一種自適應CT感應取電的電源控制系統及其方法與流程
2023-05-14 02:37:36
本發明涉及電磁感應技術領域，尤其涉及的是一種自適應CT感應取電的電源控制系統及其方法。
背景技術：
我國配電網自動化涉及的範圍廣，但由於早期缺乏統籌規劃，網架結構複雜薄弱，故障概率高，尤其是架空線路。據統計90%的停電和故障擾動發生在配電網中；其中查找並排除線路故障點，成為提高供電質量的重要因素。使用配網自動化終端（FTU（饋線終端設備）和DTU（開閉所終端設備））可以實現主幹線大分段、大分支的故障定位與隔離。但是該方案投資較大，而我國配網地域寬廣，不利於配網自動化全覆蓋。國家能源局能電力【2015】290號文件《配電網建設改造行動計劃》明確要求，從2015-2020年配電自動化覆蓋率從目前的20%達到90%以上。支撐大比例覆蓋的主要產品是故障指示器類產品，從規劃上數據推算得知未來5年故障指示器類產品的需求量不少於300萬套。因此，經濟、安裝便攜的二遙基本型配電在線監測與故障定位終端成為實現大比例配網自動化覆蓋的主要產品。
現有的架空二遙基本型配電終端主要有以下幾種，均存在較多缺陷，特別是電源系統取電方面較為突出，嚴重影響產品應用。一是太陽能取電；該方式受陰雨天、夜晚及空氣品質影響，容易出現電源系統取電不足，無法支撐終端長時間運行。二是CT感應取電；採用電力電子開關，目前最小可取電電流為10A，更小電流取電無法實現，電流取電死區和熱設計需要突破，不能對感應取電進行自動調節和防護。 三是內置一次性鎳氫電池供電，使用壽命短，3~4年後探頭無法工作。四是高壓電容取電或無線取電，源自於電壓傳感思路，安全性和能量傳遞效率是難點，並且不適合帶電作業安裝。這些缺陷嚴重影響了配網自動化在線監測與定位的應用效果，進而影響供電可靠性。
因此，電源系統設計的技術創新是未來的關鍵技術和發展趨勢，現有技術還有待改進和提高。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一種自適應CT感應取電的電源控制系統及其方法，以解決現有架空二遙基本型配電終端電源系統存在電流取電死區過大，以及不能進行自動調節和防護的問題。
為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：
一種自適應CT感應取電的電源控制系統，與微功率負載連接，其包括：
CT感應取電模塊，用於對預設範圍電流進行取電獲得交流電壓；
全波整流模塊，用於對交流電壓進行全波整流後輸出直流電壓；
自調節功率防護模塊，用於根據直流電壓對內置的能量池充電；檢測能量池電壓大於保護電壓時，對CT感應取電模塊進行洩放；檢測能量池電壓小於等於保護電壓時，輸出能量池電壓；
能量搜集控制模塊，用於根據能量池電壓的大小調整對微功率負載的供電狀態和超級電容的充電狀態。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述CT感應取電模塊包括兩個半圓環體的鐵芯，兩個鐵芯閉合組成一圓環體；任一鐵芯上設置的繞組為納米晶材料的線圈，繞組的一端引出兩根接線端連接全波整流模塊。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述圓環體的內圓直徑為54.4mm，外圓直徑為80.6mm；半圓環體的高為12.6mm，半圓環體的寬為13.1mm。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述設置繞組的鐵芯上設置有禁止繞線區。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述自調節功率防護模塊包括第一MOS管、二極體、能量池、第一電阻和過壓控制單元；
所述第一MOS管的源極通過第一電阻連接整流橋的第2腳和二極體的正極；所述二極體的負極連接能量搜集控制模塊、能量池的一端和過壓控制單元的輸入端；第一MOS管的柵極連接過壓控制單元的控制端，第一MOS管的漏極連接能量池的另一端和地。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述過壓控制單元包括比較晶片、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻和第二MOS管；
所述比較晶片的+IN腳連接第二電阻的一端、第三電阻的一端和第五電阻的一端；比較晶片的VS腳連接第二電阻的另一端、能量池的一端和第四電阻的一端；比較晶片的OUT腳連接第四電阻的另一端、第五電阻的另一端、第六電阻的一端和第二MOS管的柵極；比較晶片的GND腳連接第三電阻的另一端和地，第二MOS管的源極連接MOS管的柵極，第二MOS管的漏極連接第七電阻的一端，第七電阻的另一端連接第六電阻的另一端和比較晶片的VS腳。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述過壓控制單元還包括第一電容和第二電容；
所述第一電容的一端連接比較晶片的VS腳，第一電容的另一端接地，第二電容的一端連接比較晶片的OUT腳和第二MOS管的柵極，第二電容的另一端連接比較晶片的GND腳和地。
所述的自適應CT感應取電的電源控制系統中，所述能量搜集控制模塊包括：
電池；
超級電容；
MPPT控制單元，用於判斷能量池電壓的大小並輸出對應的控制信號；
升降壓單元，用於根據對應的控制信號進行升壓獲得升壓電壓、或降壓獲得降壓電壓；
電源轉換單元，用於對降壓電壓進行電壓轉換後輸出供電電壓給微功率負載供電，還獲得充電電壓；以及對升壓電壓、電池電壓、或電容電壓進行電壓轉換後輸出供電電壓給微功率負載供電；
後備電源控制單元，用於在電池供電時，輸出電池電壓給電源轉換單元；
充放控制單元，用於將充電電壓對超級電容充電；以及在超級電容供電時，控制超級電容放電輸出電容電壓給電源轉換單元。
一種採用所述的自適應CT感應取電的電源控制系統的電源控制方法，其包括：
步驟A、對預設範圍電流進行取電獲得交流電壓，對交流電壓進行全波整流後輸出直流電壓；
步驟B、根據直流電壓對能量池充電；檢測能量池電壓大於保護電壓時，對CT感應取電模塊進行洩放；檢測能量池電壓小於等於保護電壓時，輸出能量池電壓；
步驟C、根據能量池電壓的大小調整對微功率負載的供電狀態和超級電容的充電狀態。
相較於現有技術，本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統，通過CT感應取電模塊對預設範圍電流（3~630A）進行取電獲得交流電壓，電流為5A即可感應取電獲得滿足架空二遙基本型配電終端全功能運行所需的電能，延長二遙基本型配電終端的使用壽命和應用範圍；全波整流模塊對交流電壓進行全波整流後輸出直流電壓；自調節功率防護模塊根據直流電壓對內置的能量池充電；檢測能量池電壓大於保護電壓時，對CT感應取電模塊進行洩放；檢測能量池電壓小於等於保護電壓時，輸出能量池電壓；能量搜集控制模塊根據能量池電壓的大小調整對微功率負載的供電狀態和超級電容的充電狀態，使感應取電電能功率始終維持在最大輸出，電能得到利用，減少浪費和發熱；自調節功率防護模塊對電源系統大電流感應取電或雷擊浪湧等瞬間衝擊電流進行自動調節和防護，能自動存儲電能、切換能量。
附圖說明
圖1是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統應用實施例的結構框圖。
圖2是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統中CT感應取電模塊的示意圖。
圖3是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統中CT感應取電模塊的尺寸示意圖。
圖4是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統中CT感應取電模塊、全波整流模塊、自調節功率防護模塊的電路圖。
圖5是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統中能量搜集控制模塊的結構框圖。
圖6是是本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統的電源控制方法流程圖。
具體實施方式
針對現有架空二遙基本型配電終端電源系統不能通過小電流進行感應取電獲得全功能運行所需的電能，嚴重影響其產品的使用壽命等問題。本發明提供一種自適應CT感應取電的電源控制系統及其方法，涉及電磁感應技術、電力電子控制和測量技術；應用於線路負荷電流為3~600A，為10kV及35k配電線路在線監測及故障定位裝置提供工作電源的電源系統；具有功率自動調節和防護電路，能夠在3A~630A電流範圍內穩定可靠的感應取電。為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。請參閱圖1，本發明提供的自適應CT感應取電的電源控制系統與微功率負載連接，包括CT感應取電模塊10、全波整流模塊20、自調節功率防護模塊30和能量搜集控制模塊40。所述CT感應取電模塊10、全波整流模塊20、自調節功率防護模塊30、能量搜集控制模塊40依次連接。所述CT感應取電模塊10對預設範圍電流（3A~630A）進行取電獲得交流電壓（AC±），電流小至5A也能感應取電獲得滿足架空二遙基本型配電終端全功能運行所需的電能。全波整流模塊20對交流電壓進行全波整流後輸出直流電壓V。自調節功率防護模塊30根據直流電壓V對內置的能量池充電；檢測能量池電壓DC大於設定的保護電壓時，對CT感應取電模塊10內的感應取電線圈進行洩放（通常洩放至閾值電壓時停止）；檢測能量池電壓DC小於等於保護電壓時，輸出能量池電壓DC。能量搜集控制模塊40根據能量池電壓DC的大小調整對微功率負載的供電狀態和超級電容（super capacitor，又叫電化學電容器、法拉電容）的充電狀態，使感應取電電能功率始終維持在最大輸出，電能得到利用，減少浪費和發熱。
請一併參閱圖2和圖3，所述CT感應取電模塊10即電流互感器。本實施例的CT感應取電模塊10包括兩個半圓環體的鐵芯110，兩個鐵芯閉合組成一圓環體，鐵芯上的繞組120為納米晶材料的線圈（即感應取電線圈）。所述鐵芯帶有塗層，塗層厚為0.3mm。所述圓環體的內圓直徑d1為54.4mm，外圓直徑d2為80.6mm；半圓環體的高h為12.6mm，半圓環體的寬w為13.1mm。僅一個鐵芯上繞線圈，較佳的匝數為600，從繞組的一端引出兩根接線端（即圖2左邊的兩個平行線）分別連接全波整流模塊20。且該鐵芯上設置有禁止繞線區130，如圖3所示的陰影區域。所述禁止繞線區130包括位於半圓環體一端部的第一高度H1（5mm）所在區域和半圓環體另一端部的第二高度H2（14mm）所在區域。設置禁止繞線區130更方便用戶安裝。本實施例中所有尺寸的誤差為±0.2mm；對鐵芯的繞線匝數、繞線區域等設置可根據實際應用進行調整，此處對其不作限制。
兩個半圓環體可分開，將圓環體套在電纜上後通過固定件閉合固定開口。電流互感器中間通過一次電流，二次繞組便可感應出微弱電壓，將二次繞組的接線端接到全波整流模塊20，再經過後續的自調節功率防護模塊30和能量搜集控制模塊40進行處理，即可取得所需的電源電壓。通過上述尺寸設置和線圈的材料選擇，這樣即可實現架空二遙基本型配電終端對更小電流（如5A）的取電，滿足微功耗負載所需的工作電源，而現有技術只能對最小10A的小電流取電。
請一併參閱圖4，所述全波整流模塊20為整流橋，其內部的二極體可採用肖特基二極體或低損耗二極體。整流橋的第1腳連接CT感應取電模塊10的負接線端，整流橋的第3腳連接CT感應取電模塊10的正接線端，整流橋的第2腳連接自調節功率防護模塊30，整流橋的第4腳接地。
所述自調節功率防護模塊30包括低阻抗大功率可控的第一MOS管Q1（型號為CSD18563Q5A）、二極體D、能量池C0（電容能量池）、第一電阻R1和過壓控制單元310；所述第一MOS管Q1的源極通過第一電阻R1連接整流橋的第2腳和二極體D的正極；所述二極體D的負極連接能量搜集控制模塊40、能量池C0的一端和過壓控制單元310的輸入端in；第一MOS管Q1的柵極連接過壓控制單元310的控制端ct，第一MOS管Q1的漏極連接能量池C0的另一端和地。
全波整流模塊20輸出的直流電壓V對能量池C0充電。假設能量池C0的保護電壓為U0、額定電壓為Ut。過壓控制單元310檢測能量池電壓DC小於等於保護電壓時，輸出關閉信號控制第一MOS管Q1截止，能量池電壓DC至後續的能量搜集控制模塊40。當過壓控制單元310檢測能量池電壓DC大於設定的保護電壓U0時，輸出開啟信號控制第一MOS管Q1導通，則全波整流模塊20的輸出端被短接。直流電壓V跨過能量池C0洩放到地（相當於對線圈上的電壓進行洩放，不再對能量池C0充電），同時，能量池C0上的電能也通過過壓控制單元310洩放，能量池電壓DC下降。
由於後續還可能會對能量池C0充電，須使能量池電壓DC下降至達到閾值電壓時才停止洩放。則所述過壓控制單元310還檢測壓DC下降至達到閾值電壓時輸出關閉信號控制第一MOS管Q1截止，短路消失停止洩放。
本實施例中，過壓控制單元310由低功耗電壓監視元件和比較控制電路組成，具體包括：比較晶片U（型號為LT6703IDC-3#TRMPBF）、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7和第二MOS管Q2；所述比較晶片U的+IN腳連接第二電阻R2的一端、第三電阻R3的一端和第五電阻R5的一端；比較晶片U的VS腳連接第二電阻R2的另一端（即過壓控制單元310的輸入端in）、能量池C0的一端和第四電阻R4的一端；比較晶片U的OUT腳連接第四電阻R4的另一端、第五電阻R5的另一端、第六電阻R6的一端和第二MOS管Q2的柵極；比較晶片U的GND腳連接第三電阻R3的另一端和地，第二MOS管Q2的源極（即過壓控制單元310的控制端ct）連接MOS管Q1的柵極，第二MOS管Q2的漏極連接第七電阻R7的一端，第七電阻R7的另一端連接第六電阻R6的另一端和比較晶片U的VS腳。
其中，所述第二MOS管Q2為NMOS管，比較晶片U判斷能量池電壓DC小於等於保護電壓U0時，輸出低電平控制第二MOS管Q2截止，第二MOS管Q2的源極相當於輸出關閉信號（無電壓，相當於低電平）。當比較晶片U判斷能量池電壓DC大於保護電壓U0時，輸出高電平控制第二MOS管Q2導通，第二MOS管Q2的源極輸出高電平的開啟信號。
進一步實施例中，所述過壓控制單元310還包括第一電容C1和第二電容C2；所述第一電容C1的一端連接比較晶片U的VS腳，第一電容C1的另一端接地，第二電容C2的一端連接比較晶片U的OUT腳和第二MOS管Q2的柵極，第二電容C2的另一端連接比較晶片U的GND腳和地。所述第一電容C1可對能量池電壓DC進行濾波，使第二MOS管Q2導通時輸出穩定的高電平。第二電容C2對第二MOS管Q2的柵極電壓進行濾波，使第二MOS管Q2導通時更加穩定。
請一併參閱圖5，所述能量搜集控制模塊40包括MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤）控制單元41， 升降壓單元42、電源轉換單元43、後備電源控制單元44、充放控制單元45、3.3V的電池（鎳氫電池）46和5.5V的超級電容47。所述MPPT控制單元41內置電壓比較器，通過對能量池電壓DC的大小進行比較來進行後續升降壓調整，能始終維持CT感應輸出在最大功率點附近，整體提高取電能力。所述MPPT控制單元41用於判斷能量池電壓的大小並輸出對應的控制信號。升降壓單元42用於根據對應的控制信號進行升壓獲得升壓電壓、或降壓獲得降壓電壓。電源轉換單元用於對降壓電壓進行電壓轉換後輸出供電電壓給微功率負載供電，還獲得充電電壓；以及對升壓電壓、電池電壓、或電容電壓進行電壓轉換後輸出供電電壓給微功率負載供電。後備電源控制單元用於在電池供電時，輸出電池電壓給電源轉換單元。充放控制單元，用於將充電電壓對超級電容充電；以及在超級電容供電時，控制超級電容放電輸出電容電壓給電源轉換單元。
具體為：當MPPT控制單元41判斷能量池電壓DC大於上限閥值時，控制升降壓單元42降壓獲得降壓電壓。電源轉換單元43對降壓電壓進行電壓轉換（轉換為）後輸出供電電壓給微功率負載供電，還輸出充電電壓通過充放控制單元45給超級電容充電。
當MPPT控制單元41判斷能量池電壓DC小於下限閥值時，控制升降壓單元42升壓獲得升壓電壓。電源轉換單元43對升壓電壓進行電壓轉換後輸出供電電壓給微功率負載供電，此時僅供電不對超級電容充電。
所述電池46作為後備電源，當需要電池供電時，由後備電源控制單元44輸出電池電壓，經電源轉換單元43轉換為供電電壓給微功率負載供電。不需要電池供電時，後備電源控制單元44斷開電池46的輸出通路。
需要超級電容供電時，充放控制單元45控制超級電容47放電，經電源轉換單元43轉換為供電電壓給微功率負載供電。充放控制單元45採用硬體式自動調節充電電流方法，可根據線路負荷電流大小以及系統微功率負載狀況，自動調節對超級電容的充電電流，最大程度提高能量利用率，均衡能量的使用，減少能量發熱浪費。
在具體實施時，所述能量搜集控制模塊40可採用型號為ADP5091的智能集成式能量採集電源管理晶片。
基於上述的自適應CT感應取電的電源控制系統，本發明還提供一種自適應CT感應取電的電源控制方法，請一併參閱圖6，所述電源控制方法包括：
S100、對預設範圍電流進行取電獲得交流電壓，對交流電壓進行全波整流後輸出直流電壓；
S200、根據直流電壓對能量池充電；檢測能量池電壓大於保護電壓時，對CT感應取電模塊進行洩放；檢測能量池電壓小於等於保護電壓時，輸出能量池電壓；
S300、根據能量池電壓的大小調整對微功率負載的供電狀態和超級電容的充電狀態。
綜上所述，本發明的自適應CT感應取電的電源控制系統，針對現有架空二遙基本型配電終端的電源系統缺陷現狀，採用多通道電源管理體系，集CT取電最大效率點跟蹤（MPPT），電池、超級電容於一體，具備自調節功率防護電路，自動存儲電能、切換能量的電源取電控制功能，可在線路3A~630A範圍內連續取電，線路5A即可滿足配電網在線監測與故障定位採集單元正常運行所需的能量，無需藉助電池，從而有效延長產品壽命，極大提高了二遙配電自動化終端的工作電源可靠性，滿足了架空二遙基本型配電終端的工作電源需求。
針對線路故障過電流以及雷電衝擊，通過自調節功率防護模塊進行自適應洩放防護，從而實現感應取電自動調節和防護。
應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。