集总型智能家居用电细节管理系统的制作方法

本发明属于用电管理技术领域，尤其涉及一种智能家居用电细节管理系统，具体地说是一种集总型智能家居用电细节管理系统。

背景技术：

智能家居能经济合理地提供舒适的居住环境，由于人们对生活质量要求的不断提高，智能家居越来越受到关注，智能家居作为一种新型用电系统其用电总量将逐年增加，今后将成为电力系统重要的用电对象。智能家居的一个用电特点是可以控制到每个家居用电负载，这就为智能家居用电细节管理提供了可能性，而对智能家居用电细节的管理有助于对该新型用电系统用电量的精细化电能计量，这可以帮助人们建立居住环境舒适度和家居用电细节之间的关系，从而可以经济合理地选择和配置家居用电负载，达到节约设备和用电成本、优化能源使用的目的。此外，对于智能家居各个家居用电负载电能质量的监测，有利于管理的促进提高各类家居用电负载，即家用电器的电能质量，改善电力系统中居民用户的用电质量。

现有的智能家居用电管理系统主要通过智能插座和控制终端等对插座供电负载的用电细节进行监测与控制，但需要在每个智能插座上安装电能计量电路、带wifi模块的微处理系统及开关装置，每个智能插座都需要进行校准，因此带来了成本及工作量的问题。在智能插座上可以采用电能计量芯片来计量用电量，但有些电能计量芯片不具有电能质量检测功能。每个智能插座都要与控制终端进行通讯，这就增加了系统通讯的复杂性和可靠性问题。因此这里提出一种集总型智能家居用电细节管理系统，它主要由信号采集模块、信号处理及控制模块、电源模块、通信与智能控制模块和供电控制模块等组成，并采用了居用电控制策略、集总型用电细节分析、电能质量检测、互联网通信等技术，在进行家居用电智能控制的同时，实现包括电能质量数据在内的用电细节数据管理，该系统采用了集总型方案并设计了两个并行的电能计量系统，使得系统集成度高可靠性强，并且降低了硬件成本。目前这样的集总型智能家居用电细节管理系统未见有专利和文献报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：提出一种集总型智能家居用电细节管理系统，该系统在实现家居用电智能控制的同时，能在仅测量入户火线电流的基础上分析计算得到智能家居用电细节并实现用电细节的数据管理，智能家居用电细节包括每个家居负载的用电量及电能质量数据，该系统有助于智能家居用电精细化计量和管理，同时有利于实现大规模智能家居用电电能质量的监测和管理。

本发明的技术方案：一种集总型智能家居用电细节管理系统，它包括信号采集模块、信号处理及控制模块、电源模块、通信与智能控制模块、供电控制模块和家居用电电路；信号采集模块包括火线电流采样电路、零线电流采样电路和相电压采样电路，其中火线电流采样电路由第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容组成，零线电流采样电路由电流互感器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第三电容和第四电容组成，相电压采样电路由第七电阻、第八电阻和第五电容组成；信号处理及控制模块包括单相计量芯片、信号调理电路、模数转换器和微处理器；通信与智能终端模块包括wifi模块、wifi路由器、云端服务器和智能终端；供电控制模块包括漏电保护断路器、可控开关组和开关驱动电路，可控开关组含有m个开关，即第一开关、第二开关、第m开关等m个开关；家居用电电路包括m个单相家电负载，即第一负载、第二负载、第m负载等m个负载；第一电阻的一端分别与电源火线、第二电阻的一端和电位参考端相连，第一电阻的另一端分别与第三电阻的一端、电源模块火线输入端和漏电保护断路器火线输入端相连，第二电阻的另一端分别与第一电容的一端、单相计量芯片火线电流采样端口的一端和信号调理电路火线电流采样端口的一端相连，第三电阻的另一端分别与第二电容的一端、单相计量芯片火线电流采样端口的另一端和信号调理电路火线电流采样端口的另一端相连，第一电容的另一端分别与第二电容的另一端和电位参考端相连；电流互感器的一次同名端分别与电源零线和第七电阻的一端相连，电流互感器的一次非同名端分别与电源模块零线输入端和漏电保护断路器零线输入端相连，第四电阻的一端分别与电流互感器的二次同名端和第五电阻的一端相连，第四电阻的另一端分别与电流互感器的二次非同名端和第六电阻的一端相连，第五电阻的另一端分别与第三电容的一端和单相计量芯片零线电流采样端口的一端相连，第六电阻的另一端分别与第四电容的一端和单相计量芯片零线电流采样端口的另一端相连，第三电容的另一端分别与第四电容的另一端和电位参考端相连；第七电阻的另一端分别与第八电阻的一端、第五电容的一端、单相计量芯片相电压采样端口的一端和信号调理电路相电压采样端口的一端相连，第八电阻的另一端、第五电容的另一端、单相计量芯片相电压采样端口的另一端和信号调理电路相电压采样端口的另一端分别与电位参考端相连；第二电阻、第三电阻、第一电容与第二电容构成了第一个抗混叠滤波电路，第一个抗混叠滤波电路差分输出火线电流流过第一电阻时产生的电压信号；电流互感器将零线电流按比例转换为零线二次测量电流，第五电阻、第六电阻、第三电容与第四电容构成了第二个抗混叠滤波电路，第二个抗混叠滤波电路差分输出零线二次测量电流流过第四电阻时产生的电压信号；第一个抗混叠滤波电路和第二个抗混叠滤波电路输出的两路电压信号同时输入单相计量芯片，可以使单相计量芯片实现防窃电功能；火线电流采样电路和相电压采样电路的电压输出信号分别经信号调理电路调理后由模数转换器转换成相应的数字采样信号，微处理器接收单相计量芯片输出的电能和频率等数字信号，微处理器同时接收模数转换器输出的相电压和火线电流采样信号，然后微处理器根据频率、相电压和火线电流的采样信号计算火线基波电流、火线谐波电流、相电压、有功功率、无功功率和电能；电源模块分别给信号处理及控制模块的单相计量芯片、信号调理电路、模数转换器、微处理器以及供电控制模块的可控开关组和开关驱动电路提供工作电源；第一开关、第二开关、第m开关等m个开关分别一一对应地控制第一负载、第二负载、第m负载等m个家电负载的通断，m个家电负载由漏电保护断路器的火线输出端和零线输出端构成的单相电源端口供电，m个开关分别安装在漏电保护断路器火线输出端与m个家电负载的火线输入端之间，漏电保护断路器的零线输出端与m个家电负载的零线输入端相连，m个家电负载都配置了地线接线端子，开关驱动电路执行来自微处理器的开关控制命令分别控制第一开关、第二开关、第m开关等m个开关的通断；微处理器通过串口实现与wifi模块之间的通讯，wifi模块在微处理器的控制下实现与wifi路由器的无线通讯，云端服务器通过互联网分别与wifi路由器和智能终端交换和存储数据；智能终端可以输入和调整智能家居用电控制策略，智能家居用电控制策略存入云端服务器，云端服务器根据预先设置的智能家居用电控制策略以及家居用电细节等实际情况产生可控开关组各个开关的通断指令，通断指令每次更新时只改变一个开关的通断状态，微处理器根据各个开关的通断指令产生开关驱动电路的开关控制命令；单相计量芯片输出的电能和通过相电压和火线电流的采样信号计算得到的电能都代表着整户的用电量，这两个电能测量结果可以相互比较和验证；家居用电细节为每个单相家电负载的用电情况，家居用电细节信息是通过对入户相电压和火线电流的采样信号的分析以及对各单相家电负载的用电分离计算得到的，家居用电细节信息存入云端服务器，云端服务器建立家居用电细节信息数据库，智能终端可调用家居用电细节信息数据库的数据进行显示、计算及管理等操作。

本发明提出了一种智能家居用电细节的计算流程，该计算流程基于通断指令每次更新时只改变一个开关的通断状态的条件，开始计算后，步骤1：测取每个负载的稳态基波电流；步骤2：设置初始状态，所有开关都处于原始断开状态，入户相电压、火线电流的基波和谐波电流、各家电负载的用电量、基波和谐波电流测量值都设为零初始值，设置负载判断电流误差比例限值和火线电流变化限值，每个负载的用电细节信息标志值都设成1，1代表有效，0代表无效；步骤3：读取入户相电压和火线电流的采样信号，计算火线电流基波量；步骤4：判断开关通断指令是否有更新，是则进入步骤5，否则进入步骤12；步骤5：是否开通指令，是则进入步骤6，否则进入步骤11；步骤6：计算火线电流基波改变量、谐波电流的改变量以及入户端有功功率变化量；步骤7：计算火线电流基波改变量与开通的开关对应的家电负载的额定基波电流的差值，判断该差值的绝对值是否小于负载判断电流误差比例限值与该家电负载的额定基波电流的乘积，是则进入步骤8，否则进入步骤9；步骤8：开通指令开关对应家电负载的用电细节信息标志值设为1，然后进入步骤10；步骤9：开通指令开关对应家电负载的用电细节信息标志值设为0，然后进入步骤10；步骤10：开通的开关对应的家电负载的有功功率等于有功功率变化量，开通的开关对应家电负载的电流基波测量值和谐波电流测量值分别等于步骤6得到的火线电流基波改变量和谐波电流改变量，然后进入步骤12；步骤11：断开的开关对应家电负载的有功功率、电流基波测量值和谐波电流测量值都设为零，然后转向步骤12；步骤12：根据各家电负载的有功功率计算和更新各家电负载的用电量，然后转向步骤3。通过以上计算，得到各家电负载的用电量、基波电流和谐波电流等家居用电细节，云端服务器定时接收家居用电细节并进行管理。

作为优选，第一电阻采用阻值为2mω的锰铜电阻，第二电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻和第八电阻均采用阻值为1kω的纯阻性精密电阻，第四电阻采用阻值为100mω的纯阻性精密电阻，第七电阻由五个阻值为200kω的纯阻性精密电阻串联而成，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容均采用值为33nf的陶瓷电容。

作为优选，选用的单相计量芯片同时具有相电压、火线电流和零线电流三个信号输入端口，并且能输出电能和频率的数字信号。

本发明集总型智能家居用电细节管理系统用于交流220v/50hz、最大功率5kw智能家居的用电管理，第一电阻最大工作电流为25a，准确度等级为0.2级；电流互感器的最大额定变比为25a/5a，准确度等级为0.2级；单相计量芯片的电能计量准确度为2级，模数转换器采用多路16位a/d芯片，火线电流最大谐波测量次数为11，m个开关中的每一个开关的最大工作电流为10a，云端服务器与wifi路由器及智能终端交换数据的时间可以在1min至30min之间选定。

本发明带来的效益是，(1)集总型智能家居用电细节管理系统主要由信号采集模块、信号处理及控制模块、电源模块、通信与智能控制模块和供电控制模块等组成，采用了居用电控制策略、集总型用电细节分析、电能质量检测、互联网通信等技术，在进行家居用电智能控制的同时，实现了用电细节数据管理，有助于智能家居用电精细化计量和管理，同时有利于实现大规模智能家居用电电能质量的监测和管理；(2)采用了集总型设计方案，使得系统集成度高，硬件成本降低，集总型设计主要包括两个方面，第一是仅根据入户电流和相电压采样数据就得到家居用电细节信息，第二是用一个微处理器控制了智能家居用电细节管理系统的信号采集模块、信号处理及控制模块和供电控制模块等主要功能模块；(3)系统电能计量可靠性强，采用了两个并行的电能计量系统，一个是由火线电流和相电压采样电路、信号调理电路、模数转换器和微处理器组成的电能计量系统，另一个由火线电流和相电压采样电路、单相计量芯片和微处理器组成的电能计量系统，这两个电能计量系统同时得到整个用户的用电总量，因此可以相互印证测量的结果。另外，单相计量芯片对火线电流和零线电流的同时采样起到了防止窃电的作用；(4)通过信号调理电路和模数转换器可以得到火线电流和相电压的采样信号，基于这些采样信号，可以方便地进行家电负载用电电能质量的分析，特别是各个负载谐波电流的分析。

附图说明

图1为集总型智能家居用电细节管理系统结构图；

图中：1是信号采集模块、2是信号处理及控制模块、3是电源模块、4是通信与智能控制模块、5是供电控制模块、6是家居用电电路、7是火线电流采样电路、8是零线电流采样电路、9是相电压采样电路、10是第一电阻、11是第二电阻、12是第三电阻、13是第一电容、14是第二电容、15是电流互感器、16是第四电阻、17是第五电阻、18是第六电阻、19是第三电容、20是第四电容、21是第七电阻、22是第八电阻、23是第五电容、24是单相计量芯片、25是信号调理电路、26是模数转换器、27是微处理器、28是wifi模块、29是wifi路由器、30是云端服务器、31是智能终端、32是漏电保护断路器、33是可控开关组、34是开关驱动电路、35是第一开关、36是第二开关、37是第m开关、38是第一负载、39是第二负载、40是第m负载。

图2为本发明采用的一种家居用电细节的计算流程图；

图中：sk是第k步骤(k＝1，2...12)、in是家电负载的稳态基波电流、u是入户相电压采样信号、i是火线电流采样信号、δi1是火线电流基波改变量、δih是火线电流谐波电流的改变量、δp是入户端有功功率变化量、δ是负载判断电流误差比例限值、p是家电负载的有功功率测量值、i1是家电负载的基波电流测量值、ih是家电负载的谐波电流测量值。

具体实施方式

本发明提出的集总型智能家居用电细节管理系统，其实施例如图1和图2所示，它包括信号采集模块1、信号处理及控制模块2、电源模块3、通信与智能控制模块4、供电控制模块5和家居用电电路6；信号采集模块1包括火线电流采样电路7、零线电流采样电路8和相电压采样电路9，其中火线电流采样电路7由第一电阻10、第二电阻11、第三电阻12、第一电容13和第二电容14组成，零线电流采样电路8由电流互感器15、第四电阻16、第五电阻17、第六电阻18、第三电容19和第四电容20组成，相电压采样电路9由第七电阻21、第八电阻22和第五电容23组成；信号处理及控制模块2包括单相计量芯片24、信号调理电路25、模数转换器26和微处理器27；通信与智能终端模块4包括wifi模块28、wifi路由器29、云端服务器30和智能终端31；供电控制模块5包括漏电保护断路器32、可控开关组33和开关驱动电路34，可控开关组33含有m个开关，即第一开关35、第二开关36、第m开关37等m个开关；家居用电电路6包括m个单相家电负载，即第一负载38、第二负载39、第m负载40等m个负载；第一电阻10的一端分别与电源火线、第二电阻11的一端和电位参考端相连，第一电阻10的另一端分别与第三电阻12的一端、电源模块3火线输入端和漏电保护断路器32火线输入端相连，第二电阻11的另一端分别与第一电容13的一端、单相计量芯片24火线电流采样端口的一端和信号调理电路25火线电流采样端口的一端相连，第三电阻12的另一端分别与第二电容14的一端、单相计量芯片24火线电流采样端口的另一端和信号调理电路25火线电流采样端口的另一端相连，第一电容13的另一端分别与第二电容14的另一端和电位参考端相连；电流互感器15的一次同名端分别与电源零线和第七电阻21的一端相连，电流互感器15的一次非同名端分别与电源模块3零线输入端和漏电保护断路器32零线输入端相连，第四电阻16的一端分别与电流互感器15的二次同名端和第五电阻17的一端相连，第四电阻16的另一端分别与电流互感器15的二次非同名端和第六电阻18的一端相连，第五电阻17的另一端分别与第三电容19的一端和单相计量芯片24零线电流采样端口的一端相连，第六电阻18的另一端分别与第四电容20的一端和单相计量芯片24零线电流采样端口的另一端相连，第三电容19的另一端分别与第四电容20的另一端和电位参考端相连；第七电阻21的另一端分别与第八电阻22的一端、第五电容23的一端、单相计量芯片24相电压采样端口的一端和信号调理电路25相电压采样端口的一端相连，第八电阻22的另一端、第五电容23的另一端、单相计量芯片24相电压采样端口的另一端和信号调理电路25相电压采样端口的另一端分别与电位参考端相连；第二电阻11、第三电阻12、第一电容13与第二电容14构成了第一个抗混叠滤波电路，第一个抗混叠滤波电路差分输出火线电流流过第一电阻10时产生的电压信号；电流互感器15将零线电流按比例转换为零线二次测量电流，第五电阻17、第六电阻18、第三电容19与第四电容20构成了第二个抗混叠滤波电路，第二个抗混叠滤波电路差分输出零线二次测量电流流过第四电阻16时产生的电压信号；第一个抗混叠滤波电路和第二个抗混叠滤波电路输出的两路电压信号同时输入单相计量芯片24，可以使单相计量芯片24实现防窃电功能；火线电流采样电路7和相电压采样电路9的电压输出信号经信号调理电路25调理后由模数转换器26转换成相应的数字采样信号，微处理器27接收单相计量芯片24输出的电能和频率等数字信号，微处理器27同时接收模数转换器26输出的相电压和火线电流采样信号，然后微处理器27根据频率、相电压和火线电流的采样信号计算火线基波电流、火线谐波电流、相电压、有功功率、无功功率和电能；电源模块3分别给信号处理及控制模块2的单相计量芯片24、信号调理电路25、模数转换器26、微处理器27以及供电控制模块5的可控开关组33和开关驱动电路34提供工作电源；第一开关35、第二开关36、第m开关37等m个开关分别一一对应地控制第一负载38、第二负载39、第m负载40等m个家电负载的通断，m个家电负载由漏电保护断路器32的火线输出端和零线输出端构成的单相电源端口供电，m个开关分别安装在漏电保护断路器32火线输出端与m个家电负载的火线输入端之间，漏电保护断路器32的零线输出端与m个家电负载的零线输入端相连，m个家电负载都配置了地线接线端子，开关驱动电路34执行来自微处理器27的开关控制命令分别控制第一开关35、第二开关36、第m开关37等m个开关的通断；微处理器27通过串口实现与wifi模块28之间的通讯，wifi模块28在微处理器27的控制下实现与wifi路由器29的无线通讯，云端服务器30通过互联网分别与wifi路由器29和智能终端31交换和存储数据；智能终端31可以输入和调整智能家居用电控制策略，智能家居用电控制策略存入云端服务器30，云端服务器30根据预先设置的智能家居用电控制策略以及家居用电细节等实际情况产生可控开关组33各个开关的通断指令，通断指令每次更新时只改变一个开关的通断状态，微处理器27根据各个开关的通断指令产生开关驱动电路34的开关控制命令；单相计量芯片24输出的电能和通过相电压和火线电流的采样信号计算得到的电能都代表着整户的用电量，因此这两个电能测量结果可以相互比较和验证；家居用电细节为每个单相家电负载的用电情况，家居用电细节信息是通过对入户相电压和火线电流的采样信号进行分析以及对各单相家电负载的用电分离计算得到的，家居用电细节信息存入云端服务器30，云端服务器30建立家居用电细节信息数据库，智能终端31可调用家居用电细节信息数据库数据进行显示、计算及管理等操作。

本发明提出了一种智能家居用电细节的计算流程，该计算流程基于通断指令每次更新时只改变一个开关的通断状态的条件，开始计算后，s1：测取每个负载的稳态基波电流；s2：设置初始状态，所有开关都处于原始断开状态，入户相电压、火线电流的基波和谐波电流、各家电负载的用电量、基波和谐波电流测量值都设为零初始值，设置负载判断电流误差比例限值和火线电流变化限值，每个负载的用电细节信息标志值都设成1，1代表有效，0代表无效；s3：读取入户相电压和火线电流的采样信号，计算火线电流基波量；s4：判断开关通断指令是否有更新，是则进入s5，否则进入s12；s5：是否开通指令，是则进入s6，否则进入s11；s6：计算火线电流基波改变量、谐波电流的改变量以及入户端有功功率变化量；s7：计算火线电流基波改变量与开通的开关对应的家电负载的额定基波电流的差值，判断该差值的绝对值是否小于负载判断电流误差比例限值与该家电负载的额定基波电流的乘积，是则进入s8，否则进入s9；s8：开通指令开关对应家电负载的用电细节信息标志值设为1，然后进入s10；s9：开通指令开关对应家电负载的用电细节信息标志值设为0，然后进入s10；s10：开通的开关对应的家电负载的有功功率等于有功功率变化量，开通的开关对应家电负载的电流基波测量值和谐波电流测量值分别等于s6得到的火线电流基波改变量和谐波电流改变量，然后进入s12；s11：断开的开关对应家电负载的有功功率、电流基波测量值和谐波电流测量值都设为零，然后转向s12；s12：根据各家电负载的有功功率计算和更新各家电负载的用电量，然后转向s3。通过以上计算，得到各家电负载的用电量、基波电流和谐波电流等家居用电细节，云端服务器30定时接收家居用电细节并进行管理。

本实施例具体设计参数为：

本发明集总型智能家居用电细节管理系统用于交流220v/50hz、功率3kw智能家居的用电管理，第一电阻10的阻值为2mω，工作电流为20a，准确度等级为0.2级，第二电阻11、第三电阻12、第五电阻17、第六电阻18、第八电阻22阻值均为1kω，第四电阻16阻值为100mω，五个200kω的电阻串联构成第七电阻21，第一电容13、第二电容14、第三电容19、第四电容20和第五电容23的电容值均为33nf；电流互感器15的额定变比为20a/5a，准确度等级为0.2级；单相计量芯片24采用锐能微单相计量芯片rn8209d，模数转换器26采用多路16位a/d芯片，火线电流谐波测量次数为9，微处理器27采用32位的stm32f103rct6，wifi模块28采用atk-esp8266芯片，wifi路由器29采用tp-link的wdr6500，智能终端31采用pc机，第一开关35、第二开关36、第m开关37等m个开关采用固态继电器hf32f-g-005-hs，云端服务器30与wifi路由器29及智能终端31交换数据的时间可以在1min至30min之间选定。

本发明说明书中未做详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。