基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统及工作方法与流程

本发明涉及感应取电技术、电力电子技术、能量管理技术领域，尤其涉及一种基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统及工作方法。

背景技术：

我国配电网与发达国家在配电设备、网架结构、运行方式以及管理上存在较大差距，网架结构复杂薄弱，故障概率高，据统计90％的停电和故障扰动发生在配电网中。利用FTU(DTU)或主站系统实现主干线大分段、大分支的故障定位与隔离已成为一种行之有效的解决方法，但是该方案投资较大，而我国配网地域宽广，不利于配网自动化全覆盖；国网发展部提出2020年实现配网全覆盖的规划目标，支撑全覆盖的主要产品是故指类产品，从规划上数据推算得知未来5年故指产品需求量不少于500万套。因此，利用经济、安装便携的二遥基本型配电终端实现全覆盖已成为业内共识，但是现有的架空二遥基本型配电终端存在诸多先天不足问题特别是电源系统，严重影响产品应用，当前的电源系统主要有以下几大设计方案：

1)太阳能取电，该方式受阴雨天和空气质量影响，容易出现电源系统取电不足，无法支撑终端长时间运行。

2)CT感应取电，采用电力电子开关，小电流取电死区和热设计目前需要实现质的突破；

3)内置不可充电镍氢电池，无法实现全功能运行，并且3～4年后探头无法工作。

4)高压电容取电或无线取电，源自于电压传感思路，安全性和能量传递效率是难点，并且不适合带电作业安装。

上述缺陷将对实现配网自动化全覆盖，进而提升供电可靠性提出了挑战，因此，电源系统设计方法的创新将是未来的关键技术和发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统及工作方法，经济实用，采用多通道电源管理体系，集CT取电最大效率点跟踪、后备电池、超级电容管理于一体，智能化供电切换管理。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统，包括依次连接的CT感应取电单元、整流单元、过功率防护电路及电能收集电路；

所述过功率防护电路包括可控硅，所述可控硅的一端与整流单元的第一输出端和二极管的正极连接，另一端与整流单元的第二输出端连接，所述二极管的负极和整流单元的第二输出端之间并联电容能量池、过功率防护监控单元及所述电能收集电路，整流单元的第二输出端接地，所述可控硅的控制端与所述过功率防护监控单元连接。

所述过功率防护监控单元包括相互连接的电压取样电路和比较器芯片，所述比较器芯片的输出端通过连接MOS管后连接所述可控硅的控制端。

所述二极管的负极和整流单元的第二输出端之间串联电阻R1和R2，电阻R1和R2的公共端连接所述比较器芯片的正输入端，所述比较器芯片的负输入端与复位端连接，复位端串联电阻后接地，同时接电容C2后接所述整流单元的第二输出端，比较器芯片的输出端接MOS管的门极，MOS管的源极与二极管的负极之间连接电阻，MOS管的漏极接所述可控硅的控制端。

所述电能收集电路包括串联的BOOST电路和线性直流稳压电源，所述线性直流稳压电源与超级电容充放电管理单元连接，超级电容充放电管理单元与超级电容连接；所述线性直流稳压电源还与后备电源管理单元连接，后备电源管理单元与后备电源连接。

所述BOOST电路还与CT最大功率点跟踪控制器连接。

所述超级电容为5.5V超级电容。

所述后备电源采用3.3V镍氢电池。

一种基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统工作方法，包括，

CT感应取电单元取电后进行整流，整流后由电能收集电路将电能进行收集，过功率防护电路确保系统不会过功率工作；

当过功率防护电路中的电容能量池电压大于设定电压U0时，过功率防护监控单元发出控制信号使可控硅导通，可控硅导通后整流单元短接，电流直接跨过电容能量池泄放。

，所述电能收集电路中的CT最大功率点跟踪控制器通过控制取电电压，始终维持CT感应取电单元感应输出在最大功率点附近。

当电容能量池电压大于设定电压值Un2时，启动对后备电源充电，否则关闭；当电容能量池电压低于Un3时，后备电源不启动工作。

本发明的有益效果：

(1)本发明经济实用，采用多通道电源管理体系，集CT取电最大效率点跟踪，后备电池、超级电容管理于一体，智能化供电切换管理；内置一次性大容量、长寿命的镍氢电池和高性能充电超级电容，可在线路3～630A范围内连续取电，线路5A即可满足产品全功率运行，无需借助电池，从而有效延长产品寿命。

(2)针对线路故障过电流以及雷电冲击，本发明提供了一种利用自适应泄放防护的思路，采用能量池电压监测与电力电子开关控制来实现能量泄放，从而实现整个取电电路的防护。

附图说明

图1为本发明的基本系统框图。

图2为本发明提供的微功耗电源系统原理框图。

图3为本发明提供的感应取电CT结构示意图。

图4为本发明所构建的过功率防护电路的工作原理图。

图5为本发明提供的电能收集电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统，包括：CT感应取电单元1、整流单元2、过功率防护电路、电能收集电路；电能收集电路为微功率负载供电；其中：CT感应取电单元1与整流单元2、过功率防护电路、电能收集电路、微功率负载依次连接。整流单元2采用全波整流单元。

如图2所示，过功率防护电路3包括：低阻大功率可控硅3(MOS管)、二极管4、电容能量池5、过功率防护监控单元。其中CT感应取电单元1二次部分与全波整流单元2的2-1、2-3管脚连接；全波整流单元2的第一输出端2-2、第二输出端2-4与低阻大功率可控硅3的两端分别连接；二极管4串接于电路上；电容能量池5一端与二极管4连接，一端与全波整流桥2-1管脚连接；过功率防护监控单元与电容能量池5并接，并引出控制信号线与低阻大功率可控硅3的3-3管脚连接；电能收集电路并接于电容能量池5两端。

过功率防护过程包括：

已知所述电容能量池设定电压U0、额定电压Ut，并检测电容能量池电压；

当电容能量池电压小于设定电压U0时，过功率防护监控单元不动作；

当电容能量池电压大于设定电压U0时，过功率防护监控单元则自动发出控制信号至低阻大功率可控硅，随后CT整流后短接，电流直接跨过能量池泄放。

CT感应取电单元1，线圈采用纳米晶材料，双开启结构，初始磁导率低，取电能力强，其结构示意图如图3所示；

全波整流单元2采用凌特的LT4320-1芯片，内置同步无损电路和二极管；

低阻大功率可控硅3、二极管4、电容能量池5、过功率防护监控单元共同构建过功率防护系统电路，CT感应取电单元1感应取电后向电容能量池5充电，过功率防护监控单元由低功耗电压监视元件(电压采样电路)以及比较器组成，当电容能量池5电压大于某一阀值Un1时，过功率防护监控单元则自动发出控制信号至低阻大功率可控硅3，随后CT感应取电单元1取电整流后短接，电流直接跨过电容能量池5泄放，工作原理图如图4所示。

如图4所示，过功率防护监控单元采用比较器芯片U1，型号为LT1440，二极管的负极和整流单元的第二输出端2-4之间串联电阻R1和R2，电阻R1和R2的公共端连接比较器芯片U1的正输入端IN+，所述比较器芯片U1的负输入端IN-与复位端REF连接，复位端串联电阻R3和R4后接地，同时接电容C2后接地，比较器芯片U1的HTST端接电阻R3和R4的公共端，比较器芯片U1的输出端OUT接MOS管Q2的门极，MOS管Q2的源极与二极管D1的负极之间连接电阻R5，MOS管Q2的漏极接所述可控硅Q1的控制端，可控硅Q1的源极接整流单元的2-2端，可控硅Q1的漏极接地。

电能收集电路，如图5所示由BOOST电路7-1、CT最大功率点跟踪控制器(CT-MPPT控制器)7-2、超级电容充放电管理单元7-3、线性直流稳压电源7-4、后备电源管理单元7-5、后备电源7-6、超级电容7-7组成。所述超级电容为5.5V超级电容。所述后备电源采用3.3V镍氢电池。

其中CT-MPPT控制器7-2，内置电压比较器，通过控制取电电压，始终维持CT感应取电单元1感应输出在最大功率点附近，整体提高取电能力：当电容能量池5电压大于某阀值Un2时，启动后备电源，否则关闭；后备电源设定有最小启动电源电压Un3，当电容能量池5电压低于Un3时，本电源不启动工作，确保取电CT二次侧U_取电电压较高。超级电容充放电管理单元7-3，采用硬件式自动调节充电电流方法，可根据线路负荷电流大小以及系统微功率负载状况，自动调节对超级电容的充电电流，最大程度提高能量利用率，减少能量发热浪费。

一种基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统工作方法，包括，

CT感应取电单元取电后进行整流，整流后由电能收集电路将电能进行收集，过功率防护电路确保系统不会过功率工作；

当过功率防护电路中的电容能量池电压大于设定电压U0时，过功率防护监控单元发出控制信号使可控硅导通，可控硅导通后整流单元短接，电流直接跨过电容能量池泄放。

所述电能收集电路中的CT最大功率点跟踪控制器通过控制取电电压，始终维持CT感应取电单元感应输出在最大功率点附近。

当电容能量池电压大于设定电压值Un2时，启动对后备电源充电，否则关闭；当电容能量池电压低于Un3时，后备电源不启动工作。

综上，本发明的电源系统，采用多通道电源管理体系，集CT取电最大效率点跟踪(CT-MPPT)，后备电源、超级电容管理于一体，智能化供电切换管理；内置一次性大容量、长寿命的锂亚硫酰氯电池和高性能充电超级电容，可在线路3～630A范围内连续取电，线路5A即可满足产品全功率运行，无需借助电池，从而有效延长产品寿命，极大提高了二遥配电自动化终端的适应范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。