CN217404483U

CN217404483U - 一种新型断路器网关

Info

Publication number: CN217404483U
Application number: CN202221299049.8U
Authority: CN
Inventors: 张绍平; 陈咏诗; 李显偶; 唐楠
Original assignee: Aerospace Zhongdian Chongqing Microelectronics Co ltd
Current assignee: Aerospace Zhongdian Chongqing Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2032-05-26

Abstract

本实用新型公开了一种新型断路器网关，包括MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路、停电上报电路和AC/DC转换电路；AC/DC转换电路的输入端与电网的电力线电连接，输出端同时与网关中各电路连接；485通信电路分别与断路器和所述MCU主控电路通信连接；HPLC耦合电路分别与电网的电力线和所述MCU主控电路通信连接；停电上报电路与MCU主控电路通信连接；过零检测电路与MCU主控电路通信连接，用于检测电网的过零信号并发送给MCU主控电路。本方案无需对原有的线路进行改造即可实现对断路器工作状态监测，从而为电力线路中的故障识别和故障切除提供数据基础。

Description

一种新型断路器网关

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，具体涉及一种新型断路器网关。

背景技术

随着经济水平的迅速发展，技术水平的不断提高，无论是工业生产还是日常生活都对电力系统的供电质量提出了越来越高的标准。这就要求供电系统具有较高的自动化程度和智能化水平，当电力系统出现一些故障时，智能保护设备能及时识别故障类型，快速切除系统中的故障部分，防止故障进一步扩大，使整个系统能够正常运行，实现能耗监测的数字化、智能化，决策的科学化，管理的现代化。

现有技术中，在电力系统中一般设有断路器，断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置，当电力系统出现故障时，通过断路器的开断来达到快速切除系统中的故障部分的目的。为了能够在电力系统出现故障时及时对断路器进行开断控制，现有的方法一般是针对原有的线路进行改造，通过在线路中接入相应的电器监测元件来实现对断路器工作状态的监测，但是这样势必会大大增加线路改造成本。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种无需对原有的线路进行改造即可实现对断路器工作状态监测，从而为电力线路中的故障识别和故障切除提供数据基础的新型断路器网关。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种新型断路器网关，包括MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路、停电上报电路和AC/DC转换电路；

所述AC/DC转换电路的输入端与电网的电力线电连接，所述AC/DC转换电路的输出端同时与所述MCU主控电路、所述485通信电路、所述HPLC耦合电路、所述过零检测电路和所述停电上报电路电连接，所述AC/DC转换电路用于将电网中的高压交流电转换为低压直流电，并分别为所述MCU主控电路、所述485通信电路、所述HPLC耦合电路、所述过零检测电路和所述停电上报电路供电；

所述485通信电路分别与断路器和所述MCU主控电路通信连接，用于实时采集断路器的工作状态信息并发送给所述MCU主控电路；

所述HPLC耦合电路分别与电网的电力线和所述MCU主控电路通信连接，用于将通讯信息耦合在电力线上并发送给所述MCU主控电路；

所述停电上报电路与所述MCU主控电路通信连接，用于在所述AC/DC转换电路供电时存储电能，并在所述AC/DC转换电路断电时向所述所述MCU主控电路、所述485通信电路、所述HPLC耦合电路和所述过零检测电路供电；

所述过零检测电路与所述MCU主控电路通信连接，用于检测电网的过零信号并发送给所述MCU主控电路。

本实用新型的工作原理是：本方案的断路器网关中，485通信电路通过断路器通信连接，实时获取断路器的工作状态信息，具体包括电压、电流、漏电流、温度、功率、用电量以及其它各种用电故障报警信息，485通信电路将采集到的断路器的工作状态信息再实时传递给MCU主控电路；同时，电网中的电力线一方面通过AC/DC转换电路转换为低压直流电后为网关中的各个电路供电，另一方面，电网中的电力线还作为通讯线使用，通过HPLC耦合电路将通讯信息耦合到电力线上，并传递给MCU主控电路，传递到MCU主控电路上的断路器工作状态信息和通讯信息将进一步传递到外部的集中器(COO)处，外部的集中器再将数据传递到云平台，云平台进行对接收到的数据进行统计比对、大数据分析等可以实时得到并发现电力系统的故障信息，并在发现到故障信息时及时控制断路器开端，还能通过终端远程设置、查询、遥控或定时开关线路，由此实现将为电力线路中的故障识别和故障切除提供数据基础的目的。

另外，本方案的停电上报电路，在AC/DC转换电路正常运行时，存储电能，当电力线断电导致AC/DC转换电路突然断电的时候，通过停电上报电路给网关中的各个电路供电，以使得网关能够将信息及时存储和传输；而过零检测电路，用于检测220V交流电的过零信号，在拓扑识别中，识别台区信息，本方案中的MCU主控电路使用国产自研芯片，用于对HPLC通讯的算法实现，对外接微型断路器的通讯和其他控制功能。

优选的，所述485通信电路通过485总线与断路器进行通信连接，所述485通信电路包括485芯片U101，所述485芯片U101的接收数据端A和接收数据端B分别通过热敏电阻TR1和热敏电阻TR2与485总线连接。

这样，485通信电路通过485总线与断路器连接，485通信电路中，485芯片使用内置隔离式电源，将对外交互与内部隔开；热敏电阻TR1、TR2用于保护电路不受损坏，当外部短路或者接错到220V电源时，热敏电阻TR1、TR2阻值迅速变大，相当于短路，从而保护了后级电路不受损坏。

优选的，所述AC/DC转换电路包括二极管D201、二极管D202、电容C210、电容C211、电容C212、电感L201、电感L202、反馈电阻R211、反馈电阻R212和DC/DC芯片U203，所述二极管D201的阳极与电网中的高压交流电连接，所述二极管D201的阴极同时与所述电容C210的正极和所述电感L201的一端连接，所述电容C210的负极接地，所述电感L201的另一端同时与所述电容C211的正极和所述DC/DC芯片U203的输入端口连接，所述电容C211的负极接地，所述DC/DC芯片U203的输出端口同时与所述二极管D202的阴极和所述电感L202的一端连接，所述二极管D202的阳极接地，所述电感L202的另一端与所述电容C212的正极连接，所述电容C212的负极接地，所述DC/DC芯片U203的反馈端口同时与所述反馈电阻R211和所述反馈电阻R212的一端连接，所述反馈电阻R211的另一端通过二极管D203与所述电容C212的正极连接，所述反馈电阻R212的另一端与所述DCDC芯片U203的输出端口连接。

这样，AC/DC转换电路用于将电力线上输出的220V的高压交流电，转换为12V的低压直流，并给网关中的各个电路使用。AC/DC转换电路中的二极管D201为半波整流作用，利用二极管单相导通性，将交流电的负半周期波形隔掉，只保留正半周期波形；电容C210、电容C211和电感L201共同组成π型滤波，用于将正半周期交流电，整流为310V的直流电；DC/DC芯片U203为集成高压MOS管的DC/DC芯片，DC/DC芯片U203与电感L202、二极管D202和电容C212一起组成BUCK降压电路，通过反馈电阻R211和反馈电阻R212，将电压稳定输出在VIN1。

优选的，所述AC/DC转换电路的输出电压为VIN1，计算公式为：

式中：R211为反馈电阻R211的电阻值，R212为反馈电阻R212的电阻值，Vfb为DCDC芯片U203的反馈电压，VD为二极管D203的正向导通压降。

优选的，所述二极管D202为快恢复二极管，且所述二极管D202的反向恢复时间小于35ns。

这样，二极管D202选择快恢二极管，且其反向恢复时间小于35ns，这样可以保证输出电压的稳定，此时BUCK电路能工作在连续模式下。

优选的，所述HPLC耦合电路包括电容C107、互感器T100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104和电感L101，所述电容C107与电网的火线或零线连接，所述互感器T100原边绕组的同名端通过所述电容C107与电网中的火线或零线连接，所述互感器T100原边绕组的异名端与电网中的零线或火线连接，所述互感器T100副边绕组的同名端通过电阻R107与所述电容C103的一端连接，所述电容C103的另一端与所述电容C104连接，所述互感器T100副边绕组的异名端通过电阻R100与所述电容C101的一端连接，所述电容C101的另一端与所述电容C102连接，所述电感L101的两端分别连接在所述电容C101和所述电容C102之间、以及所述电容C103和所述电容C104之间。

这样，HPLC耦合电路外接220V市电的电力线，通过高速电力线载波通讯(HPLC通讯)与集中器进行通讯，做数据传输和对外交互。HPLC通讯使用单线耦合的方式，电容C107可以接入火线也可以接入零线上；互感器T100将市电与弱电之间做隔离，耦合交流信号；电容C101、电容C102、电容C103、电容C104和电感L101共同组成差分型3阶Butterwort高通滤波器，信号通过频率为800KHz以上，有效防止低频段干扰。

优选的，所述停电上报电路包括超级电容C118、PNP型三极管Q105、升压芯片U105、升压电感L103、二极管D107、反馈电阻R133和反馈电阻R122，所述超级电容C118的正极和所述PNP型三极管Q105的发射极均与所述AC/DC转换电路的输出端连接，所述超级电容C118的负极接地，所述PNP型三极管Q105的基极通过电阻R129接地，所述PNP型三极管Q105的集电极与所述升压芯片U105的使能端口连接，所述升压芯片U105的反馈端口同时与所述反馈电阻R122和所述反馈电阻R133的一端连接，所述反馈电阻R122的另一端接地，所述反馈电阻R133的另一端与所述二极管D107的阴极连接，所述二极管D107的阳极同时与所述升压芯片U105的输出端口和所述升压电感L103的一端连接，所述升压电感L103的另一端与所述超级电容C118的正极连接。

这样，停电上报电路的主要作用是当电源突然断电的时候，通过停电上报电路给网关中的各个电路供电，以将信息及时存储和传输，避免因断电而引起信息的缺失。AC/DC转换电路在正常运行时，AC/DC转换电路给超级电容C118充电；当AC/DC转换电路突然断电时，停电上报电路的输入电压为0，此时PNP型三极管Q105导通，升压芯片U105使能工作；此时升压芯片U105开始工作，将超级电容C118的电压做升压处理，并将升压后的电压连接到VIN2上，给网关供电使用。其中升压电感L103、二极管D107和升压芯片U105共同组成BOOST升压电路，其输出电压值由反馈电阻R133和反馈电阻R122计算得到。

优选的，所述停电上报电路在所述AC/DC转换电路断电时的输出电压为VIN2，计算公式为：

式中：R133为反馈电阻R133的电阻值，R122为反馈电阻R122的电阻值，VF为升压芯片U105的反馈电压。

优选的，所述停电上报电路在所述AC/DC转换电路断电时的停电上报时间为T，计算公式为：

式中：C为超级电容C118的电容值，U为超级电容C118充满电时的电压值，η为转换效率，W为网关消耗的功率。具体使用时，可以根据需要的停电上报时间，选择合适的超级电容。

与现有技术相比，本实用新型的断路器网关，方便安装，与断路器之间只需外接485通信线，即可实现电压、电流、漏电流、温度、功率、用电量以及各种用电故障报警信息的实时采集。同时，在线路上也无需改造，只需外接市电，通过HPLC(高速宽带载波)通信，让集中器(COO)接收网关的数据信息，连接集中器，通过WiFi/4G/WLAN即能连接云平台，通过云平台进行统计比对、大数据分析等，还能通过终端远程设置、查询、遥控或定时开关线路。

附图说明

图1为本实用新型新型断路器网关的结构框图；

图2为本实用新型新型断路器网关中485通信电路的电路图；

图3为本实用新型新型断路器网关中AC/DC转换电路的电路图；

图4为本实用新型新型断路器网关中HPLC耦合电路的电路图；

图5为本实用新型新型断路器网关中停电上报电路的电路图；

图6为本实用新型新型断路器网关中过零检测电路的电路图；

图7为本实用新型新型断路器网关中MCU主控电路的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如附图1所示，一种新型断路器网关，包括MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路、停电上报电路和AC/DC转换电路；

AC/DC转换电路的输入端与电网的电力线电连接，AC/DC转换电路的输出端同时与MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路和停电上报电路电连接，AC/DC转换电路用于将电网中的高压交流电转换为低压直流电，并分别为MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路和停电上报电路供电；

485通信电路分别与断路器和MCU主控电路通信连接，用于实时采集断路器的工作状态信息并发送给MCU主控电路；

HPLC耦合电路分别与电网的电力线和MCU主控电路通信连接，用于将通讯信息耦合在电力线上并发送给MCU主控电路；

停电上报电路与MCU主控电路通信连接，用于在AC/DC转换电路供电时存储电能，并在AC/DC转换电路断电时向MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路和过零检测电路供电；

过零检测电路与MCU主控电路通信连接，用于检测电网的过零信号并发送给MCU主控电路。

如附图2所示，在本实施例中，485通信电路通过485总线与断路器进行通信连接，485通信电路包括485芯片U101，485芯片U101的接收数据端A和接收数据端B分别通过热敏电阻TR1和热敏电阻TR2与485总线连接。

如附图3所示，在本实施例中，AC/DC转换电路包括二极管D201、二极管D202、电容C210、电容C211、电容C212、电感L201、电感L202、反馈电阻R211、反馈电阻R212和DC/DC芯片U203，二极管D201的阳极与电网中的高压交流电连接，二极管D201的阴极同时与电容C210的正极和电感L201的一端连接，电容C210的负极接地，电感L201的另一端同时与电容C211的正极和DC/DC芯片U203的输入端口连接，电容C211的负极接地，DC/DC芯片U203的输出端口同时与二极管D202的阴极和电感L202的一端连接，二极管D202的阳极接地，电感L202的另一端与电容C212的正极连接，电容C212的负极接地，DC/DC芯片U203的反馈端口同时与反馈电阻R211和反馈电阻R212的一端连接，反馈电阻R211的另一端通过二极管D203与电容C212的正极连接，反馈电阻R212的另一端与DCDC芯片U203的输出端口连接。

在本实施例中，AC/DC转换电路的输出电压为VIN1，计算公式为：

在本实施例中，二极管D202为快恢复二极管，且二极管D202的反向恢复时间小于35ns。

如附图4所示，在本实施例中，HPLC耦合电路包括电容C107、互感器T100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104和电感L101，电容C107与电网的火线或零线连接，互感器T100原边绕组的同名端通过电容C107与电网中的火线或零线连接，互感器T100原边绕组的异名端与电网中的零线或火线连接，互感器T100副边绕组的同名端通过电阻R107与电容C103的一端连接，电容C103的另一端与电容C104连接，互感器T100副边绕组的异名端通过电阻R100与电容C101的一端连接，电容C101的另一端与电容C102连接，电感L101的两端分别连接在电容C101和电容C102之间、以及电容C103和电容C104之间。

如附图5所示，在本实施例中，停电上报电路包括超级电容C118、PNP型三极管Q105、升压芯片U105、升压电感L103、二极管D107、反馈电阻R133和反馈电阻R122，超级电容C118的正极和PNP型三极管Q105的发射极均与AC/DC转换电路的输出端连接，超级电容C118的负极接地，PNP型三极管Q105的基极通过电阻R129接地，PNP型三极管Q105的集电极与升压芯片U105的使能端口连接，升压芯片U105的反馈端口同时与反馈电阻R122和反馈电阻R133的一端连接，反馈电阻R122的另一端接地，反馈电阻R133的另一端与二极管D107的阴极连接，二极管D107的阳极同时与升压芯片U105的输出端口和升压电感L103的一端连接，升压电感L103的另一端与超级电容C118的正极连接。

在本实施例中，停电上报电路在AC/DC转换电路断电时的输出电压为VIN2，计算公式为：

在本实施例中，停电上报电路在AC/DC转换电路断电时的停电上报时间为T，计算公式为：

如附图6所示，在本方案中，过零检测电路，用于检测220V交流电的过零信号，在拓扑识别中，CCO通过改变电网中交流电的过零信息，当网关检测到不同的过零信号时，将收到的信息传出，CCO即可识别本网关在其拓扑网络结构下，即可实现台区拓扑识别。

如附图7所示，在本方案中，MCU主控电路使用国产自研用于高速电力线载波的芯片HZ3011(该芯片属于现有技术，故不再对其具体原理进行说明)，内置功率放大器，将接收到HPLC耦合信号，直接放大滤波后送入芯片进行算法识别，MCU主控电路，主要作用对外进行HPLC通讯，对信息计算和各个电路的控制。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种新型断路器网关，其特征在于，包括MCU主控电路、485通信电路、HPLC耦合电路、过零检测电路、停电上报电路和AC/DC转换电路；

所述停电上报电路与所述MCU主控电路通信连接，用于在所述AC/DC转换电路供电时存储电能，并在所述AC/DC转换电路断电时向所述MCU主控电路、所述485通信电路、所述HPLC耦合电路和所述过零检测电路供电；

2.根据权利要求1所述的新型断路器网关，其特征在于，所述485通信电路通过485总线与断路器进行通信连接，所述485通信电路包括485芯片U101，所述485芯片U101的接收数据端A和接收数据端B分别通过热敏电阻TR1和热敏电阻TR2与485总线连接。

3.根据权利要求1所述的新型断路器网关，其特征在于，所述AC/DC转换电路包括二极管D201、二极管D202、电容C210、电容C211、电容C212、电感L201、电感L202、反馈电阻R211、反馈电阻R212和DC/DC芯片U203，所述二极管D201的阳极与电网中的高压交流电连接，所述二极管D201的阴极同时与所述电容C210的正极和所述电感L201的一端连接，所述电容C210的负极接地，所述电感L201的另一端同时与所述电容C211的正极和所述DC/DC芯片U203的输入端口连接，所述电容C211的负极接地，所述DC/DC芯片U203的输出端口同时与所述二极管D202的阴极和所述电感L202的一端连接，所述二极管D202的阳极接地，所述电感L202的另一端与所述电容C212的正极连接，所述电容C212的负极接地，所述DC/DC芯片U203的反馈端口同时与所述反馈电阻R211和所述反馈电阻R212的一端连接，所述反馈电阻R211的另一端通过二极管D203与所述电容C212的正极连接，所述反馈电阻R212的另一端与所述DC/DC芯片U203的输出端口连接。

4.根据权利要求3所述的新型断路器网关，其特征在于，所述AC/DC转换电路的输出电压为VIN1，计算公式为：

式中：R211为反馈电阻R211的电阻值，R212为反馈电阻R212的电阻值，Vfb为DC/DC芯片U203的反馈电压，VD为二极管D203的正向导通压降。

5.根据权利要求3所述的新型断路器网关，其特征在于，所述二极管D202为快恢复二极管，且所述二极管D202的反向恢复时间小于35ns。

6.根据权利要求1所述的新型断路器网关，其特征在于，所述HPLC耦合电路包括电容C107、互感器T100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104和电感L101，所述电容C107与电网的火线或零线连接，所述互感器T100原边绕组的同名端通过所述电容C107与电网中的火线或零线连接，所述互感器T100原边绕组的异名端与电网中的零线或火线连接，所述互感器T100副边绕组的同名端通过电阻R107与所述电容C103的一端连接，所述电容C103的另一端与所述电容C104连接，所述互感器T100副边绕组的异名端通过电阻R100与所述电容C101的一端连接，所述电容C101的另一端与所述电容C102连接，所述电感L101的两端分别连接在所述电容C101和所述电容C102之间、以及所述电容C103和所述电容C104之间。

7.根据权利要求1所述的新型断路器网关，其特征在于，所述停电上报电路包括超级电容C118、PNP型三极管Q105、升压芯片U105、升压电感L103、二极管D107、反馈电阻R133和反馈电阻R122，所述超级电容C118的正极和所述PNP型三极管Q105的发射极均与所述AC/DC转换电路的输出端连接，所述超级电容C118的负极接地，所述PNP型三极管Q105的基极通过电阻R129接地，所述PNP型三极管Q105的集电极与所述升压芯片U105的使能端口连接，所述升压芯片U105的反馈端口同时与所述反馈电阻R122和所述反馈电阻R133的一端连接，所述反馈电阻R122的另一端接地，所述反馈电阻R133的另一端与所述二极管D107的阴极连接，所述二极管D107的阳极同时与所述升压芯片U105的输出端口和所述升压电感L103的一端连接，所述升压电感L103的另一端与所述超级电容C118的正极连接。

8.根据权利要求7所述的新型断路器网关，其特征在于，所述停电上报电路在所述AC/DC转换电路断电时的输出电压为VIN2，计算公式为：

9.根据权利要求8所述的新型断路器网关，其特征在于，所述停电上报电路在所述AC/DC转换电路断电时的停电上报时间为T，计算公式为：

式中：C为超级电容C118的电容值，U为超级电容C118充满电时的电压值，η为转换效率，W为网关消耗的功率。