一種具有電量計量功能的無線開關及採集方法

2023-04-26 14:45:31 2

一種具有電量計量功能的無線開關及採集方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有電量計量功能的無線開關，包括供電單元、採樣單元、主控單元、通斷控制單元，供電單元輸入交流電後輸出採樣單元、主控單元及通斷控制單元的工作電壓。本發明的另一個技術方案是提供了一種上述的具有電量計量功能的無線開關的電流、功率、電量的採集方法。本發明提供的從外形上具有電量計量功能的無線開關可直接替換市面上的普通牆壁開關；從功能上，該技術不但可以實現普通開關的功能，而且可以對每個獨立負載迴路所消耗的電量進行統計，無需布線就可以將測量結果送至位於遠端的能源管理平臺。
【專利說明】一種具有電量計量功能的無線開關及採集方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於無線網絡的且具有電量計量功能的開關及該開關的電量採集方法，屬於電氣控制【技術領域】。

【背景技術】
[0002]開關是最常用的燈光和電器通斷控制類產品，以節能為趨勢發展的背景下，對照明和電器的信息化、網絡化能耗統計提出了更高要求。目前市面上已有的可攜式計量插座、牆壁式計量插座、計量拖線板、電錶等計量設備，都需要串聯在控制迴路上，不但造價成本高、施工布線也帶來不便。


【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種同時具備電量計量和開關控制能力的裝置。本發明的另一個目的是提供一種利用上述裝置進行電量採集的方法。
[0004]為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供了一種具有電量計量功能的無線開關，包括供電單元、採樣單元、主控單元、通斷控制單元，供電單元輸入交流電後輸出採樣單元、主控單元及通斷控制單元的工作電壓，其特徵在於:
[0005]η個負載經由通斷控制單元與輸入交流電形成η路並聯的工作迴路，由主控單元輸出驅動信號控制通斷控制單元動作，從而使得η路工作迴路各自獨立地導通或斷開，其中，η彡2 ;
[0006]採樣單元包括η路電流採樣迴路及一路電壓採樣迴路，η路電流採樣迴路與η路工作迴路一一對應，主控單元通過第i路採樣迴路以固定時間間隔周期性地採樣得到第i路工作迴路導通後的電流瞬時採樣數據，即得到第i個負載的電流瞬時採樣數據，i = 1，…，η;主控單元通過電壓採樣迴路以固定時間間隔周期性地採樣得到輸入交流電的電壓瞬時採樣數據；
[0007]主控單元根據採樣得到的電流瞬時採樣數據及電壓瞬時採樣數據至少計算得到每個負載的瞬時功率、有功功率及電量，將電流瞬時採樣數據和/或電壓瞬時採樣數據和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為第i個負載的電能參數通過有線網絡或無線網絡上傳給加入同一網絡的遠端設備；主控單元或根據遠端設備的指令或根據本機的指令控制通斷控制單元動作。
[0008]優選地，所述通斷控制單元包括η個繼電器，η個負載分別經由η個繼電器與輸入交流電形成η路並聯的工作迴路；由所述主控單元輸出繼電器驅動信號控制η個繼電器獨立動作。
[0009]優選地，第i路所述電流採樣迴路包括串接入第i路工作迴路的電流採樣電阻及電流採樣調理迴路，在電流採樣電阻兩端形成一個幅值與第i個負載的負載電流成比例關係的電流採樣信號，該電流採樣信號以差分方式送入電流採樣調理迴路，由電流採樣調理迴路向所述主控單元輸出第i個負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據。
[0010]優選地，所述電壓採樣迴路包括與所述工作迴路並聯的電壓採樣電阻，將通過電壓採樣電阻得到的電壓採樣信號以差分方式送入電壓採樣調理迴路，由電壓採樣調理迴路向所述主控單元輸出帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時採樣數據。
[0011]優選地，所述主控單元包括接入有線網絡或無線網絡的MCU，MCU的GP1 口與所述通斷控制單元相連，MCU的A/D轉換口與所述電流採樣迴路及所述電壓採樣迴路的輸出端相連，MCU還連接用於實現人機互動的觸控螢幕迴路。
[0012]本發明的另一個技術方案是提供了一種上述的具有電量計量功能的無線開關的電流、功率、電量的採集方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0013]第一步、由主控單元獲取與電網同頻同相的過零標誌位，該過零標誌位即為過零同步信號；
[0014]第二步、主控單元經由所述電壓採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電壓採樣信號，從而得到帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時採樣數據，將各個電壓瞬時採樣數據存入電壓隊列數組中；主控單元經由所述電流採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電流採樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據，將第i個負載的各個電流瞬時採樣數據存入與其對應的第i個負載的電流隊列數組中；
[0015]第三步、將每個負載所對應的電流隊列數組的數據與電壓隊列數值的數據對號相乘，得到每個負載所對應的功率數據並存入與當前負載對應的功率隊列數組中，捨棄每個功率隊列數組中負號的功率數據後，積分換算後得到每個負載的有功功率；
[0016]第四步、將第i個負載在固定時長T內的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數據，再將電量中間數據乘以換算係數後得到第i個負載的電量，換算係數為固定時長T換算為一小時所需乘以的係數。
[0017]優選地，在所述第四步後還包括:
[0018]第五步、主控單元將電流瞬時採樣數據和/或電壓瞬時採樣數據和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數通過有線網絡或無線網絡上傳給加入同一網絡的遠端設備；
[0019]第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數，根據該電能參數通過遠端設備向所述主控單元發出指令，由所述主控單元根據接收到的指令控制通斷控制單元動作，使得η路工作迴路中的至少任意一路工作迴路按照指令的要求導通或斷開。
[0020]本發明提供的從外形上具有電量計量功能的無線開關可直接替換市面上的普通牆壁開關；從功能上，該技術不但可以實現普通開關的功能，而且可以對每個獨立負載迴路所消耗的電量進行統計，無需布線就可以將測量結果送至位於遠端的能源管理平臺。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明提供的一種具有電量計量功能的無線開關的原理圖。

【具體實施方式】
[0022]為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。
[0023]結合圖1，本實施例公開的一種具有電量計量功能的無線開關，包括供電單元1、採樣單元2、主控單元3及通斷控制單元4。
[0024]供電單元I通過L、N端子接入220V交流電，L端子作為整體的電路參考零電位。在供電單元I內，220V交流電先經半波整流，再經AC-DC電源穩壓後，輸出5V直流電和3.3V直流電。其中，5V直流電供給通斷控制單元4使用，3.3V直流電則供給採樣單元2和主控單元3使用。
[0025]在本實施例中，共有η個負載,即負載I,...,負載η。負載I,…，負載η的一端接入N端子，另一端與通斷控制單元4相連。在本實施例中，通斷控制單元4包括η個繼電器，即繼電器401,...,繼電器40η, η個繼電器與η個負載對應，每個負載的另一端均連接一個繼電器。由主控單元3控制各個繼電器獨立地打開與閉合。每個繼電器串接一個電流採樣電阻後均與L端子相連，從而形成一路工作迴路，通過繼電器的打開與閉合，使得相對應的工作迴路截止或導通。
[0026]電流採樣電阻為採樣單元2的一部分，採樣單元2包括η路電流採樣迴路及一路電壓採樣迴路。每路電流採樣迴路包括一個電流採樣電阻，共有η個電流採樣電阻，即電流採樣電阻201，…，電流採樣電阻20η。每路電流採樣迴路還包括電流採樣調理迴路，在每個電流採樣電阻兩端形成一個幅值與當前電流採樣電阻所對應的負載的負載電流成比例關係的電流採樣信號，該電流採樣信號以差分方式送入當前電流採樣調理迴路，由電流採樣調理迴路向主控單元3輸出當前負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據ASl, —, ASn0
[0027]電壓採樣迴路包括電壓採樣電阻200，採樣電阻200的兩端分別與L、N端子相連，將通過電壓採樣電阻得到的電壓採樣信號以差分方式送入電壓採樣調理迴路211，由電壓採樣調理迴路211向主控單元3輸出帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時採樣數據VS0。
[0028]主控單元3包括MCU301，MCU301至少向外擴展有GP1 口、A/D轉換口、I2C接口及RF接口。MCU301的GP1 口與通斷控制單元4中的繼電器401，…，繼電器40η相連。MCU301的A/D轉換口與電流採樣迴路及電壓採樣迴路的輸出端相連。MCU301還通過I2C接口連接用於實現人機互動的觸控螢幕迴路302。MCU301經由RF接口連接天線後接入相應的無線網絡，在本實施例中，該無線網絡採用ZigBee無線網絡。
[0029]本實施例還公開了一種採用上述的具有電量計量功能的無線開關的電流、功率、電量的採集方法，其步驟為:
[0030]第一步、由主控單元3獲取與電網同頻同相的過零標誌位，該過零標誌位即為過零同步信號。MCU在進行數據處理後，可得到一個與電網同頻同相的過零標誌位，該過零標誌位即為過零同步信號。過零標誌由MCU內部的ADC數據採樣後得到。兩個過零標誌位之間的計時長度即為頻率。該頻率與所接電網頻率相同。
[0031]第二步、主控單元3經由電壓採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電壓採樣信號，從而得到帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時採樣數據，將各個電壓瞬時採樣數據存入電壓隊列數組中；主控單元3經由所述電流採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電流採樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據，將第i個負載的各個電流瞬時採樣數據存入與其對應的第i個負載的電流隊列數組中。
[0032]將電壓的、電流的隊列數組中的瞬時值數據做積分換算。同理將瞬時功率的隊列數組的數據做積分換算得到有功功率。
[0033]第三步、將每個負載所對應的電流隊列數組的數據與電壓隊列數值的數據對號相乘，得到每個負載所對應的功率數據並存入與當前負載對應的功率隊列數組中，捨棄每個功率隊列數組中負號的功率數據後，積分換算後得到每個負載的有功功率；
[0034]第四步、將第i個負載在Is內的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數據，再將電量中間數據乘以換算係數後得到第i個負載的電量，換算係數為Is換算為一小時所需乘以的係數，即3600。
[0035]主控單元3將電流瞬時採樣數據和/或電壓瞬時採樣數據和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數通過ZigBee無線網絡上傳給加入同一網絡的遠端設備。
[0036]第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數，根據該電能參數通過遠端設備向所述主控單元3發出指令，由所述主控單元3根據接收到的指令控制通斷控制單元4動作，使得η路工作迴路中的至少任意一路工作迴路按照指令的要求導通或斷開。
【權利要求】
1.一種具有電量計量功能的無線開關，包括供電單元(I)、採樣單元(2)、主控單元(3)、通斷控制單元(4)，供電單元(I)輸入交流電後輸出採樣單元(2)、主控單元(3)及通斷控制單元(4)的工作電壓，其特徵在於: η個負載經由通斷控制單元(4)與輸入交流電形成η路並聯的工作迴路，由主控單元(3)輸出驅動信號控制通斷控制單元(4)動作，從而使得η路工作迴路各自獨立地導通或斷開，其中，η彡2 ； 採樣單元(2)包括η路電流採樣迴路及一路電壓採樣迴路，η路電流採樣迴路與η路工作迴路一一對應，主控單元(3)通過第i路採樣迴路以固定時間間隔周期性地採樣得到第i路工作迴路導通後的電流瞬時採樣數據，即得到第i個負載的電流瞬時採樣數據，i =1，…，η ;主控單元(3)通過電壓採樣迴路以固定時間間隔周期性地採樣得到輸入交流電的電壓瞬時採樣數據； 主控單元(3)根據採樣得到的電流瞬時採樣數據及電壓瞬時採樣數據至少計算得到每個負載的瞬時功率、有功功率及電量，將電流瞬時採樣數據和/或電壓瞬時採樣數據和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為第i個負載的電能參數通過有線網絡或無線網絡上傳給加入同一網絡的遠端設備；主控單元(3)或根據遠端設備的指令或根據本機的指令控制通斷控制單元(4)動作。
2.如權利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關，其特徵在於:所述通斷控制單元(4)包括η個繼電器，η個負載分別經由η個繼電器與輸入交流電形成η路並聯的工作迴路；由所述主控單元(3)輸出繼電器驅動信號控制η個繼電器獨立動作。
3.如權利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關，其特徵在於:第i路所述電流採樣迴路包括串接入第i路工作迴路的電流採樣電阻及電流採樣調理迴路，在電流採樣電阻兩端形成一個幅值與第i個負載的負載電流成比例關係的電流採樣信號，該電流採樣信號以差分方式送入電流採樣調理迴路，由電流採樣調理迴路向所述主控單元(3)輸出第i個負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據。
4.如權利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關，其特徵在於:所述電壓採樣迴路包括與所述工作迴路並聯的電壓採樣電阻，將通過電壓採樣電阻得到的電壓採樣信號以差分方式送入電壓採樣調理迴路(211)，由電壓採樣調理迴路(211)向所述主控單元(3)輸出帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時米樣數據。
5.如權利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關，其特徵在於:所述主控單元(3)包括接入有線網絡或無線網絡的MCU (301)，MCU (301)的GP1 口與所述通斷控制單元(4)相連，MCU(301)的A/D轉換口與所述電流採樣迴路及所述電壓採樣迴路的輸出端相連，MCU(301)還連接用於實現人機互動的觸控螢幕迴路(302)。
6.一種如權利要求1所述的具有電量計量功能的無線開關的電流、功率、電量的採集方法，其特徵在於，包括以下步驟: 第一步、由主控單元(3)獲取與電網同頻同相的過零標誌位，該過零標誌位即為過零同步信號； 第二步、主控單元(3)經由所述電壓採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電壓採樣信號，從而得到帶有相位標誌正負方向的電壓瞬時採樣數據，將各個電壓瞬時採樣數據存入電壓隊列數組中；主控單元(3)經由所述電流採樣迴路得到兩個過零標誌位之間的電流採樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標誌正負方向的電流瞬時採樣數據，將第i個負載的各個電流瞬時採樣數據存入與其對應的第i個負載的電流隊列數組中； 第三步、將每個負載所對應的電流隊列數組的數據與電壓隊列數值的數據對號相乘，得到每個負載所對應的功率數據並存入與當前負載對應的功率隊列數組中，捨棄每個功率隊列數組中負號的功率數據後，積分換算後得到每個負載的有功功率； 第四步、將第i個負載在固定時長T內的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數據，再將電量中間數據乘以換算係數後得到第i個負載的電量，換算係數為固定時長T換算為一小時所需乘以的係數。
7.如權利要求6所述的一種採集方法，其特徵在於，在所述第四步後還包括: 第五步、主控單元(3)將電流瞬時採樣數據和/或電壓瞬時採樣數據和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數通過有線網絡或無線網絡上傳給加入同一網絡的遠端設備； 第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數，根據該電能參數通過遠端設備向所述主控單元(3)發出指令，由所述主控單元(3)根據接收到的指令控制通斷控制單元(4)動作，使得η路工作迴路中的至少任意一路工作迴路按照指令的要求導通或斷開。
【文檔編號】G01R22/10GK104200635SQ201410482822
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】奚培鋒, 劉俊, 聶佳, 顧雙玲, 江浩 申請人:上海電器科學研究院, 上海電器科學研究所（集團）有限公司