一种安全用电系统及其保护方法
技术领域
本发明涉及电网电路保护技术领域，特别是涉及一种安全用电系统及其保护方法。
背景技术
电力系统中各种电压的变电所及输配电线路组成的整体，称为电力网，简称电网。它包含变电、输电、配电三个单元。目前电网的安全用电装置主要包括空气开关、漏电保护器等器件，仅能对线路短路、存在明显的漏电问题起保护作用，而且这些器件起保护作用切断供电线路时都有一个时间差，这个短暂的时间仍能对人体造成伤害。
发明内容
基于此，有必要针对目前电网的安全用电装置仅能对线路短路、存在明显的漏电问题起保护作用问题，提供一种安全用电系统及其保护方法。
一种安全用电系统，包括：安全用电分析装置、1:1隔离变压器、交流接触器、24V变压器；安全用电分析装置包含中央处理器、电源模块、单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块；1:1隔离变压器的初级线圈的两端分别连接市电的火线L和零线N，1:1隔离变压器的次级线圈的两端通过交流接触器分别和用电线路的火线L和零线N连接，1:1隔离变压器的次级线圈的两端还通过24V变压器和电源模块连接，1:1隔离变压器的次级线圈的两端还和单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均连接，电源模块、单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均和中央处理器连接，单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均和地线PE连接，中央处理器的输出端和交流接触器连接。
优选地，安全用电系统还包括：温度检测与散热模块；温度检测与散热模块与中央处理器连接。
优选地，单相电压电流平衡分析模块和中央处理器之间通过总线连接，总线为232总线、422总线或485总线中的任意一种。
优选地，还包括：报警内容显示屏幕，报警内容显示屏幕和中央处理器连接。
优选地，还包括：WIFI通讯模块，中央处理器通过WIFI通讯模块和移动终端或者职能设备通讯。
优选地，漏电检测模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、三极管Q1、三极管Q2、变压器T1、变压器T2、运算放大器U1和运算放大器U2；
1:1隔离变压器的次级线圈的火线端L1通过电阻R1和电阻R2的一端、二极管D1的一端、电容C1的一端、电容C2的正极均连接，电阻R2的另一端和变压器T1的初级线圈的一端连接，二极管D1的另一端、电容C1的另一端、电容C2的负极均和变压器T1的初级线圈的另一端连接，变压器T1的初级线圈的两端分别和二极管D4的正极、电阻R6的一端连接，二极管D4的负极通过电阻R5和二极管D5的一端、电阻R7的一端、运算放大器U1的同向输入端均连接，电阻R6的另一端和二极管D5的另一端、电阻R8的一端、运算放大器U1的反向输入端均连接，电阻R8的另一端和电阻R7的另一端均连接至地GND，运算放大器U1的电源端和电源+5V连接，运算放大器U1的输出端和中央处理器连接，电容C1的另一端还和三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极通过电阻R4和二极管D2的负极连接，二极管D2的正极和地线PE连接，三极管Q1的发射极和二极管D3的正极、电容C3的一端、电阻R3的一端均连接，电阻R3的另一端、电容C3的另一端均和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端通过二极管D2和地线PE连接，二极管D3的负极和1:1隔离变压器的次级线圈的零线端N1连接；1:1隔离变压器的次级线圈的零线端L1通过电阻R10和电阻R11的一端、二极管D7的一端、电容C5的一端、电容C6的正极均连接，电阻R11的另一端和变压器T2的初级线圈的一端连接，二极管D7的另一端、电容C5的另一端、电容C6的负极均和变压器T2的初级线圈的另一端连接，变压器T2的初级线圈的两端分别和二极管D8的正极、电阻R12的一端连接，二极管D8的负极通过电阻R15和二极管D9的一端、电阻R14的一端、运算放大器U2的同向输入端均连接，电阻R12的另一端和二极管D9的另一端、电阻R13的一端、运算放大器U2的反向输入端均连接，电阻R13的另一端和电阻R14的另一端均连接至地GND，运算放大器U2的电源端和电源+5V连接，运算放大器U2的输出端和中央处理器连接，电容C5的另一端还和三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极通过电阻R4和二极管D2的负极连接，三极管Q1的发射极和二极管D6的正极、电容C4的一端、电阻R9的一端均连接，电阻R9的另一端、电容C4的另一端均和电阻R4的一端连接，二极管D6的负极和1:1隔离变压器的次级线圈的零线端N1连接。
一种基于上述安全用电系统的保护方法，包括：
安全用电分析装置的单相电压电流平衡分析模块采集市电的火线L和零线N的之间的电压和电流，同时单独识别火线的电流,根据火线的电流以及火线L和零线N的之间的电流计算出零线的电流；
根据零线的电流和火线的电流计算出供电线路中零线和火线的平衡系数；
中央处理器判断零线和火线之间的电压、电流和平衡系数是否超过对应的预设报警阈值；若超过，则中央处理器输出控制指令控制交流接触器切断供电线路保证用户的生命财产安全，并在显示面板上显示当前的报警内容。
优选地，安全用电系统的保护方法还包括：
漏电检测模块检测零线N和火线L是否漏电；若检测出火线L漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并显示报警信息；
若检测出零线N漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并且显示报警信息或者只显示报警信息。
优选地，检测出火线L漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并显示报警信息的步骤包括：当市电的火线L发生出现漏电问题时，火线L的电流通过漏电处流向地线PE，地线PE的电流驱动三极管Q1导通，1:1隔离变压器的次级线圈的L1端、N1端与变压器T1之间构成回路，隔离变压T1的次级线圈产出感应电压，运算放大器U1将所述感应电压放大后输出信号I_L1至中央处理器，中央处理器根据运算放大器U1的电路参数和信号I_L1计算出漏电电流，并与预设安全电流阈值进行比较，如果超过预设安全电流阈值则输出断路保护控制信号至交流接触器，交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，同时在报警内容显示屏幕上显示“火线漏电”报警。
优选地，检测出零线N漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并且显示报警信息或者只显示报警信息的步骤包括：当市电的零线N发生漏电问题时，零线N的电流通过漏电处流向地线PE，地线PE的电流驱动三极管Q2导通，1:1隔离变压器的次级线圈的L1端、N1端与变压器T2之间构成回路，变压器T2的次级线圈产出感应电压，运算放大器U2将所述感应电压放大后输出信号I_N1至中央处理器，中央处理器根据信号I_N1和运算放大器的电路参数计算出漏电电流后与预设安全电流阈值进行比较，如果超过预设安全电流阈值则输出断路保护控制信号至交流接触器，交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，同时在报警内容显示屏幕上显示“零线漏电”报警或者中央处理器收到超过预设安全电流阈值的漏电电流后，只在报警内容显示屏幕上显示“零线漏电”报警。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的安全用电系统能有效识别电网中任意一根线路的漏电问题、任意一相线路之间的供电不平衡、欠电压、过电压、过电流等问题，并根据问题严重程度给出相应的报警和智能识别是否需要切断供电线路，本发明的安全用电系统检测，判断过程迅速，进而能够快速切断供电线路，没有时间差。同时，本安全用电系统由于与电网完全隔离，还具有单独触碰任意一跟线路不触电的安全保护功能。
本发明的安全用电系统可以通过调节漏电报警电流，根据每个不同的工作环境可以在本发明的安全用电系统的显示屏（触摸屏）上设置漏电报警电流，当安全用电分析模块检测到漏电电流超过设置值时则报警，并当漏电电流超过设置值的两倍或者检测到是火线漏电时则控制交流接触器切断供电电路。
本发明的安全用电系统可以通过设置过电压、过电流、供电不平衡的阈值，当安全用电分析模块检测到当前电压超过设置阈值、或当前电流超过阈值、或当前供电不平衡系数超过阈值时，在报警内容显示屏上报警并控制交流接触器切断供电电路。
附图说明
图1为本发明的安全用电系统的示意性结构图。
图2为本发明的单相电压电流平衡分析模块的总线通讯协议图。
图3为本发明的漏电检测模块的电路图。
图4为本发明的安全用电系统的保护方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参见图1、一种安全用电系统，包括：安全用电分析装置、1:1隔离变压器、交流接触器、24V变压器；安全用电分析装置包含中央处理器、电源模块、单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块；1:1隔离变压器的初级线圈的两端分别连接市电的火线L和零线N，1:1隔离变压器的次级线圈的两端通过交流接触器分别和用电线路的火线L和零线N连接，1:1隔离变压器的次级线圈的两端还通过24V变压器和电源模块连接，1:1隔离变压器的次级线圈的两端还和单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均连接，电源模块、单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均和中央处理器连接，单相电压电流平衡分析模块、漏电检测模块均和地线PE连接，中央处理器的输出端和交流接触器连接。
本安全用电系统连接在市电和用户的供电线路之间。具体为通过1:1隔离变压器将市电和用电线路隔离开来，实现了单独触碰任何一根火线L或者零线N都不会产生触电现象，规避了漏电的触电安全问题。
需要说明的是，地线PE为本安全用电系统的地线。
需要说明的是，当用电线路是三相交流电时，安全用电系统的接入线路为L1、L2、L3、N和E，三条火线的接法和二相交流电的火线L的接法类似，公共线N和二相交流电的零线N的接法一致。
在本实施例，还包括：温度检测与散热模块；温度检测与散热模块与中央处理器连接。当1:1隔离变压器工作温度过高时，在报警内容显示屏上报警并启动散热模块给1:1隔离变压器散热。采用24V电压器给安全用电分析装置供电，保证安全用电分析装置的数字地与电网的地线PE之间完全隔离，避免电网的地线干扰安全用电分析装置的正常工作。
在本实施例，单相电压电流平衡分析模块和中央处理器之间通过总线连接，总线为232总线、422总线或485总线中的任意一种。通讯协议如图2所示。通讯内容包含了零线和火线之间的电压、电流和单独火线的电流。
在本实施例，还包括：报警内容显示屏幕和WIFI通讯模块，报警内容显示屏幕和中央处理器连接。中央处理器通过WIFI通讯模块和移动终端或者职能设备通讯。将安全用电系统的工作状态（当前电压、电流、功率、累计电耗等状态）和报警内容发送到其他设备，实现远程监控和远程报警功能。中央处理器的型号为STM32F103。
参见图3，漏电检测模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、三极管Q1、三极管Q2、变压器T1、变压器T2、运算放大器U1和运算放大器U2；1:1隔离变压器的次级线圈的火线端L1通过电阻R1和电阻R2的一端、二极管D1的一端、电容C1的一端、电容C2的正极均连接，电阻R2的另一端和变压器T1的初级线圈的一端连接，二极管D1的另一端、电容C1的另一端、电容C2的负极均和变压器T1的初级线圈的另一端连接，变压器T1的初级线圈的两端分别和二极管D4的正极、电阻R6的一端连接，二极管D4的负极通过电阻R5和二极管D5的一端、电阻R7的一端、运算放大器U1的同向输入端均连接，电阻R6的另一端和二极管D5的另一端、电阻R8的一端、运算放大器U1的反向输入端均连接，电阻R8的另一端和电阻R7的另一端均连接至地GND，运算放大器U1的电源端和电源+5V连接，运算放大器U1的输出端和中央处理器连接，电容C1的另一端还和三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极通过电阻R4和二极管D2的负极连接，二极管D2的正极和地线PE连接，三极管Q1的发射极和二极管D3的正极、电容C3的一端、电阻R3的一端均连接，电阻R3的另一端、电容C3的另一端均和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端通过二极管D2和地线PE连接，二极管D3的负极和1:1隔离变压器的次级线圈的零线端N1连接；1:1隔离变压器的次级线圈的零线端L1通过电阻R10和电阻R11的一端、二极管D7的一端、电容C5的一端、电容C6的正极均连接，电阻R11的另一端和变压器T2的初级线圈的一端连接，二极管D7的另一端、电容C5的另一端、电容C6的负极均和变压器T2的初级线圈的另一端连接，变压器T2的初级线圈的两端分别和二极管D8的正极、电阻R12的一端连接，二极管D8的负极通过电阻R15和二极管D9的一端、电阻R14的一端、运算放大器U2的同向输入端均连接，电阻R12的另一端和二极管D9的另一端、电阻R13的一端、运算放大器U2的反向输入端均连接，电阻R13的另一端和电阻R14的另一端均连接至地GND，运算放大器U2的电源端和电源+5V连接，运算放大器U2的输出端和中央处理器连接，电容C5的另一端还和三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极通过电阻R4和二极管D2的负极连接，三极管Q1的发射极和二极管D6的正极、电容C4的一端、电阻R9的一端均连接，电阻R9的另一端、电容C4的另一端均和电阻R4的一端连接，二极管D6的负极和1:1隔离变压器的次级线圈的零线端N1连接。在本实施例，三极管Q1和三极管Q2的驱动电流为10mA。
参见图4，一种基于上述安全用电系统的保护方法，包括：
安全用电分析装置的单相电压电流平衡分析模块采集市电的火线L和零线N的之间的电压和电流，同时单独识别火线的电流,根据火线的电流以及火线L和零线N的之间的电流计算出零线的电流;其中，通过现有的交流电能计量模块可以单独识别火线的电流。
根据零线的电流和火线的电流计算出供电线路中零线和火线的平衡系数；
中央处理器判断零线和火线之间的电压、电流和平衡系数是否超过对应的预设报警阈值；若超过，则中央处理器输出控制指令控制交流接触器切断供电线路保证用户的生命财产安全，并在显示面板上显示当前的报警内容。
中央处理器判断零线和火线之间的电压、电流和平衡系数是否超过对应的预设报警阈值包括：中央处理器判断零线和火线之间的电压是否超过预设报警电压阈值、零线和火线之间的电流是否超过预设报警电流阈值、零线和火线之间的平衡系数是否超过预设报警阈值。
在本实施例，基于上述安全用电系统的保护方法还包括：漏电检测模块检测零线N和火线L是否漏电；若检测出火线L漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并显示报警信息；若检测出零线N漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并且显示报警信息或者只显示报警信息。
其中，所述漏电检测模块可以将零线和火线的漏电电流转换成中央处理器可以识别的模拟量，中央处理器可以根据这个模拟量计算出实际的漏电电流，并判断该大小是否超过设置阈值。漏电电流的安全阈值可以在显示屏幕（触摸屏）上设置，总共有两个参数：①安全漏电电流、②报警漏电电流。当检测到零线的漏电电流超过安全漏电电流时，则仅在显示屏幕上报警提示，只有超过报警漏电电流才触发交流接触器切断供电电路。
在本实施例，检测出火线L漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并显示报警信息的步骤包括：当市电的火线L发生出现漏电问题时，火线L的电流通过漏电处流向地线PE，地线PE的电流驱动三极管Q1导通，1:1隔离变压器的次级线圈的L1端、N1端与变压器T1之间构成回路，隔离变压T1的次级线圈产出感应电压，运算放大器U1将所述感应电压放大后输出信号I_L1至中央处理器，中央处理器根据运算放大器U1的电路参数和信号I_L1计算出漏电电流，并与预设安全电流阈值进行比较，如果超过预设安全电流阈值则输出断路保护控制信号至交流接触器，交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，同时在报警内容显示屏幕上显示“火线漏电”报警。
在本实施例，检测出零线N漏电，则交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，并且显示报警信息或者只显示报警信息的步骤包括：当市电的零线N发生漏电问题时，零线N的电流通过漏电处流向地线PE，地线PE的电流驱动三极管Q2导通，1:1隔离变压器的次级线圈的L1端、N1端与变压器T2之间构成回路，变压器T2的次级线圈产出感应电压，运算放大器U2将所述感应电压放大后输出信号I_N1至中央处理器，中央处理器根据信号I_N1和运算放大器的电路参数计算出漏电电流后与预设安全电流阈值进行比较，如果超过预设安全电流阈值则输出断路保护控制信号至交流接触器，交流接触器关闭，断开市电和给用户的供电线路，同时在报警内容显示屏幕上显示“零线漏电”报警或者中央处理器收到超过预设安全电流阈值的漏电电流后，只在报警内容显示屏幕上显示“零线漏电”报警。
因此，当发生零线N漏电问题时，由于本安全用电系统的地线和市电的地线是隔离的，人体触碰漏电设备时不会与大地产生回路，不会产生触电风险，系统判别为轻微漏电问题，并给出报警警告，提示用户检测线路问题。
当发生火线L漏电问题时，由于本安全用电系统的地线和市电的地线是隔离的，人体触碰漏电设备时不会与大地产生回路，此时也不会产生触电风险，但由于火线漏电较为危险，如果有其他零线漏电现象的用电设备，依旧存在触电危险，所以系统判别为严重漏电问题，给出报警警告的同时切断用电线路，需要用户检修线路问题。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
