CN102280924B - 一种继电保护装置持续供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种继电保护装置的持续供电系统。所述供电系统可以在继电保护装置外部电源系统不稳定或失电的时候为保护装置继续供电一段时间，延长继电保护装置的工作时间，提高耐受电源跌落的时间，并及时记录电源跌落前后的电气量，便于事故分析。储能元件采用已经成熟的超级电容，其同锂电池相比可以做到免维护，并且有更长的寿命。充放电过程和电压监测部分采用单片机控制，可以做成一个电源插件形式，安装在装置内部。本发明公布的持续供电系统也可以应用到其他领域的装置中，保证持续供电。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种可作为继电保护装置备用电源为保护装置持续供电一段时间的装置，也可以应用到其他领域的装置持续供电。
背景技术
在电力系统继电保护中，电源模块是最薄弱的环节。电源模块的损坏等经常导致继电保护装置参数的异常、实时数据不能及时保存，甚至有时因为电源模块的异常导致装置的误动作或者拒动作，影响用户生产和生活。为了解决这个问题，大部分厂家都考虑双电源互备的方案，这种方案能够在一定程度上解决电源模块损坏不工作的问题，但是对于一些电源系统的问题，或者电源模块本身异常引起装置异常的问题这种方案的解决方法是不彻底的。
为了解决这个问题，本发明提出设计一种持续供电系统(简称CPS)的方式来实现。在这种方式下，在装置内部设计一个备用电源插件，此电源插件其实就是一种电能存储系统。平时存储电能，当装置外部电源异常时，切断外部供电，由此CPS提供能量，直到外部电源系统恢复正常。或者，当外部电源系统失电后，由此CPS提供内部能量，并告诉CPU系统电源异常，CPU系统处理完毕所有善后事务后，装置可以退出保护功能，安全掉电。
CPS需要大容量的存储系统，本设计方案不采用常规的锂电池的方式，而采用近年来业已成熟的超级电容的方式，避免了维护工作，同时增强了CPS的寿命。虽然超级电容的储能密度不如锂电池，但是一个电源插件尺寸规模的超级电容所存储的电能还是很可观的，并且为了提高输出电压可以让多个超级电容串联组成超级电容器组，其所提供的电能足以让保护装置正常运行一段时间。
发明内容
解决了由于电源模块异常而导致的继电保护装置参数的异常、实时数据不能及时保存等一系列问题，本发明提供了一种继电保护装置持续供电系统。本发明具体采用以下技术方案：
一种继电保护装置持续供电系统(简称CPS)；其特征在于：
所述持续供电系统包括控制单元、超级电容器组模块、充放电模块和升压稳压模块；
所述超级电容器组模块通过充放电模块连接到外部电源；
外部电源通过升压稳压模块后分别与所述控制单元和继电保护装置相连，在外部电源正常时为所述控制单元和继电保护装置供电；
超级电容器组模块依次通过充放电模块、升压稳压模块后分别连接到所述控制单元和继电保护装置，在外部电源异常时为所述控制单元和所述继电保护装置供电；
控制单元通过控制信号线分别连接至所述外部电源、超级电容器组模块、充放电模块和升压稳压模块，用于监测外部电源是否正常、控制对超级电容器组模块的充放电和升压稳压装置的通断；
控制单元检测超级电容器组模块是否充满电，若不满，则接通充放电模块中的恒流源，使所述恒流源连接到外部电源为超级电容器组模块充电，充电完成后，关断恒流源，把超级电容器组直接接到外部电源和升压稳压模块，从而保证当外部电源异常时，超级电容器组模块能够为继电保护装置即时提供电源。所述持续供电系统CPS做成电源插件形式，安装在继电保护装置内部。
所述持续供电系统对外部电源电压进行监测，当外部电源电压异常时，由所述控制单元发出告警信号，对继电保护装置供电；若外部电源系统失电，则在所述供电系统向继电保护装置供电一预定时间段后，继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，退出保护功能，有序掉电。
进一步，所述超级电容器组模块包括多个超级电容器，每一超级电容器与该超级电容器的第一可控开关装置G1、G3、G5串联后，和该超级电容器的第二可控开关装置G2、G4、G6与电阻的串联支路并联，所述每一个超级电容器组成的并联支路串接形成超级电容器组模块，所述超级电容器组模块的首端依次通过所述充放电模块中的恒流源、充放电模块中的第三可控开关装置G7连接到外部电源。控制单元检测到超级电容器组电能未充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置G7以及每一超级电容器中的第一可控开关装置G1、G3、G5导通，同时控制每一超级电容器中的第二可控开关装置G2、G4、G6断开，通过恒流源为超级电容器组充电。当所述控制单元检测到其中某一超级电容器充满电时，则控制该超级电容器的第一可控开关装置关断，同时控制该超级电容器的第二开关装置导通。当所述控制单元检测到所有超级电容器电能充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置G7关断，然后关断第二可控开关装置G2、G4、G6，导通第一可控开关装置G1、G3、G5。
进一步，所述充放电模块还包括与恒流源和充放电模块中的第三可控开关装置G7组成的串联支路相并联的第四可控开关装置G9以及第五可控开关装置G10，其中所第五可控开关装置G10与一二极管串联。当外部电源正常时，所述控制单元控制充放电模块中的第四可控开关装置G9导通，第五可控开关装置G10断开；外部电源异常时，控制单元控制关断外部电源，所述超级电容器组模块通过充放电模块中的第四可控开关装置G9为继电保护装置供电，当在一预定时间段内外部电源恢复正常时，所述控制单元先导通所述充放电模块中的第五可控开关装置G10，并关断充放电模块中的第四可控开关装置G9，然后再接通外部电源；如果在一预定时间段后，外部电源仍无法恢复，在继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，所述控制单元控制升压稳压模块有序关断。
所述充放电模块在控制单元的控制下对实现超级电容器组电能的充放和外部电源异常时对负载的无间断供电。CPS接入电路后，控制单元首先启动，先检测超级电容器组是否充满电，若没有，则通过充放电模块中的恒流源为超级电容组充电。充电完成后，关闭恒流源，把电容组与外部电源用导线直接连在一起(此时外部电源提供的电压与电容组充满电后的电压相等)，同时也与升压稳压模块直接连接在了一起。CPS平时不工作，当外部电源电压异常时，由于其储能系统，即超级电容组与升压稳压模块直接连在一起，所以可以即时通过升压稳压模块为负载供电。
附图说明
图1为本发明持续供电系统的结构框图，其中粗线表示电流线，细线表述控制信号线；
图2为本发明持续供电系统充电示意图；
图3为本发明持续供电系统工作过程示意图；
图4本发明控制单元工作流程图。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明公开了一种继电保护装置持续供电系统，如图1所示，该装置包括控制单元、超级电容器组、充放电模块和升压稳压模块。所述超级电容器组模块通过充放电模块连接到外部电源，并通过所述升压稳压模块分别连接到所述控制单元和所述负载，在外部电源异常时为所述控制单元和所述负载供电，其中所述负载为继电保护装置。所述外部电源还通过所述升压稳压模块分别与所述控制单元和所述负载相连，在外部电源正常时为所述控制单元和所述负载供电。控制单元通过控制信号线分别连接至所述外部电源、超级电容器组模块、充放电模块和升压稳压模块，用于监测外部电源是否正常，控制超级电容器组的充放电和升压稳压装置的通断。
控制单元用于监测外部电源是否正常，控制超级电容器组的充放电和升压稳压装置的通断。控制单元首先检测超级电容器组是否充满电，若不满，则控制充放电模块中的恒流源为电容组充电，充电完成后，并不立即工作，而是与外部电源直接连接在一起进行浮充。保证当外部电源异常时，超级电容器组可以在一预定时间段内为保护装置即时提供电源，若在一预定时间段后外部电源仍然失电，则在继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，装置退出保护功能，安全掉电。
所述控制单元控制持续供电系统工作的整个流程，并监视外部电源电压。当外部电源电压异常时，系统的储能装置——超级电容器组由于直接与外部电源连接可立即为负载供电，控制单元切断外部电源，直到外部电源电压恢复正常，整个过程可保证为负载供电无间断。
图2所示为持续供电系统充电过程示意图。超级电容器组模块包括多个超级电容器，每一超级电容器与该超级电容器的第一可控开关装置G1、G3、G5串联后，和该超级电容器的第二可控开关装置G2、G4、G6与电阻的串联支路并联，所述每一个超级电容器组成的并联支路串接形成超级电容器组模块，所述超级电容器组模块的首端依次通过所述充放电模块中的恒流源、充放电模块中的第三可控开关装置G7连接到外部电源。控制单元检测到超级电容器组电能未充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置G7以及每一超级电容器中的第一可控开关装置G1、G3、G5导通，同时控制每一超级电容器中的第二可控开关装置G2、G4、G6断开，通过恒流源为超级电容器组充电。当所述控制单元检测到其中某一超级电容器充满电时，则控制该超级电容器的第一可控开关装置关断，同时控制该超级电容器的第二开关装置导通。当所述控制单元检测到所有超级电容器电能充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置G7关断，然后关断处于导通状态的超级电容器中的第一开关装置，导通处于关断状态的超级电容器中第二开关装置。
在本发明实施例中，优选各可控开关装置为MOS管。例如，所述控制单元先导通第一开关装置、即MOS管G1、G3、G5，当超级电容C1、C2、C3中任何一个充满电时，如C2充满，则控制单元关断G3，导通G4，继续为其他超级电容充电，直到所有超级电容充满。超级电容器组电能充满后，首先关断恒流源，然后关断第二可控开关装置、即MOS管G2、G4、G6，导通第一可控开关装置、即MOS管G1、G3、G5。其中R1、R2、R3为小电阻，为防止G1和G2、G3和G4、G5和G6导通转换时超级电容短路。
图3所示为持续供电系统在外部电源电压异常时为负载供电过程的示意图。所述充放电模块还包括与恒流源和充放电模块中的第三可控开关装置、即MOS管G7组成的串联支路相并联的第四可控开关装置、即MOS管G9以及第五可控开关装置、即MOS管G10，其中G10与一二极管串联。
持续供电系统在外部电源正常情况下不工作，超级电容器组通过充放电模块中的MOS管G9与外部电源直接连在一起(此时G9导通，G7、G10关断)。外部电源异常时，控制单元控制关断MOS管G11，超级电容器组通过G9为负载供电，一定时间内外部电源恢复正常时，先导通G10，并关断G9，然后再导通G11，从而恢复外部电源对负载的供电，整个过程为负载的供电无间断。所述升压稳压模块有DC/DC变换器组成，可以在超级电容器组端电压随着放电量的增加而下降时，为负载提供稳定的电压。如果外部电源损坏无法恢复，在继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，控制单元可控制各个DC/DC变换器有序关断，从容退出保护。
图4所示为控制单元的单片机的程序流程框图。所述控制单元在持续供电系统接入电路后首先运行，启动后首先检测外部电源是否正常，如不正常则中断程序进入放电程序模块，放电程序模块的控制流程如图3所述；如果外部电源正常，则再检测超级电容器组电能是否充满，未充满则进入充电程序模块，充电过程如图2所述；如果超级电容器组电能充满，则回到检测外部电源，即持续供电系统平时不工作，只监测外部电源电压和超级电容器组电压。
Claims (10)
1.一种继电保护装置持续供电系统；其特征在于：
所述持续供电系统包括控制单元、超级电容器组模块、充放电模块和升压稳压模块；
所述超级电容器组模块通过充放电模块连接到外部电源；
外部电源通过升压稳压模块后分别与所述控制单元和继电保护装置相连，在外部电源正常时为所述控制单元和继电保护装置供电；
超级电容器组模块依次通过充放电模块、升压稳压模块后分别连接到所述控制单元和继电保护装置，在外部电源异常时为所述控制单元和所述继电保护装置供电；
控制单元通过控制信号线分别连接至所述外部电源、超级电容器组模块、充放电模块和升压稳压模块，用于监测外部电源是否正常、控制对超级电容器组模块的充放电和升压稳压装置的通断；
控制单元检测超级电容器组模块是否充满电，若不满，则接通充放电模块中的恒流源，使所述恒流源连接到外部电源为超级电容器组模块充电，充电完成后，关断恒流源，把超级电容器组模块直接接到外部电源和升压稳压模块，从而保证当外部电源异常时，超级电容器组模块能够为继电保护装置即时提供电源。
2.根据权利要求1所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述持续供电系统做成电源插件形式，安装在继电保护装置内部。
3.根据权利要求1所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述持续供电系统对外部电源电压进行监测，当外部电源电压异常时，由所述控制单元发出告警信号，并控制超级电容器组模块通过所述升压稳压模块对继电保护装置供电；若外部电源失电，则超级电容器组模块向继电保护装置供电一预定时间段后，继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，退出保护功能，有序掉电。
4.根据权利要求1所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述超级电容器组模块包括多个超级电容器，每一超级电容器与该超级电容器的第一可控开关装置（G1、G3、G5）串联后，和该超级电容器的第二可控开关装置（G2、G4、G6）与电阻的串联支路并联，所述每一个超级电容器组成的并联支路串接形成超级电容器组模块，所述超级电容器组模块的首端依次通过所述充放电模块中的恒流源、充放电模块中的第三可控开关装置（G7）连接到外部电源。
5.根据权利要求4所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述控制单元检测到超级电容器组模块电能未充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置（G7）以及每一超级电容器中的第一可控开关装置（G1、G3、G5）导通，同时控制每一超级电容器中的第二可控开关装置（G2、G4、G6）断开，通过恒流源为超级电容器组充电。
6.根据权利要求5所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：当所述控制单元检测到其中某一超级电容器充满电时，则控制该超级电容器的第一可控开关装置关断，同时控制该超级电容器的第二可控开关装置导通。
7.根据权利要求6所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：当所述控制单元检测到所有超级电容器电能充满时，控制所述充放电模块中第三可控开关装置（G7）关断，然后关断超级电容器中的第二可控开关装置（G2、G4、G6），导通超级电容器中第一可控开关装置（G1、G3、G5）。
8.根据权利要求7所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述充放电模块还包括与恒流源和充放电模块中的第三可控开关装置（G7）组成的串联支路相并联的第四可控开关装置（G9）以及第五可控开关装置（G10），其中所述第五可控开关装置（G10）与一二极管串联。
9.根据权利要求8所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：当外部电源正常时，所述控制单元控制充放电模块中的第四可控开关装置（G9）导通，第五可控开关装置（G10）断开；外部电源异常时，控制单元控制关断外部电源，所述超级电容器组模块通过充放电模块中的第四可控开关装置（G9）为继电保护装置供电，当在一预定时间段内外部电源恢复正常时，所述控制单元先导通所述充放电模块中的第五可控开关装置（G10），并关断充放电模块中的第四可控开关装置（G9），然后再接通外部电源；如果在一预定时间段后，外部电源仍无法恢复，在继电保护装置CPU系统处理完所有事务后，所述控制单元控制升压稳压模块关断。
10.根据权利要求8所述的继电保护装置持续供电系统，其特征在于：所述每一超级电容器的第一可控开关装置（G1、G3、G5）、第二可控开关装置（G2、G4、G6），以及所述充放电模块中第三可控开关装置（G7）、第四可控开关装置（G9）、第五可控开关装置（G10）均使用MOS管。
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