一二次融合柱上开关控制器后备电源系统的制作方法

1.本公开涉及后备电源系统技术领域，尤其涉及一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统。


背景技术：

2.随着碳达峰、碳中和目标的提出，我国电力系统迎来能源绿色转型的蓬勃发展，新型电力系统在此形势下应运而生，配电网的建设与改造是新型电力系统的重要环节。加大配电网智能终端的部署，提高源网荷储新型基础设施的可观性、可测性、可控性，是新型电力系统的迫切需求。以一二次融合主的配电网设备技术，是提升配电装备水平的有效手段,也是我国新型电力系统中智能配电网建设取得成果的重要象征。
3.一二次融合柱上开关采用电子式交流传感器封装在极柱内或者安装在箱体内，随着二次侧控制器低功耗、小型化和模块化发展，二次设备贴近一次设备，开关的一体化程度进一步提高。一二次融合柱上开关由开关本体、控制器、连接电缆等构成，其控制器的主要功能是采集一次开关的电气量并对开关进行分、合闸控制。一次开关内部是直流电动机构，依靠控制器提供的直流进行驱动，在有、无交流电的情况下，都可进行开关的分、合闸控制，以实现馈线自动化相关的功能，因此，控制器后备电源系统的品质至关重要。
4.常见的一二次融合柱上开关控制器，一般采用铅酸蓄电池或锂电池为后备电源，铅酸蓄电池存在使用寿命短和污染的问题，锂电池虽然寿命长且更为安全，但也存在输出能力不足和对锂电池保护方法不足的情况。
5.因此，亟需一种有锂电池保护功能、有大电流输出能力的用于一二次融合柱上开关控制器的后备电源系统。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本公开的目的在于提出一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统。
7.基于上述目的，本公开提供了一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统，包括：
8.一次开关，被配置为获取电能并输出；
9.可调整流稳压单元，与所述一次开关电连接，被配置为接收所述一次开关输出的所述电能，对其进行整流稳压，输出预先设定电压等级的直流电；
10.充放电管理单元，分别与所述一次开关和所述可调整流稳压单元电连接，被配置为接收所述可调整流稳压单元输出的直流电并控制所述一次开关，根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电；
11.双后备电源单元，与所述充放电管理单元电连接，被配置为停电情况下对所述系统进行供电，利用所述充放电管理单元实时监测其工作状态，并计算其剩余工作电量和剩余工作时间，执行所述后备电源方案。
12.进一步的，所述一次开关包括电容取电装置和直流电动装置；
13.所述电容取电装置与所述可调整流稳压单元电连接，被配置为从所述一次开关获取所述电能并利用电容对其进行降压处理；
14.所述直流电动装置与所述充放电管理单元电连接，被配置为根据所述充放电管理单元的监测结果，对所述一次开关进行分、合闸控制。
15.进一步的，所述双后备电源单元包括锂电池组、测控开关d1、超级电容组、测控开关d2；
16.所述测控开关d1分别与所述锂电池组和所述充放电管理单元电连接，被配置为实时获取所述锂电池组的电压、电流数据，将所述数据传递给所述充放电管理单元，并接收所述充放电管理单元反馈的控制信号；
17.所述测控开关d2分别与所述超级电容组和所述充放电管理单元电连接，被配置为实时获取所述超级电容组的电压、电流数据，将所述数据传递给所述充放电管理单元，并接收所述充放电管理单元反馈的控制信号。
18.进一步的，所述测控开关d1和所述测控开关d2均包括各自的开关本体、电压测量回路、电流测量回路，
19.其中，所述电压测量回路、所述电流测量回路被配置为测量所述锂电池组和所述超级电容组的实时电压、电流，所述开关本体被配置为控制所述锂电池组和所述超级电容组的工作状态。
20.进一步的，实时监测所述双后备电源单元工作状态，并计算其剩余工作电量和剩余工作时间，包括：
21.对所述超级电容组进行监测，通过所述测控开关d2采集所述超级电容组的电压和电流数据并传输给所述充放电管理单元，经由所述充放电管理单元计算所述剩余工作电量和剩余工作时间，所述剩余工作电量计算公式为：
[0022][0023]
其中，q为剩余工作电量，c为超级电容组的电容，v0为电容放电起始电压，vs为系统设定的放电截止电压，i为放电电流，t为时间；
[0024]
所述超级电容组的剩余工作时间为：
[0025][0026]
其中，t为超级电容组剩余工作时间，q为剩余工作电量，i为放电电流。
[0027]
进一步的，所述预设供电原则包括：
[0028]
响应于对所述直流电动装置进行供电，从所述一次开关获取电能，
[0029]
响应于所述一次开关获取电能不足，根据所述后备电源方案从所述双后备电源单元获取电能。
[0030]
进一步的，所述后备电源方案包括：单锂电池组供电方案、单超级电容组供电方案、双后备电源供电方案。
[0031]
进一步的，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，包括：
[0032]
响应于所述一次开关获取电能不足，选择单超级电容组供电方案、单锂电池组供电方案或双后备电源供电方案，并通过所述充放电管理单元分别控制所述锂电池组或所述超级电容组进行供电。
[0033]
进一步的，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，还包括：
[0034]
响应于交流不停电情况下频繁操作开关，选择单超级电容组供电方案或双后备电源供电方案，并通过所述充放电管理单元控制所述超级电容组或所述锂电池组进行供电；
[0035]
响应于系统工作需求为小电流长时间续航，选择单超级锂电池组供电方案或双后备电源供电方案，并通过充放电管理单元控制所述锂电池组或所述超级电容组进行供电。
[0036]
进一步的，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，还包括：
[0037]
响应于所述一次开关获取电能不足且所述超级电容组电量充足，选择双后备电源方案，通过所述充放电管理单元控制所述超级电容组进行供电；
[0038]
响应于所述一次开关获取电能不足且所述超级电容组电量不足，选择双后备电源方案，通过所述充放电管理单元控制所述锂电池组进行供电。
[0039]
从上面所述可以看出，本公开提供的一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统，包括一次开关、可调整流稳压单元、充放电管理单元和双后备电源单元。一次开关获取电能并输出至可调整流稳压单元，处理成预设电压等级的直流电后输入充放电管理单元。充放电管理单元电连接双后备电源，实时监测双后备电源的工作状态并计算其剩余工作电量和剩余时间，以执行后备电源方案。本公开提供了双后备电源，可以通过控制所述双后备电源投退，实现多种组合形式的备用电源方案；所述双后备电源可瞬间提供极大电流，解决单后备电源系统瞬间电流输出能力不足的问题，并能做到一套硬件适应多种规格的直流等级。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，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。
[0041]
图1为本公开实施例的一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统示意图；
[0042]
图2为现有一二次融合柱上开关控制器后备电源系统示意图；
[0043]
图3为本公开实施例的预设供电原则示意图；
[0044]
图4为本公开实施例的后备电源方案示意图；
[0045]
图5为本公开实施例的双后备电源方案供电顺序示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0047]
需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当
为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0048]
如背景技术所述，常见的一二次融合柱上开关控制器，一般采用铅酸蓄电池或锂电池为后备电源。其中，一二次融合指电力系统中的一次设备中含有部分二次设备智能单元，让一次设备更加的智能化，自带测量、计量、继保、监测、控制等功能。高压一次设备与二次设备靠近甚至是融合，一次设备位于高压线路上，二次设备位于低压一侧，不存在安全风险，便于人力操作。
[0049]
铅酸蓄电池虽然可大电流放电，适合大部分控制器使用，但污染更大，且使用寿命短，有大电流放电操作需求的控制器可能因为电池老化而造成开关拒动。结合新型电力系统能源绿色转型的迫切需求，绿色环保无污染的锂电池更加符合市场。锂电池容量大体积小，除了环保，与铅酸蓄电池相比，锂电池的主要优势为：单体电压高，能量密度大，可以有效减少使用空间；循环寿命可高达2000次以上，而普通的铅酸蓄电池循环寿命为300～500次；耐高温，使用较为安全；自放电率低，无记忆效应，可随充随用。
[0050]
现有的一二次融合柱上开关控制器后备电源系统，大多依靠单一的锂电池组供电。然而单锂电池供电也存在一些缺点：虽然有充放电保护电路可以防止过充、过放对锂电池带来的危害，但长时间工作在强负荷电流下仍会发热严重，对锂电池使用寿命和可用容量带来影响，故其不能长时间用于操作回路大电流放电；锂电池对充电回路要求也较高，需要保护控制线路且不能浮充，否则容易过充、过放引起电池故障。
[0051]
现有的一二次融合柱上开关控制器后备锂电池电源系统，一般根据锂电池的规格提供固定等级的直流供电，如dc24v、dc48v。锂电池规格一旦确定，硬件系统固定，其提供的直流电压等级固定，一般不支持dc24v、dc48v电池组的兼容互换，不同等级的电池组一旦接错，会对硬件系统带来不可预料的损害。
[0052]
本公开所提出的一二次融合柱上开关控制器后备电源系统主要参考以锂电池为后备电源的系统，针对其技术方案，进行相关的技术分析和改进，通过加入超级电容组的方式，构成锂电池组和超级电容组双后备电源系统。超级电容不受放电电流限制，可瞬间提供极大电流，解决了单后备电源系统瞬间电流输出能力不足的问题；同时，双后备电源系统的超级电容组辅助供电支路能够有效应对瞬时大电流冲击并分担负荷电流，对锂电池提供缓冲和保护作用，且能应对频繁操作开关带来的频繁充放电情况，延长电池使用寿命。
[0053]
以下结合附图来详细说明本公开的实施例。
[0054]
本发明提供了一种一二次融合柱上开关控制器后备电源系统，包括：
[0055]
一次开关，被配置为获取电能并输出；所述一次开关即一二次融合柱上开关的开关本体，其外接设备为一次设备，包括但不限于发电机、变压器、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等。
[0056]
可调整流稳压单元，与所述一次开关电连接，被配置为接收所述一次开关输出的所述电能，对其进行整流稳压，输出预先设定电压等级的直流电。整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的交流电变成单方向脉动的直流电，进一步可选地，本实施例还在整流电路的输出端接入滤波电路，能够滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压；
经过整流滤波后的电压是不稳压的，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，而且纹波电压又大，因此整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变。进一步可选地，选用谐振电压型双环控制的谐振开关电源技术，其具有稳压精度高、动态响应快的特点。
[0057]
充放电管理单元，分别与所述一次开关和所述可调整流稳压单元电连接，被配置为接收所述可调整流稳压单元输出的直流电并控制所述一次开关，根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电。
[0058]
双后备电源单元，与所述充放电管理单元电连接，被配置为停电情况下对所述系统进行供电，利用所述充放电管理单元实时监测其工作状态，并计算其剩余工作电量和剩余工作时间，执行所述后备电源方案。
[0059]
本实施例中，所述系统为一次设备和二次设备共同组成，所述一次开关属于一次设备，所述可调整流稳压单元、充放电管理单元、双后备电源单元属于二次设备。进一步可选地，如图1所示，所述充放电管理单元除了连接可调整流稳压单元、一次开关和双后备电源单元，还外接有主控单元。
[0060]
进一步，所述一次开关包括电容取电装置和直流电动装置。
[0061]
所述电容取电装置与所述可调整流稳压单元电连接，被配置为从所述一次开关获取所述电能并利用电容对其进行降压处理。进一步可选地，所述电容取电装置利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，从而起到降压作用。进一步可选地，在本实施例中选用无极性铁壳油浸电容。
[0062]
所述直流电动装置与所述充放电管理单元电连接，被配置为根据所述充放电管理单元的监测结果，对所述一次开关进行分、合闸控制。一二次融合柱上开关的电动操作机构优先使用从一次开关所取电能。
[0063]
柱上开关常见的有柱上断路器、柱上负荷开关、柱上隔离开关，其一次开关直流电动机构常见有dc24v、dc48v等不同规格。一次开关内部是直流电动机构，依靠控制器提供的直流进行驱动，在有、无交流电的情况下，都可进行开关的分、合闸控制，以实现馈线自动化相关的功能。
[0064]
在一些实施例中，所述双后备电源单元包括锂电池组、测控开关d1、超级电容组、测控开关d2；所述测控开关d1分别与所述锂电池组和所述充放电管理单元电连接，被配置为实时获取所述锂电池组的电压、电流数据，将所述数据传递给所述充放电管理单元，并接收所述充放电管理单元反馈的控制信号；所述测控开关d2分别与所述超级电容组和所述充放电管理单元电连接，被配置为实时获取所述超级电容组的电压、电流数据，将所述数据传递给所述充放电管理单元，并接收所述充放电管理单元反馈的控制信号。
[0065]
锂电池组和超级电容组双后备电源系统兼具了锂电池和超级电容的优点，能够解决单一锂电池组供电受放电电流上限限制的问题，可以瞬间提供极大的直流输出，解决了但后备电源系统瞬间电流输出能力不足的问题。
[0066]
超级电容是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应。这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次，其具有效率极高、高电流容量、电压范围宽、使用温度范围广、回卷使用寿命长、工作寿命长、免维护易保养、整合简单、底成本等优越的特性。超级电容器单体工作电压不高，一般只有1v-4v，将多个超级电容器
单体串联得到所述超级电容组，可以满足更高的工作电压需要。
[0067]
锂电池内的充放电保护电路可以防止过充、过放对锂电池带来的危害，但由于锂电池内阻较大，长时间工作在强负荷电流下会严重发热，影响其使用寿命和可用容量，超级电容组提供的辅助供电支路可以对锂电池提供缓冲和保护作用，有效分担负荷电流。
[0068]
进一步可选地，本实施例使用了额定48v以上的高电压等级的超级电容组，由于超级电容组所储存的电荷量是其电压和电容法拉值的乘积，所以它同样可以承载24v电压等级的电荷量，故一组超级电容可以兼容两种电压规格的电荷量储存。更换不同电压等级的锂电池组时，无需更换超级电容组，做到一套硬件适应多种规格的直流等级。
[0069]
在一些实施例中，所述测控开关d1和所述测控开关d2均包括各自的开关本体、电压测量回路、电流测量回路，其中，所述电压测量回路、所述电流测量回路被配置为测量所述锂电池组和所述超级电容组的实时电压、电流，所述开关本体被配置为控制所述锂电池组和所述超级电容组的工作状态。
[0070]
在一些实施例中，实时监测所述双后备电源单元工作状态，并计算其剩余工作电量和剩余工作时间，包括：
[0071]
对所述超级电容组进行监测，通过所述测控开关d2采集所述超级电容组的电压和电流数据并传输给所述充放电管理单元，经由所述充放电管理单元计算所述剩余工作电量和剩余工作时间，所述剩余工作电量计算公式为：
[0072][0073]
其中，q为剩余工作电量，单位库伦，c为超级电容组的电容，单位法拉；v0为电容放电起始电压，单位伏特；vs为系统设定的放电截止电压，单位伏特；i为放电电流，单位安培；t为时间，单位秒。
[0074]
进一步可选地，为了计算从开始放电到测量时刻t的放电电荷量，本专利采取了安时积分法，在计算锂电池组从开始放电到测量时刻t的放电电荷量时也采用此方法。
[0075]
所述安时积分法快速计算方法如下：
[0076]
第一步，每秒采样放电电流2次及以上；
[0077]
第二步，计算放电电流的秒平均值；
[0078]
第三步，将从开始放电到测量时刻t，每秒的电流平均值累加，所得值就是安时积分法计算的放电电荷量。
[0079]
计算出开始放电到测量时刻t的放电电荷量后，计算出剩余电荷量q，再结合当前放电电流i，计算出超级电容剩余工作时间。
[0080]
所述超级电容组的剩余工作时间为：
[0081][0082]
其中，t为超级电容组剩余工作时间，q为剩余工作电量，i为放电电流。
[0083]
上述计算方法可预判超级电容组的投入和退出时刻，有助于充放电管理单元实现精准控制策略。
[0084]
在一些实施例中，参考图3，所述预设供电原则包括：
[0085]
响应于对所述直流电动装置进行供电，从所述一次开关获取电能，
[0086]
响应于所述一次开关获取电能不足，根据所述后备电源方案从所述双后备电源单元获取电能。
[0087]
在一些实施例中，参考图4，所述后备电源方案包括：单锂电池组供电方案、单超级电容组供电方案、双后备电源供电方案，三种后备电源系统方案，可依据实际工况使用。
[0088]
参考图1中本公开实施例的一二次融合柱上开关控制器后备电源系统和图2中现有的一二次融合柱上开关控制器后备电源系统，本公开实施例的主要改进措施为将单锂电池组后备电源改为双电源后备系统，加入了所述超级电容组作为辅助后备电源，并在两种后备电源与所述充放电管理单元之间分别增设了可独立操作的测控开关d1和测控开关d2。当根据具体工况选择不同的供电方案时，操控图1中的测控开关d1和测控开关d2的开、合闸，即可完成下述不同供电方案的选择。
[0089]
在一些实施例中，参考图4，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，包括：
[0090]
响应于所述一次开关获取电能不足，选择单超级电容组供电方案、单锂电池组供电方案或双后备电源供电方案，并通过所述充放电管理单元分别控制所述锂电池组或所述超级电容组进行供电。
[0091]
参考图4，一次开关获取电能不足时，可以选择单超级电容组供电方案、锂电池组供电方案和双后备电源供电方案。选择双后备电源供电方案时，所述测控开关d1和所述测控开关d2闭合，此时由所述超级电容组和所述锂电池组共同供电。进一步地，还可选择单锂电池组供电方案和单超级电容组供电方案。
[0092]
在一些实施例中，参考图4，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，还包括：
[0093]
响应于交流不停电情况下频繁操作开关，选择单超级电容组供电方案或双后备电源供电方案，并通过所述充放电管理单元控制所述超级电容组或所述锂电池组进行供电；
[0094]
响应于系统工作需求为小电流长时间续航，选择单超级锂电池组供电方案或双后备电源供电方案，并通过充放电管理单元控制所述锂电池组或所述超级电容组进行供电。
[0095]
虽然超级电容的容量比锂电池小，但充放电回路设计简单，充电速度很快，还可以应对大电流放电的冲击，且超级电容使用寿命长，无记忆性，适合停电后短时供电情况，因此，当遇交流不停电情况下频繁操作开关带来的频繁充放电情况，优先选择所述单超级电容组供电方案，所述测控开关d1打开，所述测控开关d2闭合，此时由所述超级电容组为系统供电。进一步可选地，还可选用双后备电源方案。
[0096]
当一次开关获取电能不足或系统工作需求为小电流长时间续航，优选单锂电池组供电方案，所述测控开关d2打开，所述测控开关d1闭合，此时由所述锂电池组为所述系统供电。锂电池具有单体电压高、能量密度大的优点，可供控制器在交流停电情况下连续稳定工作数小时。进一步可选地，还可选用双后备电源方案。
[0097]
在一些实施例中，所述根据预设供电原则选择相应的后备电源方案对所述系统进行供电，还包括：
[0098]
响应于所述一次开关获取电能不足且所述超级电容组电量充足，选择双后备电源方案，通过所述充放电管理单元控制所述超级电容组进行供电；
[0099]
响应于所述一次开关获取电能不足且所述超级电容组电量不足，选择双后备电源
方案，通过所述充放电管理单元控制所述锂电池组进行供电。
[0100]
在本实施例中，双后备电源方案的供电顺序如图5所示，一次开关获取电能不足时且所述超级电容组电量充足时，选择所述双后备电源方案，此时所述测控开关d1和所述测控开关d2闭合，并通过所述充放电管理单元优先选择所述超级电容组进行供电；一次开关获取电能不足时且所述超级电容组的电能不足时，选择所述双后备电源方案，此时所述充放电管理单元自动选择用所述锂电池组供电。因此，双后备电源的优势还在于，当其中一后备电源电能不足时，另一后备电源能够及时投入供电。
[0101]
需要说明的是，参考图1，本公开实施例中所述充放电单元对所述系统的监测功能可以由所述充放电单元中的芯片独立完成，也可以由所述充放电管理单元外接的主控单元帮助执行。
[0102]
需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0103]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0104]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0105]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它一二次融合柱上开关结构(例如，断路器、重合器、分段器)可以使用所讨论的实施例。
[0106]
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。