本发明涉及防雷击技术领域，尤其是涉及一种防雷智能电源及防雷智能电源系统。
背景技术：
地震台站各项监测工作需要一个良好的工作平台，才能获得真实可靠、稳定连续、有用好用的信息资料。供电、避雷、接地是这个平台的基础，关乎整个监测工作的好坏、直接影响产出的信息资料。有资料表明，地震监测台网因供电避雷系统故障引起的断记录时间占总断记录时间的30％～50％，因此认真解决好供电、避雷、接地各环节中的技术问题，对保证地震台站正常运行具有非常重要的意义。
自然灾害中，雷电引起的灾害属于最为严重的一种，除本身具有巨大的破坏性外，还因为雷电发生频度高，且年年重复发生。雷电流强大的冲击机械效应和热效应将使电子设备、元器件遭受严重毁坏。尽管雷电直击电子设备的可能性不大，但是雷击附近大地、建筑物、交流供电线路或空中雷电感应形成的冲击过电压，都有可能通过与之相连的电源线、信号传输线或接地系统，侵入电子设备酿成严重的干扰或事故。
针对地震台站存在的雷击损害的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种防雷智能电源及防雷智能电源系统，可以减少雷击损害且供电稳定可靠。
第一方面，本发明实施例提供了一种防雷智能电源，包括充电器、多个智能开关、至少两组电容器，每组电容器包括至少一个超级电容器、dc-dc变换器和控制器；充电器与各组电容器的输入端分别连接，充电器和各组电容器的输入端之间设置有智能开关；各组电容器的输出端分别与dc-dc变换器的输入端连接；组电容器的输出端和dc-dc变换器之间设置有智能开关；dc-dc变换器的输出端用于与用电设备连接，以向用电设备供电；控制器与各个智能开关连接，用于控制智能开关的开合状态，当电容器处于向dc-dc变换器供电状态时，电容器的输出端与dc-dc变换器之间导通，且电容器的输入端与充电器之间断开。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，当电容器处于充电状态时，控制器控制智能开关以使电容器的输出端与dc-dc变换器之间断开，且电容器的输入端与充电器之间导通。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，至少一组电容器处于供电状态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，还包括传感器，用于采集电容器的电压、电流参数并将电压、电流参数发送至控制器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，控制器用于控制电量大于预设阈值的至少一组电容器处于供电状态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，还包括显示屏；显示屏与控制器连接，用于显示电容器的电量和充放电状态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，智能开关为可控制开断的继电器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，还包括与控制器连接的无线通信装置；无线通信装置用于向远程终端收发信息。
第二方面，本发明实施例还提供一种防雷智能电源系统，包括地震监测设备、地震预警设备、其他直流供电需要防雷的设备和上述第一方面及其各可能的实施方式任一项提供的防雷智能电源；防雷智能电源与地震监测设备、地震预警设备以及其他直流供电需要防雷的设备连接，用于向地震监测设备、地震预警设备以及其他直流供电需要防雷的设备供电。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供的防雷智能电源及防雷智能电源系统，包括多组可以轮流供电的电容器，在电容器进行供电时，电容器的输出端与dc-dc变换器之间导通，且电容器的输入端与充电器之间断开，从而使外界线路与用电设备之间没有直接的电路连接，不构成雷击传递的通路而实现防雷的作用；由于通过电容器供电轮流供电，在市电断电时也可以提供持续稳定的电力供应，供电稳定可靠。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种防雷智能电源的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电容器切换过程示意图；
图3为本发明实施例提供的电容器切换过程示意图；
图4为本发明实施例提供的电容器切换过程示意图；
图5为本发明实施例提供的电容器切换过程示意图
图6为本发明实施例提供的另一种防雷智能电源的结构示意图
图7为本发明实施例提供的一种控制器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前地震台站监测工作进入到了数字化时代，地震仪器均不能耐受过电压和过电流冲击。因此地震观测仪器设备非常容易受到感应雷电的入侵而被损坏。近年来雷击灾害造成地震观测设备的损失日益突出，防雷设计势在必行。
同时由于部分地区的电源事故情况很严重，地震台站停电频繁，少到3～5天，多则十几天；电压波动大，低到140～150v，高到260～270v；遥测台网因供电系统故障引起的断记录时间占总断记录时间的30％～50％。
基于此，本发明实施例提供的一种防雷智能电源及防雷智能电源系统，可以减少雷击损害且供电稳定可靠。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种防雷智能电源进行详细介绍。
实施例1
本发明实施例提供了一种防雷智能电源，包括充电器、多个智能开关、至少两组电容器，每组电容器包括至少一个超级电容器、dc-dc变换器和控制器。该防雷智能电源用于将市电转换成用电设备需要的工作用电。
充电器的输入端与市电连接，输出端与每组电容器连接。其中每组电容器可以包括多个电容器，充电器与各组电容器的输入端分别连接，充电器和各组电容器的输入端之间设置有智能开关。该智能开关可以受控改变闭合或断开状态。例如，该智能开关可以为可控制开断的继电器。
各组电容器的输出端分别与dc-dc变换器的输入端连接；各组电容器的输出端和dc-dc变换器之间设置有智能开关。电容器的输入端和输出端分别连接不同的智能开关，可以使用相同种类的智能开关也可以使用不同种类的智能开关。
dc-dc变换器的输出端用于与用电设备连接，以向用电设备供电。dc-dc变换器用于将电容器输出的直流电转换成适合用电设备工作电压的直流电。
控制器与各个智能开关连接，用于控制智能开关的开合状态。当电容器处于向dc-dc变换器供电状态时，电容器的输出端与dc-dc变换器之间导通，且电容器的输入端与充电器之间断开。上述导通或断开，通过控制器控制各智能开关的开合达到。
参见图1所示的防雷智能电源的结构示意图，其中示出了防雷智能电源包括充电器10、dc-dc变换器20、控制器30、智能开关1-4以及电容器a、b。
在图1中以电容器的个数是两个为例进行说明。为了实现防止雷击危害，在超电容器供电时需要断开与市电的连接，以避免雷电感应电压通过市电传输线进入用电设备造成损害，因此需要至少两组电容器，其中之一处于向用电设备供电的供电状态，另一处于充电状态或充电完成后待机状态。为了保证用电的稳定性，在市电断电时可以提供更长的供电时间，上述电容器的个数可以设置为大于两个，本实施例对此不作限定。
在图1中以智能开关分别设置为例进行说明，即每组电容器的输入端和输出端均连接一个单独设置的智能开关，如图1中的智能开关1-4。可以理解的是，两组电容器也可以共用智能开关，该智能开关可以支持多种控制状态，例如电容器a和电容器b与充电器10之间共用同一个智能开关，该智能开关可以单独导通电容器a与充电器10、单独导通电容器b与充电器10，或者电容器a和电容器b与充电器10均断开。上述智能开关均是在控制器30的控制下进行状态改变的。
例如，当电容器a处于向dc-dc变换器供电状态时，电容器a的输出端与dc-dc变换器之间导通，且电容器a的输入端与充电器之间断开。此时电容器b可以处于充电状态，在充电完成后进入电机状态。当电容器b处于充电状态时，控制器控制智能开关以使电容器b的输出端与dc-dc变换器之间断开，且电容器b的输入端与充电器之间导通。
在防雷智能电源工作中，电容器a连接的智能开关1和智能开关3互斥，不能同时闭合。当电容器a充电时，电容器b提供电源，反之亦然。所以输出电路和输入电路总是形成电气隔离，从而实现防雷的功能。
本发明实施例提供的防雷智能电源，包括多个可以轮流供电的电容器，在电容器进行供电时，电容器的输出端与dc-dc变换器之间导通，且电容器的输入端与充电器之间断开，从而使外界线路与用电设备之间没有直接的电路连接，不构成雷击传递的通路而实现防雷的作用；由于通过电容器供电轮流供电，在市电断电时也可以提供持续稳定的电力供应，供电稳定可靠。
以下以两组电容器包括电容器a和电容器b为例详述供电切换过程。参见图2-5所示的电容器切换过程示意图。
图2示出了电容器a处于供电状态，电容器b处于充电状态。此时智能开关1、4断开，智能开关2、3闭合。
图3示出了电容器a处于供电状态，电容器b处于待机状态。在欲将电容器b接入进行供电时，需要先将其与充电器10(连接有市电)的连接断开，保证用电设备与市电线路之间的电气隔离。此时智能开关1、2、4断开，智能开关3闭合
图4示出了电容器a、b均处于供电状态。此时智能开关1、2断开，智能开关3、4闭合。在此状态下两组电容器均在进行供电，dc-dc变换器20可以智能调节，保证输出的电压符合用电设备的要求。
图5示出了电容器b处于供电状态，电容器a处于待机状态。此时智能开关1、2、3断开，智能开关4闭合。此时将由电容器a供电切换成电容器b供电。
考虑到从供电状态退出的电容器a需要进行充电，参见图6所示的防雷智能电源的结构示意图，其中示出了在图5的基础上闭合智能开关1，以对电容器a进行充电。
上述两组电容器与充电器和用电设备都以可控制开断的继电器互相连接，通过控制器控制继电器以一定的时序和条件进行动作，使得两组电容器分别处于充电和放电状态，且它们之间没有电器连接。这样使得外界电路与用电设备之间没有直接的电路连接，不构成雷击传递的通路而实现防雷的作用。
当充电器对电容器a进行充电时，电容器b可以对用电器进行供电，此时充电器连接电容器a的继电器闭合，充电器连接电容器b的继电器断开，电容器a和用电设备的继电器断开，电容器b和用电设备的继电器闭合。当电容器b快放完电时，需进行切换。首先充电器对电容器a、b都断开，然后电容器a、b对用电设备都连接，随后电容器b断开，切换到电容器a对用电设备供电，最后充电器接上电容器b，对电容器b进行充电。
参见图7所示的控制器的结构示意图，其中示例出了控制器包括stm32f103处理器、i2c总线、网络模块、串口和gipo(generalpurposeinputoutput，通用输入/输出)总线扩展器。该处理器属于stm32“增强型”系列，为基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的armcortex-m3内核。本实施例对控制器的具体型号不作限定，满足需要控制智能开关的状态即可。
在图7中还示出了智能防雷电源还包括传感器，其可以用于采集电容器的电压、电流参数并将电压、电流参数发送至控制器。控制器可以根据上述参数计算电容器的当前电量，可以控制电量大于预设阈值的至少一组电容器处于供电状态。
在控制器和传感器之间，以及控制器与各智能开关之间均设置有光耦合器，实现上述装置之间的光耦隔离。
在图7中还示出了智能防雷电源还包括显示屏，该显示屏与控制器连接，用于显示电容器的电量和充放电状态。该显示屏可以是组态屏，控制器运行组态软件，通过组态屏进行数据监测和操作。
考虑到主动预防雷击的需要，上述智能防雷电源还包括防雷开关，该防雷开关两端分别与市电和充电器连接。控制器从传感器和互联网上获取到相关的天气信息，在有雷电天气前可以根据设置自动断开该防雷开关或者通知管理人员手动或远程断开该防雷关，也可以防止雷击可能对充电器造成的损害。考虑到远程通信及控制的需要，上述智能防雷电源还包括与控制器连接无线通信装置；无线通信装置用于向远程终端收发信息。
其中，上述电容器可以包括多个超级电容。
利用不同容量和伏值的单个超级电容串并联连接起来组合成为超级电容器。举例如下：单个超级电容为2.7v，470f，将12个超级电容串联构成一个模组然后两个模组再并联，结果为32.4v，78.3f的超级电容器。如果地震仪器的电压为12v，dc/dc变换器的输入电压范围值是9-36v，输出电压为12v，效率高达90％。
电容器中的总能量计算公式如下：
能量(焦耳)＝1/2x容量(法拉第)x电压的平方(伏)
能量(瓦时)＝能量(焦耳)/3600(秒)
上述电容器作为电源所储存的能量为：
1/2*c*u1^2-1/2*c*u2^2＝1/2*78.3f*32.4*32.4-1/2*78.3f*9*9＝41098.104-3171.15＝37926.954j＝10.353wh
根据电量(瓦时)＝功率(瓦特)×时间(小时)可计算不同功率地震仪器可工作的时间。35v、15a的充电器给32.4v，78.3f的电容器充满电需要1.183分钟，可以给井下短周期综合地震仪供电3.45小时，可以给fzcy-1地震数据采集器供电8.62小时，可以给强震加速度计供电17.25小时。电容器可以实现快充快放的功能，能够给用电设备不间断电力供应。
实施例2
本发明实施例提供了一种防雷智能电源系统，包括地震监测设备、地震预警设备、其他直流供电需要防雷的设备和上述实施例提供的防雷智能电源；
防雷智能电源与地震监测设备、地震预警设备以及其他直流供电需要防雷的设备连接，用于向地震监测设备、地震预警设备以及其他直流供电需要防雷的设备供电。
本实施例提供的防雷智能电源系统，包括的防雷智能电源可以有效减少雷击损害，保护地震监测设备，且满足持续稳定供电的要求，供电稳定可靠，从而提高记录地震数据的完整性。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。