一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统及方法

本发明涉及高压线路电压测量能量控制技术，具体涉及一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法及系统。

背景技术：

1、线路电压测量技术是电力系统中常用的一项关键技术，用于监测和测量电力系统中的电压水平，它在电力系统的运行和维护中起着至关重要的作用。此外，电压测量装置信号传输与能量可靠来源问题往往被忽视，难以形成免维护自供能电压测量体系。相比于传统的电磁式互感器，基于电场耦合的电压测量方式具有电气绝缘性能优良、便于安装等优点。然而，现有线路电压测量方式均通过微处理器和通信模块处理和发送数据，其工作功耗均在毫瓦级左右，若仍采用基于电场耦合的测量-取能一体化电场取能方式，则取能能量难以维持毫瓦级别耗能的微处理器和通信模块持续工作，从而造成监测终端数据丢失的问题，因此，亟需一种基于电场耦合方式的测量-取能一体化的低功耗能量控制方法，满足线路电压不间断测量。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法，通过电场取能的方式实现了基于电场耦合原理的线路电压测量装置的无线信号处理与发送能量自供给。

2、技术方案：本发明的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，包括：取能模块、整流电路、取能电容、脉冲放电控制模块、mosfet、储能电容、变压器、dc/dc模块、微处理器和通信模块，取能模块将获取的高压线路能量经整流电路输入至取能电容，脉冲放电控制模块输出信号作为mosfet的门级控制信号，变压器将取能电容放电能量转移至储能电容，微处理器用于捕捉脉冲放电控制模块输出信号的上升沿和下降沿，并记录对应的时刻，得到取能电容充电时间，进而得到线路电压；微处理器采用停止模式和工作模式交替的运行方式，保证储能电容累积的能量通过dc/dc模块完全释放给通讯模块和微处理器模块，实现自供能型线路电压测量低功耗能量控制。

3、优选的，控制系统电路连接关系为：

4、取能模块将获取的高压线路能量输出至整流电路输入端，整流电路输出端与取能电容相并联，脉冲放电控制模块的输出与mosfet的门级相连，mosfet的漏极与变压器一次测串联后与取能电容相并联，mosfet门级分别与微处理器的定时器端口和外部中断引脚相连，微处理器的外部输出端口与三极管的基极相连；变压器二次侧与储能电容相并联，dc/dc模块与储能电容相并联，dc/dc模块输出端分别与微处理器电源输入端口和三极管的集电极相连；微处理器的信号发射端与通讯模块的信号接收端相连，三极管的发射级与通讯模块的电源输入端口相连。

5、优选的，变压器一次侧并联有第一二极管，变压器二次侧串联第二二极管后与储能电容cg相并连。

6、优选的，该控制系统还包括稳压器，稳压器将脉冲放电控制模块输出电压信号稳压至微处理器的定时器端口和外部中断引脚能够接受电压范围内；稳压器输入端与mosfet门级相连，稳压器输出端分别与微处理器的定时器端口和外部中断引脚相连。

7、优选的，线路电压由取能电容的充电速率得到。

8、优选的，脉冲放电控制模块控制mosfet导通与关断，当取能电容充电电压达到设定电压uc时，取能电容放电控制模块输出高电平导通mosfet，当取能电容电压泄放至0v时，取能电容放电控制模块输出低电平关断mosfet。

9、优选的，整流电路为全桥整流电路，mosfet为低电压导通器件，通讯模块为lora。

10、基于相同的发明构思，本发明的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法，包括以下步骤：

11、(1)微处理器在取能电容第一次脉冲放电后首次通电，并设定t时间后微处理器进入停止模式后实现微瓦级待机状态；

12、(2)利用取能电容下一次脉冲放电的碳化硅mosfet的门级控制信号上升沿唤醒微处理器，微处理器的定时器端口开启下降沿捕获功能，并记录上升沿对应的时刻t1，当定时器端口捕获到msofet驱动信号的下降沿时，记录当前时刻t2后进入停止模式，因此高电平的持续时间为t2-t1；

13、(3)记录步骤(2)中微处理器进入停止模式的时刻t3，若定时器捕获的下降沿次数小于n，再次执行步骤(2)，并记录下一个碳化硅mosfet的门级控制信号下降沿对应的时刻t4，则取能电容从0v充电到设定电压uc所对应的时间t表示为：t＝t4－t3－(t2－t1)；

14、(4)若微处理器上电后定时器捕获的下降沿次数等于n，其中n为定时器捕获的下降沿总次数，储能电容泄放所有能量给微处理器和通讯模块，微处理器开启串口初始化并将(n-1)个取能电容充电时间数据发送给通讯模块，通讯模块将所有数据打包发送给监测终端，储能电容能量泄放之后微处理器和通讯模块掉电，等待取能电容下一次脉冲放电后进入步骤(1)循环监测取能电容充电时间；若微处理器上电后定时器捕获的下降沿次数不等于n，则返回步骤(2)。

15、进一步的，采用高精度定时器记录上升沿对应的时刻t1，由亚秒级实时时钟rtc记录步骤(2)中微处理器进入停止模式的时刻t3，并由亚秒级实时时钟rtc记录下一个碳化硅mosfet的门级控制信号下降沿对应的时刻t4。

16、基于相同的发明构思，本发明的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制设备，所述设备包括：

17、存储有可执行程序代码的存储器；

18、与所述存储器耦合的处理器；

19、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法。

20、有益效果：与现有技术相比，本发明采用微处理器停止模式和工作模式交替式的能量控制方式，为无电池型高压线路电压测量方法和低功耗能量管理电路提供了新思路，具有实用价值和指导意义。

技术特征：

1.一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，包括：取能模块、整流电路、取能电容(ct)、脉冲放电控制模块、mosfet、储能电容(cg)、变压器、dc/dc模块、微处理器和通信模块，取能模块将获取的高压线路能量经整流电路输入至取能电容(ct)，脉冲放电控制模块输出信号作为mosfet的门级控制信号，变压器将取能电容(ct)放电能量转移至储能电容(cg)，微处理器用于捕捉脉冲放电控制模块输出信号的上升沿和下降沿，并记录对应的时刻，得到取能电容(ct)充电时间，进而得到线路电压；微处理器采用停止模式和工作模式交替的运行方式，保证储能电容(cg)累积的能量通过dc/dc模块完全释放给通讯模块和微处理器模块，实现自供能型线路电压测量低功耗能量控制。

2.根据权利要求1所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，控制系统电路连接关系为：

3.根据权利要求2所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，变压器一次侧并联有第一二极管，变压器二次侧串联第二二极管后与储能电容(cg)相并连。

4.根据权利要求1所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，该控制系统还包括稳压器(ldo)，稳压器(ldo)将脉冲放电控制模块输出电压信号稳压至微处理器的定时器端口(tim)和外部中断引脚(gpio_exit)能够接受电压范围内；

5.根据权利要求1所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，线路电压由取能电容(ct)的充电速率得到。

6.根据权利要求1所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，脉冲放电控制模块控制mosfet导通与关断，当取能电容(ct)充电电压达到设定电压uc时，取能电容放电控制模块输出高电平导通mosfet，当取能电容(ct)电压泄放至0v时，取能电容放电控制模块输出低电平关断mosfet。

7.根据权利要求1所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统，其特征在于，整流电路为全桥整流电路，mosfet为低电压导通器件，通讯模块为lora。

8.一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制方法，其特征在于，采用高精度定时器记录上升沿对应的时刻t1，由亚秒级实时时钟rtc记录步骤(2)中微处理器进入停止模式的时刻t3，并由亚秒级实时时钟rtc记录下一个碳化硅mosfet的门级控制信号下降沿对应的时刻t4。

10.一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制设备，其特征在于，所述设备包括：

技术总结
本发明公开了一种自供能型线路电压测量低功耗能量控制系统及方法，其取能模块将获取的高压线路能量通过整流电路输入取能电容，脉冲放电控制模块输出信号作为MOSFET的门级控制信号，变压器将取能电容放电能量转移至储能电容，微处理器用于捕捉脉冲放电控制模块输出信号的上升沿和下降沿，并记录对应的时刻，通过取能电容充电时间，得到线路电压；微处理器采用停止模式和工作模式交替的运行方式，保证储能电容累积的能量通过DC/DC模块完全释放给通讯模块和微处理器模块，实现自供能型线路电压测量低功耗能量控制。本发明为无电池型高压线路电压测量方法和低功耗能量管理电路提供了新思路，具有实用价值和指导意义。

技术研发人员：王维,许晨进,任翰林,段名荣,李恺瑞,汪鹤
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15