用电安全监测装置与系统论文和设计-汪海锋

全文摘要

本实用新型公开一种用电安全监测装置与系统，涉及电气技术领域，所述用电安全监测装置包括控制器、剩余电流检测电路、温度检测电路与可控开关；所述控制器包括第一信号采集端、第二信号采集端、及控制信号输出端；所述控制器的第一信号采集端与所述剩余电流检测电路的输出端连接；所述控制器的第二信号采集端与所述温度检测电路的输出端连接；所述可控开关包括用于与电源连接的第一连接端、用于与负载连接的第二连接端和受控端；所述可控开关的受控端与所述控制器的控制信号输出端连接。采用上述技术方案可提高用电安全监测的可靠性。

主设计要求

1.一种用电安全监测装置，其特征在于，包括：控制器、剩余电流检测电路、温度检测电路与可控开关；所述控制器包括第一信号采集端、第二信号采集端、及控制信号输出端；所述控制器的第一信号采集端与所述剩余电流检测电路的输出端连接；所述控制器的第二信号采集端与所述温度检测电路的输出端连接；所述可控开关包括用于与电源连接的第一连接端、用于与负载连接的第二连接端和受控端；所述可控开关的受控端与所述控制器的控制信号输出端连接。

设计方案

1.一种用电安全监测装置，其特征在于，包括：控制器、剩余电流检测电路、温度检测电路与可控开关；

所述控制器包括第一信号采集端、第二信号采集端、及控制信号输出端；

所述控制器的第一信号采集端与所述剩余电流检测电路的输出端连接；所述控制器的第二信号采集端与所述温度检测电路的输出端连接；所述可控开关包括用于与电源连接的第一连接端、用于与负载连接的第二连接端和受控端；所述可控开关的受控端与所述控制器的控制信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述剩余电流检测电路包括剩余电流互感器、电流转电压电路与第一电压信号放大电路；

所述剩余电流互感器包括正电流输出端和负电流输出端；所述电流转电压电路包括第一电阻和第二电阻；所述第一电阻的阻值与所述第二电阻的阻值相等；所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述剩余电流互感器的正电流输出端连接；所述第二电阻的另一端与所述剩余电流互感器的负电流输出端连接；所述第一电阻的另一端还与所述第一电压信号放大电路的输入端连接；所述第一电压信号放大电路的输出端与所述控制器的第一信号采集端连接。

3.根据权利要求2所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述第一电阻的阻值范围为小于100欧姆。

4.根据权利要求2或3所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述第一电阻的精度为小于或等于1％；和\/或，所述第二电阻的精度为小于或等于1％。

5.根据权利要求1所述的用电安全监测装置，其特征在于，还包括电容充放电路；所述电容充放电路包括第一二极管、第三电阻、第四电阻、超级电容与第二二极管；所述第一二极管的正极连接至电源，负极连接至所述超级电容的正极；所述第三电阻的一端与所述第一二极管的负极连接，另一端与所述第四电阻的一端连接；所述第四电阻的另一端接地；所述超级电容的负极接地，正极还与所述第二二极管的正极连接；所述控制器还包括电源输入端；所述第二二极管的负极与所述控制器的电源输入端连接。

6.根据权利要求5所述的用电安全监测装置，其特征在于，还包括CAN总线收发驱动电路；所述CAN总线收发驱动电路包括CAN总线收发驱动芯片、第一隔离电路与第二隔离电路；所述CAN总线收发驱动芯片包括用于与节点设备连接的总线引脚对、信号发送端和信号接收端；所述CAN总线收发驱动芯片的信号发送端连接至所述第一隔离电路的输入端，信号接收端连接至所述第二隔离电路的输入端；所述控制器还包括CAN信号发送端和CAN信号接收端；所述第一隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号发送端；所述第二隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号接收端。

7.根据权利要求6所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述CAN总线收发驱动电路还包括电源端；所述第二二极管的负极还与所述CAN总线收发驱动电路的电源端连接。

8.根据权利要求6或7所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述第一二极管为肖特基二极管；和\/或，所述第二二极管为肖特基二极管。

9.根据权利要求2所述的用电安全监测装置，其特征在于，所述可控开关包括继电器。

10.一种用电安全监测系统，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的用电安全监测装置与服务器；所述用电安全监测装置的控制器包括网络通讯接口；所述用电安全监测装置通过所述网络通讯接口与所述服务器连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电气技术领域，特别是涉及用电安全监测装置与系统。

背景技术

随着物联网的发展，配电运维、能源管理等综合能源服务、及用电安全等应用对用电安全监测装置的要求越来越高。发明人在实施本实用新型的过程中发现，传统的用电安全监测装置缺乏可靠的监测方案，这使得配电运维、能源管理等综合能源服务、及用电安全等应用的发展受到限制。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种用电安全监测装置与系统，可提高用电安全监测的可靠性。

一方面，本实用新型提供一种用电安全监测装置，其包括控制器、剩余电流检测电路、温度检测电路与可控开关；

所述控制器包括第一信号采集端、第二信号采集端、及控制信号输出端；

相比于现有技术，本实施例提供的用电安全监测装置，可通过剩余电流检测电路和温度检测电路实现剩余电流和温度的并行采集，利于通过控制器结合剩余电流和温度来控制可控开关的通断，以将负载与电源断开，从而实现用电安全监测，提高用电安全监测的可靠性。

在一种可选的实施方式中，所述剩余电流检测电路包括剩余电流互感器、电流转电压电路与第一电压信号放大电路；

所述剩余电流互感器包括正电流输出端和负电流输出端；所述电流转电压电路包括第一电阻和第二电阻；所述第一电阻的阻值与所述第二电阻的阻值相等。所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述剩余电流互感器的正电流输出端连接；所述第二电阻的另一端与所述剩余电流互感器的负电流输出端连接；所述第一电阻的另一端还与所述第一电压信号放大电路的输入端连接；所述第一电压信号放大电路的输出端与所述控制器的第一信号采集端连接。

在一种可选的实施方式中，所述第一电阻的阻值范围为小于100欧姆。

在一种可选的实施方式中，所述第一电阻的精度为小于或等于1％；和\/或，所述第二电阻的精度为小于或等于1％。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括电容充放电路；所述电容充放电路包括第一二极管、第三电阻、第四电阻、超级电容与第二二极管；所述第一二极管的正极连接至电源，负极连接至所述超级电容的正极；所述第三电阻的一端与所述第一二极管的负极连接，另一端与所述第四电阻的一端连接；所述第四电阻的另一端接地；所述超级电容的负极接地，正极还与所述第二二极管的正极连接；所述控制器还包括电源输入端；所述第二二极管的负极与所述控制器的电源输入端连接。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括CAN总线收发驱动电路；所述CAN总线收发驱动电路包括CAN总线收发驱动芯片、第一隔离电路与第二隔离电路；所述CAN总线收发驱动芯片包括用于与节点设备连接的总线引脚对、信号发送端和信号接收端；所述CAN总线收发驱动芯片的信号发送端连接至所述第一隔离电路的输入端，信号接收端连接至所述第二隔离电路的输入端；所述控制器还包括CAN信号发送端和CAN信号接收端；所述第一隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号发送端；所述第二隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号接收端。

在一种可选的实施方式中，所述CAN总线收发驱动电路还包括电源端；所述第二二极管的负极还与所述CAN总线收发驱动电路的电源端连接。

在一种可选的实施方式中，所述第一二极管为肖特基二极管；和\/或，所述第二二极管为肖特基二极管。

在一种可选的实施方式中，所述可控开关包括继电器。

另一方面，本实用新型还提供一种用电安全监测系统，所述系统包括如上述任一实施例所述的用电安全监测装置与服务器；所述用电安全监测装置的控制器包括网络通讯接口；所述用电安全监测装置通过所述网络通讯接口与所述服务器连接。

相比于现有技术，本实用新型提供的用电安全监测系统，可通过用电安全监测装置中的剩余电流检测电路和温度检测电路实现剩余电流和温度的并行采集，利于通过控制器结合剩余电流和温度来控制可控开关的通断，从而实现用电安全监测，提高用电安全监测的可靠性；通过网络通讯电路实现控制器与服务器的连接，可使该用电安全监测装置适用于物联网领域，实现用电安全监测的智能化。

附图说明

图1是本实用新型一实施方式中的用电安全监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型一实施方式中的第二电压信号放大电路的示意图；

图3是本实用新型一实施方式中的剩余电流检测电路的示意图；

图4是本实用新型一实施方式中的电容充放电路的示意图；

图5是本实用新型一实施方式中的用电安全监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称与与另一个元件“连接”时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1，其是本实用新型一实施方式中的用电安全监测装置的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的用电安全监测装置1包括控制器11、剩余电流检测电路12、温度检测电路14与可控开关13。控制器11包括第一信号采集端110、第二信号采集端111、及控制信号输出端112。控制器11的第一信号采集端110与剩余电流检测电路12的输出端连接；控制器11的第二信号采集端111与温度检测电路14的输出端连接；可控开关13包括用于与电源15连接的第一连接端130、用于与负载16连接的第二连接端131和受控端132；可控开关13的受控端132与控制器11的控制信号输出端112连接。

剩余电流，又称漏电流，是指低压配电线路中各相(含中性线)电流矢量和不为零的电流。

可选的，可控开关包括继电器。继电器的可动触点与电源15连接，常闭触点与负载连接。在其他实施方式中，继电器的常开触点与负载连接。示例性地，可控开关还包括第六电阻和三极管，控制器11的控制信号输出端112与三极管的基极通过第六电阻连接。三极管的发射极接地。三极管的集电极连接至继电器的第一线圈引脚，继电器的第二线圈引脚连接至工作电源。

温度检测电路14包括温度传感器和第二电压信号放大电路。温度传感器的输出端与第二电压信号放大电路的输入端连接。第二电压信号放大电路的输出端与控制器11的第二信号采集端111连接。

进一步，温度传感器为铂电阻温度传感器(PT100)。

请参阅图2，其是本实用新型一实施方式中的第二电压信号放大电路的示意图。如图2所示，第二电压信号放大电路包括电阻R12～R22、电容C3、电容C4、第一运算放大器U1和第二运算放大器U2。电阻R12的一端接地GND，另一端与电阻R13的一端连接。电阻R13的一端还与电阻R16的一端连接。电阻R13的另一端连接至第二电压电源VCC。电阻R16的另一端与第一运算放大器U1的正输入端连接。第一运算放大器U1的正输入端还通过电阻R17接地GND。电阻R14的一端连接至第二电压电源VCC，另一端与电阻R15的一端连接。电阻R15的另一端与第一运算放大器U1的负输入端连接。第一运算放大器U1的负输入端还通过电阻R22与第一运算放大器U1的输出端连接。电阻R15的一端还通过电容C3接地。电阻R15的一端还用于与温度传感器的输出端连接(图2中未示出)。

第一运算放大器U1的输出端通过电阻R19与第二运算放大器U2的正输入端连接。第二运算放大器U2的负输入端通过电阻R18接地。第二运算放大器U2的负输入端还通过电阻R20连接至第二运算放大器U2的输出端。第二运算放大器U2的输出端与控制器11的第二信号采集端111连接。第二运算放大器U2的输出端通过电阻R21与电容C4的一端连接。电容C4的另一端接地。

第二电压信号放大电路还包括静电抑制器ZD2。电阻R14还通过静电抑制器ZD2接地。

用电安全监测装置1还包括电压信号采样电路、电流信号采样电路、三相计量芯片、LCD显示屏、存储器、按键、开关量检测电路、开盖检测电路、强磁检测电路、RS485通讯电路、网络通讯电路、电源管理电路、LED灯指示电路、蜂鸣器告警电路等。进一步，网络通讯电路为无线通讯模组。具体地，无线通讯模块为2G、4G、LoRaWAN或NB-IoT通讯模块中的一种。优选地，无线通讯模组为NB-IoT通讯模组。

通过LED灯指示电路、蜂鸣器告警电路可实现声光报警，进一步提高用电安全监测的可靠性。

进一步，开盖检测电路包括红外传感器。

请参阅图3，其是本实用新型一实施方式中的剩余电流检测电路的示意图.如图3所示，剩余电流检测电路12包括剩余电流互感器120、电流转电压电路121与第一电压信号放大电路122；

用电安全监测装置1的结构件包括上壳组件、端子组件、线路板、互感器、天线和下壳组件，所述上壳组件、天线和下壳组件连接组成中空壳体，所述线路板、端子组件、剩余电流互感器均布置在中空壳体内，所述端子组件包括地电流线接入端子、电压线接入端子和辅助功能端子，分别连接线路板和剩余电流互感器。

剩余电流互感器120包括正电流输出端和负电流输出端；电流转电压电路包括第一电阻R1和第二电阻R2；第一电阻R1的阻值与第二电阻R2的阻值相等。第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端连接；第一电阻R1的另一端与剩余电流互感器120的正电流输出端连接；第二电阻R2的另一端与剩余电流互感器120的负电流输出端连接；第一电阻R1的另一端还与第一电压信号放大电路122的输入端连接；第一电压信号放大电路122的输出端与控制器11的第一信号采集端110连接。

具体地，第一电压信号放大电路122包括电阻R7～R11、电容C2、电容C6、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4。电阻R7的一端与电阻R8的一端连接。电阻R7的另一端与第三运算放大器U3的正输入端连接。电阻R8的另一端与剩余电流互感器120的负电流输出端连接。第三运算放大器U3的负输入端通过电阻R9连接至第三运算放大器U3的输出端。第三运算放大器U3的输出端还与电阻R10的一端连接。电阻R10的另一端通过电阻R11与第四运算放大器U4的正输入端连接。第四运算放大器U4的正输入端还通过电容C6接地。电阻R10的另一端还通过电容C2连接至第四运算放大器U4的负输入端。第四运算放大器U4的输出端还与第四运算放大器U4的负输入端连接。第四运算放大器U4的输出端还与控制器11的第一信号采集端110连接。

进一步，剩余电流检测电路还包括静电抑制器ZD1。静电抑制器ZD1的一端与剩余电流互感器120的正电流输出端连接，另一端与剩余电流互感器120的负电流输出端连接。

进一步，剩余电流检测电路还包括电阻R6。电阻R6与第三运算放大器U3的正输入端连接。电阻R6的阻值为0欧姆。

进一步，第一电阻R1的阻值范围为小于100欧姆。优选地，第一电阻R1的阻值为47欧姆。

进一步，第一电阻R1的精度为小于或等于1％。所述第二电阻的精度为小于或等于1％。即通过高精度电阻提高剩余电流检测精度，进而提高用电安全监测的可靠性。在其他实施方式中，第一电阻R1的精度可以在1％左右。在又一可选实施方式中，第二电阻R2的精度可以在1％左右。

具体地，控制器11用于当检测到温度超过预设温度阈值时，向可控开关13发送第三控制信号，以使可控开关断开负载与电源；控制器11还用于当检测到剩余电流超过预设电流阈值时，向可控开关13发送第四控制信号，以使可控开关断开负载与电源。

用电安全监测装置1还包括第二电压转换电路。该第二电压转换电路包括第五电阻、晶体管、低压差线性稳压器。进一步，低压差线性稳压器包括电源输入端、使能端、电源输出端。第五电阻的一端与低压差线性稳压器的使能端连接，另一端连接至第三电压电源。第五电阻的一端还与晶体管的集电极连接。控制器11还包括使能信号控制输出端。晶体管的发射极接地，基极与控制器11的使能信号控制输出端连接。低压差线性稳压器的电源输入端连接至第三电压电源，电源输出端用于输出第四电压电源。温度检测电路14还包括电源输入端。温度检测电路14的电源输入端连接至第四电压电源。剩余电流互感器12还包括电源输入端。剩余电流互感器12的电源输入端连接至第四电压电源。

即通过低压差线性稳压器的使能端来实现温度检测电路和剩余电流检测电路的使能，可应用于不需要温度检测或剩余电流监测的场景，从而节约能耗。

请参阅图4，其是本实用新型一实施方式中的电容充放电路的示意图。如图4所示，电容充放电路包括第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4、超级电容C1与第二二极管D2。超级电容又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。

第一二极管D1的正极连接至电源VCC_SYS，负极连接至超级电容C1的正极。第三电阻R3的一端与第一二极管D1的负极连接，另一端与第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端接地；超级电容C1的负极接地，正极还与第二二极管D2的正极连接。控制器11还包括电源输入端(图中未示出)。第二二极管D2的负极与控制器11的电源输入端连接。控制器11的电源输入端通过电源VCC_P供电。电容充放电路还包括电阻R23。第一二极管D1的正极通过电阻R23连接至电源VCC_SYS。可选的，电阻R23可由多个电阻并联而成。

在系统正常工作时，电源VCC_SYS对超级电容C1充电，超级电容C1的正极的电压为VBATT。当系统掉电时，超级电容C1放电，为第二二极管D2的后级电路提供电源VCC_P。

即通过超级电容的充放电，在系统掉电时提供短时的电源，便于控制器进行数据保存，从而提高用电安全监测的可靠性。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括CAN总线收发驱动电路；所述CAN总线收发驱动电路包括CAN总线收发驱动芯片、第一隔离电路与第二隔离电路；CAN总线收发驱动芯片包括用于与节点设备连接的总线引脚对、信号发送端和信号接收端；所述CAN总线收发驱动芯片的信号发送端连接至所述第一隔离电路的输入端，信号接收端连接至所述第二隔离电路的输入端；所述控制器还包括CAN信号发送端和CAN信号接收端；所述第一隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号发送端；所述第二隔离电路的输出端连接至所述控制器的CAN信号接收端。

其中，CAN总线收发驱动芯片的总线引脚对包括CAN-high引脚和CAN-low引脚。

进一步，第一隔离电路包括高速光耦芯片及其外围电路。

在一种可选的实施方式中，CAN总线收发驱动电路还包括电源端；所述第二二极管的负极还与CAN总线收发驱动电路的电源端连接。

在本实施方式中，超级电容的规格为4F，5.5V。该规格的超级电容可维持控制器及CAN总线收发驱动电路工作一定时间。通过超级电容的充放电，在系统掉电时提供短时的电源，便于从设备通过CAN总线收发驱动电路上报数据，以及便于控制器进行数据保存，从而提高用电安全监测的可靠性。

在一种可选的实施方式中，第一二极管为肖特基二极管。第二二极管为肖特基二极管。采用肖特基二极管可降低功耗，提高效率。在其他实施方式中，第一二极管可以是快恢复二极管、普通二极管等二极管。第二二极管可以是快恢复二极管、普通二极管等二极管。

进一步，控制器11还包括掉电检测端；第三电阻R3的另一端还与控制器11的掉电检测端连接。

进一步，装置还包括电源隔离电路；第二二极管D2的负极通过电源隔离电路与CAN总线收发驱动电路的电源端连接。

具体地，电源隔离电路包括DCDC隔离芯片、第三电容和第四电容(图中未示出)。DCDC隔离芯片包括上游电源端、上游接地端、下游电源端与下游接地端。第二二极管D2的负极连接DCDC隔离芯片的上游电源端。CAN总线收发驱动电路的电源端连接DCDC隔离芯片的下游电源端。DCDC隔离芯片的上游接地端还通过所述第三电容连接至电源地；所述DCDC隔离芯片的下游接地端还通过第四电容连接至信号地。通过电源隔离电路进行电气隔离，防止电气干扰，提高稳定性。

进一步，装置还包括稳压器。所述DCDC隔离芯片的下游电源端通过稳压器与CAN总线收发驱动电路的电源端连接。

优选地，稳压器包括使能端、输入端和输出端。稳压器的输入端与DCDC隔离芯片的下游电源端连接，输出端与CAN总线收发驱动电路的电源端。控制器11还包括CAN使能信号输出端。控制器11的CAN使能信号输出端与稳压器的使能端连接。控制器11具体用于当检测到掉电信号时，向稳压器的使能端发送第一控制信号，以使稳压器的输出端输出电源，并向CAN总线收发驱动电路获取故障信息；控制器11还用于在接收故障信息后，向稳压器的使能端发送第二控制信号，以使稳压器的输出端停止输出电源。通过向稳压器的使能端发送控制信号，可在接收故障信息后断开CAN总线收发驱动电路的电源，以避免CAN总线收发驱动电路继续消耗超级电容的电能，为控制器争取更多的时间来存储数据，以保证能源数据得以及时存储，提高用电安全监测的可靠性。

请参阅图4，其是本实用新型一实施方式中的用电安全监测系统的结构示意图。如图4所示，本实施例提供的用电安全监测系统2，其包括如上述任一实施例所述的用电安全监测装置1与服务器3；用电安全监测装置1的控制器11包括网络通讯接口113；用电安全监测装置1通过网络通讯接口113与服务器3连接。

需要说明的是，服务器3可以是物理服务器，也可以是云服务器。

相比于现有技术，本实施例提供的用电安全监测系统，可通过用电安全监测装置中的剩余电流检测电路和温度检测电路实现剩余电流和温度的并行采集，利于通过控制器结合剩余电流和温度来控制可控开关的通断，从而实现用电安全监测，提高用电安全监测的可靠性；通过网络通讯电路实现控制器与服务器的连接，可使该用电安全监测装置适用于物联网领域，实现用电安全监测的智能化。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

设计图

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