一种自适应CT感应取电的电源控制系统及其方法与流程

本发明涉及电磁感应技术领域，尤其涉及的是一种自适应CT感应取电的电源控制系统及其方法。

背景技术：

我国配电网自动化涉及的范围广，但由于早期缺乏统筹规划，网架结构复杂薄弱，故障概率高，尤其是架空线路。据统计90%的停电和故障扰动发生在配电网中；其中查找并排除线路故障点，成为提高供电质量的重要因素。使用配网自动化终端（FTU（馈线终端设备）和DTU（开闭所终端设备））可以实现主干线大分段、大分支的故障定位与隔离。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。国家能源局能电力【2015】290号文件《配电网建设改造行动计划》明确要求，从2015-2020年配电自动化覆盖率从目前的20%达到90%以上。支撑大比例覆盖的主要产品是故障指示器类产品，从规划上数据推算得知未来5年故障指示器类产品的需求量不少于300万套。因此，经济、安装便携的二遥基本型配电在线监测与故障定位终端成为实现大比例配网自动化覆盖的主要产品。

现有的架空二遥基本型配电终端主要有以下几种，均存在较多缺陷，特别是电源系统取电方面较为突出，严重影响产品应用。一是太阳能取电；该方式受阴雨天、夜晚及空气质量影响，容易出现电源系统取电不足，无法支撑终端长时间运行。二是CT感应取电；采用电力电子开关，目前最小可取电电流为10A，更小电流取电无法实现，电流取电死区和热设计需要突破，不能对感应取电进行自动调节和防护。 三是内置一次性镍氢电池供电，使用寿命短，3~4年后探头无法工作。四是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。这些缺陷严重影响了配网自动化在线监测与定位的应用效果，进而影响供电可靠性。

因此，电源系统设计的技术创新是未来的关键技术和发展趋势，现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种自适应CT感应取电的电源控制系统及其方法，以解决现有架空二遥基本型配电终端电源系统存在电流取电死区过大，以及不能进行自动调节和防护的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种自适应CT感应取电的电源控制系统，与微功率负载连接，其包括：

CT感应取电模块，用于对预设范围电流进行取电获得交流电压；

全波整流模块，用于对交流电压进行全波整流后输出直流电压；

自调节功率防护模块，用于根据直流电压对内置的能量池充电；检测能量池电压大于保护电压时，对CT感应取电模块进行泄放；检测能量池电压小于等于保护电压时，输出能量池电压；

能量搜集控制模块，用于根据能量池电压的大小调整对微功率负载的供电状态和超级电容的充电状态。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述CT感应取电模块包括两个半圆环体的铁芯，两个铁芯闭合组成一圆环体；任一铁芯上设置的绕组为纳米晶材料的线圈，绕组的一端引出两根接线端连接全波整流模块。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述圆环体的内圆直径为54.4mm，外圆直径为80.6mm；半圆环体的高为12.6mm，半圆环体的宽为13.1mm。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述设置绕组的铁芯上设置有禁止绕线区。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述自调节功率防护模块包括第一MOS管、二极管、能量池、第一电阻和过压控制单元；

所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接整流桥的第2脚和二极管的正极；所述二极管的负极连接能量搜集控制模块、能量池的一端和过压控制单元的输入端；第一MOS管的栅极连接过压控制单元的控制端，第一MOS管的漏极连接能量池的另一端和地。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述过压控制单元包括比较芯片、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第二MOS管；

所述比较芯片的+IN脚连接第二电阻的一端、第三电阻的一端和第五电阻的一端；比较芯片的VS脚连接第二电阻的另一端、能量池的一端和第四电阻的一端；比较芯片的OUT脚连接第四电阻的另一端、第五电阻的另一端、第六电阻的一端和第二MOS管的栅极；比较芯片的GND脚连接第三电阻的另一端和地，第二MOS管的源极连接MOS管的栅极，第二MOS管的漏极连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端连接第六电阻的另一端和比较芯片的VS脚。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述过压控制单元还包括第一电容和第二电容；

所述第一电容的一端连接比较芯片的VS脚，第一电容的另一端接地，第二电容的一端连接比较芯片的OUT脚和第二MOS管的栅极，第二电容的另一端连接比较芯片的GND脚和地。

所述的自适应CT感应取电的电源控制系统中，所述能量搜集控制模块包括：

电池；

超级电容；

MPPT控制单元，用于判断能量池电压的大小并输出对应的控制信号；

升降压单元，用于根据对应的控制信号进行升压获得升压电压、或降压获得降压电压；

电源转换单元，用于对降压电压进行电压转换后输出供电电压给微功率负载供电，还获得充电电压；以及对升压电压、电池电压、或电容电压进行电压转换后输出供电电压给微功率负载供电；

后备电源控制单元，用于在电池供电时，输出电池电压给电源转换单元；

充放控制单元，用于将充电电压对超级电容充电；以及在超级电容供电时，控制超级电容放电输出电容电压给电源转换单元。

一种采用所述的自适应CT感应取电的电源控制系统的电源控制方法，其包括：

步骤A、对预设范围电流进行取电获得交流电压，对交流电压进行全波整流后输出直流电压；

步骤B、根据直流电压对能量池充电；检测能量池电压大于保护电压时，对CT感应取电模块进行泄放；检测能量池电压小于等于保护电压时，输出能量池电压；

步骤C、根据能量池电压的大小调整对微功率负载的供电状态和超级电容的充电状态。

相较于现有技术，本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统，通过CT感应取电模块对预设范围电流（3~630A）进行取电获得交流电压，电流为5A即可感应取电获得满足架空二遥基本型配电终端全功能运行所需的电能，延长二遥基本型配电终端的使用寿命和应用范围；全波整流模块对交流电压进行全波整流后输出直流电压；自调节功率防护模块根据直流电压对内置的能量池充电；检测能量池电压大于保护电压时，对CT感应取电模块进行泄放；检测能量池电压小于等于保护电压时，输出能量池电压；能量搜集控制模块根据能量池电压的大小调整对微功率负载的供电状态和超级电容的充电状态，使感应取电电能功率始终维持在最大输出，电能得到利用，减少浪费和发热；自调节功率防护模块对电源系统大电流感应取电或雷击浪涌等瞬间冲击电流进行自动调节和防护，能自动存储电能、切换能量。

附图说明

图1是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统应用实施例的结构框图。

图2是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统中CT感应取电模块的示意图。

图3是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统中CT感应取电模块的尺寸示意图。

图4是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统中CT感应取电模块、全波整流模块、自调节功率防护模块的电路图。

图5是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统中能量搜集控制模块的结构框图。

图6是是本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统的电源控制方法流程图。

具体实施方式

针对现有架空二遥基本型配电终端电源系统不能通过小电流进行感应取电获得全功能运行所需的电能，严重影响其产品的使用寿命等问题。本发明提供一种自适应CT感应取电的电源控制系统及其方法，涉及电磁感应技术、电力电子控制和测量技术；应用于线路负荷电流为3~600A，为10kV及35k配电线路在线监测及故障定位装置提供工作电源的电源系统；具有功率自动调节和防护电路，能够在3A~630A电流范围内稳定可靠的感应取电。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，本发明提供的自适应CT感应取电的电源控制系统与微功率负载连接，包括CT感应取电模块10、全波整流模块20、自调节功率防护模块30和能量搜集控制模块40。所述CT感应取电模块10、全波整流模块20、自调节功率防护模块30、能量搜集控制模块40依次连接。所述CT感应取电模块10对预设范围电流（3A~630A）进行取电获得交流电压（AC±），电流小至5A也能感应取电获得满足架空二遥基本型配电终端全功能运行所需的电能。全波整流模块20对交流电压进行全波整流后输出直流电压V。自调节功率防护模块30根据直流电压V对内置的能量池充电；检测能量池电压DC大于设定的保护电压时，对CT感应取电模块10内的感应取电线圈进行泄放（通常泄放至阈值电压时停止）；检测能量池电压DC小于等于保护电压时，输出能量池电压DC。能量搜集控制模块40根据能量池电压DC的大小调整对微功率负载的供电状态和超级电容（super capacitor，又叫电化学电容器、法拉电容）的充电状态，使感应取电电能功率始终维持在最大输出，电能得到利用，减少浪费和发热。

请一并参阅图2和图3，所述CT感应取电模块10即电流互感器。本实施例的CT感应取电模块10包括两个半圆环体的铁芯110，两个铁芯闭合组成一圆环体，铁芯上的绕组120为纳米晶材料的线圈（即感应取电线圈）。所述铁芯带有涂层，涂层厚为0.3mm。所述圆环体的内圆直径d1为54.4mm，外圆直径d2为80.6mm；半圆环体的高h为12.6mm，半圆环体的宽w为13.1mm。仅一个铁芯上绕线圈，较佳的匝数为600，从绕组的一端引出两根接线端（即图2左边的两个平行线）分别连接全波整流模块20。且该铁芯上设置有禁止绕线区130，如图3所示的阴影区域。所述禁止绕线区130包括位于半圆环体一端部的第一高度H1（5mm）所在区域和半圆环体另一端部的第二高度H2（14mm）所在区域。设置禁止绕线区130更方便用户安装。本实施例中所有尺寸的误差为±0.2mm；对铁芯的绕线匝数、绕线区域等设置可根据实际应用进行调整，此处对其不作限制。

两个半圆环体可分开，将圆环体套在电缆上后通过固定件闭合固定开口。电流互感器中间通过一次电流，二次绕组便可感应出微弱电压，将二次绕组的接线端接到全波整流模块20，再经过后续的自调节功率防护模块30和能量搜集控制模块40进行处理，即可取得所需的电源电压。通过上述尺寸设置和线圈的材料选择，这样即可实现架空二遥基本型配电终端对更小电流（如5A）的取电，满足微功耗负载所需的工作电源，而现有技术只能对最小10A的小电流取电。

请一并参阅图4，所述全波整流模块20为整流桥，其内部的二极管可采用肖特基二极管或低损耗二极管。整流桥的第1脚连接CT感应取电模块10的负接线端，整流桥的第3脚连接CT感应取电模块10的正接线端，整流桥的第2脚连接自调节功率防护模块30，整流桥的第4脚接地。

所述自调节功率防护模块30包括低阻抗大功率可控的第一MOS管Q1（型号为CSD18563Q5A）、二极管D、能量池C0（电容能量池）、第一电阻R1和过压控制单元310；所述第一MOS管Q1的源极通过第一电阻R1连接整流桥的第2脚和二极管D的正极；所述二极管D的负极连接能量搜集控制模块40、能量池C0的一端和过压控制单元310的输入端in；第一MOS管Q1的栅极连接过压控制单元310的控制端ct，第一MOS管Q1的漏极连接能量池C0的另一端和地。

全波整流模块20输出的直流电压V对能量池C0充电。假设能量池C0的保护电压为U0、额定电压为Ut。过压控制单元310检测能量池电压DC小于等于保护电压时，输出关闭信号控制第一MOS管Q1截止，能量池电压DC至后续的能量搜集控制模块40。当过压控制单元310检测能量池电压DC大于设定的保护电压U0时，输出开启信号控制第一MOS管Q1导通，则全波整流模块20的输出端被短接。直流电压V跨过能量池C0泄放到地（相当于对线圈上的电压进行泄放，不再对能量池C0充电），同时，能量池C0上的电能也通过过压控制单元310泄放，能量池电压DC下降。

由于后续还可能会对能量池C0充电，须使能量池电压DC下降至达到阈值电压时才停止泄放。则所述过压控制单元310还检测压DC下降至达到阈值电压时输出关闭信号控制第一MOS管Q1截止，短路消失停止泄放。

本实施例中，过压控制单元310由低功耗电压监视元件和比较控制电路组成，具体包括：比较芯片U（型号为LT6703IDC-3#TRMPBF）、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二MOS管Q2；所述比较芯片U的+IN脚连接第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端和第五电阻R5的一端；比较芯片U的VS脚连接第二电阻R2的另一端（即过压控制单元310的输入端in）、能量池C0的一端和第四电阻R4的一端；比较芯片U的OUT脚连接第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的一端和第二MOS管Q2的栅极；比较芯片U的GND脚连接第三电阻R3的另一端和地，第二MOS管Q2的源极（即过压控制单元310的控制端ct）连接MOS管Q1的栅极，第二MOS管Q2的漏极连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接第六电阻R6的另一端和比较芯片U的VS脚。

其中，所述第二MOS管Q2为NMOS管，比较芯片U判断能量池电压DC小于等于保护电压U0时，输出低电平控制第二MOS管Q2截止，第二MOS管Q2的源极相当于输出关闭信号（无电压，相当于低电平）。当比较芯片U判断能量池电压DC大于保护电压U0时，输出高电平控制第二MOS管Q2导通，第二MOS管Q2的源极输出高电平的开启信号。

进一步实施例中，所述过压控制单元310还包括第一电容C1和第二电容C2；所述第一电容C1的一端连接比较芯片U的VS脚，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接比较芯片U的OUT脚和第二MOS管Q2的栅极，第二电容C2的另一端连接比较芯片U的GND脚和地。所述第一电容C1可对能量池电压DC进行滤波，使第二MOS管Q2导通时输出稳定的高电平。第二电容C2对第二MOS管Q2的栅极电压进行滤波，使第二MOS管Q2导通时更加稳定。

请一并参阅图5，所述能量搜集控制模块40包括MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）控制单元41， 升降压单元42、电源转换单元43、后备电源控制单元44、充放控制单元45、3.3V的电池（镍氢电池）46和5.5V的超级电容47。所述MPPT控制单元41内置电压比较器，通过对能量池电压DC的大小进行比较来进行后续升降压调整，能始终维持CT感应输出在最大功率点附近，整体提高取电能力。所述MPPT控制单元41用于判断能量池电压的大小并输出对应的控制信号。升降压单元42用于根据对应的控制信号进行升压获得升压电压、或降压获得降压电压。电源转换单元用于对降压电压进行电压转换后输出供电电压给微功率负载供电，还获得充电电压；以及对升压电压、电池电压、或电容电压进行电压转换后输出供电电压给微功率负载供电。后备电源控制单元用于在电池供电时，输出电池电压给电源转换单元。充放控制单元，用于将充电电压对超级电容充电；以及在超级电容供电时，控制超级电容放电输出电容电压给电源转换单元。

具体为：当MPPT控制单元41判断能量池电压DC大于上限阀值时，控制升降压单元42降压获得降压电压。电源转换单元43对降压电压进行电压转换（转换为）后输出供电电压给微功率负载供电，还输出充电电压通过充放控制单元45给超级电容充电。

当MPPT控制单元41判断能量池电压DC小于下限阀值时，控制升降压单元42升压获得升压电压。电源转换单元43对升压电压进行电压转换后输出供电电压给微功率负载供电，此时仅供电不对超级电容充电。

所述电池46作为后备电源，当需要电池供电时，由后备电源控制单元44输出电池电压，经电源转换单元43转换为供电电压给微功率负载供电。不需要电池供电时，后备电源控制单元44断开电池46的输出通路。

需要超级电容供电时，充放控制单元45控制超级电容47放电，经电源转换单元43转换为供电电压给微功率负载供电。充放控制单元45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，均衡能量的使用，减少能量发热浪费。

在具体实施时，所述能量搜集控制模块40可采用型号为ADP5091的智能集成式能量采集电源管理芯片。

基于上述的自适应CT感应取电的电源控制系统，本发明还提供一种自适应CT感应取电的电源控制方法，请一并参阅图6，所述电源控制方法包括：

S100、对预设范围电流进行取电获得交流电压，对交流电压进行全波整流后输出直流电压；

S200、根据直流电压对能量池充电；检测能量池电压大于保护电压时，对CT感应取电模块进行泄放；检测能量池电压小于等于保护电压时，输出能量池电压；

S300、根据能量池电压的大小调整对微功率负载的供电状态和超级电容的充电状态。

综上所述，本发明的自适应CT感应取电的电源控制系统，针对现有架空二遥基本型配电终端的电源系统缺陷现状，采用多通道电源管理体系，集CT取电最大效率点跟踪（MPPT），电池、超级电容于一体，具备自调节功率防护电路，自动存储电能、切换能量的电源取电控制功能，可在线路3A~630A范围内连续取电，线路5A即可满足配电网在线监测与故障定位采集单元正常运行所需的能量，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工作电源可靠性，满足了架空二遥基本型配电终端的工作电源需求。

针对线路故障过电流以及雷电冲击，通过自调节功率防护模块进行自适应泄放防护，从而实现感应取电自动调节和防护。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。