一种电网检测和保护的控制电路的制作方法

本发明主要涉及电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种电网检测和保护的控制电路。

背景技术：

目前通用的电网保护电路采用空气开关等装置，其将空气开关等装置直接串入电网的火线中，当电网的负载过大或者电网出现短路的情况下，空气开关等装置断开进行保护，也就是说只有当事故发生了才能进行保护。由于空气开关选定后，其参数是固定的，因此若空气开关型号选择的不合适，会出现在某些时候电网的负载过大或者电网已经出现短路的情况后，空气开关没有及时断开进行保护，从而造成重大的经济损失。此外电网的负载过大一般是因为用户不清楚此时电网的负载状态，新加入的负载超过电网的额定功率，从而导致电网过载。

因此，有必要提出一种电网检测和保护电路，一方面可以根据需要主动设置保护参数，另一方面可以将电网的负载状态实时检测并显示于客户端，使得用户可以实时了解电网的负载状态，更好更及时的保护电网。

技术实现要素：

为了解决前面描述的一个或者多个问题，本发明提出了一种电网检测和保护的控制电路。

根据本发明一实施例的一种电网检测和保护的控制电路，电网包括ac电源，控制电路和负载，所述控制电路包括电量检测电路，前端控制器电路，保护电路，第一电力载波电路，第二电力载波电路，后端控制器电路和终端显示电路，其中电量检测电路，耦接于ac电源以检测ac电源的电压和电流，并输出瞬时电流，瞬时电压，电流有效值，电压有效值等表征负载状态的数据。前端控制器电路，接收上述表征负载状态的数据，并根据上述表征负载状态的数据和阈值信号生成保护信号。保护电路，接收保护信号以控制ac电源和负载之间的导通和断开。第一电力载波电路，接收上述表征负载状态的数据，并通过电力载波的通讯方式和ac电源之间进行数据传输。第二电力载波电路，通过电力载波的通讯方式与ac电源之间进行数据传输。后端控制器电路，耦接于第二电力载波电路，并与第二电力载波电路之间进行数据传输。终端显示电路，耦接于后端控制器电路并与后端控制器电路通过无线通讯的方式进行数据传输。

根据本发明一实施例的一种电网检测和保护电路，包括ac电源，控制电路和负载，所述控制电路可工作于检测模式和设置阈值信号模式，当控制电路工作于检测模式时，电量检测电路检测ac电源的电压和电流并输出表征负载状态的数据；前端控制器电路接收上述表征负载状态的数据，并根据所述数据和阈值信号生成保护信号用于控制ac电源和负载之间的导通和断开；第一电力载波电路接收表征负载状态的数据并利用电力载波通讯方式传输到ac电源；第二电力载波电路通过电力载波通讯方式接收表征负载状态的数据；后端控制器电路通过串口通讯方式从第二电力载波电路中接收表征负载状态的数据；终端显示电路通过无线通讯方式从后端控制器电路接收数据；当控制电路工作于设置阈值信号模式时，终端显示电路将设置阈值信号的命令通过无线通讯的方式传输到后端控制器电路；后端控制器电路将设置阈值信号的命令通过串口通讯的方式传输到第二电力载波电路；第二电力载波电路将设置阈值信号的命令通过电力载波通讯方式传输到ac电源；ac电源同样通过电力载波通讯方式将设置阈值信号的命令传输到第一电力载波电路；第一电力载波电路通过串口通讯的方式将设置阈值信号的命令传输到前端控制器电路从而完成阈值信号的设置。

根据本发明实施例所提供的电网检测和保护电路，用户可以实时检测电网的负载状态，并且可以自定义电网的功率上限，超过上限即触发保护。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1给出了根据本发明一实施例的电网检测和保护电路100。

图2给出了根据本发明一实施例的电网检测和保护电路100工作于设置阈值信号vth模式时的流程图。

图3给出了根据本发明一实施例的电网检测电路100在阈值信号vth设置完后或者阈值信号vth是固定参数时工作于检测模式时的流程图。

图4给出了根据本发明一实施例的电量检测电路11的电路框图。

图5给出了根据本发明一实施例的ac-dc转换电路的具体电路图。

图6给出了根据本发明一实施例的稳压电源电路的具体电路图。

图7给出了根据本发明一实施例的电压采集电路，电流采集电路以及保护电路13的具体电路图。

图8给出了根据本发明一实施例的电量检测单元的具体电路图。

图9给出了根据本发明一实施例的前端控制器电路的具体电路图。

图10给出了根据本发明一实施例的第一电力载波电路的具体电路图。

图11给出了根据本发明一实施例的后端控制器电路16和终端显示电路17的电路示意图。

附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。

本发明的说明书中提到的“耦接”可指直接的连接或通过间接物的连接，如通过导体的连接，该导体具有阻值，也可有寄生参数，如具有电感值和电容值，以及如通过半导体器件如二极管的连接等。

图1给出了根据本发明一实施例的电网检测和保护电路100。电网检测和保护电路100根据耦接于ac电源的不同位置可分为前端部分a和后端部分b。其中前端部分a耦接于ac电源的入户总线处，后端部分b可耦接于ac电源的任何位置。前端部分a包括电量检测电路11,前端控制器电路12，保护电路13和第一电力载波电路14。电量检测电路11耦接于ac电源的第一端和第二端以检测ac电源的电压和电流从而得到瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve，电流有效值ie和电功率w等表征负载状态的数据，并在输出端将这些数据输出。前端控制器电路12耦接于电量检测电路11以接收瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve，电流有效值ie和电功率w等数据。前端控制器电路12具有阈值信号vth，前端控制器电路12根据阈值信号vth和前端控制器电路12接收到的表征负载状态的数据值生成保护信号到保护电路13。所述阈值信号vth可以是用户主动设置的，也可以是前端控制器电路12自身的固定值。在一实施例中，阈值信号vth是电压值，此时当前端控制器电路12接收到的ac电源的瞬时电压vt大于阈值信号vth,保护信号控制保护电路13进入断电保护状态。在一实施例中，阈值信号vth是电流值，此时当前端控制器电路12接收到的ac电源的瞬时电流it大于阈值信号vth,保护信号控制保护电路13进入断电保护状态。在另一实施例中，阈值信号vth是电量值，此时当前端控制器电路12接收到的ac电源的电功率w大于阈值信号vth,保护信号控制保护电路13进入断电保护状态。前端控制器电路12和第一电力载波电路14均具有串行i/o口并通过串行i/o口进行数据传输。第一电力载波电路14和ac电源通过电力载波通讯方式进行数据传输。

继续参考图1对电网检测和保护电路100的后端部分b进行说明，后端部分b包括第二电力载波电路15，后端控制器电路16和终端显示电路17。其中第二电力载波电路15和ac电源通过电力载波通讯方式进行数据传输。第二电力载波电路15和后端控制器电路16通过串行i/o口进行数据传输。若终端显示电路17是显示屏，后端控制器电路16输出显示数据到显示屏，若终端显示电路17是手机app(应用小程序)或者电脑应用程序，后端控制器电路16可以通过无线通讯，比如说蓝牙等的方式和终端显示电路17进行数据传输。

图2给出了根据本发明一实施例的电网检测和保护电路100工作于设置阈值信号vth模式时的流程图。当终端显示电路17是手机app(应用小程序)或者电脑应用程序时，终端显示电路17将“设置vth”命令通过无线通讯，比如说蓝牙等的方式传输到后端控制器电路16，后端控制器电路16将“设置vth”命令通过串行i/o口传输到第二电力载波电路15。第二电力载波电路15将“设置vth”命令通过电力载波通讯方式传输到ac电源，ac电源同样通过电力载波通讯方式将“设置vth”命令传输到第一电力载波电路14，第一电力载波电路14通过串行1/0口将“设置vth”命令传输到前端控制器电路12，从而实现用户设置阈值信号vth这一功能。

图3给出了根据本发明一实施例的电网检测电路100在阈值信号vth设置完后或者阈值信号vth是固定参数时工作于检测模式时的流程图。电量检测电路11耦接于ac电源的用户总线处并检测ac电源的电压和电流从而得到瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve，电流有效值ie和电功率w等表征负载状态的数据，并在输出端输出。前端控制器电路12耦接于电量检测电路11以接收ac电源的瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve，电流有效值ie和电功率w等数据。前端控制器电路12具有比较器，比较器比较接收到的表征负载状态的数据和阈值信号vth生成保护信号到保护电路13以控制保护电路13的工作状态，同时前端控制器电路12将所接收到的表征负载状态的数据通过串行i/o口传输到第一电力载波电路14，第一电力载波电路14通过电力载波通讯方式将表征负载状态的数据传输到ac电源上。耦接于ac电源任何位置的第二电力载波电路15通过电力载波通讯方式接收到ac电源的这些表征负载状态的数据，并通过串行i/o口将接收到的表征负载状态的数据传输到后端控制器电路16，并最终传输到终端显示电路17。

图4给出了根据本发明一实施例的电量检测电路11的电路框图。电量检测电路11包括ac-dc转换电路，稳压电源电路，电压采集电路，电流采集电路和电量检测单元。其中ac-dc转换电路耦接于ac电源将ac电源转换成直流供电电源。在一实施例中，ac-dc转换电路将ac电源转换成正直流供电电源vcc+和负直流供电电源vcc-。稳压电源电路耦接于ac-dc转换电路用于接收正直流供电电源vcc+和负直流供电电源vcc-，并根据正直流供电电源vcc+和负直流供电电源vcc-生成多个辅助电源。电压采集电路具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端耦接于ac电源的第一端，第二输入端耦接于ac电源的第二端，电压采集电路检测ac电源的电压并生成正检测电压信号vin+和负检测电压信号vin-。电流采集电路以检测ac电源的电流并生成正检测电流信号iin+和负检测电流信号iin-。电量检测单元接收正检测电压信号vin+,负检测电压信号vin-,正检测电流信号iin+和负检测电流信号iin-并由此得到瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve以及电流有效值ie等表征负载状态的数据。

图5给出了根据本发明一实施例的ac-dc转换电路的具体电路图。ac-dc转换电路包括变压器t1，具有第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端的整流桥bridge，正输出电容cout+和负输出电容cout-。其中变压器t1的原边耦接于ac电源，变压器t1的第一副边和第二副边分别耦接于整流桥bridge的第一输入端和参考地gnd之间以及整流桥bridge的第二输入端和参考地gnd之间，正输出电容cout+耦接于整流桥bridge的第一输出端和参考地gnd之间，负输出电容cout-耦接于整流桥bridge的第二输出端和参考地gnd之间。

图6给出了根据本发明一实施例的稳压电源电路的具体电路图。在一个电网检测和保护电路中，常常需要多个电压值不同的辅助电源作为其他模块电路的供电电源，因此稳压电源电路通常包括多个稳压芯片以生成多个辅助电源。图6给出了包括四个稳压芯片u1-u4的稳压电源电路，四个稳压芯片分别提供第一输出电压out1，第二输出电压out2，第三输出电压out3以及第四输出电压out4。稳压芯片的电路连接方式是本领域的常识，此处不再一一描述。

图7给出了根据本发明一实施例的电压采集电路，电流采集电路以及保护电路13的具体电路图。电压采集电路包括电压互感器，第一电压采集电阻rv1，第二电压采集电阻rv2，第三电压采集电阻rv3，第四电压采集电阻rv4，第五电压采集电阻rv5以及电压采集电容cv。其中电压互感器具有第一端，第二端，第三端和第四端，其中第一端通过第一电压采集电阻rv1耦接于ac电源的第一端，电压互感器的第二端耦接于ac电源的第二端。第二电压采集电阻rv2和第三电压采集电阻rv3串联耦接于电压互感器的第三端和第四端之间，其中第二电压采集电阻rv2是可调电阻。电压互感器利用交流电压互感特性，在串联的第二电压采集电阻rv2和第三电压采集电阻rv3的两端产生第一互感电压vs1。第四电压采集电阻rv4具有第一端和第二端，其中第一端耦接于电压互感器的第三端，第二端耦接于参考地gnd。第五电压采集电阻rv5具有第一端和第二端，其中第一端耦接于电压互感器的第四端，第二端耦接于参考地gnd。电压采集电容cv具有第一端和第二端，其中第一端耦接于电压互感器的第三端，电压采集电容cv的第二端耦接于电压互感器的第四端。第一互感电压vs1在第四电压采集电阻rv4上的分压形成正检测电压信号vin+，第一互感电压vs1在第五电压采集电阻rv5上的分压形成负检测电压信号vin-。第一互感电压vs1是交流信号，电压采集电容cv对正检测电压信号vin+和负检测电压信号vin-进行滤波。

电流采集电路包括电流互感器，第一电流采集电阻ri1，第二电流采集电阻ri2，第三电流采集电阻ri3，第四电流采集电阻ri4和电流采集电容ci。ac电源穿过电流互感器，第一电流采集电阻ri1和第二电流采集电阻ri2串联耦接于电流互感器的第一输出端outa和第二输出端outb之间。电流互感器利用交流电流互感特性，在串联的第一电流采集电阻ri1和第二电流采集电阻ri2的两端产生第二互感电压vs2。第三电流采集电阻ri3具有第一端和第二端，其中第一端耦接于电流互感器的第一输出端outa，第二端耦接于参考地gnd。第四电流采集电阻ri4具有第一端和第二端，其中第一端耦接于电流互感器的第二输出端outb，第二端耦接于参考地gnd。电流采集电容ci具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第三电流采集电阻ri3的第一端和电流互感器的第一输出端outa，电流采集电容ci的第二端耦接于第四电流采集电阻ri4的第一端和电流互感器的第二输出端。第二互感电压vs2在第三电流采集电阻ri3上的分压形成正检测电流信号iin+，第二互感电压vs2在第四电流采集电阻ri4上的分压形成负检测电流信号iin-。第二互感电压vs2是交流信号，电流采集电容ci对正检测电流信号iin+和负检测电流信号iin-进行滤波。

保护电路13包括继电器k1，二极管dp，晶闸管，第一保护电阻rp1,三极管qp和第二保护电阻rp2。二极管dp和晶闸管串联耦接于供电电源vcc和参考地gnd之间。晶闸管具有阳极a，阴极k和控制极g，其中晶闸管的阳极a耦接于二极管dp的阳极，晶闸管的阴极k耦接于参考地gnd，二极管dp的阴极耦接于供电电源vcc。第一保护电阻rp1，第二保护电阻rp2和三极管qp串联耦接于供电电源vcc和晶闸管的控制极g之间，其中第一保护电阻rp1具有第一端和第二端，三极管qp具有集电极，发射极和基极，第二保护电阻rp2具有第一端和第二端。第一保护电阻rp1的第一端耦接于供电电源vcc，第二端耦接于三极管qp的集电极。第二保护电阻rp2的第一端耦接于三极管qp的发射极，第二保护电阻rp的第二端耦接于晶闸管的控制极g。三极管qp的基极接收保护信号up/dowm。继电器k1具有阳极，控制极，第一开关s1和第二开关s2，其中阳极耦接于供电电源vcc，控制极耦接于晶闸管的阳极a，第一开关s1和第二开关s2均具有常开端，常闭端和公共端。当保护信号up/dowm处于高电位时，三极管qp导通，从而使得晶闸管导通，此时继电器k1的第一开关s1和第二开关s2的公共端均与其对应的常开端连接，ac电源的负载和ac电源断开，保护电路13进入断电保护状态。当保护信号up/dowm处于低电位时，三极管qp关断，晶闸管关断，继电器k1的第一开关s1和第二开关s2的公共端均与其对应的常闭端连接，ac电源的负载和ac电源直接连接，保护电路13进入正常供电状态。

图8给出了根据本发明一实施例的电量检测单元的具体电路图。电量检测单元接收正检测电压信号vin+，负检测电压信号vin-，正检测电流信号iin+和负检测电流信号iin-并据此得到瞬时电压vt，瞬时电流it，电压有效值ve，电流有效值ie等表征负载状态的数据，并将这些数据通过通讯口传输到前端控制器电路12。电量检测单元包括检测芯片，第一检测电阻rt1，第二检测电阻rt2，第三检测电阻rt3，第四检测电阻rt4，第五检测电阻rt5，第六检测电阻rt6，第一检测电容ct1，第二检测电容ct2，第三检测电容ct3，第四检测电容ct4，第五检测电容ct5，第六检测电容ct6，第七检测电容ct7，第八检测电容ct8，第九检测电容ct9以及晶振y1。在本实施例中，检测芯片的型号为cs5460a,芯片cs5460a具有24个pin脚，其中晶振y1耦接于第一pin脚和第二十四pin脚之间。第一检测电容ct1耦接于第一pin脚和参考地gnd之间，第二检测电容ct2耦接于第一pin脚和第三pin脚之间，第一检测电阻rt1的一端接收正检测电压信号vin+,第一检测电阻rt1的另一端耦接于第九pin脚。第二检测电阻rt2的一端接收负检测电压信号vin-，第二检测电阻rt2的另一端耦接于第十pin脚，第三检测电阻rt3耦接于第二检测电阻rt2的一端和参考地gnd之间，第三检测电容ct3耦接于第十pin脚和参考地gnd之间，第四检测电容ct4耦接于第九pin脚和参考地gnd之间。第五检测电容ct5耦接于第十一pin脚，第十二pin脚和参考地gnd之间。第六检测电容ct6耦接于第十四pin脚和参考地gnd之间，第七检测电容ct7耦接于第十六pin脚和参考地gnd之间，第八检测电容ct8耦接于第十五pin脚和参考地gnd之间，第四检测电阻rt4一端接收正检测电流信号iin+，另一端耦接于第十六pin脚，第五检测电阻rt5一端接收负检测电流信号iin-，另一端耦接于第十五pin脚。第六检测电阻rt6一端接收负检测电流信号iin-，另一端耦接于参考地gnd。第九检测电容ct9耦接于第二十四pin脚和参考地gnd之间。cs5460a芯片的第三pin脚和第十四pin脚耦接于参考电源,第四pin脚和第十三pin脚耦接于参考地gnd。cs5460a芯片的第五，第六，第七，第十九，二十，二十一，二十二，二十三pin脚是通讯口。在另一实施例中，检测芯片可以采用其它型号电量检测芯片。

图9给出了根据本发明一实施例的前端控制器电路12的具体电路图。在本实施例中前端控制器电路12具有可以和电量检测电路11进行数据传输的通讯口。前端控制器电路12还具有比较器，所述比较器比较阈值信号vth和接收到的数据，并输出保护信号up/dowm。前端控制器电路12还具有串行i/o口，此串行i/o口耦接于第一电力载波电路14的串行i/o口用于两者间的数据传输。

图10给出了根据本发明一实施例的第一电力载波电路14的具体电路图。在本实施例中，第一电力载波电路14采用lm1893芯片，所述lm1893芯片具有18个pin脚，其中第一电力电容cm1耦接于第一pin脚和第二pin脚之间，第二电力电容cm2和第一电力电阻rm1串联耦接于第三pin脚和第四pin脚之间，第三电力电容cm3耦接于第六pin脚和参考地gnd之间，第二电力电阻rm2和第四电力电容cm4串联耦接于第七pin脚和参考地gnd之间，第三电力电阻rm3和第四电力电阻rm4串联耦接于第十八pin脚和参考地gnd之间，第五电力电容cm5耦接于第十六pin脚和参考地gnd之间。第六电力电容cm6耦接于第十三pin脚和参考地gnd之间，第五电力电阻rm5耦接于第十二pin脚和第十一pin脚之间，第六电力电阻rm6耦接于第十一pin脚和参考电源之间，齐纳二极管z1耦接于第十pin脚和参考地gnd之间。lm1893芯片的第五pin脚接收/发送tx/rx信号，第十二pin脚接收/发送out_rx信号，第十七pin脚接收/发送in_tx信号。lm1893芯片的第八pin脚和第九pin脚耦接于一起，第十五pin脚耦接于参考电源。第一电力载波电路14还包括第七电力电容cm7，第八电力电容cm8，第九电力电容cm9，第七电力电阻rm7和第二变压器t2，其中第九电力电容cm9串联耦接于第二变压器t2的原边，第八电力电容cm8并联于第二变压器t2的副边，第七电力电容cm7耦接于第二变压器t2副边一端和参考地gnd之间，第七电力电阻rm7耦接于第二变压器t2副边另一端和第十pin脚之间。在另一实施例中，第一电力载波电路14采用其它电力载波芯片。

若第二电力载波电路15采用和第一电路载波电路14相同的电力载波芯片，则第二电力载波电路15的具体电路连接方式和第一电力载波电路14的具体连接方式相同。在一实施例中，第二电力载波芯片和第一电力载波芯片不同。

图11给出了根据本发明一实施例的后端控制器电路16和终端显示电路17的电路示意图。后端控制器电路16具有串行i/o口和输出端，所述串行i/o口用于和第二电力载波电路15进行数据传输，后端控制器电路16的输出端耦接于终端显示电路17。在一实施例中，后端控制器电路16是一单片机。在另一实施例中，后端控制器电路16采用stm32型号的单片机。

综上所述，本发明的电网检测电路，当ac电源的负载正常工作时，保护信号up/down处于低电位，保护电路13处于正常供电状态，ac电源和ac电源的负载之间直接连接，同时后端控制器电路16能够读取表征负载状态的数据，并在终端显示电路17显示。

当ac电源的负载发生故障被检测到时，保护信号up/down从低电位跳变到高电位以触发保护电路13进入断电保护状态，使得ac电源和ac电源的负载之间断开，后端控制器电路16能够读取表征负载状态的数据值，并在终端显示电路17显示并报警。当故障排查完成确定安全后或者负载正常工作后，终端显示电路17只需要向后端控制器电路16发送一条重启指令重启电网系统，电网检测和保护电路即可再次进入检测模式，检测ac电源的负载状态。

注意，在上文描述的流程图中，框中所标注的功能也可以按照不同于图中所示的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的具体功能。

上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。