本發(fā)明涉及感應(yīng)取電技術(shù)、電力電子技術(shù)、能量管理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)及工作方法。

背景技術(shù)：

我國配電網(wǎng)與發(fā)達(dá)國家在配電設(shè)備、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及管理上存在較大差距，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜薄弱，故障概率高，據(jù)統(tǒng)計(jì)90％的停電和故障擾動(dòng)發(fā)生在配電網(wǎng)中。利用FTU(DTU)或主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主干線大分段、大分支的故障定位與隔離已成為一種行之有效的解決方法，但是該方案投資較大，而我國配網(wǎng)地域?qū)拸V，不利于配網(wǎng)自動(dòng)化全覆蓋；國網(wǎng)發(fā)展部提出2020年實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)全覆蓋的規(guī)劃目標(biāo)，支撐全覆蓋的主要產(chǎn)品是故指類產(chǎn)品，從規(guī)劃上數(shù)據(jù)推算得知未來5年故指產(chǎn)品需求量不少于500萬套。因此，利用經(jīng)濟(jì)、安裝便攜的二遙基本型配電終端實(shí)現(xiàn)全覆蓋已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，但是現(xiàn)有的架空二遙基本型配電終端存在諸多先天不足問題特別是電源系統(tǒng)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品應(yīng)用，當(dāng)前的電源系統(tǒng)主要有以下幾大設(shè)計(jì)方案：

1)太陽能取電，該方式受陰雨天和空氣質(zhì)量影響，容易出現(xiàn)電源系統(tǒng)取電不足，無法支撐終端長時(shí)間運(yùn)行。

2)CT感應(yīng)取電，采用電力電子開關(guān)，小電流取電死區(qū)和熱設(shè)計(jì)目前需要實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破；

3)內(nèi)置不可充電鎳氫電池，無法實(shí)現(xiàn)全功能運(yùn)行，并且3～4年后探頭無法工作。

4)高壓電容取電或無線取電，源自于電壓傳感思路，安全性和能量傳遞效率是難點(diǎn)，并且不適合帶電作業(yè)安裝。

上述缺陷將對(duì)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化全覆蓋，進(jìn)而提升供電可靠性提出了挑戰(zhàn)，因此，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新將是未來的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)及工作方法，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，采用多通道電源管理體系，集CT取電最大效率點(diǎn)跟蹤、后備電池、超級(jí)電容管理于一體，智能化供電切換管理。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)，包括依次連接的CT感應(yīng)取電單元、整流單元、過功率防護(hù)電路及電能收集電路；

所述過功率防護(hù)電路包括可控硅，所述可控硅的一端與整流單元的第一輸出端和二極管的正極連接，另一端與整流單元的第二輸出端連接，所述二極管的負(fù)極和整流單元的第二輸出端之間并聯(lián)電容能量池、過功率防護(hù)監(jiān)控單元及所述電能收集電路，整流單元的第二輸出端接地，所述可控硅的控制端與所述過功率防護(hù)監(jiān)控單元連接。

所述過功率防護(hù)監(jiān)控單元包括相互連接的電壓取樣電路和比較器芯片，所述比較器芯片的輸出端通過連接MOS管后連接所述可控硅的控制端。

所述二極管的負(fù)極和整流單元的第二輸出端之間串聯(lián)電阻R1和R2，電阻R1和R2的公共端連接所述比較器芯片的正輸入端，所述比較器芯片的負(fù)輸入端與復(fù)位端連接，復(fù)位端串聯(lián)電阻后接地，同時(shí)接電容C2后接所述整流單元的第二輸出端，比較器芯片的輸出端接MOS管的門極，MOS管的源極與二極管的負(fù)極之間連接電阻，MOS管的漏極接所述可控硅的控制端。

所述電能收集電路包括串聯(lián)的BOOST電路和線性直流穩(wěn)壓電源，所述線性直流穩(wěn)壓電源與超級(jí)電容充放電管理單元連接，超級(jí)電容充放電管理單元與超級(jí)電容連接；所述線性直流穩(wěn)壓電源還與后備電源管理單元連接，后備電源管理單元與后備電源連接。

所述BOOST電路還與CT最大功率點(diǎn)跟蹤控制器連接。

所述超級(jí)電容為5.5V超級(jí)電容。

所述后備電源采用3.3V鎳氫電池。

一種基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)工作方法，包括，

CT感應(yīng)取電單元取電后進(jìn)行整流，整流后由電能收集電路將電能進(jìn)行收集，過功率防護(hù)電路確保系統(tǒng)不會(huì)過功率工作；

當(dāng)過功率防護(hù)電路中的電容能量池電壓大于設(shè)定電壓U0時(shí)，過功率防護(hù)監(jiān)控單元發(fā)出控制信號(hào)使可控硅導(dǎo)通，可控硅導(dǎo)通后整流單元短接，電流直接跨過電容能量池泄放。

，所述電能收集電路中的CT最大功率點(diǎn)跟蹤控制器通過控制取電電壓，始終維持CT感應(yīng)取電單元感應(yīng)輸出在最大功率點(diǎn)附近。

當(dāng)電容能量池電壓大于設(shè)定電壓值Un2時(shí)，啟動(dòng)對(duì)后備電源充電，否則關(guān)閉；當(dāng)電容能量池電壓低于Un3時(shí)，后備電源不啟動(dòng)工作。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明經(jīng)濟(jì)實(shí)用，采用多通道電源管理體系，集CT取電最大效率點(diǎn)跟蹤，后備電池、超級(jí)電容管理于一體，智能化供電切換管理；內(nèi)置一次性大容量、長壽命的鎳氫電池和高性能充電超級(jí)電容，可在線路3～630A范圍內(nèi)連續(xù)取電，線路5A即可滿足產(chǎn)品全功率運(yùn)行，無需借助電池，從而有效延長產(chǎn)品壽命。

(2)針對(duì)線路故障過電流以及雷電沖擊，本發(fā)明提供了一種利用自適應(yīng)泄放防護(hù)的思路，采用能量池電壓監(jiān)測與電力電子開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)能量泄放，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)取電電路的防護(hù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基本系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明提供的微功耗電源系統(tǒng)原理框圖。

圖3為本發(fā)明提供的感應(yīng)取電CT結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明所構(gòu)建的過功率防護(hù)電路的工作原理圖。

圖5為本發(fā)明提供的電能收集電路原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1-2所示，基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)，包括：CT感應(yīng)取電單元1、整流單元2、過功率防護(hù)電路、電能收集電路；電能收集電路為微功率負(fù)載供電；其中：CT感應(yīng)取電單元1與整流單元2、過功率防護(hù)電路、電能收集電路、微功率負(fù)載依次連接。整流單元2采用全波整流單元。

如圖2所示，過功率防護(hù)電路3包括：低阻大功率可控硅3(MOS管)、二極管4、電容能量池5、過功率防護(hù)監(jiān)控單元。其中CT感應(yīng)取電單元1二次部分與全波整流單元2的2-1、2-3管腳連接；全波整流單元2的第一輸出端2-2、第二輸出端2-4與低阻大功率可控硅3的兩端分別連接；二極管4串接于電路上；電容能量池5一端與二極管4連接，一端與全波整流橋2-1管腳連接；過功率防護(hù)監(jiān)控單元與電容能量池5并接，并引出控制信號(hào)線與低阻大功率可控硅3的3-3管腳連接；電能收集電路并接于電容能量池5兩端。

過功率防護(hù)過程包括：

已知所述電容能量池設(shè)定電壓U0、額定電壓Ut，并檢測電容能量池電壓；

當(dāng)電容能量池電壓小于設(shè)定電壓U0時(shí)，過功率防護(hù)監(jiān)控單元不動(dòng)作；

當(dāng)電容能量池電壓大于設(shè)定電壓U0時(shí)，過功率防護(hù)監(jiān)控單元?jiǎng)t自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)至低阻大功率可控硅，隨后CT整流后短接，電流直接跨過能量池泄放。

CT感應(yīng)取電單元1，線圈采用納米晶材料，雙開啟結(jié)構(gòu)，初始磁導(dǎo)率低，取電能力強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示；

全波整流單元2采用凌特的LT4320-1芯片，內(nèi)置同步無損電路和二極管；

低阻大功率可控硅3、二極管4、電容能量池5、過功率防護(hù)監(jiān)控單元共同構(gòu)建過功率防護(hù)系統(tǒng)電路，CT感應(yīng)取電單元1感應(yīng)取電后向電容能量池5充電，過功率防護(hù)監(jiān)控單元由低功耗電壓監(jiān)視元件(電壓采樣電路)以及比較器組成，當(dāng)電容能量池5電壓大于某一閥值Un1時(shí)，過功率防護(hù)監(jiān)控單元?jiǎng)t自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)至低阻大功率可控硅3，隨后CT感應(yīng)取電單元1取電整流后短接，電流直接跨過電容能量池5泄放，工作原理圖如圖4所示。

如圖4所示，過功率防護(hù)監(jiān)控單元采用比較器芯片U1，型號(hào)為LT1440，二極管的負(fù)極和整流單元的第二輸出端2-4之間串聯(lián)電阻R1和R2，電阻R1和R2的公共端連接比較器芯片U1的正輸入端IN+，所述比較器芯片U1的負(fù)輸入端IN-與復(fù)位端REF連接，復(fù)位端串聯(lián)電阻R3和R4后接地，同時(shí)接電容C2后接地，比較器芯片U1的HTST端接電阻R3和R4的公共端，比較器芯片U1的輸出端OUT接MOS管Q2的門極，MOS管Q2的源極與二極管D1的負(fù)極之間連接電阻R5，MOS管Q2的漏極接所述可控硅Q1的控制端，可控硅Q1的源極接整流單元的2-2端，可控硅Q1的漏極接地。

電能收集電路，如圖5所示由BOOST電路7-1、CT最大功率點(diǎn)跟蹤控制器(CT-MPPT控制器)7-2、超級(jí)電容充放電管理單元7-3、線性直流穩(wěn)壓電源7-4、后備電源管理單元7-5、后備電源7-6、超級(jí)電容7-7組成。所述超級(jí)電容為5.5V超級(jí)電容。所述后備電源采用3.3V鎳氫電池。

其中CT-MPPT控制器7-2，內(nèi)置電壓比較器，通過控制取電電壓，始終維持CT感應(yīng)取電單元1感應(yīng)輸出在最大功率點(diǎn)附近，整體提高取電能力：當(dāng)電容能量池5電壓大于某閥值Un2時(shí)，啟動(dòng)后備電源，否則關(guān)閉；后備電源設(shè)定有最小啟動(dòng)電源電壓Un3，當(dāng)電容能量池5電壓低于Un3時(shí)，本電源不啟動(dòng)工作，確保取電CT二次側(cè)U_取電電壓較高。超級(jí)電容充放電管理單元7-3，采用硬件式自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流方法，可根據(jù)線路負(fù)荷電流大小以及系統(tǒng)微功率負(fù)載狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)超級(jí)電容的充電電流，最大程度提高能量利用率，減少能量發(fā)熱浪費(fèi)。

一種基于線路負(fù)荷電流感應(yīng)取電的微功耗電源系統(tǒng)工作方法，包括，

CT感應(yīng)取電單元取電后進(jìn)行整流，整流后由電能收集電路將電能進(jìn)行收集，過功率防護(hù)電路確保系統(tǒng)不會(huì)過功率工作；

當(dāng)過功率防護(hù)電路中的電容能量池電壓大于設(shè)定電壓U0時(shí)，過功率防護(hù)監(jiān)控單元發(fā)出控制信號(hào)使可控硅導(dǎo)通，可控硅導(dǎo)通后整流單元短接，電流直接跨過電容能量池泄放。

所述電能收集電路中的CT最大功率點(diǎn)跟蹤控制器通過控制取電電壓，始終維持CT感應(yīng)取電單元感應(yīng)輸出在最大功率點(diǎn)附近。

當(dāng)電容能量池電壓大于設(shè)定電壓值Un2時(shí)，啟動(dòng)對(duì)后備電源充電，否則關(guān)閉；當(dāng)電容能量池電壓低于Un3時(shí)，后備電源不啟動(dòng)工作。

綜上，本發(fā)明的電源系統(tǒng)，采用多通道電源管理體系，集CT取電最大效率點(diǎn)跟蹤(CT-MPPT)，后備電源、超級(jí)電容管理于一體，智能化供電切換管理；內(nèi)置一次性大容量、長壽命的鋰亞硫酰氯電池和高性能充電超級(jí)電容，可在線路3～630A范圍內(nèi)連續(xù)取電，線路5A即可滿足產(chǎn)品全功率運(yùn)行，無需借助電池，從而有效延長產(chǎn)品壽命，極大提高了二遙配電自動(dòng)化終端的適應(yīng)范圍。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。