基于多种通信方式的智能安全用电管理装置及系统的制作方法

本发明涉及电力设备领域，具体涉及一种基于多种通信方式的智能安全用电管理装置及系统。

背景技术：

中国目前正致力于建设坚强智能电网，主要涵盖电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节，其内涵是以坚强网架为基础，以通信信息平台为职称，以智能控制为手段，实现电力系统从发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的智能感知、智能识别、智能控制的功能，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，智能电网可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。随着智能电网高级计量体系的研究和建设，与居民直接相关的用电信息采集和在线控制保护的功能需求逐渐显现。

目前我国电力系统在用电环节仍以传统用电方法为主，一般是采用智能电能表与空气开关配合使用，在电力参数测量和远程抄表方面有初步应用，目前国内广泛应用的分时峰谷电表、预付费电表和自动抄表均不支持信息和电脑的交互，它们都不能同电网和用户进行实时互动，缺少具有电力计量、智能控制和双向通信的产品面世。随着阶段电价政策在国内的推广和展开，用户的用电量被分为几个阶段，为了更合理的安排自己的用电，用户有了解每天甚至是每个时刻自己用电信息的需求。另一方面，不同的家用电气在不同的时间段内的用电量也不一样，而经过合理的规划，控制和调节不同用电器在不同时间段内的工作情况，可以有效的减少电能损坏，避免浪费。

但是，供电公司一般只于每月底向用户提供一张用电量及金额的单据。此时，用电信息对于用户来说属于历史信息，只能指导缴费，无法合理的安排自己的用电情况。若用户想及时了解自己的用电情况，只能去表箱查看。而由于 大单元地方电力计量表箱是物业集中管理，业主无法直接看到电力计量表的数据。对于用户关心的阶梯电价的设置情况，更是只能通过去供电公司营业厅去查询。同时，用户根本无法掌握不同家用电器的用电情况，也就无法实时根据用电实际情况调整自己的用电计划。

另一方面，现在大部分的家庭都实现了宽带网络的接入，在铺设电路线的时候，会同时铺设强电电路和弱电电路，以分别满足电器用电需求和信息数据的传输需求。然而，同时铺设两种电路既增加了施工量和施工难度，也容易出现各种各样的问题。随着电力线载波通信技术的发展，利用电力线同时完成强电和弱电信号的输送成为可能。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种基于多种通信方式的智能安全用电管理装置及系统，实现不同电气设备用电数据的实时计量，且能根据电网实时参数主动保护分闸和在故障解除后自动或根据远程命令合闸，并能通过电力线实现电力数据和控制信号的实时双向传输，以及用户根据实际情况制定或选择节电策略后自动执行节电策略，以达到合理用电，避免浪费的目的。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，包括电力负荷总控模块、信息处理模块、通信模块及安全保护模块，以及至少一个对应于单路电气负载设备的单路电力负荷管理模块；

所述电力负荷总控模块包括总开关单元、电力参数采集单元、计量单元、数据转换单元、剩余电流检测单元；所述电力参数采集单元包括电流互感器、电压采样电路、第一信号调理单元，用于系统电压、用户电流信号的采集，所述计量单元包括计量芯片及其外围电路，用于计量实时电能，所述数据转换单元用于对所述电力参数采集单元采集的电压、电流信号进行A/D转换，所述剩余电流检测单元包括剩余电流互感器、第二信号调理单元、A/D转换单元，用于系统中剩余电流的检测；

所述单路电力负荷管理模块包括分路开关单元、分路电力参数采集单元、分路数据转换单元、分路剩余电流检测单元；所述分路电力参数采集单元用于分路电流信号的采集，所述分路数据转换单元用于对所述分路电力参数采集单元采集的电流信号进行A/D转换，所述分路剩余电流检测单元用于分路电路中剩余电流的检测；

所述信息处理模块用于数据处理、分析及主动保护；

所述通信模块用于装置与家庭内部其它智能设备、外部网络之间的信息交互以及装置与各单路电气负载设备之间的通信；

所述安全保护模块用于抑制、吸收系统电压出现的突波尖峰、毛刺，并在系统电压超过保护值或出现雷击涌流时断开电路，以保护所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置及用户用电设备。

进一步的，所述信息处理模块包括控制单元、数据处理单元、人机交互单元、电能质量分析单元；其中，

所述控制单元用于控制所述电力负荷总控模块和各个单路电力负荷管理模块进行电能计量及完成分闸/合闸操作；所述数据处理单元用于处理及存储所述电力负荷总控模块和各个单路电力负荷管理模块采集的电能计量数据；所述人机交互单元用于状态参数和控制指令的显示及输入；所述电能质量分析单元用于分析处理所述电力负荷总控模块中数据转换单元转换后的电压、电流信号，完成漏电、谐波、过压、欠压、缺相、过流、暂升及暂降的检测，以及用于分析处理所述单路电力负荷管理模块中分路数据转换单元转换后电流信号，完成漏电、谐波及过流检测，并将报警信息发送到控制单元；所述电能质量分析单元还用于分析处理所述电力负荷总控模块中剩余电流检测单元和单路电力负荷管理模块中分路剩余电流检测单元检测的信号。

进一步的，所述电能质量分析单元检测到电力参数越限后，所述控制单元控制所述电力负荷总控模和单路电力负荷管理模块进入主动保护模式，并根据故障类型执行相应处理预案，实现自动分/合闸，或者人工确认后合闸。

进一步的，所述通信模块包括以太网模块、电力载波通信模块及本地通信接口；其中，

所述以太网模块用于实现所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置与互联网的有线及无线连接；所述电力载波通信模块用于通过电力载波方式将网络信号耦合到电力线上，实现所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置与其它智能家居设备之间的通信，所述本地通信接口用于所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置与本地其它智能设备之间的互联；

进一步的，所述电力载波通信模块包括耦合单元、滤波单元、模拟前端单元、载波通迅控制单元、FLASH存储单元、DDR内存单元、PHY接口单元，其中，耦合单元用于将网络通信信号耦合到电力线实施传输并实现与电力线市电的隔离；滤波单元用于滤除电力载波信号中的干扰、噪声信号；模拟前端单元用于网络通信信号的A/D、D/A转换；载波通信控制单元包括CPU、与FLASH存储单元连接的SPI通信接口，以及与DDR内存单元连接的DDR接口，用于实现网络信号的调制、解调与处理；PHY接口单元用于实现以太网MAC层与物理层的连接。

进一步的，所述以太网模块包括MAC模块、WIFI模块、PHY接口及相关电路，且集成TCP/IP协议栈；所述本地通信接口包括RS232、485、CAN总线通信接口和Zigbee、Z-wave、蓝牙无线通信中的至少一种接口。

进一步的，所述通信模块内设有加密单元；所述加密单元包括对称加密单元和非对称加密单元，所述对称加密单元使用对称密钥组加密所述通信模块发送的数据，所述非对称加密单元用于根据固件信息或外部即时数据产生所述对称密钥组。

进一步的，所述单路电力负荷管理模块还包括过零检测单元及状态检测单元，所述过零检测单元用于检测电压、电流过零点，所述状态检测单元用于检测分路开关单元的工作状态，并在检测到异常状态时将报警信息发送给所述电力负荷总控模块。

进一步的，所述过零检测单元用于检测电压、电流过零点，且所述开关单元在电压为零时合闸，在电流为零时分闸。

优选的，所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置集成于入户配电箱中。

本发明还提供了一种基于多种通信方式的智能安全用电管理系统，包括至少一个如上所述的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，以及远程终端和客户端，所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置通过电力负荷总控模块连接外部电力线，通过通信模块连接互联网，并通过通信模块和单路电力负荷管理模块经电力线分别连接各个单路电气负载设备及其它智能设备，用于所述单路电气负载设备的电能计量、开/合闸操作，以及通信数据和控制指令的交互；

所述远程终端通过互联网与所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置连接，所述远程终端用于监测、存储及管理所述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置测量的数据，以及分析数据并生成由节电策略指令集组成的节电方案和用电指导方案；

所述客户端通过互联网或其它电信网络与所述远程终端进行数据交互，所述客户端用于用户与系统进行交互，包括查询各个单路电气负载设备用电信息、管理绑定用户、远程控制单路电力负荷管理模块进行分/合闸操作，以及生成或选择所述节电方案。

进一步的，所述远程终端为云计算网络中心，所述云计算网络中心包括服务器和硬件隔离装置；所述服务器包括数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实时控制服务器；所述服务器和硬件隔离装置连接于数据总线上，所述硬件隔离装置与数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实施控制服务器一一对应。

进一步的，所述客户端为PC终端或移动终端，通过安装于所述PC终端上的应用程序或者移动终端上的APP访问所述云计算网络中心。

本发明的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，对应于单路电气负载设备设置有单路电力负荷管理模块，以控制电路开关的通断；同时，所有的单路电力负荷管理模块均对应于电力负荷总控模块及信息处理模块，以完成单个分路的电力计量和通断控制，从而实现了对单路或单个用电设备的分别计量和控制，方便用户监测和控制单路或单个用电设备的用电量和用电时间，并制定合理的用电计划，避免电能的浪费。

另一方面，本发明的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，通过通信模块实现了与外部网络或内部电气设备及其它智能设备之间多种方式的通信连接。其通过以太网模块连接外部互联网，通过本地通信接口连接其它智能设备，从而实现了本地其它智能设备和外部网络间的数据、视频、音频信号的无缝传输。进一步的，本发明的装置通过电力载波通信模块实现了弱电信号的电力线传输，从而省去了传统的强弱电布线中的弱电布线，简化了装修布线工程，节省了资源。同时，结合通信模块中的以太网模块和本地通信接口，实现了本地电气设备和外部设备的联网通信。采用上述设计，本发明的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，整合了整个家庭的电力及信息交互资源，提高了家庭电气布局的集约化和智能化程度。

本发明的电能分路计量系统，将上述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置通过多种通信方式接入基于云计算的互联网，方便用户及时了解掌握单路或单个用电设备的用电信息，进而以单路或单个用电设备为基础实现合理用电、管电，最终实现节约用电。同时，可建立和完善用户家庭用电统一数据平台，实现家庭电路的智能化，实时检测供电线路负荷状态，确保了用电安全。

附图说明

图1为本发明的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置实施例的模块结构示意图。

图2为图1实施例中电力载波通信模块的模块结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明首先提供了一种基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，以实现对家庭或其它场所中单个电气设备用电量的实施监测，以及电路的安全智能通断控制；同时，通过电力线载波通信方式整合了强弱电资源，提高布线的集约化和智能化程度。

为了实现上述目的，如图1所示，在一个较佳实施例中，本发明的基于多种通信方式的智能安全用电管理装置包括电力负荷总控模块、信息处理模块、通信模块及安全保护模块，以及至少一个对应于单路电气负载设备的单路电力负荷管理模块。

具体的，电力负荷总控模块包括：

用于系统总的电力线路开合闸的总开关单元；

用于系统电压、用户电流信号采集的电力参数采集单元，其包括电流互感器、电压采样电路、第一信号调理单元，以完成电压、电流信号的采集；

用于计量实时电能的计量单元，其包括计量芯片及其外围电路，以完成整个系统的计量级电能计量；

用于对电力参数采集单元采集的电压、电流信号进行A/D转换的数据转换单元，以供信息处理模块中的电能质量分析单元进行电能质量分析；

用于系统中剩余电流检测的剩余电流检测单元，其包括剩余电流互感器、第二信号调理单元、A/D转换单元。

具体的，单路电力负荷管理模块包括：

用于对分路的电力线路进行开合闸操作的分路开关单元；

用于分路电流信号的采集的分路电力参数采集单元；此处只采集分路电流信号，电压信号因与系统电压相同，故不再进行采集。利用采集的分路电流信号和系统电压信号，即可通过信息处理模块中的数据处理单元进行计算以完成 分路电能的计量。采用此种设计，不需要每个分路均设置计量芯片进行分路电能的计量，从而节约了成本，提高了产品的市场竞争力。

用于对分路电力参数采集单元采集的电流信号进行A/D转换的分路数据转换单元，以供信息处理模块中的电能质量分析单元进行分路电能质量分析；

用于分路电路中剩余电流检测的分路剩余电流检测单元。

作为进一步的优选方案，本实施例中，单路电力负荷管理模块中的开关单元包括分/合闸电源和分/合闸机构，其中，分/合闸机构可以是由电机带动的动触点与静触点接触，或者是电磁吸合动触点与静触点接触，或者是电源激励永磁体吸合动触点与静触点接触，也可以是SCR/IGBT/MOSFET/GTR半导体器件中的任意一种。单路电力负荷管理模块还包括过零检测单元及状态检测单元，过零检测单元用于检测电压、电流过零点，状态检测单元用于检测分路开关单元的工作状态，并在检测到异常状态时将报警信息发送给控制单元。

具体的，信息处理模块用于数据处理、分析及主动保护，其包括：

用于控制电力负荷总控模块和各个单路电力负荷管理模块进行电能计量及完成分闸/合闸操作的控制单元；

用于处理及存储电力负荷总控模块和各个单路电力负荷管理模块采集的电能计量数据的数据处理单元；

用于状态参数和控制指令的显示及输入的人机交互单元；作为优选方案，本实施例中，人机交互单元包括自发光显示屏、操作按键和指示灯。

以及，电能质量分析单元，其用于分析处理电力负荷总控模块中数据转换单元转换后的电压、电流信号，完成漏电、谐波、过压、欠压、缺相、过流、骤升及暂降的检测，以及用于分析处理单路电力负荷管理模块中分路数据转换单元转换后电流信号，完成漏电、谐波及过流检测，并将报警信息发送到控制单元；

还用于，分析处理电力负荷总控模块中剩余电流检测单元和单路电力负荷管理模块中分路剩余电流检测单元检测的信号。

当上述电能质量分析单元检测到参数越限后，电力负荷总控模块和单路电力负荷管理模块进入主动保护模式，分路故障时，单路电力负荷管理模块自动分闸并报警，根据故障类型自动执行相应处理预案，预案允许自动合闸情况下故障解除后，自动合闸；预案不允许自动合闸情况下报警等待人工确认。总电源故障时，电力负荷总控模块自动分闸并报警，根据故障类型自动执行相应处理预案，预案允许自动合闸情况下故障解除后，自动合闸；预案不允许自动合闸情况下报警等待人工确认。

具体的，通信模块用于装置与外部网络之间的信息交互以及装置与各单路电气负载设备及其它本地智能设备之间的通信；其包括：

用于实现装置与互联网的有线及WIFI连接的以太网模块；作为优选，包括MAC模块、WIFI模块、PHY接口及相关电路，且集成TCP/IP协议栈。

用于通过电力载波方式将网络信号耦合到电力线上，以实现装置与各单路电气负载设备的通信连接的电力线载波通信模块。作为优选方案，如图2所示，电力载波通信模块包括耦合单元、滤波单元、模拟前端单元、载波通迅控制单元、FLASH存储单元、DDR内存单元、PHY接口单元，其中，耦合单元用于将网络通信信号耦合到电力线实施传输并实现与电力线市电的隔离；滤波单元用于滤除电力载波信号中的干扰、噪声信号；模拟前端单元用于网络通信信号的A/D、D/A转换；载波通信控制单元包括CPU、与FLASH存储单元连接的SPI通信接口，以及与DDR内存单元连接的DDR接口，用于实现网络信号的调制、解调与处理；PHY接口单元用于实现以太网MAC层与物理层的连接。

以及，用于装置及其它智能设备之间互联的本地通信接口。作为优选，包括RS232、485、CAN总线通信接口和Zigbee、Z-wave、蓝牙无线通信中的至少一种接口。

安全保护模块用于抑制、吸收系统电压出现的突波尖峰、毛刺，并在系统电压超过保护值或出现雷击涌流时断开电路，以保护整个装置及用户用电设备。

作为优选方案，本实施例中，通信模块内设有加密单元，应用于所有需要 身份认证、数据加密/解密、安全存储、通信保密等较高数据安全要求的操作，实现安全控制的目的。

具体的，加密单元包括对称加密单元和非对称加密单元，对称加密单元使用对称密钥组加密通信模块发送的数据，非对称加密单元用于根据固件信息或外部即时数据产生对称密钥组。其中，外部即时数据产生对称密钥组包括通过手机获取验证码等即时信息。

优选的，实际实施时，上述基于多种通信方式的智能安全用电管理装置集成于一体化的家庭电能接线箱里，通过设于箱体上的各个接线部与内外部电路线连接。

本发明还提供了一种基于多种通信方式的智能安全用电管理系统，以实现用户对家庭或其它场所中单个用电器用电量的实施监控，以及在单个用电器的基础上制定或选择家庭节电策略，以实现节电目的。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于多种通信方式的智能安全用电管理系统，在其一个实施例中，包括至少一个基于多种通信方式的智能安全用电管理装置，以及远程终端和客户端。其中，基于多种通信方式的智能安全用电管理装置通过电力负荷总控模块连接外部电力线，通过以太网模块连接互联网，并通过电力线载波通信模块和单路电力负荷管理模块经电力线分别连接各个单路电气负载设备，用于单路或单个电气负载设备的电能计量、开/合闸操作，以及通信数据和控制指令的交互，还通过本地通信接口连接本地其它智能设备，以实现本地智能设备与外部网络或本地电气负载设备的通信连接。

远程终端通过互联网与基于多种通信方式的智能安全用电管理装置连接，用于监测、存储及管理基于多种通信方式的智能安全用电管理装置测量的数据，以及分析数据并生成由节电策略指令集组成的节电方案和用电指导方案。该节电方案被选择后发送到基于多种通信方式的智能安全用电管理装置中进行执行，以达到智能节电目的。

优选的，远程终端可以为云计算网络中心，包括服务器和硬件隔离装置； 服务器包括数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实时控制服务器；服务器和硬件隔离装置连接于数据总线上，硬件隔离装置与数据存储服务器、弹性计算服务器、数据分析服务器和实施控制服务器一一对应。

客户端通过互联网或其它电信网络(如4G网络)与远程终端进行数据交互。具体的，客户端用于用户与系统进行交互，包括查询各个单路电气负载设备用电信息、管理绑定用户、远程控制单路电力负荷管理模块进行分/合闸操作，以及生成或选择所述节电方案。

作为优选方案，客户端为PC终端或手机、平板电能等移动终端，通过安装于所述PC终端上的应用程序或者移动终端上的APP访问所述云计算网络中心。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。