CN117330828A - 一种具有客户端短路保护功能电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有客户端短路保护功能电能表，包括，继电器、短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块、一短路信号阈值比较器、一或逻辑模块、一继电器拉闸开关、一短路电流采样锰铜电阻、一火线电流采样锰铜电阻，其中短路电流采样锰铜电阻一端连接火线电流采样锰铜电阻，另一端连接继电器，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块的两个输入端分别与短路电流采样锰铜电阻的两端相连接；所述短路信号阈值比较器一端连接所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块的输出端，另一端连接所述或逻辑模块的一输入端，所述或逻辑模块的另一输入端连接电能表的MCU，输出端连接所述继电器拉闸开关。
Description
技术领域
本发明涉及电量度量及客户端安全用电保护领域，具体来说，涉及一种具有客户端短路保护功能的电能表。
背景技术
按照国家标准《低压配电设计规范》GB 50054-2011在低压电网配电末端都须安装短路保护器，以此来保护上一级线路及设备的安全，达到预防因短路产生的安全隐患。在居民及工商业电力用户的电能表出线侧均须安装短路保护器。目前的电能表还没有具备短路保护功能。
本文提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本文另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种具有客户端短路保护功能电能表，包括，一短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块(205)、一短路信号阈值比较器(204)、一或逻辑模块(207)、一继电器拉闸开关(206)、一继电器合闸开关(208)、一双线圈磁保持继电器(301)、一短路电流采样锰铜电阻(203)、一火线电流采样锰铜电阻(217)，其中短路电流采样锰铜电阻一端连接火线电流采样锰铜电阻，另一端连接双线圈磁保持继电器301触点回路，所述双线圈磁保持继电器拉闸端连接继电器拉闸开关206，所述双线圈磁保持继电器合闸端连接继电器合闸开关208，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205一输入端连接所述短路电流采样电阻的短路采样点A，另一输入端连接所述短路电流采样锰铜电阻的短路采样点B；所述短路信号阈值比较器204一输入端连接所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205输出端，输出端连接所述或逻辑模块207一输入端，所述或逻辑模块207的输出端连接所述继电器拉闸开关206，所述或逻辑模块207的另一输入端连接电能表的MCU，所述短路信号阀值比较器204的参考电压为预设电压值。
具体的，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205包括第六运算放大器U6A，所述第六运算放大器U6A用于对客户侧短路在短路电流采样锰铜电阻R0上瞬间产生突变工频(50Hz)交流压差信号进行相应倍数运算放大输出UO-1交流信号。
具体的，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205还包括：由第二运算放大器U2A组成的半波整流电路以及第三运算放大器U2B，所述第三运算放大器U2B构成加法器用于对半波整流电路的输出信号进行反相求和运算输出UO-3全波直流信号，所述半波整流电路对所述UO-1交流信号进行半波整流。
具体的，所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块205还包括滤波电路，所述滤波电路用于对UO-3全波直流信号进行滤波。
具体的，还包括：第一光电耦合器U1，所述第一光电耦合器U1用于将所述短路信号阈值比较器204输出的信号反相隔离传递给所述或逻辑模块207。
具体的，还包括一短路信息检测点218，所述短路信息检测点第三二极管D3正极与所述短路信号阈值比较器204输出端连接，所述短路信息检测点第三二极管D3负极与MCU连接，用于电能表获取客户端的短路信息。
具体的，还包括一MCU、载波通信210、红外通信211、RS485通信212；时钟模块214、显示模块215、存储模块216，所述MCU连接所述短路信息检测点218，以获取短路信号，所述MCU还分别连接与载波通信210、红外通信211、RS485通信212、时钟模块214、显示模块215、存储模块216。
具体的，其特征在于还包括一电池模块213，所述电池模块213用于为MCU提供电能。
具体的，还包括一计量模块202，所述计量模块用于计量客户端用的电量。
具体的，还包括：第二三极管Q2，其中第二三极管Q2的基极接MCU合闸信号端口，第二三极管Q2的极集电极接上拉电源，第二三极管Q2的发射极接所述继电器的合闸端。
本发明利用电能表客户端电力线路或电气设备短路瞬间产生的瞬间短路电流在短路电流采样锰铜电阻上瞬间产生突变工频交流压差电压信号，通过对这一电压信号进行捕捉并运算放大相应倍数+绝对值全波整流+电压比较器比较输出处理，能够精准地将短路电流在短路电流采样锰铜电阻上瞬间产生突变工频交流压差电压信号转化为可靠的继电器逻辑拉闸驱动电信号，瞬间驱动继电器触点断开。短路拉闸驱动逻辑控制电信号由硬件电路实时监测取样并进行运算放大、绝对值全波精密整流滤波、电压比较器精准比较、拉闸控制逻辑信号直接驱动继电器拉闸，没有经过MCU的程序指令抄读计量芯片电流值与预设的阈值进行比较判断输出的中间软件和硬件环节，使得短路拉闸在时间方面十分精准，在性能方面更加可靠。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种具有客户端短路保护功能电能表的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有客户端短路保护功能电能表的短路判断以及合闸控制示意图；
图3是本发明实施例提供的一种具有客户端短路保护功能电能表的客户端短路保护部分技术原理电路图之一；
图4是本发明实施提供的一种具有客户端短路保护功能电能表的客户端短路保护部分技术原理电路图之二。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参考图1、2，本实施例公开了一种具有客户端短路保护功能电能表，其包括：一双线圈磁保持继电器(301)、一短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205、一短路信号阈值比较器204、一或逻辑模块207、一继电器拉闸开关206，一继电器合闸开关208、一短路电流采样锰铜电阻203、一火线采样锰铜电阻217，其中火线进线连接所述火线采样锰铜电阻，所述火线采样锰铜电阻另一端连接短路电流采样锰铜电阻，所述短路电流采样锰铜电阻连接继电器，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块205一输入端连接短路取样A点，另一输入端连接短路取样B点；所述短路电流阈值比较器204一端连接所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块205，另一端连接所述或逻辑模块207的一输入端，所述或逻辑模块207的另一输入端连接MCU的继电器拉闸控制管脚，所述或逻辑模块207的输出端连接所述继电器拉闸开关206，所述继电器拉闸开关用于控制继电器拉闸线圈的驱动电压；所述短路信号阀值比较器204的参考电压为预设电压值。
具体的，所述拉闸逻辑输出信号A在高电平是为拉闸信号。
火线进与零线进为电能表的输入侧，火线出与零线出为电能表的输出侧，即客户侧。当电能表客户侧出现短路工况时，短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块(205)所监视的短路取样A点(短路电流取样锰铜电阻与火线电流采样锰铜电阻连接端)与短路取样B点(短路电流取样锰铜电阻与继电器连接端)两点之间的瞬间产生短路电流，因短路电流产生瞬间，同步地在A点与B点之间出现一交流电压差信号。该交流电压信号经过信号放大及绝对值全波整流模块整流输出与短路信号阀值比较器进行比较输出(短路信号阀值比较器的参考电压在出厂前通过调整电压比较器同相端分压电阻成功设置)至或逻辑模块(207)，或逻辑模块输出控制逻辑信号驱动继电器拉闸开关(206)给继电器(301)拉闸端提供拉闸电压，继电器触点瞬间断开，从而实现电能表客户侧短路保护功能。
参考图2，该交流电压信号经过信号放大及绝对值全波整流模块整流输出与短路信号阀值比较器进行比较输出，在信号放大及绝对值全波整流模块输出的电压大于电压比较器的参考电压时，其输出高电平，输出拉闸逻辑输出信号B。在拉闸逻辑信号B为高电平时，如所述拉闸逻辑输出信号A为低电平(或不输出，其不输出默认为低电平)输出控制逻辑信号驱动继电器拉闸开关(206)给继电器(301)拉闸端提供拉闸电压，继电器触点瞬间断开。
上述讨论的是电能表自动检测到客户侧短路的行为，即拉闸逻辑输出信号B为高电平。在另一个实施方式中，具有客户端短路保护功能电能表也可以接受继电器控制模块输出的拉闸信号A，以控制继电器断开。
本实施例的利用电能表客户端电力线路或电气设备短路瞬间产生的瞬间短路电流在短路电流采样锰铜电阻两端瞬间产生突变工频交流压差电压信号，通过对这一电压信号进行捕捉并运算放大相应倍数+精密绝对值全波整流+电压比较器比较输出处理，能够精准地将短路电流在短路电流采样锰铜电阻两端瞬间产生突变工频交流压差电压信号转化为可靠的继电器逻辑拉闸驱动电信号，瞬间驱动继电器触点断开。短路拉闸驱动逻辑控制电信号由硬件电路实时监测取样并进行运算放大、绝对值全波精密整流滤波、电压比较器精准比较、拉闸控制逻辑信号直接驱动继电器拉闸，没有经过MCU的程序指令抄读计量芯片电流值与预设的阈值进行比较判断输出的中间软件和硬件环节，使得短路拉闸在时间方面十分精准，在性能方面更加可靠。
参考图3-4，所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块205包括第六运算放大器U6A，所述第六运算放大器U6A用于对客户端短路在短路采样锰铜电阻R0两端瞬间产生突变工频(50Hz)交流压差信号进行相应倍数运算放大输出UO-1交流信号。
所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块205还包括：第二运算放大器U2A组成的半波整流电路以及第三运算放大器U2B，所述第三运算放大器构成加法器用于对半波整流电路的输出信号进行反相求和运算输出UO-3全波直流信号，所述半波整流电路对所述UO-1交流信号进行半波整流。
所述半波整流电路包括：第7电阻R7、第9电阻R9、第2电阻R2、第2运算放大器A通道U2A、第1二极管D1、第2二极管D2。
所述第三运算放大器构成加法器具体包括：第1电阻R1、第4电阻R4、第10电阻R10、第5电阻R5、第3运算放大器U2B。
所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块205还包括滤波电路，所述滤波电路用于对UO-3全波直流信号进行滤波。
所述滤波电路包括：第4电容器C4、第2电容器C2。
具体的，本实施例的具有客户端短路保护功能电能表还包括：第一光电耦合器U1，所述第一光电耦合器U1用于将所述短路信号阈值比较器204输出的信号反相隔离传递给所述或逻辑模块207。
具体的，本实施例的具有客户端短路保护功能电能表还包括：第二三极管Q2，其中第二三极管Q2的基极接电表主控合闸信号，第二三极管Q2的极集电极接上拉电源，第二三极管Q2的发射极接所述继电器的合闸端。
本实施例通过第二三极管Q2接电表主控合闸信号，待客户端短路工况排除后，管理平台发送合闸命令，电能表收到合闸命令后，电表主控合闸信号输出点UO-7输出高电平“1”，此高电平通过第17电阻R17控制第二三极管Q2导通，继电器合闸线圈得电，继电器触点闭合，客户侧恢复正常用电。
以下介绍本实施例的具体电路信号处理逻辑：第6运算放大器A通道U6A对客户侧短路在短路电流采样锰铜电阻R0两端瞬间产生突变工频(50Hz)交流压差信号进行相应倍数运算放大输出UO-1交流信号，经第7电阻R7、第9电阻R9、第2电阻R2、第2运算放大器A通道U2A、第1二极管D1、第2二极管D2组成的半波整流电路进行半波整流输出UO-2半波直流信号，经第1电阻R1、第4电阻R4、第10电阻R10、第5电阻R5、第3运算放大器B通道U2B组成的加法器进行反相求和运算输出UO-3全波直流信号，再经过第4电容器C4、第2电容器C2组成的滤波电路滤波成一定幅值的直流电压，该直流电压与第3电压比较器A通道U3A的同相端通过第8电阻与第11电阻预设的阈值参考电压进行反相比较，反相比较后U3A的A端输出点UO-4输出信号为低电平“0”，经第1光电耦合器U1的E极隔离输出电能表短路信号UO-5输出为高电平“1”与电能表主控拉闸信号输出点UO-6输出拉闸控制信号通过第7或门电路U7A的A通道实现或逻辑输出，其输出点UO-8输出为高电平“1”，该高电平通过第3电阻R3控制第1三极管Q1导通，此刻继电器TT1拉闸线圈得电，继电器TT1常闭触点断开，客户端停止供电，实现客户端短路保护功能。电能表主控模块实时监测第1光电耦合器U1的E极输出点UO-5，当该输出点状态为高电平时，视为客户端短路事件发生并上报管理平台，待客户侧短路工况排除后，管理平台发送合闸命令，电能表收到合闸命令后，电表主控合闸信号输出点UO-7输出高电平“1”，此高电平通过第17电阻R17控制第2三极管Q2导通，继电器TT1合闸线圈得电，继电器TT1触点闭合，客户侧恢复正常用电。
进一步的，本实施例的具有客户端短路保护功能电能表还包括一短路信息检测点第3二极管D3，所述第3二极管正极与第一光电耦合器U1的E极连接，所述第3二极管负极与电能表MCU连接，用于电能表主控模块MCU采集客户端短路信号。
进一步的，本实施例的具有客户端短路保护功能电能表还包括一MCU、载波通信210、红外通信211、RS485通信；时钟模块214、显示模块215、存储模块216，所述MCU连接所述短路信息检测点202，以获取短路信号，所述MCU还分别连接与载波通信210、红外通信211、RS485通信、时钟模块214、显示模块215、存储模块216。
所述具有客户端短路保护功能电能表还包括一电池模块213，所述电池模块213用于为MCU提供电能。
进一步的，所述具有客户端短路保护功能电能表还包括一计量模块202，所述计量模块用于计量客户端用的电量。
进一步的，所述具有客户端短路保护功能电能表还包括与电压采样电阻201。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：包括，一继电器、一短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块、一短路信号阈值比较器、一或逻辑模块、一继电器拉闸开关、一短路电流采样锰铜电阻、一火线电流采样锰铜电阻，其中短路电流采样锰铜电阻一端连接火线电流采样锰铜电阻，另一端连接继电器，所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块的两个输入端分别与短路电流采样锰铜电阻的两端相连接；所述短路信号阈值比较器一端连接所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块的输出端，另一端连接所述或逻辑模块的一输入端，所述或逻辑模块的另一输入端连接电能表的MCU，所述或逻辑模块的输出端连接所述继电器拉闸开关，所述短路信号阀值比较器的参考电压为预设值。
2.根据权利要求1所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块包括第六运算放大器U6A，所述第六运算放大器U6A用于对客户端短路在短路电流采样锰铜电阻R0瞬间产生突变工频交流压差信号进行相应倍数运算放大输出UO-1交流信号。
3.根据权利要求2所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：所述短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块还包括：由第二运算放大器U2A组成的半波整流电路以及第三运算放大器U2B，所述第三运算放大器U2B构成加法器用于对半波整流电路的输出信号进行反相求和运算输出UO-3全波直流信号，所述半波整流电路对所述UO-1交流信号进行半波整流。
4.根据权利要求3所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：所述短路交流信号放大及全波整流滤波模块还包括滤波电路，所述滤波电路用于对UO-3全波直流信号进行滤波。
5.根据权利要求4所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括：第一光电耦合器U1，所述第一光电耦合器U1用于将所述短路信号阈值比较器输出的信号反相隔离输出短路信号UO-5传递给所述或逻辑模块，实现客户端短路瞬间输出拉闸信号驱动拉闸开关将继电器触点断开。
6.根据权利要求1所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括一短路信号检测点，所述短路信号检测点通过第三二极管D3将短路信号UO-5单向传递至电能表MCU，用于电能表获取客户端短路信息。
7.根据权利要求1所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括：第一三极管Q1，其中第一三极管Q1的基极通过第三电阻R3连接或逻辑模块U7的输出端，第一三极管Q1的极集电极接上拉电源，第一三极管Q1的发射极接所述继电器的拉闸端。
8.根据权利要求1所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括：短路电流采样锰铜电阻R0与火线电流采样锰铜电阻RA0串联在电能表火线输入与火线输出回路中。
9.根据权利要求1所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括：短路交流信号放大及绝对值全波整流滤波模块中的交流信号放大倍数以及信号阀值比较器的基准电压根据电能表设计的短路下限电流具体计算得出相应的值。
10.根据权利要求7所述的一种具有客户端短路保护功能电能表，其特征在于：还包括一计量模块，所述计量模块用于计量客户端用的电量。
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