述控制单元均要执行按键的分合操作；任何情况下，所述控制单元接收按键控制指令，短时按键操作用于翻转智能插座主回路的通断状态，长时按键用于智能插座的参数配置；每按一次均对主回路状态进行取反操作。

上述取反操作指当智能插座输出端的负载为分断状态，监测到按键输入后，闭合智能插座输出端的负载；当智能插座输出端的负载为闭合状态，监测到按键输入后，分断智能插座输出端的负载；持续超过3秒的按键操作用于配置插座的参数，包括运行定值和网络参数。

上述离散小波变换取db13作为通用母小波，当负荷为纯阻性或阻感性时，取d6-d8信号作为判据输入信号，当负荷为开关电源性质时，取d5-d7作为判据输入信号；所述判据输入信号中任一分量大于1，可定性的判断已发生电弧故障；所述信号能量的计算公式为：n是信号总长度，i为长度变量，s(t)i为取第i个信号时刻的瞬时值。

上述控制单元根据实际负荷情况下的信号能量值判定当前的电弧故障级别，所述接口单元指示当前电弧故障等级；电弧故障等级越高，代表电弧故障越严重，所述控制单元根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间；当电弧故障等级发生变化时，原有延迟时间保持递增，任一延时到达，即可发送跳闸指令，所述信号指示灯指示跳闸时刻的实际电弧故障等级；所述控制单元记录电弧从发生到插座跳闸的全过程，并将过程信息经所述通信模块发送至服务器后台。

本发明能将故障录波技术应用于智能插座之中，可以大幅度提高对故障时间点的数据采集数量，完整记录故障前后的系统运行相关参量变化，结合电力系统的故障暂态过程分析方法，可以很方便地实现更精确的故障原因分析与故障定位，有助于维护电力系统的长期安稳运行。

附图说明

图1为本发明的一种具有停电故障录波功能的智能插座原理框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明的一种具有停电故障录波功能的智能插座，包括信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、控制单元、录波单元、储能元件、接口单元和电源。

信号处理单元采集电压和电流波形并进行滤波和整形，转换为可输入控制单元的被测试信号。

过零投切单元在电压、电流过零点时分别对智能插座输出端的负载进行投、切控制。

通讯单元用于控制单元与外部通讯。

控制单元对信号处理单元输入的被测试信号进行离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧故障及其等级，并决策相应的动作。

录波单元为通过感应元件采集相关的电压、电流和谐波等参数，通过内置的cpu读取并处理这些数据，储存在flash单元中，并传输给上位机形成实时变化的曲线，便于直观的观测插座的运行状态。

储能元件为和电源直接相连的电容元件。通过预先设定故障后需要录波的周波数，确定需要储存的电量进而确定电容元件的大小。正常运行时，储能元件充能，不影响正常使用；当发生故障导致插座无法正常使用时，储能元件为录波单元提供能量，将故障后一定周波数的波形记录储存，为后续的故障分析和故障定位提供方便。

电源为通用ac/dc转换模块，为智能插座系统提供5v工作电压。

本实施例中，信号处理单元由电流采样电路、电压采样电路、滤波电路、放大电路和整流电路组成。通过对电压和电流采样将高电压和大电流信号转为低压小信号，通过滤波电路去除低压信号中的低频和超高频部分，取频段为2khz-10khz的有效电弧信号，再通过全波整流电路将其转换为可输入主控制器的被测试直流信号。

本实施例中，过零投切单元包括硬件执行电路和过零检测子单元两部分，所述过零检测子单元的工作机制为：捕获电路得到负载电压和电流的过零时刻t0，频率计算得到系统电压的频率f，继电器的执行延迟时间为td。下发操作指令的时刻tp，n为预提前周期数，t0通常取为0。

本实施例中，通讯单元用于控制单元与外部通讯，实现智能插座与远端系统交互电弧故障信息和控制指令，其通讯方式分为有线和无线2大类，有线通讯方式包括但不限于光纤、通用网线和电力线载波，无线通讯方式包括但不限于4g，wi-fi，lora，nb-iot，zigbee等。

本实施例中，接口单元包括一次主回路和人机交互部分。一次主回路部分为市电输入和输出，市电的电压范围为100v-240v，频率范围为：48hz-62hz。人机交互部分为信号指示与按键输入，信号指示灯包括黄、绿、红3个单色灯和1个三色灯，分别指示不同的运行状态。

控制单元对信号处理单元输入的被测试信号进行离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧信号产生。如果有电弧产生，进一步判断该信号对应的电弧故障等级，并输出至接口单元指示当前电弧故障等级。

其中，离散小波变换取db13作为通用母小波，当负荷为纯阻性或阻感性时，取d6-d8信号作为判据输入信号，当负荷为开关电源性质时，取d5-d7作为判据输入信号。判据输入信号中任一分量大于1，即可定性的判断已发生电弧故障。

其中，信号能量e(s)的计算公式为：n是信号总长度，i为长度变量，s(t)i为取第i个信号时刻的瞬时值。

电弧严重程度的定量判断方式由信号能量确定，根据不同负荷性质的负载，将电弧故障等级分为3级。

控制单元根据实际负荷情况下的信号能量值判定当前的电弧故障级别，接口单元指示当前电弧故障等级。电弧故障等级越高，代表电弧故障越严重，控制单元根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间。当电弧故障等级发生变化时，原有延迟时间保持递增，任一延时到达，即可发送跳闸指令，故障指示灯指示跳闸时刻的实际电弧故障等级。控制单元记录电弧从发生到插座跳闸的全过程，并将该过程信息经通信模块发送至服务器后台。

任何情况下，控制单元接收按键控制指令，短时按键操作用于翻转智能插座主回路的通断状态，长时按键用于智能插座的参数配置。

本发明的一种具有停电故障录波功能的智能插座的工作过程如下：

1、预先设定故障分析需要录波的周波数，确定需要储存的电量进而确定电容元件的大小。

2、插座正常开机运行下，储能单元储存部分电能，录波单元采集插座相关电压、电流和谐波的参数；

3、通过内置cpu处理器读取并处理所述运行参数，以得到所述模块的实时参数；

4、将记录到的参数形成图像存储在flash模块中；

5、出现停电故障时，插座失去电源，储能单元继续为录波单元提供电能，确保录波单元能继续工作预设周波数需要的时间；

6、录波单元录下停电前后的若干周波数，并储存在flash模块中，便于后续的故障分析。

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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。