一种具有负荷监测功能的家用智能配电箱的制作方法

1.本实用新型属于输配电控制设备领域，具体涉及一种具有负荷监测功能的家用智能配电箱。


背景技术：

2.随着嵌入式技术和物联网技术的不断发展，越来越多的智能化应用产品融入到了人们的日常生活中，使得人们在业余时间，越来越注重生活的品质。如何利用现有的技术，去提升人们生活的舒适度、便捷性以及安全感，是不少相关领域的专业技术人员、设计者持续关注的方向。对于居民住户来说，家庭配电箱是室内电能分配的主要设备。传统的家庭配电箱只有基础的配电和保护功能，无法为居民住户提供符合当今信息化时代的智能服务。因此，在家庭智能配电箱中融入嵌入式技术、物联网技术以及负荷监测技术等先进技术，实现家庭配电箱智能化、网络化、信息化，最终为居民提供便捷的家庭支路详细用电负荷信息查询服务，以及远程用电管理服务，对提升居民生活质量，具有十分重要的意义。
3.在大数据的时代背景下，收集居民的用电负荷详细数据，利用大数据技术分析居民的用电行为，能够为居民提供合理的用电方案。当前应用较多的收集居民负荷信息的方式为负荷监测，如果把负荷监测技术融入到家用配电箱中，结合分项计量技术和用电能效分析技术，为用户提供每个空开支路上单个电器或同类型电器的耗能详情，在节能方面为用户提供合理的建议，将具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种具有负荷监测功能的家用智能配电箱，使传统的家用配电箱在具备基础的配电及电路保护功能之外，还具备家庭电路各空开支路负荷辨识、家庭用电支路的多路并行电能计量、数字化过载保护、本地用电信息显示与本地支路控制和远程用电查询与远程支路控制等功能。
5.为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种具有负荷监测功能的家用智能配电箱，包括：
6.多路数据并行采集单元，采集入户线的电压瞬时值以及各家庭支路上的电流瞬时值；
7.人机交互单元，提供本地显示界面，显示用电数据显示，供给用户查询各个支路用电信息；
8.远程通信模块，与服务器通讯连接，用于远程数据传输，接收以及执行由终端发送给服务器的控制命令；
9.智能控制单元，用于通断相应的回路；
10.嵌入式主控单元，分别连接多路数据并行采集单元、人机交互单元、智能控制单元、远程通信模块和供电单元，用于接收数据采集单元采集到的电压电流原始数据，并对电压电流原始数据进行处理发送至人机交互单元，以及向智能控制单元发送控制指令。
11.进一步的，多路数据并行采集单元包括若干用于检测用户用电负荷的传感器和若干与传感器对应连接的数据采集电路，数据采集电路包括adc前级驱动电路和adc芯片，传感器连接adc前级驱动电路，adc前级驱动电路连接adc芯片，adc芯片连接嵌入式主控单元。
12.进一步的，若干个传感器包括电压互感器和若干电流互感器，电压互感器连接入户总线，若干电流互感器分别对应连接若干家庭支路。
13.进一步的，若干个adc芯片采用菊花链工作模式级联。
14.进一步的，adc芯片在级联过程中，adc芯片的数据输出dout引脚连接与其相邻adc芯片的din引脚，首个adc芯片的数据输入din引脚为低电平输入状态，末端adc芯片的数据输出dout引脚通过通信总线连接嵌入式主控单元。
15.进一步的，adc芯片在级联过程中，若干adc芯片的convst数据转换控制引脚连接在一起形成convst总线，并连接嵌入式主控单元，若干adc芯片的sclk引脚连接在一起形成sclk总线，并连接嵌入式主控单元。
16.进一步的，还包括有供电单元，供电单元分别连接入户总线和主控模块，电压互感器集成在供电单元上。
17.进一步的，智能控制单元包括继电器、继电器驱动电路和驱动控制电路，继电器安装在家庭支线上，驱动控制电路连接继电器驱动电路，继电器驱动电路连接继电器，驱动控制电路通过通信总线连接嵌入式主控单元。
18.进一步的，通信总线设置两根信号线，以差分通信的方式进行信号传递。
19.进一步的，还包括有箱体，多路数据并行采集单元、远程通信模块、嵌入式主控单元和供电单元均设置在箱体内，人机交互单元安装在箱体外侧，箱体内设置有若干个采集板，采集板采用拼接的方式相互连接，采集板上设置有通信总线电路，数据采集电路集成在采集板上，并与通信总线电路连接。
20.进一步的，采集板包括电压采集板和若干电流采集板，电压采集板连接电压互感器，若干电流采集板对应与若干电流互感器连接，继电器、继电器驱动电路和驱动控制电路集成在电流采集板上。
21.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：1.本实用新型通过数据采集单元采集入户线的电压瞬时值以及各家庭支路上的电流瞬时值，再由嵌入式主控单元对接收数据采集单元采集到的电压电流原始数据，使用算法程序处理，得到波形特征量以及电量特征信息，通过人机交互单元显示在触摸屏幕上供给用户查询信息，若监测到用电异常，便会及时向智能控制单元发送命令，关闭相应回路。实现智能控制的监测和智能控制的效果。2.并且嵌入式主控单元会通过远程通信模块定时向服务器发送用电信息，并接收以及执行由终端发送给服务器的控制命令，从而可以实现远程实时用电查询与远程支路控制等功能，方便用于远程管理家庭用的情况。3.本实用新型在进行数据采集时，采用多路数据并行采集的方式，实现多支路并行电流数据采集功能，且采集到的数据有较高的可靠性，计算得到的各支路电量信息误差较小。
附图说明
22.图1为本实用新型连接框图；
23.图2为本实用新型多路数据并行采集过程框图；
24.图3为本实用新型adc芯片级联示意图；
25.图4为本实用新型adc外围电路原理图；
26.图5为本实用新型使用过程中连接框图；
27.图中：h2为第一接口、h3为第二接口，u6为ads8867模数转换芯片。
具体实施方式
28.参照图1，一种具有负荷监测功能的家用智能配电箱，包括：
29.多路数据并行采集单元，采集入户线的电压瞬时值以及各家庭支路上的电流瞬时值；
30.人机交互单元，提供本地显示界面，显示用电数据显示，供给用户查询各个支路用电信息；
31.远程通信模块，与服务器通讯连接，用于远程数据传输，接收以及执行由终端发送给服务器的控制命令；
32.智能控制单元，用于通断相应的回路；
33.嵌入式主控单元，分别连接多路数据并行采集单元、人机交互单元、智能控制单元、远程通信模块和供电单元，用于接收数据采集单元采集到的电压电流原始数据，并对电压电流原始数据进行处理发送至人机交互单元，以及向智能控制单元发送控制指令。
34.其中，供电单元负责给整个硬件系统提供稳定的电源，数据采集单元用于采集入户线的电压瞬时值以及各家庭支路上的电流瞬时值，嵌入式主控单元是整个家用智能配电箱的控制核心，接收数据采集单元采集到的电压电流原始数据，使用算法程序处理，得到波形特征量以及电量特征信息，通过人机交互单元显示在触摸屏幕上供给用户查询信息，若检测到用电异常，便会及时向智能控制单元发送命令，关闭相应回路。此外，嵌入式主控单元会通过远程通信模块定时向服务器发送用电信息，并接收以及执行由终端发送给服务器的控制命令。
35.本实用新型在实际应用过程中，嵌入式主控单元采用树莓派4b作为嵌入式主控单元，人机交互单元采用触摸显示屏。其中，树莓派4b拥有较为丰富的外设接口，本实用新型用到的外设接口以及引脚有一个usb3.0、一个dsi显示连接器接口、一对电源引脚、一个串口和三个普通io接口，其中usb3.0接串口转rs485通信总线，用于与继电器控制芯片之间的通信，dsi接口连接触摸显示屏，用于本地人机交互界面显示，串口与4g模块相连，可通过程序实现无线通信功能，三个普通io接口分别连接采集板的convst总线、sclk总线和dout串行数据输出线，通过数据采集程序控制convst总线给所以采集板发送数据转换信号，转换成数字量之后，在clk总线上生成时钟信号，从dout引脚接收采集数据。
36.参照图2，其中，多路数据并行采集单元包括若干用于检测用户用电负荷的传感器和若干与传感器对应连接的数据采集电路，数据采集电路包括adc前级驱动电路和adc芯片，传感器连接adc前级驱动电路，adc前级驱动电路连接adc芯片，adc芯片连接嵌入式主控单元。
37.其中，若干个传感器包括电压互感器和若干电流互感器，电压互感器连接入户总线，若干电流互感器分别对应连接若干家庭支路。
38.其中，若干个adc芯片采用菊花链工作模式级联。
39.其中，adc芯片在级联过程中，adc芯片的数据输出dout引脚连接与其相邻adc芯片的din引脚，首个adc芯片的数据输入din引脚为低电平输入状态，末端adc芯片的数据输出dout引脚通过通信总线连接嵌入式主控单元。
40.其中，adc芯片在级联过程中，若干adc芯片的convst数据转换控制引脚连接在一起形成convst总线，并连接嵌入式主控单元，若干adc芯片的sclk引脚连接在一起形成sclk总线，并连接嵌入式主控单元。
41.本实用新型多路数据并行采集单元数据采集过程如图2所示，其中电流互感器采用0.1级精度的电感线圈，电压互感器选用zmpt112。adc前级驱动电路以thp210差分运放芯片为核心。adc芯片选用ads8867模数转换芯片。ads8867模数转换芯片可以工作在菊花链工作模式(daisy-chain operation)从而级联多个芯片，是选用此芯片进行数据采集的重要原因。多个ads8867模数转换芯片工作在菊花链模式时的级联方式如图3所示。所有需要级联使用的ads8867模数转换芯片，应将convst数据转换控制引脚、sclk引脚连接在一起，第一片adc芯片的数据输入din引脚输入状态需要为低电平，然后将第一片adc芯片的数据输出dout引脚接下一片adc芯片的din引脚，以此类推。基于此级联方式而设计的采集卡，模拟量采集并无联系，而convst引脚以及sclk信号引脚以总线的方式连接在一起，从而实现多路并行采集。采集到的模拟量，在adc芯片内转换成数字量之后，以串行通信方式，经dout引脚输出到下一片adc芯片的din引脚，最后由第n片adc芯片的dout引脚接入嵌入式主控单元。
42.如图4所示，图4中示出的是本实用新型adc外围电路原理图，其中ads8867模数转换芯片u6的ref引脚接2.5v参考电压，ads8867模数转换芯片u6的avdd引脚和dvdd引脚接3.3v供电电压；ads8867模数转换芯片u6的ainp引脚、ainn引脚分别与前级驱动电路的正输出端和负输出端相连；ads8867模数转换芯片u6的convst引脚分别与第一接口h2、第二接口h3上的convst相连，作为各采集板的数据转换控制总线；ads8867模数转换芯片u6的dout引脚与h2接口的dout相连，用于数据输出；ads8867模数转换芯片u6的sclk引脚分别与第一接口h2、第二接口h3上的sclk相连，作为数据传输的时钟总线；din引脚与h3接口的din相连，用于数据输出。
43.其中，还包括有供电单元，供电单元分别连接入户总线和主控模块，电压互感器集成在供电单元上。在硬件电路设计中，系统工作电源设计至关重要，影响着整个配电箱硬件系统运行的稳定性和精确性。本实用新型采用具有体积小、效率高、低纹波等优点，且应用十分广泛的fa5-220s05b交直流转换电源模块，将入户总线的220v交流电压转换成5v直流电压给整个硬件系统供电。
44.其中，智能控制单元包括继电器、继电器驱动电路和驱动控制电路，继电器安装在家庭支线上，驱动控制电路连接继电器驱动电路，继电器驱动电路连接继电器，驱动控制电路通过通信总线连接嵌入式主控单元。
45.其中，通信总线设置两根信号线，以差分通信的方式进行信号传递。
46.本实用新型的继电器驱动电路以三极管为驱动器件，采用hf3f-l-05-1hl2t继电器串联火线控制回路的打开和关断，结合空气开关能够实现家庭电路的双重保护。驱动控制电路选用stm8s003f3p6单片机芯片控制驱动电路中三极管的开关状态。stm8s003f3p6单片机芯片除了控制继电器状态之外，还作为从机，通过rs485总线与嵌入式主控单元进行信
息交流，根据接收到的命令，执行相应的操作。rs485总线有a和b两根信号线，以差分通信的方式进行信号传递。通信过程一共有两个逻辑状态，a与b的电压之差位于+2v～+6v之间，表示一个逻辑状态；a与b的电压差在－2v～-6v之间时，则表示另一个逻辑状态。以差分的方式传输数字信号，拥有较强的抗干扰能力。
47.本实用新型的4g模块采用基于air724ug设计的4g模块，稳定性好、性价比高、封装较小、功耗较低。该模块已搭载好外围电路，采用7pin的插拔式设计，可直接与mcu通信，缩短开发周期、节约研发成本，使用方便，成本不高。
48.参照图5，其中，还包括有箱体，多路数据并行采集单元、远程通信模块、嵌入式主控单元和供电单元均设置在箱体内，人机交互单元安装在箱体外侧，箱体内设置有若干个采集板，采集板采用拼接的方式相互连接，采集板上设置有通信总线电路，数据采集电路集成在采集板上，并与通信总线电路连接。
49.其中，采集板包括电压采集板和若干电流采集板，电压采集板连接电压互感器，若干电流采集板对应与若干电流互感器连接，继电器、继电器驱动电路和驱动控制电路集成在电流采集板上。
50.以普通三室一厅一厨两卫的商品房为标准，按区域为划分，设置一路入户总线和八路家庭支路，本实用新型以若干传感器配合若干可拼接采集板的结构，将多路并行数据采集单元应用到家用配电箱中，采用侵入式负荷监测技术，在每条家庭支路上安装可拼接的小体积的采集板，采集入户总线上的电压波形数据，以及用户室内各支路的电流波形数据，将转换之后的数字量通过时钟和数据总线以串行通信的方式传输给嵌入式主控单元。嵌入式主控单元使用非侵入式负荷监测算法处理采集到的入户总线电压数据以及各家庭支路电流数据，能够得到总路和各个回路上实际的有效电压值、有效电流值、有功功率、无功功率等多个电量及电流波形特征值，将非侵入式负荷监测技术与侵入式负荷监测技术相结合，能够更精确地计算用户的负荷用电量，提升负荷辨识的准确率。当某一支路上的电流波形有连续五个周期的峰值超过预先设定好的电流阈值时，嵌入式主控单元将会通过rs485总线发送异常处理命令，将对应支路上与空气开关串联的继电器断开，以保护家庭电路。同时，部分计算结果显示在箱体外的触摸屏幕上，然后以4g通信模块为无线传输通道把需要的数据发送给后台服务器，后台服务器将这些数据存放在数据库中，根据需要与终端进行数据交互。整个家用智能配电箱硬件系统的正常运行，离不开供电单元，此单元直接从220v火线取电，经供电板将入户的220v交流电压转换成5v直流供电电压，以电源总线的方式，为硬件系统提供稳定的电源。
51.在采集板设计过程中，本实用新型将数据采集电路、继电器驱动电路、驱动控制电路、rs485通信电路集成在一起，作为采集板，采集板采用双层板进行布局布线，220v火线从最左边的栅栏式接线端子一端接入，经过继电器之后从接线端子的另一端输出，能够通过继电器控制火线的通断。采集板的中间为rs485通信电路和驱动控制电路芯片的最小系统电路，rs485通信电路将rs485通信总线上的差分电信号转换成ttl电平供给stm8芯片读取信息，以及将stm8芯片发送的数据转换成差分电信号到总线上。右边为数据采集电路，连接传感器进行数据采集。
52.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员
来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。