CN217846934U - 一种基于电力线通信的网络开关通断器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种基于电力线通信的网络开关通断器，包括STA模组芯片，光耦控制电路；STA模组芯片与光耦控制电路电性连接，光耦控制电路一侧电性连接有场效应管，光耦控制电路用于光耦控制场效应管，并控制场效应管的栅极，通过栅极确定场效应管的导通或断开，进而控制电力线的导通或断开；过零检测电路用于获取电力线的基波信号，从而得到电力线基波参数，并校准同步信号；耦合电路用于耦合或分离调制信号和电力基波信号，并进行电力载波信号的双向传递；STA模组芯片电性连接有原始开关，STA模组芯片控制原始开关的通断实现通信设备的智能管理。

Description

一种基于电力线通信的网络开关通断器

技术领域

本实用新型涉及PLC-IoT技术领域，更具体的，涉及一种基于电力线通信的网络开关通断器。

背景技术

智能通断器在传统通断器控制用电线路、保护安全用电的基础上，引入电磁技术和PLC芯片技术，以及现场总线技术和微机处理器，通断器逐渐开始具备智能化，依托各种传感器技术、微电子技术和各种信息传输技术，将控制、计量及通信等功能融于一体，可以更好的完成开断任务和提高开断的可靠性，实现通断器的智能化操作。

伴随微电子、单片机及计算机技术、新型传感器技术不断发展，通断器结构也在不断的演进，智能型通断器在传统机械式通断器基础上引入了智能控制单元，不仅具有传统通断器的基本功能，还配有新型的电子设备，与传感器和数字化控制装置相配合，实现了通断的电子操作，变机械传动为变频器经电机驱动，提高了机械系统的可靠性。

更新一代智能通断器还配有数字化各类通信接口，可以将位置、状态、分合闸指令信息通过各种通信接口协议进行传输，还可根据需要加装显示模块、各种通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作通断器的智能化功能。

智能型通断器已经集合过欠压保护、漏电、电表、浪涌保护、定时器、多功能仪表等功能于一身，且可以多种线路开关+智能网关组合控制，而且可以通过PC、APP端进行远程控制。智能型通断器可广泛用于一切需要定时打开和关闭的机电设备、工业电器及家用电器。如：景观灯、霓虹灯、路灯、广告灯箱、家用电器及水泵和工矿定时通风设备等。基于智能通断器设备运用广泛，但是采用PLC组网方式的并不多，而且PLC组网模式有自己的独特之处：目前，在低压配电网中已使用的通信技术包括光纤通信、电力线载波通信(宽带和窄带)、RS485/232和微功率无线通信等。PLC电力线载波通信由于省去了通信专业电缆，直接利用现有的配电网作为电力能源、信息与控制一体化网络平台，从真正意义上实现电力与信息的同网传输。相比其他通信技术，低压电力线通信技术有着诸多优势。

在现有的物联手段，如KNX、RS485、红外、蓝牙、Z i gBee、LoRa、LTE等，让市场陷入混战状态，但这些技术或多或少都有问题，有的难部署、有的受环境影响大，有的通信距离有限，有的通信质量差，更为严重的是各个技术之间不能用同一张网，要想实现万物互联，客户需要投入的成本大大提高，因此，采用PLC组网方式，采用CCO控制STA之设备，前景较好，所以基于电力线传输+CCO控制STA智能通断器系统应运而生。

实用新型内容

为了解决上述至少一个技术问题，本实用新型提出了一种基于电力线通信的网络开关通断器及其工作方法。

本实用新型第一方面提供了一种基于电力线通信的网络开关通断器，包括：STA模组芯片，光耦控制电路；其特征在于，

所述STA模组芯片与光耦控制电路电性连接，所述光耦控制电路一侧电性连接有场效应管，所述光耦控制电路用于光耦控制场效应管，并控制场效应管的栅极，通过栅极确定场效应管的导通或断开，进而控制电力线的导通或断开；

所述电力线的火线L电性连接有过零检测电路与耦合电路，所述过零检测电路与所述耦合电路的零线N相互连接，所述过零检测电路与所述耦合电路连接至STA模组芯片；

所述过零检测电路用于获取电力线的基波信号，从而得到电力线基波参数，并校准同步信号；

所述耦合电路用于耦合或分离调制信号和电力基波信号，并进行电力载波信号的双向传递；

所述STA模组芯片电性连接有原始开关，所述STA模组芯片控制原始开关的通断实现通信设备的智能管理。

本实用新型一个较佳实施例中，所述STA模组芯片用于采集原始开关的开关信息，根据开关信息输出信号控制光耦控制电路，所述光耦控制电路控制场效应管并控制原始开关的通断，所述原始开关用于控制LED灯的通断。

本实用新型一个较佳实施例中，所述开关信息为高电平与低电平，高电平为原始开关断开，低电平为原始开关导通。

本实用新型一个较佳实施例中，所述STA模组芯片为电力线载波通信模组芯片。

本实用新型一个较佳实施例中，所述电力线的零、火线分别连接所述过零检测采集电路、耦合电路。

本实用新型一个较佳实施例中，所述原始开关电性连接有采集电路，所述采集电路连接电力线载波通信芯片的20脚，所述原始开关断开置1，闭合置0，所述采集电路将采集的信息信息传输至STA模组芯片。

本实用新型一个较佳实施例中，所述光耦控制电路连接电力线载波通信芯片的11脚。

本实用新型一个较佳实施例中，所述过零检测采集电路连接电力线载波通信芯片的18脚；耦合电路连接电力线载波通信模组芯片的28脚(RXP)、29脚(RXN)。

本实用新型一个较佳实施例中，所述电力线连接有网关模组。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本实用新型为了解决物联网的建设和管理难题，基于电力线通信技术和相对稳定的无线通信技术，通过大量的实测数据，分析电力线信道特性，包括衰减特性、阻抗特性、噪声特性等，开发出自适应最佳信号传输频率的功能，实现高速、可靠、安全的长距离的电力线通信。它可以通过电力线传输网络信号，设备通电即可有网络连接，距离可以传输数公里，用户无需再额外建网。

2、本实用新型无需关注拓扑，只要保障设备供电，即可实现通信，只要在同一电力变压器供电环境下即可进行通信。在电力线火线的输入端串联1个交流400V/2.2nF的电容，利用电容的容抗来限制电流，从而进行降压，通过信号变压器实现了强电区域和通信区域的隔离，电容与变压器的频率特性以及带通电路使有效信号易于通过，滤除带外噪声以及不同相位噪声，避免通信区域受到干扰。

3、用户无需额外建网，只要保障设备供电，安装设备即可实现通信。结合边缘计算物联网关，可实现末端设备的自动发现，在物联网关和远端物联网平台进行注册，快速建立物联网关与末端设备之间的业务通道，有效解决传统设备上线流程复杂，安装部署周期长等问题。无扰台区识别创新技术，无需任何外加设备，根据宽带载波技术特点和电网及信号特性，通过软件实时分析处理，自动识别出末端设备所归属变压器区域，减少现场配置，极大提升设备部署效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的一些附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型的电力线通信智能STA通断器示意原理框图；

图2为本实用新型智能通断器的组网框图示意图；

图3为本实用新型过零检测电路；

图4为本实用新型原始开关电路图；

图5为本实用新型耦合电路图；

图6为本实用新型智能通断器通信芯片电路图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1所示；一种基于PLC电力线通信技术和单片机控制场效应管智能通断器，智能通断器包括PLC电力线通信STA模组，PLC过零检测电路，光耦控制电路，PLC信号采集电路(耦合电路)；每个网络部署一个PLC电力线通信技术的智能网关，通过网关的转换协议，经PLC电力线连接控制网络部署中的电力线通信子设备；其中，PLC电力线通信技术智能通断器包括PLC电压/电流信号转换采集电路(过零检测电路)、光耦控制电路、耦合电路、电力线载波通信模组STA，原始开关采集电路。

进一步地，电力线的零火线分别连接过零检测电路、PLC耦合电路；过零检测电路电流信号转换电路连接电力线载波通信芯片的18脚；耦合电路连接电力线载波通信芯片的28脚(RXP)、29脚(RXN)；原始开关连接电力线载波通信芯片的20脚；光耦控制电路连接电力线载波通信芯片的11脚。

如图2所示，是将信号源发送的通信数据通过PLC模块、芯片调制成高频电波传输到电力线上，经过电力线传输到达数据接收端，接收端侧的PLC模块、芯片再将高频电波从电力线中获取解调，完成信息传输。

如图3所示，过零检测电路：用于获取电力线的基波信号，使电力载波通信芯片可探知电力线基波幅值，用于过零检测，校准同步信号，同时对场效应管在交流正弦波处于上升延或下降延接近零时触发场效应管的开和闭合；电力线的零线连接AC-N的一端，AC-N的另一端连接光耦1脚；电力线的火线连接AC-L的一端，AC-L的另一端连接连接电阻R1的一端，R1的另外一端接电阻R2的一端，R2的另外一边，接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接光耦的2脚；光耦的3脚接地；光耦的4脚分别接电阻R3和R4的其中一个脚，R3的另外一脚接电源,脚接电源的电压为3.3V,R4的另外一脚接STA模组的GPIO16(对应模组的18脚)。

如图4所示，原始开关采集电路：开关K，其中SI管脚接电阻R6的2脚和GPIO18脚，电阻R6的1脚接3.3V供电；开关K另外一个脚COM接地。开关信息的采集，K断开置高电平，开关闭合置低电平，信息采集送入STA模组芯片的GPIO18(对应模组的20脚)。

如图5所示，耦合电路：耦合或者分离调制信号和电力基波信号；用于给电力载波信号拾取或传递，线路驱动放大发送信号；电力线的零线连接AC-N的一端，AC-N的另一端连接耦合变压器的8脚；电力线的火线连接AC-L的一端，AC-L的另一端连接耦合变压器5脚，耦合器的3脚连接STA模组的RXN(对应模组的29脚)，耦合器的4脚连接STA模组的RXP(对应模组的28脚)。

如图6所示，STA模组：STA模组管脚1连接耦合器电路中4脚(对应RXP)，STA模组管脚2，连接耦合器电路3脚(RXN)；STA模组管脚16(GPIO16，对应模组的18脚)与过零检测电路电阻R4一边管脚相连，开关K(原始开关)SI管脚与模组STA(管脚14脚，GPIO18)相连，连接模组的20脚，开关K的COM脚与地连接(STA模组3脚，模组的11脚)，STA模组的17脚(GPIO4)与模组的11脚相连。

进一步地，智能通断器设备只要接入墙体侧壁上的预留的零火线即可实现其功能，常与传统开关配对使用。

本实用新型的工作原理：

在工作时，作为原始开关的功能：当开关导通时，智能通断器的STA通信芯片模组的20脚置0，内部单片机收到信息，在模组的11脚输出高电平，高电平信息控制光耦合器，这时光耦输出电压，导致控制场效应管栅极(G)有电压，这时候场效应管的漏极(D)和源极(S)导通，这时，整流桥电路形成回路，220V的火线L形成通路，输出L1有220V交流信号；当原始开关断开时，智能通断器的STA通信芯片模组的20脚置1，内部单片机收到信息，在模组的11脚输出低电平，低电平信息控制光耦合器，这时光耦无输出电压，导致控制场效应管栅极(G)没有电压，这时候场效应管的漏极(D)和源极(S)断开，这时，整流桥电路不能形成回路，220V的火线L不能形成通路，输出L1没有220V交流信号输出。作为智能开关时，通过客户终端APP与云端、智能网关通过智能网关的转换协议，连接电力线通信智能子设备STA通断器联系，首先判定原始开关的状态，电力线通信智能子设备STA通断器再接收到数据后，通过信号分离、解调、逆变换、解密后，电力线通信智能子设备STA通断器解析到有效数据后通过芯片模组的11脚，控制光耦合电路，有光耦合电路有无输出电压，控制场效应管的栅极，达到控制整流桥的电路是否形成回路，从而有效的控制220V交流信号输出。

实施例1：PLC智能通断器道路照明应用

不同地方的道路照明应根据地区所在位置的不同以及季节的变化来确定道路照明的开关时间，也就是说道路照明可以根据符合季节的变化和白昼时间的长短来确定路灯照明时间的长短。而且对于应急的道路照明系统的开关要保证完整，在节假日灯光控制上要能合理的控制好。能够通过设定道路照明的时间,使其在固定的时间打开或关上,系统都可以通过使用PLC通断器控制来实现，这样大大提高道路照明的效率，大大降低用电成本。

实施例2：智能通断器在智能家居的运用

目前家庭在对电路的控制基本都是传统的开关，对于家庭用电来说，都是采用手动通断开关来实现的，这种传统的方法不节能也不方便，我们可以用PLC成熟的技术，对现有的原始开关进行改造，对原有的开关功能在实现的基础上，只需要增加一个小型的PLC智能通断器设备，智能通断器成本很低，就能够实现智能控制照明和用电控制，使其发挥功效的同时，还能节能。同时大大的提高的系统的可靠性和抗干扰性，同时结合PLC时控功能，对家庭电路进行分区管控，结合手动开关和智能通断器，有效、安全保障家庭用电正常运行。

使用本实用新型产品，用户无需额外建网，只要保障设备供电，安装设备即可实现通信。结合边缘计算物联网关，可实现末端设备的自动发现，在物联网关和远端物联网平台进行注册，快速建立物联网关与末端设备之间的业务通道，有效解决传统设备上线流程复杂，安装部署周期长等问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于电力线通信的网络开关通断器，包括：STA模组芯片，光耦控制电路；其特征在于，

所述STA模组芯片与光耦控制电路电性连接，所述光耦控制电路一侧电性连接有场效应管，所述光耦控制电路用于光耦控制场效应管，并控制场效应管的栅极，通过栅极确定场效应管的导通或断开，进而控制电力线的导通或断开；

所述电力线的火线L电性连接有过零检测电路与耦合电路，所述过零检测电路与所述耦合电路的零线N相互连接，所述过零检测电路与所述耦合电路连接至STA模组芯片；

所述过零检测电路用于获取电力线的基波信号，从而得到电力线基波参数，并校准同步信号；

所述耦合电路用于耦合或分离调制信号和电力基波信号，并进行电力载波信号的双向传递；

所述STA模组芯片电性连接有原始开关，所述STA模组芯片控制原始开关的通断实现通信设备的智能管理。

2.根据权利要求1所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述STA模组芯片用于采集原始开关的开关信息，根据开关信息输出信号控制光耦控制电路，所述光耦控制电路控制场效应管并控制原始开关的通断，所述原始开关用于控制LED灯的通断。

3.根据权利要求2所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述开关信息为高电平与低电平，高电平为原始开关断开，低电平为原始开关导通。

4.根据权利要求2所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述STA模组芯片为电力线载波通信模组芯片。

5.根据权利要求4所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述电力线的零、火线分别连接所述过零检测采集电路、耦合电路。

6.根据权利要求4所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述原始开关电性连接有采集电路，所述采集电路连接电力线载波通信芯片的20脚，所述原始开关断开置1，闭合置0，所述采集电路将采集的信息传输至STA模组芯片。

7.根据权利要求4所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述光耦控制电路连接电力线载波通信芯片的11脚。

8.根据权利要求5所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述过零检测采集电路连接电力线载波通信芯片的18脚；耦合电路连接电力线载波通信模组芯片的28脚、29脚。

9.根据权利要求1所述的一种基于电力线通信的网络开关通断器，其特征在于，所述电力线连接有网关模组。

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