一種智能保護開關(guān)的制作方法

本發(fā)明涉及剩余電流保護裝置，具體為一種智能保護開關(guān)。

背景技術(shù)：

在武一所著的《非線性剩余電流檢測技術(shù)與保護技術(shù)的研究》第一章中，詳細(xì)的介紹了現(xiàn)有的剩余電流檢測技術(shù)門類，大致可以分為：正弦剩余電流檢測技術(shù)、脈動直流剩余電流檢測技術(shù)、平滑直流剩余電流檢測技術(shù)等，其中應(yīng)用最多、最廣泛的就是正弦剩余電流檢測技術(shù)，所采用的檢測方法主要是電磁互感法。電磁式剩余電流互感器的工作原理與電流互感器的工作原理類似，其原邊電流、磁心勵磁電流及副邊線圈電流之間存在磁勢平衡關(guān)系。N₁i₀＝N₂i₂+N₁i_m；式中的N₁為原邊匝數(shù)，通常只有一匝；i₀為原邊剩余電流；N₂為副邊匝數(shù)；i₂為副邊電流；i_m為磁心勵磁電流。由于勵磁電流的影響，剩余電流和副邊電流并不存在絕對的線性關(guān)系，二者幅值和相位的誤差與磁心材料、磁心尺寸、繞組形狀、被測電流大小與頻率以及副邊繞組的負(fù)載情況等有關(guān)。而在朱遵義，劉靜波所著的《剩余電流互感器的特性分析》中，針對電磁互感法中的電流互感器進行了特性分析。得出了結(jié)論是：在某些情況下，互感器的特性會導(dǎo)致漏電保護器拒動或者誤動。脈動直流剩余電流檢測技術(shù)：國外對脈動直流剩余電流檢測技術(shù)的研究已較為成熟，而國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。對于脈動直流剩余電流，所采用的檢測方法仍然是電磁互感器法；平滑直流剩余電流檢測技術(shù)：脈動直流剩余電流檢測技術(shù)能同時檢測正弦交流和脈動直流兩類剩余電流，而平滑直流剩余電流檢測技術(shù)則要同時檢測正弦交流、脈動直流和平滑直流三類剩余電流，而且包括高頻交流剩余電流(頻率可高達1kHz)。因此，平滑直流剩余電流檢測技術(shù)的要求最高，實現(xiàn)起來也最困難，是當(dāng)前研究熱點和難點。

在由夏越、杜松壞等人所著的《中國剩余電流保護技術(shù)與裝置的發(fā)展趨勢》中，具體介紹了目前市場上各種剩余電流保護裝置的特點?？偨Y(jié)如下：在電流動作型的裝置中：性能不穩(wěn)定，易誤動和拒動，不能區(qū)分觸電電流與線路泄漏電流。脈沖動作型的裝置中：存在保護死區(qū)易誤動作；測電路環(huán)節(jié)較多成本較高。鑒幅鑒相型裝置中：存在保護死區(qū)，電子電路較脈沖動作型復(fù)雜；成本最高。電流分離型裝置中：算法復(fù)雜，電路復(fù)雜，成本較高。前三種裝置中存在一個共性的問題：性能不穩(wěn)定，存在死區(qū)。這對于用電的安全是一個非常大的隱患。也明確的提出了：電流分離型的剩余電流保護裝置的前景廣闊。

另外在王慈，王曾平等人所著的《感性負(fù)載啟動電流與短路電流的識別》中，指出感性負(fù)載在啟動時需要一個比維持正常運行大得多(大約為3-7倍)的啟動電流。故在啟動時有可能造成保護的誤動，影響電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，影響生產(chǎn)和生活的正常進行。在湯世源《智能型開關(guān)電器的意義與開發(fā)現(xiàn)狀》指出，當(dāng)前廣泛運用智能型電力開關(guān)裝置已經(jīng)是必然趨勢。在社會的發(fā)展下，智能化開關(guān)電器也在電力系統(tǒng)中逐漸得到推廣，取得了良好的效果。與傳統(tǒng)開關(guān)相比而言，智能型開關(guān)設(shè)備的優(yōu)勢就在于其“智能化”，智能型開關(guān)電器可以滿足人工智能的要求，開關(guān)設(shè)備有著良好的信息感知功能，可以對周圍信息進行處理，并做出智能化的判斷，同時，還可以對處理結(jié)果進行操作。此外，智能型開關(guān)，有效減少了維護的次數(shù)，實現(xiàn)硬件運行軟件化需求，有著良好的自診斷與在線監(jiān)測功能，可以提供相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)化接口，因此，智能型開關(guān)電器在誕生之后，就表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。但其也同時指出：由于智能開關(guān)起步較晚還有許多問題要解決。如：1.由傳統(tǒng)的機械化操動裝置向電子操動裝置的轉(zhuǎn)變會存在一些技術(shù)性問題，使控制回路在工作過程中面臨著強電磁干擾。2.復(fù)雜繁瑣的智能控制裝置和一些附加的開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測裝置必不可少的會增加智能型開關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)成本。3.智能型開關(guān)電器對技術(shù)要求非常高。尤其是數(shù)據(jù)采集部分的傳感器。4.從目前的發(fā)展形勢來看，建設(shè)綠色電網(wǎng)的呼聲越來越高。從文獻中可以看出，節(jié)能也已成為智能開關(guān)電器的重要要求之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種智能保護開關(guān)，解決了啟動電流影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和對活體觸電電流的判斷的問題。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種智能保護開關(guān)，包括采集部分、中央控制部分、存儲部分、網(wǎng)絡(luò)部分和執(zhí)行部分；其中采集部分包括電流型電壓互感器和電流互感器，將采集的信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單向發(fā)送給中央控制部分；

中央控制部分采用FPGA，實現(xiàn)數(shù)據(jù)比對、分析和數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)比對是通過將采集部分的數(shù)據(jù)與存儲部分的數(shù)據(jù)進行比對，預(yù)測電路的參數(shù)的發(fā)展趨勢，為未知的危險提供預(yù)警；數(shù)據(jù)分析是通過數(shù)據(jù)進行變換，與已知的數(shù)據(jù)進行比對，尋找相似信號；若在判斷活體觸電時，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行S變換，分析數(shù)據(jù)，尋找活體觸電信號，當(dāng)捕獲住信號的時候，中央控制部分立即動作，發(fā)出斷開開關(guān)信號；若在大功率電器接入電路時，設(shè)定啟動電流的持續(xù)時間t_H，當(dāng)啟動電流在t_H范圍還是沒能使電器啟動的話，而此時的啟動電流已經(jīng)威脅到了電力系統(tǒng)的安全運行的時候，中央控制會通過執(zhí)行部分?jǐn)嚅_電源；數(shù)據(jù)交換：是通過網(wǎng)絡(luò)部分獲取廠家更新的產(chǎn)品信息，作為數(shù)據(jù)分析的基本參照；上傳本地的信息，為廠家提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)，由廠家進行大數(shù)據(jù)分析，最后告知用戶的產(chǎn)品使用情況；

儲存部分為Flash儲存器，劃分為三個部分：實時儲存數(shù)據(jù)，舊時數(shù)據(jù)和廠家數(shù)據(jù)；廠家數(shù)據(jù)由廠家通過網(wǎng)絡(luò)寫入，舊時數(shù)據(jù)為采集部分提供的數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)也是由采集部分提供的數(shù)據(jù)；

網(wǎng)絡(luò)部分采用載波通信技術(shù)，為簡化布局和實現(xiàn)模塊化設(shè)計，采用中心節(jié)點和終端節(jié)點結(jié)構(gòu)體系，若采用wifi芯片，則作為中心節(jié)點，為中央控制部分和外界網(wǎng)絡(luò)部分提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，或若采用電力線載波通信芯片，則作為終端節(jié)點，與中心節(jié)點完成數(shù)據(jù)的交換；

執(zhí)行部分是控制電力線通斷，根據(jù)客戶需求的不同，提供安全不同等級的器件，如繼電器(歐姆龍的I/O繼電器)、可控硅或電力CMOS管等等。本發(fā)明具有剩余電流保護的功能，所以對比目前市面上的剩余電流保護裝置是有很大的必要的。在電流動作型的裝置中：性能不穩(wěn)定，易誤動和拒動，不能區(qū)分觸電電流與線路泄漏電流。其不能區(qū)分觸電電流和線路泄漏電流，易誤動和拒動是致命的。本發(fā)明對觸電電流的針對型設(shè)計，是本設(shè)計相對于電流動作型的最大的優(yōu)勢。脈沖動作型的裝置中：存在保護死區(qū)易誤動作；測電路環(huán)節(jié)較多成本較高。在本發(fā)明中考慮到終端節(jié)點和中心節(jié)點的層次設(shè)計中，用戶可以有針對性的，對家庭電路中需要優(yōu)先保護的部分布置本產(chǎn)品，這樣可以大大提高用電的安全性。并且針對其易誤動的缺陷，本發(fā)明中對啟動電流的處理方式，可以大大的減少本設(shè)計的誤動機率，是明顯的優(yōu)勢。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利的優(yōu)點有：1)相比較市場上面的現(xiàn)有的產(chǎn)品，本發(fā)明中融入的活體檢測技術(shù)，極大的提高了活體觸電時候，電路響應(yīng)的概率。這樣的效果就可以顯著的減少了觸電電流對人員的造成的傷害。2)通過數(shù)據(jù)交換，比對，得出對產(chǎn)品使用情況的預(yù)測，使用者可以得知產(chǎn)品的使用情況，并得知產(chǎn)品未來使用情況的發(fā)展趨勢，這也是本發(fā)明的一大創(chuàng)新之處。也是相比目前市場上產(chǎn)品所沒有的新功能。3)載波通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的功能的使用，使得中心節(jié)點之間，節(jié)點與節(jié)點之間的通信成為可能，也為系統(tǒng)級別的電網(wǎng)工作狀態(tài)檢測提供可能?？梢灾χ悄茈娋W(wǎng)的發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

一種智能保護開關(guān)，包括采集部分、中央控制部分、存儲部分、網(wǎng)絡(luò)部分和執(zhí)行部分。

上述采集部分包括電流型電壓互感器和電流互感器，將采集的信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單向發(fā)送給中央控制部分，而后，中央控制部分與儲存部分進行信息交換，對采集部分發(fā)送過來的信息進行實時的分析。在任龍霞所著的《活體觸電識別研究》中提出：在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，采集電壓電流信號，通常要求一個周期記錄96個點，即采樣率為4800Hz，故采集部分的采樣頻率被設(shè)定在4800Hz。

中央控制部分，擬采用FPGA芯片ALTERA-EP4CE10E22I7N作為主控芯片。主要實現(xiàn)：數(shù)據(jù)比對，分析和數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)比對是通過將采集部分的數(shù)據(jù)與存儲部分的數(shù)據(jù)進行比對，預(yù)測電路的參數(shù)的發(fā)展趨勢，為未知的危險提供預(yù)警。數(shù)據(jù)分析：通過數(shù)據(jù)進行變換，與已知的數(shù)據(jù)進行比對，尋找相似信號。例如通過對采集到的數(shù)據(jù)進行S變換，分析數(shù)據(jù)，尋找活體觸電信號，當(dāng)捕獲住信號的時候，中央控制部分立即動作，發(fā)出斷開開關(guān)信號，保護人員的人身安全。再或者是當(dāng)家庭用電功率將要到達進戶線容量時，人為的再次開啟一臺電器，其功率仍未超過進戶線容量，但是用電器開啟時候的啟動電流會造成普通的斷路器工作，這時候中央控制部分通過數(shù)據(jù)分析，感知到接入的用電器信息，為其度過啟動電流時期，使電路正常工作。數(shù)據(jù)交換：是通過網(wǎng)絡(luò)部分獲取廠家更新的產(chǎn)品信息，作為數(shù)據(jù)分析的基本參照；上傳本地的信息，為廠家提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)，由廠家進行大數(shù)據(jù)分析，最后告知用戶的產(chǎn)品使用情況。

儲存部分?jǐn)M采用SAMSUNG-K9WAGWAGU18大容量存儲器，其儲存容量為2GB，本發(fā)明中應(yīng)用了4片F(xiàn)lash，其容量為8GB。8GB的容量被劃分為三個部分：實時儲存數(shù)據(jù)，舊時數(shù)據(jù)和廠家數(shù)據(jù)。廠家數(shù)據(jù)由廠家通過網(wǎng)絡(luò)寫入flash，舊時數(shù)據(jù)為采集部分前一段時間采集的數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)也是由采集部分提供的數(shù)據(jù)，它們的作用是：廠家數(shù)據(jù)和舊時數(shù)據(jù)都為實時數(shù)據(jù)提供參考依據(jù)，作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)部分，采用目前較為普遍的wifi芯片，采用成熟的ESP8266芯片，確保其運行穩(wěn)定?；蛘卟捎秒娏€載波通信芯片ST7950T，在參考文獻《基于PRIME標(biāo)準(zhǔn)的低壓電力線載波通信組網(wǎng)方案》中，ST7950T已經(jīng)被成功使用了。網(wǎng)絡(luò)部分主要的作用就是為中央控制部分和外界internet提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。上傳本地數(shù)據(jù)，下載網(wǎng)絡(luò)上的廠家數(shù)據(jù)。

對本發(fā)明解決的問題做進一步闡述。1.啟動電流會影響影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，解決方案為：采集部分會通過實時的信息采集，將采集到的電流信息傳遞給中央控制部分。中央控制部分通過數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：此時的電流為啟動電流，則中央控制通過執(zhí)行部分的開關(guān)工作來控制電力系統(tǒng)的工作情況，對于啟動電流，中央控制的原則是：在保證安全用電的情況下，設(shè)定啟動電流的持續(xù)時間t_H(電流越大，t_H越短)，當(dāng)啟動電流在t_H范圍還是沒能使電器啟動的話，而此時的啟動電流已經(jīng)威脅到了電力系統(tǒng)的安全運行的時候，中央控制會通過執(zhí)行部分?jǐn)嚅_電源。2.在剩余電流為活體觸電的情況下，我們最為優(yōu)先考慮。首先仍然是采集部分將采集的信息發(fā)送給中央控制部分，中央控制部分通過數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論：此時的電流為活體觸電電流。則中央控制通過執(zhí)行部分關(guān)斷電源。保障人員的生命安全。3.針對互感器的特性：我們要選用高質(zhì)量的互感器，提高其穩(wěn)定性。

在解決上述問題的同時，充分體現(xiàn)其智能化才是本次設(shè)計的最大的優(yōu)勢。首先對于電磁干擾的困擾，使用屏蔽罩、光電隔離等技術(shù)、優(yōu)化PCB布局布線，盡可能的降低電磁干擾對電路的影響?？紤]到綠色環(huán)保，本發(fā)明應(yīng)用的FPGA為由ALTERA公司提供的EP4CE10E22I7N高性能芯片，正常工作的功耗約為0.4W，符合綠色環(huán)保的要求，以電流型電壓互感器和電流互感器作為主要傳感器。

本發(fā)明是對現(xiàn)有技術(shù)的一種集成再創(chuàng)造，從而使其更加智能，更加安全。在目前的家庭電路的管理系統(tǒng)中，只有在發(fā)生故障時，才會工作。這種被動的工作方式僅僅是可以應(yīng)對突發(fā)式的用電故障(例如：電路短路)，但不能夠規(guī)避那些有預(yù)見性的用電隱患(例如：當(dāng)家庭用電及將要到達進戶線容量的時候，大功率電器接入電路時候的啟動電流可能會造成跳閘)。另外值得我們注意的還有：其活體觸電識別的概率比較低，存在誤識別或者不識別的情況，然而不識別的情況對于人員有著致命的威脅。所以采取一種主動的，具有控制能力的，智能化的家庭用電管理系統(tǒng)是有必要的。主動體現(xiàn)在：信息采集系統(tǒng)實時采集信息，與廠家給定的信息進行比對，也和之前采集的信息進行比對，檢測用電器狀態(tài)是否正常。例如：通過實時的監(jiān)控，得到用電器的用電信息，將其與廠家發(fā)送的信息比較，將其與以前的信息比較，評估用電器的狀態(tài)，預(yù)期其發(fā)展趨勢，提早發(fā)出警報?？刂颇芰w現(xiàn)在：通過載波通信，完成中心節(jié)點和個個終端節(jié)點直接的信息交換，完成對個個終端的控制。具體的控制能力為：控制個個終端節(jié)點的通斷。智能化體現(xiàn)在：通過網(wǎng)絡(luò)，將采集的信息傳遞給廠家，讓廠家對其產(chǎn)品進行評估，對故障進行預(yù)測，通過網(wǎng)絡(luò)告知用戶用電器的狀態(tài)。并且中心節(jié)點可以通過自己收集信息，進行分析，得到結(jié)果，告知用戶。