一、开发背景

近年来随着城市化建设的不断推进以及人们生活水平的不断提高,人们对用电的需求量也不断增大。用电环境差、线路老化、电线质量差、漏电、无地线和接地不可靠等一系列的用电安全隐患容易导致电气火灾等安全事故的发生,从而给人们的生命财产安全造成巨大的损失。疫情期间，居家隔离，用电安全问题一再频发，智慧安全用电刻不容缓。

国家每年由于用电事故引起的人员伤亡每年有数万人乃至更多，引发的火灾每年有上万起直接经济损失上亿元人民币。随着科技水平的提高，在人们的日常生活中，智能设备变得越来越常见。这为用电系统的智能化发展提供了丰富的数据资源，而大数据技术能够迅速、精准的提取目标信息，进行庞大的数据处理工作。

智慧用电系统能够对用电线路中存在的漏电、电弧、短路、温度异常等危险情况进行监测。时刻收集线路中的电流、电压等信息情况，通过互联网技术上传至中央平台进行分析处理，实现远程线路监控，异常情况的报警等管理服务。智慧用电系统涵盖了检测模块、数据传输模块、数据处理平台以及数据应用平台。此系统通过所获取到的信息进行分析，以此来判断用户用电情况，能够实现能源调配的优化，及时发现隐患，增强处理效率，警示危险的效果。

本智慧城市安全用电监测系统在监测用电情况的基础上，可以根据不同的用电场景,提供用电报表,并且通过加入机器学习算法量化分析当前用电结构,对当前用电结构给出优化建议。同时向用电监管部门提供火灾隐患风险评估报告,消除潜在的电气火灾安全隐患,做到防患于未“燃”从而实现电气火灾隐患从发现、监管到治理的有效闭环。

二、结构说明

1. 数据采集器装置

数据采集装置能够对集体宿舍、宾馆酒店、家庭住户等不同的用电场景的各个用电系统的用电数据进行全天24小时实时监测，该数据采集装置包括主控制器、电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块以及数据存储模块，用于对用电系统的电流、电压、有功功率、视在功率、功率因数、线缆温度等用电参数的采集及上传。其中，电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块、数据存储模块均与主控制器连接，主控制器将数据分析处理后上传给数据存储模块进行数据备份，并最终由无线通信模块将数据上传至中央控制器中。

2. 中央控制器

中央控制器用于将数据采集装置中上传的数据信息进行统一的分析、处理，对测点信息进行实时的在线监测和统计管理，例如可以通过将各个参数与对应的预设值进行对比，以此来对用电系统的各个参数进行实时在线监测，同时将比较结果发送给控制终端；当出现供电电路出现过流预警、过载预警、高温预警等电路异常状态时，可以通过手机APP、手机短信、电脑web等方式对接入平台的用户提供相关应用服务。应用服务包括智能预警、智能开启或关闭、规范单一用电器的用电规范和标准、精准量化分析用电状况、优化用电器种类和用电结构，其中，智能预警包括过流预警、过载预警、高温预警；智能开启或关闭则是在电路异常状态时，通过设置在供电电路上的智能开关及时切断供电电路以及远程控制供电电路的通断。除此之外，中央控制器也可以直接控制智能开关来断开供电电路，这样可以及时切断供电电路，杜绝火灾的发生。

3. 控制终端

控制终端包括智能开关，当中央控制器判断出供电电路处于异常状态时，中央控制器直接控制智能开关切断供电电路，或者通过用户控制端远程控制智能开关切断供电电路。

4. 硬件系统的实现

电源模块包括蓄电池、与用电系统的供电电路相连的降压模块以及用于稳压的线性稳压器。其中，蓄电池与用电系统的供电电路连接，该蓄电池与降压模块之间设置有切换开关；当用电系统正常工作时，数据采集装置的各个用电模块通过该降压模块与用电系统的供电电路连接；当用电系统发生火灾造成供电电路切断时，切换开关切换至蓄电池供电。

三、功能与使用说明

（一）产品功能

1．使用智慧城市安全用电系统，支持大功率用电器，精准进行数据采集，处理，实时传达，并对数据进行实时保存及分析大大提高了工作效率，节约调控和检查时间；

2．用户可通过APP等软件设置设备参数，保证设备正常运行，负载不工作自动断电，数据随之显示，真正对用电设备进行智能控制；

3．设备可连接云服务器，用户可同时在云端窗口进行查看，方便用户集中管理与控制，为用户带来极大的便利；

4．实时智能监控电流、电压、电功率状态，状态改变仪器便会自动引发报警器，进行智能预警，确保人身安全；

5．系统更加安全、透明，适用于固定用电场所及非固定用电设备，亦可大规模应用管理，既降低成本又节省人力物力；

（二）使用说明

         图1结构框图

图2工作流程示意图

参考图1-图2，本实用新型的智慧城市安全用电监测系统一方面利用智能传感终端对电气引发火灾的主要因素（过流、过载、线缆过热等电路异常状态）进行实时监测监控,通过物联网技术实时采集、上传电气线路运行数据,在电路异常状态时,及时切断供电电路,并通过手机App、手机短信等方式进行智能预警。另一方面,根据不同的用电场景,监控不同用电系统的工作状况,提供用电报表,量化分析用电结构,并对当前用电结构给出优化建议,同时向监管部门提供火灾隐患风险评估报告,增加用电安全性和智能化程度，从而实现电气火灾隐患从发现、监管到治理的有效闭环,减少电气火灾等涉电安全事故的发生。

参考图1-图2，本实用新型的智慧城市安全用电监测系统包括数据采集装置、中央控制器以及控制终端。

参考图1-图2，数据采集装置能够对集体宿舍、宾馆酒店、家庭住户等不同的用电场景的各个用电系统的用电数据进行全天24小时实时监测，具体用于对用电系统的电流、电压、有功功率、视在功率、功率因数、线缆温度等用电参数的采集及上传，其中，数据采集装置包括主控制器、电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块以及数据存储模块，其中，的电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块、数据存储模块均与主控制器连接，其中，电流采集模块用于采集用电系统的电流,并将采集的电流数据传输至主控制器中；电压采集模块用于采集用电系统的电压,并将采集的电压数据传输至主控制器中；功率参数采集模块用于采集用电系统的有功功率、视在功率和功率因数,并将采集的数据传输至主控制器中；线缆温度采集模块用于采集用电系统的线缆温度,并将采集的温度数据传输至主控制器中；主控制器将数据分析处理后上传给数据存储模块进行数据备份,并最终由无线通信模块将数据上传至中央控制器中；中央控制器用于将数据采集装置中上传的数据信息进行统一的分析、处理,对测点信息进行实时的在线监测和统计管理，例如可以通过将各个参数与对应的预设值进行对比，以此来对用电系统的各个参数进行实时在线监测，同时将比较结果发送给控制终端；当出现供电电路出现过流预警、过载预警、高温预警等电路异常状态时,可以通过手机APP、手机短信、电脑web等方式对接入平台的用户提供相关应用服务，其中，的应用服务包括智能预警、智能开启或关闭、规范单一用电器的用电规范和标准、精准量化分析用电状况、优化用电器种类和用电结构，其中，智能预警包括过流预警、过载预警、高温预警；智能开启或关闭则是在电路异常状态时,通过设置在供电电路上的智能开关及时切断供电电路以及远程控制供电电路的通断。

除了上述方式外，中央控制器也可以直接控制智能开关来断开供电电路，这样可以及时切断供电电路，杜绝火灾的发生。

参考图1-图2，电源模块包括蓄电池、与外接的供电电路相连的降压模块以及用于稳压的线性稳压器，其中，蓄电池在低电量时能够连接到与用电系统连接的供电电路进行充电；该蓄电池与降压模块之间连接有切换开关；当用电系统正常工作时，数据采集装置的各个用电模块通过该降压模块与外部线路连接；当用电系统发生火灾造供电电路切断时，切换开关切换至蓄电池供电。

四、设计原理

一种智慧城市安全用电监测系统，包括数据采集装置、中央控制器以及控制终端。数据采集装置用于对用电系统的各项参数进行采集及上传，该数据采集装置包括主控制器、电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块以及数据存储模块，电源模块、电流采集模块、电压采集模块、功率参数采集模块、线缆温度采集模块、无线通信模块、数据存储模块均与所述主控制器连接。

电流采集模块用于采集用电系统的电流,并将采集的电流数据传输至所述主控制器中；电压采集模块用于采集用电系统的电压,并将采集的电压数据传输至所述主控制器中；功率参数采集模块用于采集用电系统的有功功率、视在功率、功率因数,并将采集的数据传输至所述主控制器中；线缆温度采集模块用于采集用电系统的线缆温度,并将采集的温度数据传输至所述主控制器中；主控制器将数据分析处理后上传给数据存储模块进行数据备份,并最终由无线通信模块将数据上传至中央控制器中；

中央控制器用于根据数据采集装置中上传的数据信息判断供电电路是否异常，并反馈给控制终端；

控制终端包括智能开关，当中央控制器判断出供电电路处于异常状态时,中央控制器直接控制智能开关切断供电电路，或者通过用户控制端远程控制智能开关切断供电电路。

本实施例中的主控制器选用型号为STM32F103C8T6的MCU,与Arduino、51等单片机相比,其运算速度更快、性能更稳定。

五、设计方案

本实施例中的电流采集模块和电压采集模块均采用型号为HLW8032的传感器。其中，的HLW8032型号传感器采用异步串行通讯方式,具有精度高、功耗小、可靠性高、适应环境能力强的优点。

本实施例中的降压模块选用XD308H型号模块，XD308H型号模块具有无音频噪音、发热量少,内部集成全面完善的保护功能的优点。

本实施例中的线缆温度采集模块选用PT100温度传感器,测量范围为-200℃-+850℃,并采用测量精确度高的三线接法。

本实施例中的数据存储模块选用W25Q64Flash系列芯片，该W25Q64Flash系列芯片具有性能好、功耗低的优点。

本实施例中的无线通信模块选用E103-W01-IPX系列低功耗WiFi模块。

本实用新型的智慧城市安全用电监测系统能够对集体宿舍、宾馆酒店、家庭住户等不同的用电场景下的各个子系统的用电数据进行全天候实时监测。用户以及用电监管部门通过手机APP、手机短信、电脑Web等用户端可以实时监测各级设备和子系统的运行情况，且中央控制器可以在电路异常状态时通过移动通讯设备进行异常报警；同时，中央控制器可以直接控制智能开关工作，从而在电路异常状态时,及时切断供电电路，也可以通过用户控制端实现智能化远程控制供电电路的通断，从而减少电气火灾等涉电安全事故的发生。

本实施例中的数据采集装置可以是智能电表或智能插座，或者设置在智能电表和智能插座内，根据应用场所的不同而灵活选择，例如在对用电系统进行监测时，选用智能电表，而智能插座可以应用在电动车充电场景。由于电动车充电时间长、充电期间无人管理、车主安全意识淡薄私拉乱接电源线、充电器良莠不齐等现象埋下了火灾发生的隐患,致使电动车火灾事故频发。使用智能插座不仅可以实时查询用电插座电压、电流、功率以及充电时长等信息还具有过流预警、过载预警、高温预警、电池过充保护等功能，能够在异常状态下自动切断充电电路,用户还可以在远程地结束充电进程,从而减少电动车火灾事故的发生,给用户带来极大的便利。另外，智能开关可以单独设置在供电电路上，或者设置在智能电表或智能插座内部，通过该智能开关实现对供电电路的切断和连通。

除上述功能外，本实用新型的智慧城市安全用电监测系统可以根据不同的用电场景,提供用电报表,并且通过加入机器学习算法量化分析当前用电结构,对当前用电结构给出优化建议。同时向用电监管部门提供火灾隐患风险评估报告,消除潜在的电气火灾安全隐患,做到防患于未“燃”从而实现电气火灾隐患从发现、监管到治理的有效闭环。

除上述方式外，中央控制器可以是物联网云服务平台，智能电表或智能插座所采集的数据信息可以通过网络通信的方式上传到云服务平台上，由云服务平台对数据进行分析和处理，来实现对用电系统进行监控，并同时将监控数据反馈到用户的移动终端，用户可以通过移动终端远程查看和控制。其中，云服务平台对数据的分析处理方式可以采用现有的方式，例如通过比较测量值与预设值之间的大小，来判断该供电电路是否处于正常工作状态。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

创新点

1. 高效率、低成本

一种集数据采集，处理，实时传达于一身的小型设备，从而使每一个过程都能达到精准的智能控制，体积微小而功能强大，可以实时发送采集的数据并且能够支持大功率用电器，额定功率可达8000w，每隔5秒就发送一次精准数据。连接云服务器，从而达到实时保存数据，节约了人们对设备的流程的调控时间和检查时间。

2. 运行智能化

该设备可以达到智能操控设备的目的，可以设定新型电流检测仪的阈值，对用电设备进行智能控制。用户可以通过APP、软件等电脑客户端设置设备参数，如：设置额定电压，额定功率等，以保证设备的正常运行。

3. 集中管理，方便控制

子系统与云服务器、电脑客户端、手机APP配套使用，共同组成一个完整的系统，子系统接在电源与设备之间，子系统采集数据（有功功率、视在功率、电流和电压有效值、用电量）、处理数据，然后将数据发送到云服务器，用户可以通过客户端实时查看数据、分析数据，精准量化分析用电状况，实现用电更安全、更智能、更优化。每一台小型设备都可以连接在云服务器，用户可以通过电脑软件、手机APP对所有设备进行集中管理，并且可以进行数据实时查看，参数设定，方便用户集中管理与控制。

4. 监测多面化

智慧城市安全用电监测系统可以多方面对用电系统进行监测，从而应对多种可能引起用电设备着火的情况。智能嵌入式智能电表，直接接入供电主干道，实时采集用电状况、过流预警、过载预警、高温预警，在电路异常状态时，及时切断供电电路。并通过手机App、手机短信等方式进行异常报警。

5. 用电安全化

根据不同用电器，积累原始数据，根据用电器特征，提出用电规范和用电标准。实时监测单一用电口用电状况，过流预警、过载预警、高温预警，采集数据，并规范单一用电器的用电规范和标准。例:电动自行车。

6. 集中检测，算法分析

智能用电，远程开关，实时监控用电情况，结合用电场景，加入机器学习算法，实现异常报警。同时集中监控、数据采集分析系统可以根据不同的用电场景，量化分析用电结构，提供用电报表，监控不同用电系统工作状况，实时预警，增加用电安全性和智能化程度。增加用电安全性和智能化程度。该系统实时采集关键数据，为后续科研工作提供原始数据。

7. 用电精量化

优化用电，精准量化分析用电状况，优化用电器种类和用电结构。采用智能电表、智能插头辅助采集环境整体数据，应用分析系统量化用电状况，提高用电安全与用电效率，降低用电成本，将用电更智能化。