一种基于电压过零点和功率因数修正的跳闸方法与流程

1.本发明涉及一种基于电压过零点和功率因数修正的跳闸方法。


背景技术：

2.目前单相智能电能表的电流规格imax为60a,若电能表流过大电流情况下执行拉闸操作，负荷开关在断开时触点会因为大电流的突然中断产生严重的拉弧现象，拉弧会烧蚀负荷开关的触点，导致触点接触电阻逐渐增大，即电能表的电流回路阻抗变大，不仅降低电能表的整机使用寿命，阻抗变大后在长时间大电流状态下电能表发热严重，导致电能表接线端子高温熔化，线路绝缘层熔化脱落，引起火灾的可能性会增加。
3.目前电能表由于技术限制，行业内采用判断电能表电流小于30a时才允许拉闸，见国家电网最新版的技术标准《q/gdw10354-2020版智能电能表功能规范》d.4,电能表支持继电器(即负荷开关)拉闸控制电流门限(默认30a)，当电能表收到拉闸命令后，检测电能表电流是否大于设定的电流门限值，如电流大于门限值，电能表延时拉闸，待电流小于或等于门限值或延时24h后电能表拉闸，在电能表行业目前没有可行的在零点跳闸的解决方案，电能表大于30a时不执行拉闸是由于目前没有合适技术手段而采取的折中办法。
4.申请号201710342281.2(公开号cn107257126a)的发明介绍了一种可保护继电器的电能表大电流跳闸方法，此发明采用的是电能表mcu读取计量芯片ad采样值，通过判断ad采样值正负极性切时刻的方式判断电流过零点时间，此类技术判断电流过零点方法存在如下问题：由于mcu和计量芯片是通过光耦隔离方式传输，传输1bit时间约208us,读取一次ad值需要1字节地址和3字节ad数据，4字节共32bit数据，通讯时间至少208us*32＝6.656ms,而我国的交流电频率为50hz,周期为20ms；电流过零点时刻间隔为10ms。因此此类判断电流过零点方法误差非常大。


技术实现要素：

5.本发明所要达到的目的就是提供一种基于电压过零点和功率因数修正的跳闸方法，能准确得到电流过零点时刻，从而使电能表能在电流过零点时刻驱动负荷开关拉闸，从而有效的保护了负荷开关的触点。
6.为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于电压过零点和功率因数修正的跳闸方法，包括服务器和电能表，所述电能表包括电压过零点检测电路、mcu、定时器、负荷开关和计量芯片，所述服务器、电压过零点检测电路、定时器、负荷开关和计量芯片均与mcu相连，跳闸方法包括以下步骤：
7.s1：服务器向电能表发送拉闸信号，mcu接收拉闸信号后分别获取计量芯片内的电压、电流、有功功率和无功功率的数值；
8.s2：根据s1获取的数值计算当前负载的功率因数cosφ，功率因数通过以下公式计算：
9.cosφ＝有功功率/(电压
×
电流)；
10.s3：mcu根据s2计算出的功率因数cosφ换算成电压和电流过零点的延时时间t1，延时时间t1通过以下公式计算：
11.cosφ＝cos(2πft1)，其中：f＝50；
12.s4：mcu根据s1读取的有功功率和无功功率的数值符号位判断是感性负载还是容性负载；
13.s5：mcu开启端口中断使能,捕捉电压过零点时刻，mcu接收到中断信号后关闭过零点中断使能；
14.s6：根据s5捕捉到的电压过零点时刻，在电压过零点时刻开启定时器，定时时间为t2,当s4判断的功率因数为感性负载时，t2＝t1，当s4判断的功率因数为容性负载时，t2＝10ms-t1，延时t2时间后得到电流过零点时刻；
15.s7：根据s6得到电流过零点时刻，使负荷开关的电源维持在12v，电流维持在150ma，在电流过零点时刻，mcu驱动负荷开关拉闸，等待200ms确保负荷开关完全拉开；
16.s8：mcu开启电压过零点中断使能，电压过零点检测电路不再产生电压过零点中断信号，表示负荷开关拉闸成功，电能表给服务器答复拉闸成功命令，如果仍检测到中断信号，表明负荷开关拉闸失败，电能表给服务器答复拉闸失败命令。
17.优选的，电压过零点检测电路包括光电耦合器um1、全桥整流电路、电压鉴幅电路、限流电阻和信号输出端，全桥整流电路的输入端与电能表的火线出线端相连，电能表的火线出线端经负荷开关与进线端和市电相连，电压过零点检测电路同时作为负荷开关跳闸检测电路，市电经全桥整流电路全桥整流成周期为100hz的电压v2，电压v2通过限流电阻与光电耦合器um1的输入端相连，所述光电耦合器um1的输出端通过电压鉴幅电路与信号输出端相连。
18.优选的，所述限流电阻包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5,且电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5的电阻值均相等，光电耦合器um1的输入端包括第一引脚和第二引脚，电压v2经电阻r1、电阻r2和电阻r3与第一引脚相连，第二引脚经电阻r4和电阻r5后与接地端相连。
19.优选的，电压过零点检测电路还包括电容c1，电容c1设置在第一引脚和第二引脚之间。
20.优选的，所述电压鉴幅电路包括三极管qt1、电阻r6、电阻r7和电阻r8，光电耦合器um1的输出端包括第三引脚和第四引脚，第三引脚经电阻r8与三极管qt1的基极相连，三极管qt1的基极经电阻r6与vdd端相连，所述vdd端与三极管qt1的发射极相连，三级管qt1的集电极经电阻r7与接地端相连，第四引脚与接地端相连，所述信号输出端的一端与三级管qt1的集电极相连，所述信号输出端的另一端与接地端相连。
21.优选的，电压过零点检测电路还包括电阻r9和电容c2，信号输出端的一端经电阻r9与qt1的集电极相连，信号输出端的另一端经电容c2与接地端相连。
22.优选的，在s4步骤中，当有功功率和无功功率都为正值时，功率因数为感性，当有功功率是正值，无功功率是负值，功率因数为容性。
23.优选的，服务器与mcu通过4g网络或5g网络或电力线载波相连。
24.综上所述，本发明的优点：通过步骤s1获取电压、电流、有功功率和无功功率的数值，步骤s2功率因数cosφ的计算，步骤s3延时时间t1的计算，步骤s4判断是感性负载还是
容性负载，步骤s5捕捉电压过零点时刻，步骤6得到电流过零点时刻，步骤s7在电流过零点时刻驱动负荷开关拉闸，步骤s8判断负荷开关拉闸成功是否的跳闸方法，由于在s7步骤中，电流过零点瞬间电流值为零，电能表在电流为零时执行拉闸，从而确保负荷开关触点在电流过零点时刻断开，避免产生拉弧，有效保护了负荷开关的触点，从根源上解决了负荷开关在大电流拉闸时产生的严重拉弧现象，延长了负荷开关和电能表的使用寿命，确保负荷开关即使频繁拉合闸仍旧能满足16年的使用寿命要求，同时降低了因负荷开关触点接触电阻增大而导致的在大电流情况下电能表接线端子高温熔化，线路绝缘层熔化脱落等引起火灾的风险。
附图说明
25.下面结合附图对本发明作进一步说明：
26.图1为本发明中电能表和服务器连接的结构示意图；
27.图2为本发明中电压过零点检测电路的电路图。
28.附图标记：
29.1服务器、2电能表、3电压过零点检测电路、4mcu、5定时器、6负荷开关、7计量芯片。
具体实施方式
30.如图1、图2所示，一种基于电压过零点和功率因数修正的跳闸方法，包括服务器1和电能表2，所述电能表2包括电压过零点检测电路3、mcu4、定时器5、负荷开关6和计量芯片7，所述服务器1、电压过零点检测电路3、定时器5、负荷开关6和计量芯片7均与mcu4相连，本实施例中的服务器与mcu通过4g网络或5g网络或电力线载波相连，能保证数据的准确传输，而且能适应不同的应用环境，跳闸方法包括以下步骤：
31.s1：服务器向电能表发送拉闸信号，mcu接收拉闸信号后分别获取计量芯片内的电压、电流、有功功率和无功功率的数值；
32.s2：根据s1获取的数值计算当前负载的功率因数cosφ，功率因数通过以下公式计算：
33.cosφ＝有功功率/(电压
×
电流)；
34.s3：mcu根据s2计算出的功率因数cosφ换算成电压和电流过零点的延时时间t1，延时时间t1通过以下公式计算：
35.cosφ＝cos(2πft1)，其中：f＝50；
36.s4：mcu根据s1读取的有功功率和无功功率的数值符号位判断是感性负载还是容性负载；
37.s5：mcu开启端口中断使能,捕捉电压过零点时刻，mcu接收到中断信号后关闭过零点中断使能；
38.s6：根据s5捕捉到的电压过零点时刻，在电压过零点时刻开启定时器，定时时间为t2,当s4判断的功率因数为感性负载时，t2＝t1，当s4判断的功率因数为容性负载时，t2＝10ms-t1，延时t2时间后得到电流过零点时刻；
39.s7：根据s6得到电流过零点时刻，使负荷开关的电源维持在12v，电流维持在150ma，在电流过零点时刻，mcu驱动负荷开关拉闸，等待200ms确保负荷开关完全拉开；
40.s8：mcu开启电压过零点中断使能，电压过零点检测电路不再产生电压过零点中断信号，表示负荷开关拉闸成功，电能表给服务器答复拉闸成功命令，如果仍检测到中断信号，表明负荷开关拉闸失败，电能表给服务器答复拉闸失败命令。
41.通过步骤s1获取电压、电流、有功功率和无功功率的数值，步骤s2功率因数cosφ的计算，步骤s3延时时间t1的计算，步骤s4判断是感性负载还是容性负载，步骤s5捕捉电压过零点时刻，步骤6得到电流过零点时刻，步骤s7在电流过零点时刻驱动负荷开关拉闸，步骤s8判断负荷开关拉闸成功是否的跳闸方法，由于在s7步骤中，电流过零点瞬间电流值为零，电能表在电流为零时执行拉闸，从而确保负荷开关触点在电流过零点时刻断开，避免产生拉弧，有效保护了负荷开关的触点，从根源上解决了负荷开关在大电流拉闸时产生的严重拉弧现象，延长了负荷开关和电能表的使用寿命，确保负荷开关即使频繁拉合闸仍旧能满足16年的使用寿命要求，同时降低了因负荷开关触点接触电阻增大而导致的在大电流情况下电能表接线端子高温熔化，线路绝缘层熔化脱落等引起火灾的风险。
42.电压过零点检测电路包括光电耦合器um1、全桥整流电路、电压鉴幅电路、限流电阻和信号输出端，全桥整流电路的输入端与电能表的火线出线端相连，电能表的火线出线端经负荷开关与进线端和市电相连，电压过零点检测电路同时作为负荷开关跳闸检测电路，市电经全桥整流电路全桥整流成周期为100hz的电压v2，电压v2通过限流电阻与光电耦合器um1的输入端相连，所述光电耦合器um1的输出端通过电压鉴幅电路与信号输出端相连，全桥整流电路能将市电全桥整流成电压v2，限流电阻能将电压v2进行限流，光电耦合器um1能有效的隔离市电和mcu部分，电压鉴幅电路能大幅缩减脉冲宽度，可靠的捕捉电压过零点时刻，减小市电电压波动产生的影响，由于电压过零点检测电路可直接复用为负荷开关跳闸检测电路，用于检测负荷开关跳闸是否成功，不仅节约了电能表硬件成本，也减少了电路的复杂程度，提高了电能表的可靠性和稳定性。
43.所述限流电阻包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5,且电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5的电阻值均相等，光电耦合器um1的输入端包括第一引脚和第二引脚，电压v2经电阻r1、电阻r2和电阻r3与第一引脚相连，第二引脚经电阻r4和电阻r5后与接地端相连，由于电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5的电阻值均相等，因此，能保证每个电阻上分担的电压一致，避免了电阻的损坏，提高了限流质量，电压过零点检测电路还包括电容c1，电容c1设置在第一引脚和第二引脚之间，能有效滤除市电高频杂波的干扰。
44.所述电压鉴幅电路包括三极管qt1、电阻r6、电阻r7和电阻r8，光电耦合器um1的输出端包括第三引脚和第四引脚，第三引脚经电阻r8与三极管qt1的基极相连，三极管qt1的基极经电阻r6与vdd端相连，所述vdd端与三极管qt1的发射极相连，三级管qt1的集电极经电阻r7与接地端相连，第四引脚与接地端相连，所述信号输出端的一端与三级管qt1的集电极相连，所述信号输出端的另一端与接地端相连，在市电的过零点时刻，v2电压为0v，光电耦合器的发光二极管熄灭，光电耦合器接收端三极管处于截止区，因此光电耦合器输出端的电压v3在市电过零点时刻被r6和r8上拉到高电平，其他时刻光电耦合器的发光二极管发光，v3处于低电平，v3为脉冲波形，脉冲波形宽度受市电电压波动比较大，当v3电压高于vdd-0.7v时，qt1截止，v4点电压为0v,v3电压小于vdd-1.4v左右时，qt1进入饱和区，v4点电压为高电平，因此，v4点电压为脉冲波形。
45.电压过零点检测电路还包括电阻r9和电容c2，信号输出端的一端经电阻r9与qt1
的集电极相连，信号输出端的另一端经电容c2与接地端相连，电阻r9和电容c2的设置，能有效的滤除干扰信号，v4滤波后提供给mcu产生电压过零点中断信号。
46.在s4步骤中，当有功功率和无功功率都为正值时，功率因数为感性，当有功功率是正值，无功功率是负值，功率因数为容性，功率因数值和跳闸延时时间的对应关系如表一所示：若功率因数为感性,跳闸延时时间t2＝t1,若功率因数为容性，t2＝10ms
–
t1。
47.48.[0049][0050]
表一
[0051]
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。