基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统及控制方法与流程

本发明属于用电安全管理领域，具体涉及一种基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统及控制方法。

背景技术：

出租屋是经济发展的产物，也是当今房价高涨的产物，出租屋面积小、价廉。出租屋虽小，但电器等生活设施一应俱全，如空调、电热水器等，导致出租屋用电极易负荷过重，引起火灾的事故层出不穷，带来了严重的社会问题和经济损失。

作为家庭使用，入户总空气开关通常限流63a，可满足一个家庭的常用电器设备使用，如电热水器、空调、微波炉等大功率电器。但在出租屋中，大功率电器成倍增加，当同时使用时极易超过总负荷。以8个小单间出租屋为例，若8台热水器(额定10a)与8台空调(额定5a)同时使用，总电流将至少达到120a，远远超过限流63a，导致跳闸或电线发热。因此，有必要对出租屋大功率电器的使用进行有效的控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统及控制方法，该控制系统及控制方法能对出租屋大功率电器进行实时控制，根据电热水器的工作状态和入户总电流，合理分配大功率电器的工作电流，将总功率控制在安全许可的范围内，解决出租屋电器负荷过重的问题，提高出租屋用电安全。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统，其包括入户电流检测单元、总控制器和多个出租屋用电单元；多个出租屋用电单元通过多路空气开关与入户电流检测单元连接；

各个出租屋用电单元均包括电流检测与控制模块、漏电保护开关、控制器、无线数据传输单元，漏电保护开关分别与电流检测与控制模块、控制器、大功率电器连接；电流检测与控制模块实时采集各个大功率电器的工作电流给控制器，控制器通过无线传输给总控制器；

总控制器根据入户电流检测单元检测的入户总电流确定入户总电流的实际上限，并结合各个出租屋用电单元的大功率电器的实时工作电流分配各出租屋大功率电器的工作电流，以控制各个出租屋中大功率电器的工作状态。

按上述方案，电流检测与控制模块包括可控硅和电流互感器，电流检测与控制模块将总控制器分配的控制电流大小换算为可控硅的导通角，通过控制器内部定时器获得导通脉冲控制信号，再控制可控硅，从而通过控制可控硅导通角的大小控制大功率电器的电流大小。

按上述方案，当所述大功率电器为电热水器时，出租屋用电单元还包括水温检测模块，该水温检测模块检测电热水器的水温并通过控制器无线传输给总控制器；总控制器根据各出租屋的电热水器的实时工作电流和电热水器的水温获得各电热水器的工作状态，并返回相应的电流控制指令，控制电热水器的工作电流。

按上述方案，所述电热水器的工作状态包括关机状态、保温状态、关电使用状态、通电使用状态、加热状态和漏电状态；

关机状态为在一定时间范围内，水温不变，工作电流为零；

保温状态为在一定的时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流小于一定值；

关电使用状态为在一定时间范围内，水温下降，工作电流为零；

通电使用状态为在一定时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流大于一定值；

加热状态为在一定的时间范围内，水温上升，工作电流大于一定值；

漏电状态为工作电流高于电热水器的额定电流或导通角为零时仍然存在电流的情况。

按上述方案，总控制器根据电热水器的工作状态计算并合理分配电流，电热水器处于漏电状态的优先关断电源开关并报警；电热水器处于使用状态下，具有供电优先权；电热水器处于加热状态下，具有次优先权。即：确保处于通电使用状态的电热水器工作正常，让处于加热状态的电热水器适当减小工作电流，延长加热时间；对于漏电状态，则控制开关断电，并报警。

按上述方案，所述无线传输采用zigbee无线传感器网络，低功耗且可自动组网，任意增减节点不影响数据传输。

本发明还提供一种基于上述控制系统的出租屋安全用电控制方法，其包括如下步骤：

各个出租屋用电单元的电流检测与控制模块实时采集大功率电器的实时工作电流并将该实时工作电流传递给控制器；控制器将实时工作电流无线传输给总控制器；

总控制器根据计算的入户总电流的实际上限和各个出租屋用电单元的大功率电器的实时工作电流分配各出租屋大功率电器的工作电流，以控制各个大功率电器的工作状态。

按上述方案，当大功率器件为电热水器时，水温检测模块检测电热水器的水温并通过控制器无线传输给总控制器；总控制器根据各出租屋的电热水器的实时工作电流和电热水器的水温获得电热水器的工作状态，并返回相应的电流控制指令，控制电热水器的工作电流；

所述电热水器的工作状态包括关机状态、保温状态、关电使用状态、通电使用状态、加热状态和漏电状态；

关机状态为在一定时间范围内，水温不变，工作电流为零；

保温状态为在一定的时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流小于一定值；

关电使用状态为在一定时间范围内，水温下降，工作电流为零；

通电使用状态为在一定时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流大于一定值；

加热状态为在一定的时间范围内，水温上升，工作电流大于一定值；

漏电状态为工作电流高于电热水器的额定电流或导通角为零时仍然存在电流的情况。

按上述方案，总控制器根据电热水器的工作状态计算并合理分配电流，电热水器处于通电使用状态下，具有供电优先权；电热水器处于加热状态下，具有次优先权；对于漏电状态的热水器则控制关断电源并报警。

按上述方案，总控制器通过基于电热水器工作电流的模糊控制策略对电热水器进行控制，该模糊控制策略中计算各电热水器的工作电流大小的步骤为：

设总电流为i0，共n个房间，第n个房间的基本电器用电为ibn，电热水器用电为ihn，则有

总电流i0的上限iu＝ih-if，式中ih为入户电流上限，if为单台电热水器满负荷工作电流；

因此，电热水器工作可用的总电流ih为

处于正在通电使用状态的电热水器数量为p，正在加热状态的电热水器数量为q，有方程组：

式中，ip为正在通电使用状态的电热水器工作电流，iq为正在加热状态的电热水器工作电流，if为单台电热水器满负荷工作电流；

考虑正在通电使用状态的电热水器用电优选权，其用电电流分配为

ip＝ih/p≤if

考虑正在加热状态的电热水器用电次优选权，其用电电流分配为

iq＝(ih-pip)/q≤if。

按上述方案，总控制器通过电器工作电流控制策略对电热水器进行控制，具体为：电流检测与控制模块将总控制器分配的控制电流大小换算为可控硅的导通角，通过内部定时器获得导通脉冲信号，再控制可控硅，从而通过控制可控硅导通角的大小控制电热水器的电流大小。

本发明中，出租屋电器，有一部分是基本需求，必须保证正常使用，如照明、插座用电(如计算机用电)、空调；有一部分是非基本需求，比如大功率电热水器，本申请可以使大功率电热水器根据具体使用状况分时使用或限流使用，避免超负荷运行。

本发明的有益效果在于：

通过电流检测与控制模块实时检测各房间大功率电器的实时工作电流，总控制器根据实时工作电流合理控制各房间大功率电器的工作电流大小，确保总电流在额定负载下，从而消除出租屋电器超负荷运行，减少或消除由此产生的火灾事故，同时对漏电电器预先关断电源并报警，确保用电安全；

本控制系统和控制方法简单，可实施性强，杜绝用电负荷过重的隐患，应用前景广阔，具有较高社会经济效益；

本发明只针对特定的大功率电器，而不影响照明、插座小功率用电和空调的正常使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统的结构框图。

图2是电流检测与控制模块的电路原理图；

图中所示：u01为控制器；u02为第一光耦；u03为第二光耦；u04为整流硅桥；u05为可控硅；u06为电流互感器。

图3为交流电过零点脉冲波形与可控硅导通角控制波形的关系图；

图中所示：过零脉冲的上升沿与第二个下降沿和第二个上升沿的时间间隔，分别记为ta和t，这里t为交流信号的周期，tc为距离过零点的时间间隔；tb为交流电过零检测脉冲波形的上升沿到可控硅导通脉冲上升沿的延时时间宽度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参见图1和图2，一种基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统，其包括入户电流检测单元、总控制器、无线数据传输单元、多路空气开关、多个出租屋用电单元；入户电流检测单元分别与入户电缆、总控制器连接，总控制器与无线数据传输单元连接，入户电流检测单元将采集的入户电缆的总电流传递给总控制器；入户电缆通过多路空气开关与每个出租屋用电单元连接。出租屋用电单元可包括照明灯、插座、空调、电热水器和电热水器控制单元，电热水器控制单元包括电流检测与控制模块、控制器、水温检测模块、漏电保护开关、无线数据传输单元；照明灯、插座、空调、电流检测与控制模块分别与多路空气开关连接；电热水器分别与电流检测与控制模块、水温检测模块连接；漏电保护开关分别与电流检测与控制模块、控制器、电热水器连接；电流检测与控制模块、水温检测模块均与控制器连接，控制器与无线数据传输单元连接。

电流检测与控制模块采集电热水器的实时工作电流并将该实时工作电流传递给控制器；水温检测模块采集电热水器的实时水温信息并将该实时水温信息传递给控制器；控制器通过无线数据传输单元将工作电流和水温信息传递给总控制器；总控制器根据入户电流检测单元检测的入户总电流确定入户总电流的实际上限，并结合各个出租屋用电单元的电热水器的实时工作电流和水温分配各出租屋电热水器的工作电流，以控制各个出租屋中大功率电器的工作状态。

本实施例中，入户电流检测单元处于入户配电箱内。总控制器通过入户电流检测单元获得总的用电电流大小，通过无线数据传输网络获取各电热水器实时水温和实时工作电流，合理控制各房间电热水器的工作电流大小，在不影响各出租屋房间其它电器正常使用情况下，使入户总电流工作在安全范围内。

本实施例中，总控制器通过电器工作电流控制策略对电热水器进行控制，具体为：电流检测与控制模块将总控制器分配的控制电流大小换算为可控硅的导通角，通过控制器内部定时器获得导通脉冲控制信号，再控制可控硅，从而通过控制可控硅导通角的大小控制电热水器的电流大小。电流检测与控制模块包括限流电阻r6、限流电阻r8、整流硅桥u04、第一光耦u03、第二光耦u02、可控硅u05、电流互感器；限流电阻r6的一端与市电220v交流电的火线连接、限流电阻r8的一端与市电220v交流电的零线连接，限流电阻r6的另一端、限流电阻r8的另一端与整流硅桥u04连接，整流硅桥u04与第一光耦u03的输入端连接，第一光耦u03的输出端与控制器u01的int引脚连接；第一光耦u03的输出端通过电阻r3与第二光耦u02的第一引脚连接，第二光耦u02的第一引脚通过电阻r1与控制器u01的p1.0引脚连接，第二光耦u02的第二引脚通过电阻r2与控制器u01的p1.0引脚连接，第二光耦u02的第三引脚与可控硅u05的控制极连接，第二光耦u02的第三引脚还通过电阻r4与可控硅u05的阴极连接，第二光耦u02的第四引脚通过电阻r5与可控硅u05的阳极连接；可控硅u05的阳极与市电220v交流电的零线连接；可控硅u05的阴极通过电流互感器u06与电热水器(负载)的一端连接，电热水器(负载)的另一端与市电220v交流电的火线连接；电流互感器u06与电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与控制器u01的adc引脚连接，电阻r10的另一端通过电容c1接地，电阻r10的另一端还分别与二极管d1、二极管d2连接。220v的市电，经过限流电阻r6、r8和桥式整流模块u04，与第一光耦u03相接；在市电220v交流电的正半周时第一光耦u03内发光二极管导通发光，输出低电平；在市电220v交流电的负半周时，第一光耦u03内发光二极管不发光，输出高电平信号，获得220v交流电压过零点的时刻，该信号与控制器u01相接，作为控制器外部终端信号源；通过零点信号进一步计算获得精确的过零点信号，并将总控制器分配的控制电流大小换算为可控硅的导通角，通过内部定时器获得导通脉冲信号，通过控制器io口p1.0输出至第一光耦u02，控制可控硅u05，从而通过控制导通角的大小控制电热水器上的电流大小；电热水器(负载)上的电流经过电流互感器u06在电阻r9转换为电压信号，经过r10、c1滤波得到直流电压，d1、d2限幅，传输至控制器u01内部的模数转换器adc，获得电热水器(负载)电流。

本实施例中，电热水器的工作状态包括关机状态、保温状态、关电使用状态、通电使用状态、加热状态和漏电状态；

关机状态为在一定时间范围内，水温不变，工作电流为零；

保温状态为在一定的时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流小于一定值；

关电使用状态为在一定时间范围内，水温下降，工作电流为零；

通电使用状态为在一定时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流大于一定值；

加热状态为在一定的时间范围内，水温上升，工作电流大于一定值；

漏电状态为工作电流高于电热水器的额定电流或导通角为零时仍然存在电流的情况。

关机状态、保温状态、关电使用状态均为小电流或无电流状态，无供电优先权；通电使用状态为热水器使用状态，具有供电优先权；加热状态为热水器预备使用状态，具有供电次优先权；即：优先确保处于使用状态的电热水器工作正常；让处于加热状态的电热水器适当减小工作电流，延长加热时间；让处于漏电状态的优先关断电源开关并报警。

本实施例中，无线传输采用zigbee无线传感器网络，低功耗且可自动组网，任意增减节点不影响数据传输。

一种采用上述基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统进行出租屋安全用电控制的方法，其包括如下步骤：各个出租屋用电单元的电流检测与控制模块实时采集电热水器的实时工作电流并将该实时工作电流传递给控制器，水温检测模块检测电热水器的水温并将该水温传递给控制器，控制器实时工作电流和水温通过无线数据传输单元传递给总控制器；

总控制器根据计算的入户总电流的实际上限和各个出租屋用电单元的电热水器的实时工作电流和水温获得电热水器的工作状态，分配各出租屋电热水器的工作电流，以控制各个电热水器的工作状态。

电热水器的工作状态包括关机状态、保温状态、关电使用状态、通电使用状态、加热状态和漏电状态；

关机状态为在一定时间范围内，水温不变，工作电流为零；

保温状态为在一定的时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流小于一定值；

关电使用状态为在一定时间范围内，水温下降，工作电流为零；

通电使用状态为在一定时间范围内，水温变化不大于一定值，工作电流大于一定值；

加热状态为在一定的时间范围内，水温上升，工作电流大于一定值；

电热水器处于使用状态下时具有供电优先权；电热水器处于加热状态下时具有次优先权；

漏电状态为工作电流高于电热水器的额定电流或导通角为零时仍然存在电流的情况。

本实施例中，总控制器通过基于电热水器工作电流的模糊控制策略对电热水器进行控制，该模糊控制策略中计算各电热水器的工作电流大小的步骤为：

设总电流为i0，共n个房间，第n个房间的基本电器用电为ibn，电热水器用电为ihn，则有

总电流i0的上限iu＝ih-if，式中ih为入户电流上限，if为单台电热水器满负荷工作电流；

因此，电热水器工作可用的总电流ih为

处于正在通电使用状态的电热水器数量为p，正在加热状态的电热水器数量为q，有方程组：

式中，ip为正在通电使用状态的电热水器工作电流，iq为正在加热状态的电热水器工作电流，if为单台电热水器满负荷工作电流；

考虑正在通电使用状态的电热水器用电优选权，其用电电流分配为

ip＝ih/p≤if

考虑正在加热状态的电热水器用电次优选权，其用电电流分配为

iq＝(ih-pip)/q≤if。

总控制器通过电器工作电流控制策略对电热水器进行控制，具体为：电流检测与控制模块将总控制器分配的控制电流大小换算为可控硅的导通角，通过控制器内部定时器获得导通脉冲控制信号，再控制可控硅，从而通过控制可控硅导通角的大小控制电热水器的电流大小。

本实施例中，控制各电热水器的工作电流需要控制可控硅的导通时间，就需要先获得交流电的过零检测，再依据预置的电流大小计算可控硅的导通角大小，控制导通角就控制了输出电压的大小，也就是控制了工作电流的大小。即，如图2所示，由于交流市电受到电网、负载变化和干扰的影响，单纯的电路检测市电过零点不够精确，需要进一步进行处理，获得精密的市电过零点。如图3所示，由于参考电压取值大于零，实际的过零检测波形上升沿超前于实际过零点，以过零检测波形的上升沿为参考，触发控制器计数，记录第二个下降沿和第二个上升沿的时间间隔，分别记为ta和t，这里t为交流信号的周期，则距离过零点的时间间隔tc为

记导通角为θ，对应的时间延迟为控制器设置的延迟时间tb为

考虑到电热水器的负载电阻固定，因此，控制导通角θ就控制了输出电压的大小，也就是控制了工作电流的大小；导通角θ与输出电压u0的关系为

式中：ui为供电电压，居民用电为220v，φ为电压波形的相位。

本控制系统和控制方法还能用于除电热水器外的其他大功率电器的电流大小控制，只是无需设置水温检测模块检测其大功率电器的水温。即：一种基于电流控制技术的出租屋安全用电控制系统，其包括入户电流检测单元、总控制器、无线数据传输单元和多个出租屋用电单元；多个出租屋用电单元通过多路空气开关与入户电流检测单元连接；各个出租屋用电单元均包括电流检测与控制模块、控制器、漏电保护开关和无线数据传输单元，漏电保护开关分别与电流检测与控制模块、控制器、大功率电器连接；电流检测与控制模块实时采集各个大功率电器的实时工作电流并传输给控制器，控制器通过无线数据传输单元传输给总控制器；总控制器根据入户电流检测单元检测的入户总电流确定入户总电流的实际上限，并结合各个出租屋用电单元的大功率电器的实时工作电流分配各出租屋大功率电器的工作电流，以控制各个出租屋中大功率电器的工作状态。总控制器根据计算的入户总电流的实际上限和各个出租屋用电单元的大功率电器的实时工作电流分配各出租屋大功率电器的工作电流，以控制各个大功率电器的工作状态。

本方法无法获得精确的电流分配值，但因考虑用电优先权，可不断调整电流分配大小，以获得最优的控制策略。由于用户存在一定的用电习惯，控制系统将结合用电合理分配电流大小，使之获得合适的最佳电流分配策略，也满足不同用户的用电习惯。

本发明具有以下优点：

适应性更强

依据大功率电器的电流参数(电热水器还包括温度参数)变化预测大功率电器的工作状态，依据工作状态更分配电流；

低成本

采用无线传感器网络，不同房间的数据采集和电流分配通过无线传感器网络传输，不需要电力线传输或有线传输；

安全性

通过采集所有电器用电电流，并进行分配，确保总电流不超标，且留有余地；当出现突发用电电流剧增时，系统及时响应，重新分配电流，确保总电流不超标；对漏电状态，提早监测报警处理；

人性化

通过将电热水器的使用归为4个状态，确保急需使用的用户优先使用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。