CN115694225A

CN115694225A - 一种双向智能电表电路

Info

Publication number: CN115694225A
Application number: CN202211370247.3A
Authority: CN
Inventors: 吴长华; 伍晓健; 莫嘉良; 杨永宏
Original assignee: Meishile Guangdong New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Meishile Guangdong New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明公开了一种双向智能电表电路，包括火线L1、L2、零线N，开关单元、电流传感器、辅助电源单元，采集单元，处理器单元，通信和显示单元，所述L1和N组成接线端口1，所述L2和N组成接线端口2，辅助供电单元分别通过V_AC和接线端口1、通过V_BC和接线端口2连接，所述辅助供电单元依次为采集单元、处理器单元、通信和显示单元、电流传感器单元、开关单元供电，所述电流传感器输出电压V_DE，所述采集单元采集V_AC、V_BC、V_DE,经过信号处理后传输给处理器单元，处理器单元通过分析输送进来的信号判断此时输入电压、电流的状态，并最终发出控制指令控制开关单元的断开或者导通。

Description

一种双向智能电表电路

技术领域

本发明涉及电表技术领域，尤其是涉及一种双向智能电表电路。

背景技术

随着智能光伏电网系统、电动车智能充电站等逐步推广，具备检测记录、通信、负载切换控制等功能的智能电表也在行业上逐步出现。但市面上的多数的智能电表存在以下不足点：

1、市面上大多数智能电表在控制其内部的切换开关继电器闭合或者断开负载的时候，没有捕捉正弦交流电相位(过零点)来动作器内部的切换开关，若某次继电器是正弦市电的波峰处闭合，由于继电器触点两端的压差较大，且闭合瞬间负载会抽取较大的电流，继电器内部的触点在完全接触前容易击穿空气拉弧使得继电器的接触点金属熔化粘连，使得继电器失效，无法实现开关切换功能。

2、市面上大多数智能电表智能单向流通，即只能在电网有电情况下工作切换开关且只能计量从电网往设备供电的情况，无法在只有设备(如光伏逆变器)有电的情况下工作切换开关和计量从逆变器往电网供电的情况。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双向智能电表电路，可靠性高，避免由于电网干扰等导致处理器单元误判发出误动作，保证处理器单元对交流电压过零点的正确捕捉，有效提高了可靠性和正确性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种双向智能电表电路，包括火线L1、L2、零线N，开关单元、电流传感器、辅助电源单元，采集单元，处理器单元，通信和显示单元，所述L1和N组成接线端口1，所述L2和N组成接线端口2，辅助供电单元分别通过V_AC和接线端口1、通过V_BC和接线端口2连接，所述辅助供电单元依次为采集单元、处理器单元、通信和显示单元、电流传感器单元、开关单元供电，所述电流传感器输出电压V_DE，所述采集单元采集V_AC、V_BC、V_DE,经过信号处理后传输给处理器单元，处理器单元通过分析输送进来的信号判断此时输入电压、电流的状态，并最终发出控制指令控制开关单元的断开或者导通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述通信和显示单元是智能电表的对外交互通道，用于显示通过电表的L、N线的电压、电流、功率，同时通过有线、无线WIFI、蓝牙等方式与终端用户或者总机交互信息。

作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助电源单元包括二极管D1、二极管D2、滤波电容E1、AC-DC隔离电源模块和DC-DC电源模块，所述二极管D1和滤波电容E1,二极管D2和滤波电容E1分别各组成一个半波整流滤波单元，两个所述半波整流滤波单元依次与端口1、端口2连接，将交流输入电压V_AC或V_BC整流滤波成直流电压V_FC，所述V_FC通过AC-DC隔离电源变压输出两路+12V和+5V的直流电压，+5V通过DC-DC电源电路变压输出两路+3.3V和+1.625V的直流电压，辅助单元输出的上述直流电压供开关单元、电流传感器、采集单元、处理器单元、通信和显示单元使用。

作为本发明的一种优选技术方案，所述采集单元包括与处理器单元连接的电压采样处理模块和电流采样处理模块，所述电压采样处理模块包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，滤波电容C1、C2，运算放大器1A，比较器1B，以端口1作为输入为例，所述R1,R2,R3,R4和运算放大器1A组合形成差分比例放大电路，所述比较器1B和电阻R6,R7,R8组成滞回比较器电路，所述处理器单元包括DSP模块、Tri模块，所述DSP模块与差分比例放大电路输出端连接，所述Tri模块与滞回比较器电路输出端连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述差分比例放大电路输入端分别与端口1、+1.625V连接，所述差分比例放大电路输出0V～3.3V范围的电压，差分比例放大电路通过电阻R5和滤波电容C1将信号输送给处理器单元的DSP模块转换成数字信号，所述差分比例放大电路的输出端连接滞回比较器电路的“-”端，滞回比较器电路的“+”端与+1.625V连接，当“-”端电压大于+1.624V时，所述滞回比较器电路输出由高电平翻转为低电平，当“-”端电压小于+1.621V时，滞回比较器电路由低电平翻转为高电平，所述滞回比较器电路通过电阻R9和电容C2滤波处理后输送到处理器单元的Tri模块，处理器单元的DSP模块通过判断Tri模块的触发信号并结合端口1电压采样的波形包络进行双重判定，是否触发闭合或者断开开关单元的控制信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电流采样处理模块包括电阻R10、R11、R12、R13、R14，滤波电容C3和运算放大器2A，所述R11,R12,R13,R14和运算放大器2A组合成另一个差分比例放大电路，该所述差分比例放大电路“-”端与电流传感器连接，该所述差分比例放大电路“+”端与+1.625V连接，将电流传感器转换后的电压等比例放大处理，该所述差分比例放大电路通过电阻R10和电容C3输送到处理器单元进行电流采样，经过DSP模块数模转换处理，通过处理器单元判定该处理后的电压信号大小、相位，且结合端口1电压采样的大小、相位，计算出通过电路电表的瞬时功率、哪端为输入端、累计的用电量的信息。

作为本发明的一种优选技术方案，所述开关单元包括SCR驱动电路1，SCR驱动电路2，SCR晶体管Q1和SCR晶体管Q2，电磁继电器RL1,二极管D3，三极管Q3，电阻R15，R16，所述SCR驱动电路1，SCR驱动电路2依次与端口1和端口2连接，所述辅助电源单元通过三极管Q3与开关单元连接，电磁继电器RL1设于L1和L2连接处，以端口1作为输入端为例，当处理器单元分析后需要闭合开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON高电平，DR_Q2经过SCR驱动电路2隔离变压后驱动Q2导通，导通后L线电流流经Q2，继电器AB两点电压降低至约0V，RL_ON信号经过R16,R15分压和限流后驱动开通三极管Q3，继电器RL1的线圈储能吸合接触点4和3，继电器闭合达到AB两点完全联通的状态，导通后L线电流基本都流经RL1继电器，当处理器单元分析后需要断开开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON为低电平，Q1和继电器RL1同时在交流电压过零点断开，断开瞬间续流二极管D3将继电器线圈内的电流续流消耗，保护开关三极管Q3。

作为本发明的一种优选技术方案，以SCR驱动电路2为例，所述SCR驱动电路2包括电阻R17、R18、R19，二极管D4、D5、D6，开关三极管Q4，隔离变压器T1，滤波电容C4，所述DR_Q1信号经过R17,R18电阻分压限流后驱动开通三极管Q4，+12V经过变压器T1变压后经过二极管D5和R19限流后驱动Q1的GK极使得Q1导通，所述滤波电容C4为滤波电流防止干扰误驱动，所述二极管D4和D6均为续流钳位二极管，防止Q4断开后由于变压器线圈的续流、耦合作用使得Q4电压过高损坏。

与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：

1、本专利电路提出一种双向可用、且带切换开关功能的智能电表，辅助电源单元采用双端口交流半波整流方式取电，只要有一端有交流电压本智能电表则可正常工作，同时具备开关、电压电流采集及数据分析、显示、通信等多种功能；

2、本专利电路的交流电压过零捕捉过程采用差分比例放大电路包络检波和滞回比较器电路过零触发两重激发，滞回比较器电路可防止在交流电压过零点附近因为电压波动反复反转输出导致后端电路误动作，可靠性高，避免由于电网干扰等导致处理器单元误判发出误动作，保证处理器单元对交流电压过零点的正确捕捉，有效提高了可靠性和正确性；

3、本专利电路的开关单元使用可控硅SCR和继电器并联的方式，既可以有效保护继电器避免接触点拉弧熔化粘连，又可以克服继电器响应速度慢导致无法准确在过零点附近闭合，同时可以降低由于SCR存在导致的无功损耗；

4、辅助电源单元、SCR驱动电路模块均采用变压隔离的方式，使得高压交流市电和低压侧控制电路隔离，提高了用户使用的安全性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电表电路结构原理框图；

图2为本发明中辅助电源单元电路示意图；

图3为本发明中采集单元电路示意图；

图4为本发明中开关单元电路示意图；

图5为本发明中SCR驱动电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

参阅图1～5所示，本发明提供一种双向智能电表电路，包括火线L1、L2、零线N，开关单元、电流传感器、辅助电源单元，采集单元，处理器单元，通信和显示单元，所述L1和N组成接线端口1，所述L2和N组成接线端口2，辅助供电单元分别通过V_AC和接线端口1、通过V_BC和接线端口2连接，用户使用时，可将端口1作为交流电压输入，端口2作为交流电压输出，或也可以将端口1作为输出，端口2作为输入，使得不管哪个端口作为输入端口，辅助电源都可以正常工作输出本电路需要的直流电压，所述辅助供电单元依次为采集单元、处理器单元、通信和显示单元、电流传感器单元、开关单元供电，所述电流传感器输出电压V_DE，所述采集单元采集V_AC、V_BC、V_DE,经过信号处理后传输给处理器单元，处理器单元通过分析输送进来的信号判断此时输入电压、电流的状态，并最终发出控制指令控制开关单元的断开或者导通。

所述通信和显示单元是智能电表的对外交互通道，用于显示通过电表的L、N线的电压、电流、功率，同时通过有线(如RS485通信协议)、无线WIFI、蓝牙等方式与终端用户或者总机交互信息。

优选的，所述辅助电源单元包括二极管D1、二极管D2、滤波电容E1、AC-DC隔离电源模块和DC-DC电源模块，所述二极管D1和滤波电容E1,二极管D2和滤波电容E1分别各组成一个半波整流滤波单元，两个所述半波整流滤波单元依次与端口1、端口2连接，将交流输入电压V_AC或V_BC整流滤波成直流电压V_FC，使得不管哪个端口作为输入端口，辅助电源都可以正常工作输出本电路需要的直流电压，V_FC通过AC-DC隔离电源变压输出两路+12V和+5V的直流电压，+5V通过DC-DC电源电路变压输出两路+3.3V和+1.625V的直流电压，辅助单元输出的上述直流电压供开关单元、电流传感器、采集单元、处理器单元、通信和显示单元使用；特别说明的是，AC-DC隔离电源、DC-DC电源为行业通用电路，非本专利电路的创新点部分，此处无体现详细的电路&器件。

优选的，所述采集单元包括与处理器单元连接的电压采样处理模块和电流采样处理模块，所述电压采样处理模块包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，滤波电容C1、C2，运算放大器1A(如ANX7002芯片)，比较器1B(如LM293芯片)，以端口1作为输入为例，所述R1,R2,R3,R4和运算放大器1A组合形成差分比例放大电路，所述比较器1B和电阻R6,R7,R8组成滞回比较器电路，所述处理器单元包括DSP模块(如STM32F103)，Tri模块，所述DSP模块与差分比例放大电路输出端连接，所述Tri模块与滞回比较器电路输出端连接，

所述差分比例放大电路输入端分别与端口1、+1.625V连接，将端口1的V_AC交流正弦电压比例缩小并叠加在+1.625V上，所述差分比例放大电路输出0V～3.3V范围的电压，差分比例放大电路通过电阻R5和滤波电容C1将信号输送给处理单元的DSP模块转换成数字信号；同时，所述差分比例放大电路的输出端连接滞回比较器电路的“-”端，滞回比较器电路的“+”端与+1.625V连接，(使用滞回比较器电路可防止在交流电压过零点附近因为电压波动反复反转输出导致后端电路误动作，可靠性高)，当“-”端电压大于+1.624V时，所述滞回比较器电路输出由高电平翻转为低电平，当“-”端电压小于+1.621V时，滞回比较器电路由低电平翻转为高电平，所述滞回比较器电路通过电阻R9和电容C2滤波处理后输送到处理器单元的Tri模块，电平翻转瞬间触发，处理器单元做出响应，处理器单元的DSP模块通过判断Tri模块的触发信号并结合端口1电压采样的波形包络进行双重判定(避免由于电网干扰等导致DSP误判发出误动作)是否触发闭合或者断开开关单元的控制信号；同理，以端口2作为输入也如此，此处不再赘述；

所述电流采样处理模块包括电阻R10、R11、R12、R13、R14，滤波电容C3和运算放大器2A(如ANX7002芯片)，如图3所示，所述R11,R12,R13,R14和运算放大器2A组合成另一个差分比例放大电路，该所述差分比例放大电路“-”端与电流传感器连接，该所述差分比例放大电路“+”端与+1.625V连接，将电流传感器转换后的电压等比例放大处理，该所述差分比例放大电路通过电阻R10和电容C3输送到处理器单元进行电流采样，经过DSP模块数模转换处理，通过判定该处理后的电压信号大小、相位，且结合端口1电压采样的大小、相位(例：二者相位差180°则端口1为输入，否则端口2为输入)，计算出通过电路电表的瞬时功率、哪端为输入端、累计的用电量的信息。

优选的，所述开关单元包括SCR驱动电路1，SCR驱动电路2，SCR晶体管Q1和SCR晶体管Q2，电磁继电器RL1,二极管D3，三极管Q3，电阻R15，R16，所述SCR驱动电路1，SCR驱动电路2依次与端口1和端口2连接，所述辅助电源单元通过三极管Q3与开关单元连接，电磁继电器RL1设于L1和L2连接处，以端口1作为输入端为例(端口2作为输入同样原理)，当处理器单元分析后需要闭合开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON高电平，DR_Q2经过SCR驱动电路2隔离变压后驱动Q2导通，Q2为半导体器件响应速度极快可瞬间达到闭合效果，导通后L线电流流经Q2，继电器AB两点电压降低至约0V，RL_ON信号经过R16,R15分压和限流后驱动开通三极管Q3，继电器RL1的线圈储能吸合接触点4和3，继电器闭合达到AB两点完全联通的状态，导通后L线电流基本都流经RL1继电器，整个响应过程经时约4ms级别(继电器线圈的储能耗时)；由于Q1先完全导通，使得继电器闭合前接触点压差极小，不会出现拉弧现象，继电器闭合后L线电流基本不流经Q1，如此既可以降低Q1上的无功损耗，又可以很好地保护继电器不粘连触点损坏，同时还可以达到快速在交流电压过零点附近快速响应闭合开关单元的目的；当处理器单元分析后需要断开开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON为低电平，Q1和继电器RL1同时在交流电压过零点断开，断开瞬间续流二极管D3将继电器线圈内的电流续流消耗，保护开关三极管Q3。

优选的，所述SCR驱动电路2包括电阻R17、R18、R19，二极管D4、D5、D6，开关三极管Q4，隔离变压器T1，滤波电容C4，以本专利电路中SCR驱动电路2为例(SCR驱动电路1同样原理)，所述DR_Q1信号经过R17,R18电阻分压限流后驱动开通三极管Q4，+12V经过变压器T1变压后经过二极管D5和R19限流后驱动Q1的GK极使得Q1导通，所述滤波电容C4为滤波电流防止干扰误驱动；所述二极管D4和D6均为续流钳位二极管，防止Q4断开后由于变压器线圈的续流、耦合作用使得Q4电压过高损坏。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种双向智能电表电路，其特征在于：包括火线L1、L2、零线N，开关单元、电流传感器、辅助电源单元，采集单元，处理器单元，通信和显示单元，所述L1和N组成接线端口1，所述L2和N组成接线端口2，辅助供电单元分别通过V_AC和接线端口1、通过V_BC和接线端口2连接，所述辅助供电单元依次为采集单元、处理器单元、通信和显示单元、电流传感器单元、开关单元供电，所述电流传感器输出电压V_DE，所述采集单元采集V_AC、V_BC、V_DE,经过信号处理后传输给处理器单元，处理器单元通过分析输送进来的信号判断此时输入电压、电流的状态，并最终发出控制指令控制开关单元的断开或者导通。

2.根据权利要求1所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述通信和显示单元是智能电表的对外交互通道，用于显示通过电表的L、N线的电压、电流、功率，同时通过有线、无线WIFI、蓝牙等方式与终端用户或者总机交互信息。

3.根据权利要求1所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述辅助电源单元包括二极管D1、二极管D2、滤波电容E1、AC-DC隔离电源模块和DC-DC电源模块，所述二极管D1和滤波电容E1,二极管D2和滤波电容E1分别各组成一个半波整流滤波单元，两个所述半波整流滤波单元依次与端口1、端口2连接，将交流输入电压V_AC或V_BC整流滤波成直流电压V_FC，所述V_FC通过AC-DC隔离电源变压输出两路+12V和+5V的直流电压，+5V通过DC-DC电源电路变压输出两路+3.3V和+1.625V的直流电压，辅助单元输出的上述直流电压供开关单元、电流传感器、采集单元、处理器单元、通信和显示单元使用。

4.根据权利要求3所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述采集单元包括与处理器单元连接的电压采样处理模块和电流采样处理模块，所述电压采样处理模块包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，滤波电容C1、C2，运算放大器1A，比较器1B，以端口1作为输入为例，所述R1,R2,R3,R4和运算放大器1A组合形成差分比例放大电路，所述比较器1B和电阻R6,R7,R8组成滞回比较器电路，所述处理器单元包括DSP模块、Tri模块，所述DSP模块与差分比例放大电路输出端连接，所述Tri模块与滞回比较器电路输出端连接。

5.根据权利要求4所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述差分比例放大电路输入端分别与端口1、+1.625V连接，所述差分比例放大电路输出0V～3.3V范围的电压，差分比例放大电路通过电阻R5和滤波电容C1将信号输送给处理器单元的DSP模块转换成数字信号，所述差分比例放大电路的输出端连接滞回比较器电路的“-”端，滞回比较器电路的“+”端与+1.625V连接，当“-”端电压大于+1.624V时，所述滞回比较器电路输出由高电平翻转为低电平，当“-”端电压小于+1.621V时，可以通过调节电阻R7的阻值来调节滞回比较器的比较电平的回差，提高比较器电路动作的准确性，滞回比较器电路由低电平翻转为高电平，所述滞回比较器电路通过电阻R9和电容C2滤波处理后输送到处理器单元的Tri模块，处理器单元的DSP模块通过判断Tri模块的触发信号并结合端口1电压采样的波形包络进行双重判定，是否触发闭合或者断开开关单元的控制信号。

6.根据权利要求4所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述电流采样处理模块包括电阻R10、R11、R12、R13、R14，滤波电容C3和运算放大器2A，所述R11,R12,R13,R14和运算放大器2A组合成另一个差分比例放大电路，该所述差分比例放大电路“-”端与电流传感器连接，该所述差分比例放大电路“+”端与+1.625V连接，将电流传感器转换后的电压等比例放大处理，该所述差分比例放大电路通过电阻R10和电容C3输送到处理器单元进行电流采样，经过DSP模块数模转换处理，通过处理器单元判定该处理后的电压信号大小、相位，且结合端口1电压采样的大小、相位，计算出通过电路电表的瞬时功率、哪端为输入端、累计的用电量的信息。

7.根据权利要求4所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：所述开关单元包括SCR驱动电路1，SCR驱动电路2，SCR晶体管Q1和SCR晶体管Q2，电磁继电器RL1,二极管D3，三极管Q3，电阻R15，R16，所述SCR驱动电路1，SCR驱动电路2依次与端口1和端口2连接，所述辅助电源单元通过三极管Q3与开关单元连接，电磁继电器RL1设于L1和L2连接处，以端口1作为输入端为例，当处理器单元分析后需要闭合开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON高电平，DR_Q2经过SCR驱动电路2隔离变压后驱动Q2导通，导通后L线电流流经Q2，继电器AB两点电压降低至约0V，RL_ON信号经过R16,R15分压和限流后驱动开通三极管Q3，继电器RL1的线圈储能吸合接触点4和3，继电器闭合达到AB两点完全联通的状态，导通后L线电流基本都流经RL1继电器，当处理器单元分析后需要断开开关单元后，发出DR_Q2、RL_ON为低电平，Q1和继电器RL1同时在交流电压过零点断开，断开瞬间续流二极管D3将继电器线圈内的电流续流消耗，保护开关三极管Q3。

8.根据权利要求7所述的一种双向智能电表电路，其特征在于：以SCR驱动电路2为例，所述SCR驱动电路2包括电阻R17、R18、R19，二极管D4、D5、D6，开关三极管Q4，隔离变压器T1，滤波电容C4，所述DR_Q1信号经过R17,R18电阻分压限流后驱动开通三极管Q4，+12V经过变压器T1变压后经过二极管D5和R19限流后驱动Q1的GK极使得Q1导通，所述滤波电容C4为滤波电流防止干扰误驱动，所述二极管D4和D6均为续流钳位二极管，防止Q4断开后由于变压器线圈的续流、耦合作用使得Q4电压过高损坏。