一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置及取電方法與流程

2023-06-09 07:56:16

本發明屬於電力技術領域。

背景技術：

電力系統高壓線路測量設備如線路運行監測裝置、線路溫度測量設備、電子式互感器等各類線路監測裝置直接測量線路工況，然後通過光纖或者無線把採集到的電壓電流信息傳送至低壓端，避免了使用傳統電磁式互感器的鐵磁諧振，裝置的體積、重量大大減小；此類設備的電源有雷射供電、太陽能加充電電池、電壓、電流互感器取電等方式，供電方式可靠性決定了裝置運行的穩定與壽命，雷射供電雷射管壽命有限，取電能力小，設備造價高，太陽能電池受天氣與安裝位置影響較大，電壓、電流互感器取電易受鐵磁諧振影響，穩定性下降。目前較多採用CT取電，即單獨固定於線路上的CT線圈，依據限流的大小感應電壓給負荷供電，當線路電流大於一定值時才能滿足負荷要求，線路電流變化範圍大常常超過CT磁芯的飽和磁密，引起磁芯震蕩，噪音大，輸出的尖峰電壓高於負荷所需電壓的幾十倍，為正常工作在電源中需要添加保護，常用的保護有限壓、限流，這兩類保護採用穩壓方式消耗CT線圈的輸出負荷，在較小電流的情況下較為有效，但在線路電流較大時，發熱過於嚴重，需要採用電流應力更大的器件，需加散熱器，對裝置的性能影響較大，不能滿足負荷動態範圍。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置及取電方法，實現自適應線路電流，實現線路負荷與裝置負荷之間的動態匹配，解決了過流和過壓對負載的影響問題，保證了裝置的安全可靠運行。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置，包括磁芯線圈、電源模塊、控制器、驅動器、後備電池和法拉電容電路，電源模塊和驅動器均連接磁芯線圈，控制器、驅動器、後備電池和法拉電容電路均連接電源模塊，控制器連接驅動器；

磁芯線圈包括取能線圈L1和退磁線圈L2；

控制器設有第一IO口、第二IO口、第三IO口、第四IO口和第一AD接口；

電源模塊包括整流橋D1、二極體D2、電容C1、電容C2、電容C3、電感L3、DC/DC變換器U1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4和電阻R5，整流橋D1設有輸入端AC1、輸入端AC2、正輸出端和負輸出端，取能線圈L1的兩端分別連接所述輸入端AC1和所述輸入端AC2，所述負輸出端連接地線，所述正輸出端通過二極體D2連接DC/DC變換器U1的2腳，DC/DC變換器U1的2腳還通過並聯在一起的電容C1和電容C2連接地線，DC/DC變換器U1的6腳通過電容C3連接地線，DC/DC變換器U1的4腳和7腳均連接地線，DC/DC變換器U1的1腳和10腳通過電感L3連接在一起，DC/DC變換器U1的9腳輸出正電源，DC/DC變換器U1的9腳還通過電阻R1連接DC/DC變換器U1的8腳，DC/DC變換器U1的8腳還通過電阻R2連接地線，DC/DC變換器U1的3腳通過電阻R3連接地線，DC/DC變換器U1的3腳還通過電阻R4連接所述第一IO口，DC/DC變換器U1的5腳通過電阻R5連接正電源；

驅動器包括整流橋D4、電阻R6、電阻R7、電阻RV1、電阻R8、電阻R9、二極體D3、二極體D5和功率管Q1，退磁線圈L2的兩端分別連接整流橋D4的1腳和3腳，整流橋D4的4腳連接地線，整流橋D4的2腳連接所述第一AD接口，整流橋D4的2腳還通過電阻R6連接功率管Q1的漏極，功率管Q1的漏極連接二極體D3的負極，二極體D3的正極連接地線，功率管Q1的漏極還通過並聯在一起的電阻R7和電阻RV1連接地線，功率管Q1的源極連接地線，功率管Q1的源極連接二極體D5的正極，二極體D5的負極連接功率管Q1的柵極，功率管Q1的柵極和源極還通過電阻R9連接在一起，功率管Q1的柵極通過電阻R8連接所述第二IO口，功率管Q1的漏極連接所述第三IO口；

法拉電容電路包括功率管Q2、電阻R11、電阻R10、電阻R12、電容C4、電容C5、法拉電容CF1和二極體D6，法拉電容CF1的負極連接地線，法拉電容CF1的正極連接二極體D6的正極，二極體D6的負極連接二極體D2的負極，法拉電容CF1的正極還通過電容C5連接地線，法拉電容CF1的正極通過電阻R10連接功率管Q2的漏極，功率管Q2的柵極通過電容C4連接地線，功率管Q2的柵極通過電阻R11連接功率管Q2的源極，功率管Q2的源極連接二極體D2的負極，功率管Q2的柵極通過電阻R12連接所述第四IO口。

所述DC/DC變換器U1的型號為TPS63070；

所述控制器的型號為WX-PW-KZQ-010。

所述取能線圈L1包括第一磁芯和第一線圈，第一線圈纏繞在第一磁芯上，所述退磁線圈L2包括第二磁芯和第二線圈，第二線圈纏繞在第二磁芯上，第一磁芯和第二磁芯均為超微晶材料，第二線圈的圈數遠大於第一線圈的圈數。

與所述的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置配套的取電方法，包括如下步驟：

步驟1：控制器進行初始化設置，控制器根據用戶預設的負荷參數，確定初始電流定值數據、負荷定值數據和SPWM控制序列數據；

步驟2：控制器採集整流橋D4的2腳所輸出的線路電流數據，並判斷線路電流是否大於初始電流定值數據：否，則執行步驟2；是，則執行步驟3；

步驟3：控制器通過第一IO口控制啟動DC/DC變換器U1，給負荷及控制器提供電源：當後備電池不連接電源模塊時，DC/DC變換器U1採取冷啟動模式，即直接由取能線圈L1供電；當後備電池連接電源模塊時，DC/DC變換器U1由控制器控制啟動；

步驟4：控制器根據線路電流數據生成線路電流的變化曲線，並將變化曲線存儲在控制器內部FLASH中；

步驟5：控制器比較取能線圈L1的輸出電能，當輸出電能大於負荷定值時，控制器調整輸出SPWM脈衝序列數據，按SPWM脈衝序列數據閉合退磁線圈L2，使取能線圈L1輸出電能與負荷定值數據相等。

本發明所述的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置及取電方法，實現自適應線路電流，實現線路負荷與裝置負荷之間的動態匹配，解決了過流和過壓對負載的影響問題，保證了裝置的安全可靠運行；本發明採取主動退磁法，降低了保護電路的複雜性，避免使用大功率器件而產生的發熱及安全可靠問題，提高了產品的壽命，本發明採取SPWM法周期性退磁，有效避免磁芯因突發電流而產生的諧振和噪音，本發明通過調整SPWM序列，有效平衡了取能線圈與負載之間的平衡關係。

附圖說明

圖1是本發明的原理圖框圖；

圖2是本發明的電源模塊的原理圖；

圖3是本發明的驅動器的原理圖；

圖4是本發明的法拉電容電路的原理圖；

圖5是本發明的流程圖；

圖中：磁芯線圈1、電源模塊2、控制器3、驅動器4、後備電池5、法拉電容電路6。

具體實施方式

實施例一：

如圖1-4所示的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置，其特徵在於：包括磁芯線圈1、電源模塊2、控制器3、驅動器4、後備電池5和法拉電容電路6，電源模塊2和驅動器4均連接磁芯線圈1，控制器3、驅動器4、後備電池5和法拉電容電路6均連接電源模塊2，控制器3連接驅動器4；

磁芯線圈1包括取能線圈L1和退磁線圈L2；

控制器3設有第一IO口、第二IO口、第三IO口、第四IO口、第一AD接口和第二AD接口；

電源模塊2包括整流橋D1、二極體D2、電容C1、電容C2、電容C3、電感L3、DC/DC變換器U1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4和電阻R5，整流橋D1設有輸入端AC1、輸入端AC2、正輸出端和負輸出端，取能線圈L1的兩端分別連接所述輸入端AC1和所述輸入端AC2，所述負輸出端連接地線，所述正輸出端通過二極體D2連接DC/DC變換器U1的2腳，DC/DC變換器U1的2腳還通過並聯在一起的電容C1和電容C2連接地線，DC/DC變換器U1的6腳通過電容C3連接地線，DC/DC變換器U1的4腳和7腳均連接地線，DC/DC變換器U1的1腳和10腳通過電感L3連接在一起，DC/DC變換器U1的9腳輸出正電源，DC/DC變換器U1的9腳還通過電阻R1連接DC/DC變換器U1的8腳，DC/DC變換器U1的8腳還通過電阻R2連接地線，DC/DC變換器U1的3腳通過電阻R3連接地線，DC/DC變換器U1的3腳還通過電阻R4連接所述第一IO口，DC/DC變換器U1的5腳通過電阻R5連接正電源；

驅動器4包括整流橋D4、電阻R6、電阻R7、電阻RV1、電阻R8、電阻R9、二極體D3、二極體D5和功率管Q1，退磁線圈L2的兩端分別連接整流橋D4的1腳和3腳，整流橋D4的4腳連接地線，整流橋D4的2腳連接所述第一AD接口，整流橋D4的2腳還通過電阻R6連接功率管Q1的漏極，功率管Q1的漏極連接二極體D3的負極，二極體D3的正極連接地線，功率管Q1的漏極還通過並聯在一起的電阻R7和電阻RV1連接地線，功率管Q1的源極連接地線，功率管Q1的源極連接二極體D5的正極，二極體D5的負極連接功率管Q1的柵極，功率管Q1的柵極和源極還通過電阻R9連接在一起，功率管Q1的柵極通過電阻R8連接所述第二IO口，功率管Q1的漏極連接所述第三IO口；

退磁線圈L2的閉合收到控制器的控制，控制器採集線路電流與電源模塊的負載，發出SPWM序列給驅動器,從而控制退磁線圈L2的開啟或關閉。

法拉電容電路6包括功率管Q2、電阻R11、電阻R10、電阻R12、電容C4、電容C5、法拉電容CF1和二極體D6，法拉電容CF1的負極連接地線，法拉電容CF1的正極連接二極體D6的正極，二極體D6的負極連接二極體D2的負極，法拉電容CF1的正極還通過電容C5連接地線，法拉電容CF1的正極通過電阻R10連接功率管Q2的漏極，功率管Q2的柵極通過電容C4連接地線，功率管Q2的柵極通過電阻R11連接功率管Q2的源極，功率管Q2的源極連接二極體D2的負極，功率管Q2的柵極通過電阻R12連接所述第四IO口，法拉電容CF1的正極還連接所述第二AD接口。

控制器採集線路電流和電源模塊負載電流的同時根據法拉電容CF1的電壓值，輸出PWM序列控制電源模塊給法拉電容CF1充電。

所述DC/DC變換器U1的型號為TPS63070；

所述控制器的型號為WX-PW-KZQ-010。

所述取能線圈L1包括第一磁芯和第一線圈，第一線圈纏繞在第一磁芯上，所述退磁線圈L2包括第二磁芯和第二線圈，第二線圈纏繞在第二磁芯上，第一磁芯和第二磁芯均為超微晶材料，第二線圈的圈數遠大於第一線圈的圈數。

所述後備電池為鋰電池。

實施例二：

如圖5所示的與實施一所述的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置配套的取電方法，是在實施一所述的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置的基礎上實現的，包括如下步驟：

步驟1：控制器3進行初始化設置，控制器3根據用戶預設的負荷參數，確定初始電流定值數據、負荷定值數據和SPWM控制序列數據；

步驟2：控制器3採集整流橋D4的2腳所輸出的線路電流數據，並判斷線路電流是否大於初始電流定值數據：否，則執行步驟2；是，則執行步驟3；

步驟3：控制器3通過第一IO口控制啟動DC/DC變換器U1，給負荷及控制器3提供電源：當後備電池5不連接電源模塊2時，DC/DC變換器U1採取冷啟動模式，即直接由取能線圈L1供電；當後備電池5連接電源模塊2時，DC/DC變換器U1由控制器3控制啟動；

步驟4：控制器3根據線路電流數據生成線路電流的變化曲線，並將變化曲線存儲在控制器3內部FLASH中；

步驟5：控制器3比較取能線圈L1的輸出電能，當輸出電能大於負荷定值時，控制器3調整輸出SPWM脈衝序列數據，按SPWM脈衝序列數據閉合退磁線圈L2，使取能線圈L1輸出電能與負荷定值數據相等。

本發明所述的一種基於SPWM退磁的輸電線路取電裝置及取電方法，實現自適應線路電流，實現線路負荷與裝置負荷之間的動態匹配，解決了過流和過壓對負載的影響問題，保證了裝置的安全可靠運行；本發明採取主動退磁法，降低了保護電路的複雜性，避免使用大功率器件而產生的發熱及安全可靠問題，提高了產品的壽命，並且利用存儲於儲能裝置的電能主動退磁，可有效消除因線路電流突變而產生於磁芯中的剩磁，避免磁芯過早飽和引發的取能效率降低。

本發明採取SPWM法周期性退磁，有效避免磁芯因突發電流而產生的諧振和噪音，傳統型的保護電路觸發條件採用過壓觸發，磁芯中的電流為矩形波，此變化往往引發磁芯截面處振蕩，噪音較大，大電流時更為明顯，本發明採取SPWM序列在一個工頻周期內使電流的佔空比按正弦變化，有效避免了磁芯的過激諧振，提高了裝置運行的安全可靠性。

本發明通過調整SPWM序列，有效平衡了取能線圈與負載之間的平衡關係，取能線圈的輸出能量始終跟隨負載大小變化，使該裝置能滿足在最大取能範圍內的負載要求，而非常規意義上的定值保護，對於一些負載變化較大的裝置尤其適用，SPWM序列調整速度小於1mS，避免線路電流突變產生的電壓尖峰對裝置的衝擊，有效的保護了用電裝置的安全運行。

本發明磁芯採用超微晶材料經環氧樹脂固封，加強了超微晶材料的結構強度，有效避免了脆裂的可能性，此外高強度切割工藝保證了斷面結合的完整，降低結合處縫隙對磁芯磁導率的影響。

本裝置的控制器、DC/DC變換器均採取超低功耗策略，功耗低於60uA，使最低工作點低於1A，在一般線路上均可使用，降低控制部分對功耗的要求，提高了取能效率。