一種用電信息採集設備停電上報實現方法及電路與流程

2023-07-09 18:43:21

本發明涉及一種用電信息採集設備停電上報實現方法及電路，屬於電力技術領域。

背景技術：

根據國家電網要求，當電網故障或電錶異常導致突發掉電後，通過通信模塊對突發掉電事件進行上報，掉電上報功能有助於及時獲取供電網絡故障，並方便進行問題排查和維修。

由於目前電錶的儲能單元只提供給自身供電，所以需要對通信模塊增加儲能單元，目前有兩種儲能方案，一種是充電電池，但充電電池具有充放電屬於化學反應，有次數限制，並且體積和重量都較大，不適合此處應用。另一種方案為法拉電容，法拉電容充放電屬於物理反應，幾乎無次數限制，並且外形和電解電容類似，體積小，方便pcb安裝，性價比高，所以在此應用中選用法拉電容進行儲能。

由於通信模塊使用12v電壓供電，並且要滿足一定時間內的功率輸出，比如國網要求bplc通信模塊掉電後能滿足30s的供電時間，另外還需滿足1.5w的功率需求；但一般情況下，單只拉法電容的標稱電壓為2.65v左右，要實現12v的電壓要求，目前已知的方案是通過多隻法拉電容的串聯將電壓升高，但此方案的缺點，拉法電容串聯後需要保證均衡才能實現最大容量以及系統的安全。均衡電路設計較複雜，並且可能會帶來格外的功耗，對整個系統的可靠性有影響。即使多個法拉電容串聯實現高壓如20v，再通過降壓方案實現12v，一旦輸入電壓低於12v，則輸出的12v也會跟著降低，無法穩壓，除非再使用升降壓電路，電路複雜，可靠性低，成本高和體積大。

在實際應用中，可能存在幾種情況，一是由於電網電壓波動較大時，二是由於電力線負載較重時，載波發送時功耗增加，可能導致電錶提供給通信模塊的電壓降低，如果通信模塊只是簡單的通過檢測電錶提供電壓值來判斷掉電狀態，當可能出現誤報或錯報的問題；另外當通信模塊拔出時，也可能使通信模塊誤判為掉電狀態，通過空間耦合可能將掉電事件上報，引起誤報或錯報的問題；所以對於此應用中，如何準確判斷掉電狀態是此應用需求的重點。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術存在的不足，而提出一種可適用於通信模塊，實現電路結構簡單、低成本、高可靠性和功能完善的掉電上報電路。本發明針對以上述問題而提出的技術方案包括，提出一種掉電上報方法及電路，該方法由通信模塊檢測電錶的供電電壓和電網過零點信號來判斷掉電狀態；當判斷電網突然掉電後，通信模塊由儲能單元供電，其儲存的能量通過升壓電路給通信模塊自身供電，完成突發掉電事件上報；當判斷電網供電正常時，通信模塊只通過電錶提供的電源工作，此時由充電電路給儲能單元充電。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下。

一種用電信息採集設備停電上報實現方法及電路，：該方法由通信模塊檢測電錶的供電電壓和電網過零點信號來判斷掉電狀態，當檢測為掉電狀態時，載波晶片會檢測多次電網過零點信號來判斷掉電狀態，如果多次檢測無過零點信號認為處於掉電狀態，增加掉電檢測的準確性；該電路包括充電電路、法拉電容、升壓電路和掉電檢測及控制電路，所述充電電路與輸入電壓vdd相連；所述充電電路的輸出與法拉電容相連；所述升壓電路的輸入與法拉電容連接；所述掉電檢測及控制電路分別與充電電路和升壓電路的u1的4引腳en相連。

進一步地，所述用電信息採集設備包括國家電網及南方電網單相、三相電能表、i型採集器、ii型採集器設備。

進一步地，所述充電電路包括第一控制三極體v1、第一限流電阻r40、第二控制三極體v2、上拉電阻r46、分流基準電源ts1、濾波電阻r65、濾波電容c43、第三限流電阻r47和第一採樣電阻r66、第二採樣電阻r50；其中基準電壓電路ts1使用具有良好熱穩定性能的三端可調分流基準電源tl431；第一限流電阻r40的一端與輸入電壓vdd和第二控制三極體v2的射極e連接，另一端與第一控制三極體v1的射極e連接；第一控制三極體v1的基極b與第二控制三極體v2的集電極c和第二限流電阻r44的一端連接；上拉電阻r46的兩端並聯在第三控制三極體v3的射極e和基極b之間；第三限流電阻r47的一端與第二控制三極體v2基極b連接；另一端與三端可調的分流基準電源ts1的陰極k連接；濾波電阻r65的一端與濾波電容c43串聯連接，然後並接在三端可調分流基準電源ts1的陰極k和參考級r之間；第一採樣電阻r66並聯在三端可調分流基準電源ts1的參考級r和陽極a之間，第一採樣電阻r66的一端與第二採樣電阻r50的一端連接，第二r50的另一端與第一控制三極體v1的集電極e連接；三端可調分流基準電源ts1的陽極a與參考地gnd連接。

進一步地，所述充電電路的輸入電壓vdd可使用通信模塊的3.3v或者5v電源，也可使用電錶的提供的12v電源。

進一步地，所述充電電路的輸出電壓值可通過調整第一採樣電阻r66、第二採樣電阻r50的值來設定。

進一步地，所述法拉電容由法拉電容c40組成；根據功率輸出和供電時間要求，選擇不同容量的法拉電容。

進一步地，所述升壓電路包括第一穩壓電容c41和第二穩壓電容c21、功率電感l1、第一續流二極體vd6、第二續流二極體vd7、第三續流二極體vd8、升壓晶片u1，第一限流電阻r45和第一採樣電阻r48、第二採樣電阻r49、第三採樣電阻c42；其中升壓晶片u1使用sx1308升壓晶片，也可使用相同升壓功能的升壓晶片；穩壓電容c40的一端與功率電感l1的一端連接，另一端與參考地gnd連接，功率電感l1的另一端分別與第二續流二極體vd7的一端和升壓晶片u1的1引腳sw連接，vd7的另一端分別與第二穩壓電容c21的一端、第一續流二極體vd6的一端、短接電阻r43的一端和輸出電壓out12v連接，第一續流二極體vd6的另一端與輸入電壓in12v連接，第二穩壓電容c21的另一端與參考地gnd連接；升壓晶片u1的2引腳gnd與參考地gnd連接；升壓晶片u1的3引腳fb分別與第一採樣電阻r48和第二採樣電阻r49的一端連接，r48的另一端與參考地gnd連接，第二採樣電阻r49的另一端與輸出電壓out12v連接；升壓晶片u1的4引腳en與第一限流電阻r45的一端連接；升壓晶片u1的5引腳in與6引腳nc連接，並與第一限流電阻r45的另一端、短接電阻r43的另一端、第三續流二極體vd8的一端連接，第三續流二極體vd8的兩一端與系統供電電壓vdd連接；

進一步地，所述升壓電路的輸出電壓通過調整第一採樣電阻r48和第二採樣電阻r49的值來設定。

進一步地，所述升壓電路中的升壓晶片u1內部邏輯電路供電由12v或通信模塊的3.3v或者5v電源提供，使升壓電路的最低輸入工作電壓可以達到0.8v以下。

進一步地，所述掉電檢測及控制電路包括第三控制三極體v3、第四控制三極體v4、第五控制三極體v5，第一分壓電阻r30、第二分壓電阻r31、第三分壓電阻r59、第四分壓電阻r67，第二限流電阻r32、第三限流電阻r60和鉗位二極體vd9組成；第三控制三極體v3基極b分別與第四分壓電阻r68和第三分壓電阻r59的一端連接，第四分壓電阻r68的另一端與輸入12v電壓in12v連接，第三分壓電阻r59的另一端與參考地gnd連接；第三控制三極體v3的射極e與參考地連接；第三控制三極體v3的集電極c與第三限流電阻r60的一端連接，第三限流電阻r60的另一端分別與供電狀態det_v連接和第五控制三極體v5的集電極c連接；第五控制三極體v5的射極e與參考地gnd連接；第五控制三極體v5的基極分別與第二分壓電阻r31和第一分壓電阻r30的一端連接，第一分壓電阻r30的另一端與參考地連接，第二分壓電阻r31的另一端與第四控制三極體v4的集電極c連接；第四控制三極體v4的基極b分別與鉗位二極體vd9的陽極和第二限流電阻r32的一端連接，第二限流電阻r32的另一端與輸入12v電壓in12v連接；第四控制三極體v4的設計e分別與系統供電電壓vdd和鉗位二極體vd9的陰極連接；所述掉電檢測及控制電路(4)的掉電門限值可通過調整第四分壓電阻r68和第三分壓電阻r5的值來設定；所述掉電檢測及控制電路(4)將12v供電狀態det_v通知電力線載波晶片。

該發明的有益效果在於：本發明提出了一種可適用於通信模塊，實現電路結構簡單、低成本、高可靠性和功能完善的掉電上報電路，該方法由通信模塊檢測電錶的供電電壓和電網過零點信號來判斷掉電狀態；當判斷電網突然掉電後，通信模塊由儲能單元供電，其儲存的能量通過升壓電路給通信模塊自身供電，完成突發掉電事件上報；當判斷電網供電正常時，通信模塊只通過電錶提供的電源工作，此時由充電電路給儲能單元充電，使用效果好。

附圖說明

圖1本發明實施例中的掉電上報電路原理圖。

圖2本發明實施例中的零點檢測電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便更好的理解本發明。

實施例

本實施例中的用電信息採集設備停電上報實現方法及電路，：該方法由通信模塊檢測電錶的供電電壓和電網過零點信號來判斷掉電狀態，當檢測為掉電狀態時，載波晶片會檢測多次電網過零點信號來判斷掉電狀態，如果多次檢測無過零點信號認為處於掉電狀態，增加掉電檢測的準確性；該電路包括充電電路、法拉電容、升壓電路和掉電檢測及控制電路，所述充電電路與輸入電壓vdd相連；所述充電電路的輸出與法拉電容相連；所述升壓電路的輸入與法拉電容連接；所述掉電檢測及控制電路分別與充電電路和升壓電路的u1的4引腳en相連。所述用電信息採集設備包括國家電網及南方電網單相、三相電能表、i型採集器、ii型採集器設備。

所述充電電路包括第一控制三極體v1、第一限流電阻r40、第二控制三極體v2、上拉電阻r46、分流基準電源ts1、濾波電阻r65、濾波電容c43、第三限流電阻r47和第一採樣電阻r66、第二採樣電阻r50；其中基準電壓電路ts1使用具有良好熱穩定性能的三端可調分流基準電源tl431；第一限流電阻r40的一端與輸入電壓vdd和第二控制三極體v2的射極e連接，另一端與第一控制三極體v1的射極e連接；第一控制三極體v1的基極b與第二控制三極體v2的集電極c和第二限流電阻r44的一端連接；上拉電阻r46的兩端並聯在第三控制三極體v3的射極e和基極b之間；第三限流電阻r47的一端與第二控制三極體v2基極b連接；另一端與三端可調的分流基準電源ts1的陰極k連接；濾波電阻r65的一端與濾波電容c43串聯連接，然後並接在三端可調分流基準電源ts1的陰極k和參考級r之間；第一採樣電阻r66並聯在三端可調分流基準電源ts1的參考級r和陽極a之間，第一採樣電阻r66的一端與第二採樣電阻r50的一端連接，第二r50的另一端與第一控制三極體v1的集電極e連接；三端可調分流基準電源ts1的陽極a與參考地gnd連接。所述充電電路的輸入電壓vdd可使用通信模塊的3.3v或者5v電源，也可使用電錶的提供的12v電源。所述充電電路的輸出電壓值可通過調整第一採樣電阻r66、第二採樣電阻r50的值來設定。所述法拉電容由法拉電容c40組成；根據功率輸出和供電時間要求，選擇不同容量的法拉電容。

所述升壓電路包括第一穩壓電容c41和第二穩壓電容c21、功率電感l1、第一續流二極體vd6、第二續流二極體vd7、第三續流二極體vd8、升壓晶片u1，第一限流電阻r45和第一採樣電阻r48、第二採樣電阻r49、第三採樣電阻c42；其中升壓晶片u1使用sx1308升壓晶片，也可使用相同升壓功能的升壓晶片；穩壓電容c40的一端與功率電感l1的一端連接，另一端與參考地gnd連接，功率電感l1的另一端分別與第二續流二極體vd7的一端和升壓晶片u1的1引腳sw連接，vd7的另一端分別與第二穩壓電容c21的一端、第一續流二極體vd6的一端、短接電阻r43的一端和輸出電壓out12v連接，第一續流二極體vd6的另一端與輸入電壓in12v連接，第二穩壓電容c21的另一端與參考地gnd連接；升壓晶片u1的2引腳gnd與參考地gnd連接；升壓晶片u1的3引腳fb分別與第一採樣電阻r48和第二採樣電阻r49的一端連接，r48的另一端與參考地gnd連接，第二採樣電阻r49的另一端與輸出電壓out12v連接；升壓晶片u1的4引腳en與第一限流電阻r45的一端連接；升壓晶片u1的5引腳in與6引腳nc連接，並與第一限流電阻r45的另一端、短接電阻r43的另一端、第三續流二極體vd8的一端連接，第三續流二極體vd8的兩一端與系統供電電壓vdd連接；所述升壓電路的輸出電壓通過調整第一採樣電阻r48和第二採樣電阻r49的值來設定。所述升壓電路中的升壓晶片u1內部邏輯電路供電由12v或通信模塊的3.3v或者5v電源提供，使升壓電路的最低輸入工作電壓可以達到0.8v以下。

所述掉電檢測及控制電路包括第三控制三極體v3、第四控制三極體v4、第五控制三極體v5，第一分壓電阻r30、第二分壓電阻r31、第三分壓電阻r59、第四分壓電阻r67，第二限流電阻r32、第三限流電阻r60和鉗位二極體vd9組成；第三控制三極體v3基極b分別與第四分壓電阻r68和第三分壓電阻r59的一端連接，第四分壓電阻r68的另一端與輸入12v電壓in12v連接，第三分壓電阻r59的另一端與參考地gnd連接；第三控制三極體v3的射極e與參考地連接；第三控制三極體v3的集電極c與第三限流電阻r60的一端連接，第三限流電阻r60的另一端分別與供電狀態det_v連接和第五控制三極體v5的集電極c連接；第五控制三極體v5的射極e與參考地gnd連接；第五控制三極體v5的基極分別與第二分壓電阻r31和第一分壓電阻r30的一端連接，第一分壓電阻r30的另一端與參考地連接，第二分壓電阻r31的另一端與第四控制三極體v4的集電極c連接；第四控制三極體v4的基極b分別與鉗位二極體vd9的陽極和第二限流電阻r32的一端連接，第二限流電阻r32的另一端與輸入12v電壓in12v連接；第四控制三極體v4的設計e分別與系統供電電壓vdd和鉗位二極體vd9的陰極連接；所述掉電檢測及控制電路(4)的掉電門限值可通過調整第四分壓電阻r68和第三分壓電阻r5的值來設定；所述掉電檢測及控制電路(4)將12v供電狀態det_v通知電力線載波晶片。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是這樣實現的：如圖1所示的掉電上報電路原理圖，該掉電上報電路包括充電電路(1)，法拉電容(2)，升壓電路(3)，掉電檢測及控制電路(4)。圖1為掉電上報電路原理圖；圖2為過零點檢測電路原理圖。

掉電檢測方法：由通信模塊檢測電錶的供電電壓是否低於某設置門限電壓(比如門限值設置為7.5v)，由於電錶的供電電源上有大容量的儲能電容，而通信模塊上的儲能電容較小，當通信模塊檢測電錶供電電壓低於門限電壓時，當掉電狀態維持一段時間後(比如掉電狀態位置10ms)仍舊為掉電狀態，說明電錶提供的電壓下降緩慢，通信模塊插在電錶上；當掉電狀態瞬速(比如掉電狀態維持2ms)消失後，說明電錶提供的電壓掉電很快，當檢測到此時的電錶供電電壓低於某設置門限電壓(比如門限值設置為2.5v)以下時，認為通信模塊拔出，通過電路控制將升壓電路使能關閉，防止通信模塊通過儲能單元供電，另外將此狀態通知載波晶片，禁止掉電上報，防止掉電誤報；同時在掉電狀態時，載波晶片會檢測多次電網過零點信號來判斷掉電狀態，如果多次檢測無過零點信號認為處於掉電狀態，增加掉電檢測的準確性。

電路功能介紹：當電網和電錶正常供電時，即使電錶給通信模塊的提供的電壓低於12v，通信模塊也只由電錶提供12v供電電源，法拉電容及其升壓電路不工作，以防止設備低電壓情況下，供電系統產生震蕩。當掉電檢測及控制電路(4)檢測電錶12v供電正常時，掉電檢測及控制電路(4)控制打開充電電路的使能，並關閉升壓電路的使能，此時由充電電路(1)給法拉電容(2)開始充電，直到電量充滿，同時通過det_v將in12v正常供電狀態通知電力線載波晶片。

當電網故障或電錶異常導致突發掉電時，通信模塊由法拉電容供電，但不提供給電錶供電，此處是因為若通信模塊的法拉電容若同時通過12v插針給電錶供電，則可能會影響電錶的掉電檢測功能，同時電錶的其他電路可能造成額外的能量消耗。當掉電檢測及控制電路(4)檢測電錶12v供電不正常時，掉電檢測及控制電路(4)控制打開升壓電路的使能，並關閉充電電路的使能，同時通過det_v將in12v掉電狀態通知電力線載波晶片。

電路原理介紹：

1)充電電路(1)：其主要作用是當電錶12v供電正常時給法拉電容c40進行充電，採用串聯穩壓電路結構實現恆壓恆流充電；充電電路(1)分別由調整管v1，限流電阻r40，控制三極體v2，上拉電阻r46，基準電壓電路ts1、r65、c43、r47，和採樣電阻r66、r50組成。其中ts1使用具有良好熱穩定性能的三端可調分流基準電源tl431。

本電路中使用單只電壓2.65v的法拉電容，其充電電路輸入電壓vdd可以使用通信模塊的3.3v或者5v電源，也可使用電錶的提供的12v電源，可以實現給不同電壓和不同容量的拉電容充電，並可通過調整採樣電阻r66、r50的值來設定充電電路的輸出電壓，通過設置限流電阻r47和r40的值可設定充電電路的充電電流。r65和c43作為基準電壓電路的頻率補償之用，可以提高tl431的瞬態頻率響應。

2)法拉電容(2)：其主要作用是進行儲能，主要由c40法拉電容組成；法拉電容的容量主要由要求輸出功率w和供電時間t決定，根據公式可知:

需要的能量q1＝w*t；

電容儲能能量q2＝0.5*c*u2；

設法拉電容的電壓為u1，升壓電路的最低工作電壓u2，所以需要法拉電容從u1電壓放電到u2時需要提供q1的能量，則由w*t＝0.5*c*(u1-u2)2,得出c＝(w*t)/[0.5*(u1-u2)2]；若考慮升壓電路的效率為η，則需要容量至少為c/η。根據以上計算結果選擇最為接近標準值的法拉電容。

3)升壓電路(3)：其主要作用是法拉電容的低電壓升高到12v或要求設置值，採用boost升壓電路結構實現電壓升高；升壓電路(3)分別由穩壓電容c41、c21，功率電感l1，續流二極體vd6、vd7，升壓晶片u1，上拉電阻r45和反饋電路r48、r49、c42組成；其中u1使用sx1308升壓晶片，也可使用相同升壓功能的升壓晶片。

通過調整r49和r48的值可設定升壓電路的輸出電壓值；vd6的作用是當電錶掉電後，由升壓電路輸出out12v電壓只提供給通信模塊供電，而不能給電錶供電；r43的主要作用是兼容12v和通信模塊的3.3v或者5v電源給升壓晶片u1內部邏輯電路供電；此升壓電路的優點是在保證升壓晶片u1內部邏輯電路供電的前提下，升壓電路的最低輸入工作電壓可以達到0.8v以下，所以即使單個法拉電容電壓較低時，通過此升壓電路也可輸出穩定的12v電壓。

4)掉電檢測及控制電路(4)：其主要作用是實現電錶掉電檢測和模塊熱插拔檢測，充電電路和升壓電路的使能控制；控制電路分別由控制三極體v3、v4、v5，分壓電阻r30、r31、r59、r67，限流電阻r32、r60和鉗位二極體vd9組成。

通過調整r59和r67的值可設定掉電門限電壓值；當電錶輸出的in12v電壓掉電時，即in12v電壓低於設定掉電門限電壓時，控制三極體v3的集電極對地關閉，此時控制充電電路(1)使能的關閉和升壓電路(3)的使能打開；當電錶輸出的in12v電壓正常時，其電壓高於設定掉電門限電壓，控制三極體v3的集電極c對地導通，此時控制充電電路(1)使能打開和升壓電路(3)的使能關閉；並通過det_v將in12v供電狀態通知電力線載波晶片。

當in12v電壓低於設定掉電門限電壓時，需要判斷是否是因為通信模塊拔出導致，以防止誤掉電上報；通過將in12v電壓引入控制三極體的v4的基極，當in12v電壓低於vdd減去控制三極體v4的veb電壓時，控制三極體v4的導通，通過r31和r30的分壓，使控制三極體v5導通，將det_v強制拉低，使升壓電路(3)使能關閉，防止通信模塊通過法拉電容(2)供電，另外將det_v狀態通知載波晶片，禁止掉電上報，防止掉電誤報；

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。