电压和电流监测

电压和电流监测

概述

本节介绍如何通过智能继电器实时监测电压和电流参数，以及如何利用这些数据判断设备运行状态。学习完成后，您将能够：

• 理解电压和电流监测的技术原理
• 通过 MQTT 获取实时电压/电流数据
• 利用电流变化判断设备工作状态
• 设计基于电流的异常检测逻辑

Electrical Parameters Overview

智能继电器（如 Shelly 1PM、Tasmota 设备）可提供的电参数：

参数	单位	说明	典型值
Voltage	V (伏特)	AC 电压有效值	220-240V (中国)
Current	A (安培)	实时电流	0.1-16A
Power	W (瓦特)	有功功率	P = V × I × PF
Apparent Power	VA	视在功率	S = V × I
Reactive Power	var	无功功率	Q = √(S² - P²)
Power Factor	—	功率因数	0.0-1.0
Energy Total	kWh	累计电量	设备累计读数

Use Cases

1. 设备状态判断

通过电流值判断设备是否在运行：

设备电流曲线:
│
│  2.5A ──┼────────────────── 正常运行
│         │                    (电机运行中)
│  0.3A ──┼──────┼─────┼─── 待机状态
│         │      │     │      (仅控制电路供电)
│  0.0A ──┼──┼───┼──┼─┼─── 断电/离线
│
          T1    T2   T3   T4  时间

2. 异常检测

• 过流保护: 电流超过额定值 → 自动断电
• 欠压报警: 电压低于阈值 → 通知维护
• 功率突变: 功率突然升高/降低 → 设备故障预警

3. 能效分析

• 计算设备运行时间和能耗
• 识别高能耗设备和不合理用电模式
• 提供能效优化建议

Voltage Monitoring in Node-RED

Function: 电压监测逻辑

// 监控电压值，检测异常波动
var payload = msg.payload;
var voltage = payload.voltage || payload.ENERGY?.Voltage;

if (!voltage) {
    return null;
}

// 电压阈值配置
var THRESHOLD = {
    min: 200,  // 最低电压 (V)
    max: 250   // 最高电压 (V)
};

// 获取设备 ID
var deviceId = payload.device || msg.topic.split('/')[2] || "unknown";

// 构建监测消息
var monitoringResult = {
    device: deviceId,
    voltage: voltage,
    status: "normal",
    timestamp: Date.now()
};

// 电压异常检测
if (voltage < THRESHOLD.min) {
    monitoringResult.status = "undervoltage";
    monitoringResult.alert = "电压过低: " + voltage + "V";
    monitoringResult.severity = "warning";
} else if (voltage > THRESHOLD.max) {
    monitoringResult.status = "overvoltage";
    monitoringResult.alert = "电压过高: " + voltage + "V";
    monitoringResult.severity = "critical";
}

msg.payload = monitoringResult;

// 发送到 InfluxDB 和告警流程
return msg;

Current Monitoring for Device State

Function: 基于电流的设备状态判断

// 通过电流值判断设备运行状态
var payload = msg.payload;
var current = payload.current || payload.ENERGY?.Current;

if (current === undefined) {
    return null;
}

var deviceId = msg.topic.split('/')[2] || "unknown";

// 设备状态阈值（根据实际设备调整）
var STATE = {
    OFF: { max: 0.05 },      // 断电
    STANDBY: { max: 0.5 },   // 待机
    RUNNING: { min: 0.5 },   // 运行中
    OVERLOAD: { min: 14.0 }  // 过载
};

var state, powerState;
if (current < STATE.OFF.max) {
    state = "off";
    powerState = 0;
} else if (current < STATE.STANDBY.max) {
    state = "standby";
    powerState = 1;
} else if (current < STATE.OVERLOAD.min) {
    state = "running";
    powerState = 2;
} else {
    state = "overload";
    powerState = 3;
}

// 获取上一次状态，检测变化
var prevState = context.get("deviceState_" + deviceId) || "unknown";

// 状态变化检测
if (prevState !== state) {
    context.set("deviceState_" + deviceId, state);
    node.status({fill: "blue", shape: "dot", text: state});

    // 状态变化时触发额外逻辑
    msg.state_changed = true;
    msg.prev_state = prevState;
}

msg.payload = {
    device: deviceId,
    current: current,
    state: state,
    powerState: powerState,
    timestamp: Date.now()
};

return msg;

Power Consumption Pattern Analysis

Function: 运行时间统计

// 统计设备运行时间
var current = msg.payload.current || 0;
var deviceId = msg.topic.split('/')[2] || "unknown";
var runningThreshold = 0.5;  // 运行电流阈值

// 使用 Context 存储运行状态
var runState = context.get("runState_" + deviceId) || {
    isRunning: false,
    startTime: null,
    totalRunTime: 0,       // 累计运行时间 (秒)
    lastUpdate: Date.now()
};

var now = Date.now();
var isRunning = current > runningThreshold;

// 状态切换
if (isRunning && !runState.isRunning) {
    // 设备启动
    runState.isRunning = true;
    runState.startTime = now;
    node.status({fill: "green", shape: "dot", text: "运行中"});
} else if (!isRunning && runState.isRunning) {
    // 设备停止
    runState.isRunning = false;
    var runDuration = (now - runState.startTime) / 1000;
    runState.totalRunTime += runDuration;
    runState.startTime = null;
    node.status({fill: "yellow", shape: "dot", text: "已停止"});
}

// 更新累计运行时间
if (runState.isRunning) {
    runState.totalRunTime += (now - runState.lastUpdate) / 1000;
}

runState.lastUpdate = now;
context.set("runState_" + deviceId, runState);

// 输出运行统计
msg.payload = {
    device: deviceId,
    isRunning: isRunning,
    totalRunTimeHours: Math.round(runState.totalRunTime / 3600 * 100) / 100,
    currentPower: msg.payload.power || 0,
    estimatedEnergy: msg.payload.power ?
        (msg.payload.power * runState.totalRunTime / 3600 / 1000) : 0,
    timestamp: now
};

return msg;

Voltage/Current Dashboard Panels

Grafana Flux 查询示例

-- 实时电压监控面板
from(bucket: "nodered")
    |> range(start: -1h)
    |> filter(fn: (r) => r._measurement == "energy_consumption")
    |> filter(fn: (r) => r._field == "voltage")
    |> aggregateWindow(every: 1m, fn: mean)
    |> yield(name: "voltage")

-- 电流与设备状态面板
from(bucket: "nodered")
    |> range(start: -1h)
    |> filter(fn: (r) => r._measurement == "energy_consumption")
    |> filter(fn: (r) => r._field == "current")
    |> aggregateWindow(every: 1m, fn: mean)

Common Customer Questions

Q1: 电压波动多少属于正常范围？

中国标准（GB/T 12325）：220V 单相供电电压偏差为额定值的 +7% 至 -10%。即 198V ~ 235.4V 属于正常范围。

Q2: 如何通过电流判断电机类设备状态？

电机启动时电流会是额定电流的 5-7 倍（启动电流），持续几秒后回落到正常运行值。通过监测这个特征可以判断电机启动是否正常。

Q3: 功率因数 (PF) 低说明什么？

功率因数低于 0.8 意味着无功功率占比高，常见于电机、变压器等感性负载。低 PF 会增加电网损耗，某些工业场景需要对 PF 进行补偿。

最佳实践

✅ 推荐做法:

• 设置合理的电压/电流阈值，避免误报
• 使用 Context 存储设备状态变化历史
• 电流监测结合功率因数综合判断设备状态
• 记录状态变化事件用于故障分析

❌ 避免做法:

• 单一阈值判断设备状态（考虑启动电流）
• 忽略电压校准导致数据偏差
• 过高频率的采样导致 InfluxDB 存储膨胀
• 在数据库中存储状态文本而非编码

Summary

1. 电压监测用于检测电网质量和异常波动
2. 电流监测可以判断设备的运行/待机/关闭状态
3. 功率因数反映设备的用电效率
4. Node-RED 的 Context 可存储状态变化历史
5. 基于电流的模式分析可检测设备启动、运行和异常

References

• 中国电压标准 GB/T 12325
• Shelly 功率监测芯片 ADE7953
• Tasmota 能耗监测命令