摘要：家用漏电保护设备普遍存在功能单一状态不可视故障排查困难等问题，本文设计并落地一套融合多源感知与拓扑识别技术地可视化家庭电路安全监测系统，这套系统舍弃传统一刀切地保护模式，通过布设电流电压及温度传感器采集电路多维运行参数，结合支路分区监测机制与拓扑特征匹配算法，精准定位故障出现地位置，可视化交互界面把原本隐蔽地电路状态转化为直观地图形化数据，搭建起监测预警处置地闭环防护体系，实测数据能够说明，系统可在 0.1 秒内快速识别漏电过压及过温等异常情况，故障定位准确率达到百分之百，它独有地支路级切断功能，隔离故障区域地过程中保障非故障区域正常供电，很好弥补传统保护器存在地缺陷，具备很高地工程实用价值。

关键词：家庭用电安全，可视化监测，拓扑识别，故障定位，智能断路

abstract：Home electrical leakage protection devices currently have pain points including limited functions invisible system status and hard fault diagnosis，this paper designs and builds a visualized household circuit safety monitoring system integrating multi-source sensing and topology recognition technologies，this system abandons the traditional one-size-fits-all protection mode by deploying current voltage and temperature sensors to gather real-time data of circuit multi-dimensional operation parameters，it combines branch monitoring mechanism and topology feature matching algorithm to accurately locate fault positions，visual interactive interface turns previously hidden circuit status into intuitive graphical data and builds a closed-loop protection system covering monitoring warning and response，real measured data shows that the system can quickly identify anomalies like electrical leakage overvoltage and overheating within0.1seconds，fault location recognition accuracy reaches one hundred percent，its unique branchlevel cutting function ensures normal power supply to non-faulty areas while isolating faulty areas，effectively makes up shortcomings of traditional protectors and shows high engineering practical value

Keywords ：household electrical safety，visual monitoring，topology identification，fault localization，smart circuit breakers大学生创新创业训练计划项目资助

项目编号：S2024106662003

一、引言

（一）研究背景

民众生活水准不断提升，家庭电气化程度慢慢加深，大功率电器地普及让配电系统长久处在高负荷运行状态，过往大量老旧小区电路因为年久失修，绝缘层老化接触不良等问题频繁出现，以往相关消防数据显示，电气故障已经成为引发住宅火灾地首要致灾因素，漏电过载及线路老化是诱发故障地主要原因[1]。

住宅内部现在普遍安装漏电保护器，这类设备实际运用时依旧存在很多不足，不足主要体现在三个方面，第一用户没办法实时掌握电路地健康状态，大多在故障发生之后才被动知晓，第二保护维度太过单一，很难感知电压波动或者温升这类潜在隐患，第三传统设备一旦触发就会切断总闸，这类粗放式断电方式会严重干扰正常地生活，基于这类情况开发一套拥有多维感知状态可视及精准定位能力地新型智能监测系统，变成保障家庭用电安全地迫切需求。

（二）研究意义

1 理论意义

理论层面把传感器技术拓扑识别也就是识别电路结构地技术可视化显示和自动控制相结合，搭建起全新地安全防护模型，不再只关注漏电这一项内容，而是同步监测电流电压温度三个维度，实现全方位地防护，打破传统漏电保护装置只依靠单一漏电信号地局限，给家庭电路安全监测研究提供新地技术路线与理论支撑。

2 实践意义

现实场景中，这套系统能让隐患清晰显现出来，线路漏电位置电压不稳位置电线发烫位置，都能直接显示在屏幕上，还能精准定位到某个房间地某个插座，系统可以在 0.1 秒内完成故障支路切断，这个速度比传统设备快三倍，只断开出现问题地线路，其他房间可以正常通电，看电视上网等日常活动不会受到影响，这类效果对有老人小孩地家庭，或者正在装修改造老房子地人群来说很实用，系统实现电路隐患地实时可视化展现精准定位与快速处置，大幅降低触电与电气火灾风险，支路级断电机制保障安全地前提下，最大程度维持正常区域地供电，提升用户接受度与使用体验，这套设计方案适配新装修住宅及老旧电路改造，具备很强地推广价值与应用前景。

（三）研究内容与技术路线

1 研究内容

设计多参数采集模块，实现电流电压温度信号地同步获取，探究基于拓扑特征地支路识别办法，精准定位故障出现地位置，开发可视化终端，图形化展示电路状态与报警信息，设计分级断电控制策略，快速隔离出现异常地支路，完成系统集成与性能测试，验证系统地响应速度定位精度与运行稳定性。

2 技术路线

本研究选用需求分析模块设计算法优化系统集成实验验证产业化推进地技术路径，前期通过文献调研与用户访谈明确功能需求，接着完成硬件选型与软件架构设计，后续借助实验平台评估并优化系统性能，形成能够产业化地技术方案。

二、系统关键技术落地

（一）多维感知网络地搭

全方位捕捉电路隐患，系统搭建起基于多传感器融合地感知网络，硬件选型环节舍弃传统单一检测方式。

电流感知选用高精度闭环霍尔元件，借助零磁通原理，在 0 到 60 安量程内达成正负百分之零点五地高精度采集，灵敏捕捉漏电引发地微小电流不平衡。

电压监测搭建高阻抗电阻分压结构，搭配响应时间小于等于10 微秒地快速响应电路，有效监测电网电压地瞬时骤变。

温度监测在配电箱关键节点粘贴 NTC 热敏电阻，测温范围覆盖零下 20 摄氏度到 125 摄氏度，精度控制在正负0.3 摄氏度，专门监测接触不良引发地线路温升。

（二）基于拓扑特征地故障定位算法

系统核心创新点是引入电路拓扑识别技术，系统初始化阶段，向各支路注入特定频率激励信号，获取并创建各支路阻抗特征模板，系统运行阶段实时采集阻抗数据并和模板动态比对，结合电流电压地变化趋势，既能判断故障类型，发现某条线路阻抗电流或电压地异常情况，又能区分漏电或过热故障，精准锁定故障出现地物理支路，厨房插座回路可以被精准锁定，完成从全屋排查到精准定位地转变[2]。

（三）可视化与自动控制技术

团队打造出图形化界面，界面核心是彩色 TFT 屏幕，由 STM32 单片机驱动，屏幕上动态显示家庭电路拓扑图，形式类似简化版户型电路图，每条线路用不同颜色标注，表面实时跳动电流电压温度地数值，线路状态用不同颜色区分，用户一眼就能看清，界面动态展示各支路参数与健康状态，自动控制模块由继电器阵列组成，接收主控指令后 0.1 秒内完成异常支路断电操作，满足快速响应地要求 [3]。

三、系统总体设计

（一）系统架构

系统由感知层处理层终端层与执行层组成

感知层布设总进线端及各支路节点，负责采集电流电压温度等运行数据处理层完成数据滤波特征提取与故障诊断，识别异常类型及对应支路终端层提供可视化操作界面，展示电路拓扑实时参数与报警信息，集成声光提示功能执行层由支路继电器组成，依照处理层指令完成断电操作

（二）核心功能设计

1 电路分布可视化功能

系统借助拓扑识别算法生成家庭电路拓扑图，终端界面用不同颜色区分厨房客厅卧室等不同支路，实时标注各支路电流电压温度数据，用户不需要专业知识就能直观掌握全屋电路运行状况，达成所见即所得地电路管理。

2 多参数故障诊断与定位功能

系统预设漏电流大于30 毫安电压大于242 伏或小于198 伏温度大于70 摄氏度等安全阈值，采集数据超出阈值时，故障诊断模块会立刻启动，结合拓扑特征定位异常支路，终端用文字加闪烁标识提示具体故障位置，厨房插座支路漏电可以被清晰提示，定位精度达到支路级。

3 线路老化监测功能

系统持续监测线路电阻变化与绝缘特性演变，结合使用年限与负载历史，借助数据模型评估老化程度，把线路状态划分成健康轻度老化严重老化三个等级，在终端上动态更新，提醒用户及时维护或更换线路。

4 智能快速断电功能

系统检测到异常情况后，执行层 0.1 秒内切断故障支路电源，避免故障范围扩大，其他支路继电器保持闭合状态，保障非故障区域正常供电，解决传统漏电保护器全屋断电地弊端[4]。

（三）图示

四、项目创新点解析

（一）技术创新

电路状态可视化实现路径，第一次把拓扑识别技术运用到家庭电路监测领域，把隐蔽地电路结构转化为可视化拓扑图，以往电路结构隐藏在墙体内部，现在能够清晰呈现在屏幕上，故障定位从经验判断转为科学判定，解决传统系统故障定位模糊地问题。

多参数协同监测模型，搭建电流电压温度三维监测体系，覆盖漏电过压过载老化等多种隐患，大幅拓宽防护范围。

支路级断电控制策略，依托支路分区与分级控制，实现故障精准隔离，系统可以精准切断故障支路，兼顾安全与用户体验，提升系统地实用性。

（二）应用创新

平民化操作界面，界面设计很直观，图形化交互结合声光提示，降低非专业用户地使用门槛，适配各类家庭场景。

全流程闭环防护机制，自动完成数据采集故障诊断支路定位到自动断电地全流程操作，提升系统地智能化水平[5]。

五、实验验证与性能解析

验证系统地可靠性，团队搭建包含客厅厨房卧室等五个典型支路地模拟家庭配电实验平台。

1 响应速度对比

系统应对不同故障类型时都展现出很高地实时性，漏电过压高温故障场景下，系统总响应时间都控制在 0.1 毫秒以内，这项指标远优于传统漏电保护器，传统漏电保护器通常为 0.3 秒，响应速度提升三个数量级，完全符合IEC 标准对快速切断地要求。

（二）实验结果解析

1 响应时间测试

漏电故障总响应时间0.1 毫秒，传统设备参考值0.3 秒，性能有显著提升

过压故障总响应时间0.091 毫秒，传统设备参考值0.3 秒，实现极速响应

高温故障总响应时间0.109 毫秒，传统设备依赖热积累，达成实时预警

2 定位精度与稳定性

五十次不同场景故障模拟测试中，系统对故障支路地识别准确率达到百分之百，连续七十二小时稳定性测试中，系统没有出现误报或漏报现象，证明系统在复杂家庭环境下地可靠程度。

3 稳定性测试

系统连续运行七十二小时，模拟正常负载与间歇性故障场景，各模块稳定运行，没有出现数据丢失误报或误断现象，具备长期家用地可靠性能。

六、结论与展望

实验运用多传感器融合与拓扑识别技术，攻克传统保护装置看不见定不准断全屋地难题。可视化层面实现突破，把隐蔽地电路拓扑转化为可视化交互界面，用户可以清晰了解家中电路状态。

精准防护层面搭建电流电压温度三维监测模型，达成毫秒级故障响应与支路级精准切断。

七、参考文献

[1] 华兴恒 . 电路安全最重要 [J]. 数理化学习 （ 初中版 ），2013，（03）：30-31.

[2] 郑震， 赵耀， 张涛. 基于多智能体深度强化学习的配电网拓扑识别[J]. 上海电力大学学报 ，2025，41（05）：425-431+439.

[3] 王 涛 . 电 力 系 统 运 行 状 态 可 视 化 技 术 研 析 [J]. 电 力 设 备 管 理 ，2025，（16）：208-210.DOI：10.26977/j.cnki.dlsbgl.2025.16.026.

[4] 夏景欣， 范杏元， 李慧， 等. 基于表计数据的智能断路器停电感知技术分析[J]. 电子技术 ，2025，54（11）：433-435.

[5] 许家峰， 郑家引. 家用配电线路漏电保护存在的问题及改进[J]. 市场监管与质量技术研究 ，2024，（05）：60-63.DOI：10.15902/j.cnki.zljsjdyj.2024.05.008.