CN103441569B - 一种电网电压瞬间抖动的监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电网电压瞬间抖动的监控装置及方法，该装置包括第一继电器、旁路供电单元和监控单元。旁路供电单元包括AC-DC整流电路、超级电容储能系统、逆变器及第二继电器；监控单元包括电压传感器和MCU；该方法为在未发生电网电压瞬间抖动时，电网直接为负载供电，同时对超级电容储能系统充电；电压传感器实时采集电网电压信号，并将采集到的电压信号传至MCU；当MCU判断发生电网电压瞬间抖动时，MCU控制第一继电器关断，同时控制第二继电器导通，此时旁路供电单元开始供电；当MCU判断电网电压瞬间抖动结束时，MCU控制第一继电器导通并同时控制第二继电器关断，电网为负载供电。使用本发明的装置及方法监控电网电压瞬间抖动可实现负载电压恒定，保证自动化生产线的稳定性。

Description

一种电网电压瞬间抖动的监控装置及方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种电网电压瞬间抖动的监控装置及方法。

背景技术

电网电压瞬间抖动是指因雷击、短路或其他原因造成电网短时电压波动或短时断电现象。供电系统瞬间抖动的基本类型有：电压骤升、骤降、短时断电、电压闪变。电压骤升，持续0.5min至1min，电压上升或下降至标称电压的110%～180%；电压暂降/骤降时电压有效值降至标称值的10%至90%，且持续时间为10ms至1min(典型持续时间为10ms～600ms)；短时断电，时间在0.5个周波至3个周波的供电中断(如设备自投、重合闸、群起)；电压闪变，电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。

随着电网并网、环网的日益扩大，以及馈电变压器容量增大带来的配出回路的增多，电网瞬间抖动的现象越来越频繁。电网电压瞬间抖动时，电网电压在某一瞬间会导致接触器线圈瞬间失压，电动机正常运转时遇到瞬时失压，接触器就会释放，造成运行中的电动机不必要停机，使生产中断，给许多重要的自动化连续化生产的企业造成了一定的经济损失，甚至导致事故，石化、石油、化工、化纤、冶炼、钢铁行业因电网瞬间抖动引起电动机的非正常停机会造成难以估计的损失。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种电网电压瞬间抖动的监控装置及方法。

本发明的技术方案：

一种电网电压瞬间抖动的监控装置，包括：第一继电器、旁路供电单元和监控单元；

第一继电器的一端连接电网，第一继电器的另一端连接负载；旁路供电单元包括AC-DC整流电路、超级电容储能系统、逆变器及第二继电器；

AC-DC整流电路的输入端连接电网，AC-DC整流电路的输出端连接超级电容储能系统的输入端，超级电容储能系统的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端经第二继电器连接负载；所述超级电容储能系统包括多个超级电容储能单元和一个滤波电路，且各超级电容储能单元间串联联接，滤波电路的输入端与AC-DC整流电路的输出端联接，滤波电路的输出端联接一个超级电容储能单元的输入端；所述监控单元，包括电压传感器和MCU；电压传感器的输入端连接电网，电压传感器的输出端连接MCU的输入端，MCU的输出端分别连接第一继电器和第二继电器。

超级电容储能单元包括第一放大电路、超级电容和第二放大电路；其中，第一放大电路的输出端连接超级电容的一端，超级电容另一端连接第二放大电路的输入端。

旁路供电单元，用于电网电压发生瞬间抖动时为负载供电。

监控单元用于检测电网电压瞬间抖动并控制第一继电器的通断和第二继电器的通断。

采用所述的电网电压瞬间抖动的监控装置进行电网电压瞬间抖动监控的方法，包括如下步骤：

步骤1：电网输出的电压信号分别传输至负载和AC-DC整流电路；

步骤2：经AC-DC整流后的电压信号输出至超级电容储能系统，并对超级电容储能系统充电至额定电压值；

步骤3：电压传感器实时采集电网的电压信号，并将采集到的电压信号传至MCU；

步骤4：MCU通过采样法计算电网电压的幅值，并将该幅值与能够使得负载正常稳定工作的电网电压幅值标准值作比较，若两者不同，则此时发生电网电压瞬间抖动，则执行步骤5，否则，电网正常供电，即电网直接给负载供电，返回步骤1；

步骤5：MCU控制第一继电器关断，同时控制第二继电器导通，此时旁路供电单元开始供电，即超级电容储能系统通过逆变器为负载供电；

步骤6：在旁路供电单元供电过程中，MCU通过采样法实时计算电网电压幅值，并将该幅值与电网电压幅值标准值比较，若两者相同，电网电压瞬间抖动结束，执行步骤7，否则，继续由旁路供电单元供电；

步骤7：MCU控制第一继电器导通并同时控制第二继电器关断，执行步骤1。

有益效果：在生产过程中，使用本发明的装置及方法监控电网电压瞬间抖动时，避免在电网电压瞬间抖动发生时电网电压在很短的时间内（一般是几秒以内）出现抖动，实现负载电压恒定，能够有效避免电网电压瞬间抖动时造成的电机不必要停机，保证整个自动化生产线的稳定性；超级电容储能系统使得整个装置不受连续的电压瞬间抖动影响，可无声工作。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的电网电压瞬间抖动的监控装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的AC-DC整流电路原理图；

图3为本发明一种实施方式的超级电容储能单元电路图；

图4为本发明一种实施方式的逆变器工作原理示意图；

图5为本发明一种实施方式的电网电压瞬间抖动监控方法的流程图；

图6为本发明一种实施方式的超级电容储能系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本实施方式的电网电压瞬间抖动的监控装置，如图1所示，包括：

第一继电器、旁路供电单元和监控单元；

第一继电器采用型号为AQG22212B02的松下固态继电器，它一端连接电网，它的另一端连接负载。

旁路供电单元包括AC-DC整流电路、超级电容储能系统、逆变器及第二继电器，其中逆变器的型号为SAA-300，第二继电器采用型号为AQG22212B02的松下固态继电器；AC-DC整流电路的输入端连接电网，AC-DC整流电路的输出端连接超级电容储能系统的输入端，超级电容储能系统的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端经第二继电器连接负载；超级电容储能系统包括5个超级电容储能单元和一个滤波电路1，5个串联的超级电容储能单元分别为超级电容储能单元I、超级电容储能单元II、超级电容储能单元III、超级电容储能单元IV、超级电容储能单元V，且各超级电容储能单元间串联联接，如图6所示；超级电容储能单元包括第一放大电路2、超级电容和第二放大电路3，如图3所示；旁路供电单元，用于电网电压发生瞬间抖动时，为负载供电。

监控单元，包括型号为LV25-P的电压传感器和MCU(MicroControlUnit，即单片机)，本实施方式采用microchip公司的32位PIC(PeripheralInterfaceController)单片机；电压传感器的输入端连接电网，电压传感器的输出端连接MCU的输入端，MCU的输出端分别连接第一继电器和第二继电器；监控单元用于检测电网电压瞬间抖动并控制第一继电器的通断和第二继电器的通断。监控单元通过LV25-P电压传感器采集电网的电压信号，MCU通过三点采样法对LV25-P电压传感器采集的电压信号进行采样并计算出电网电压的有效幅值。

当MCU通过三点采样法实时计算的电网电压幅值与能够使得负载正常稳定工作的电网电压幅值标准值相同时，MCU判断出电网电压没有发生瞬间抖动，此时，MCU输出信号控制第一继电器导通，同时MCU输出信号控制旁路供电单元的第二继电器关断，即电网电压直接对负载供电，同时电网通过旁路供电单元的AC-DC整流电路对旁路供电单元的超级电容储能系统充电，超级电容储能系统可以快速充电到额定电压值；

旁路供电单元中的AC-DC整流电路，如图2所示，电网电压通过AC-DC整流模块U1将输入的交流电压220V转换成直流电压12V，以供超级电容充电。其中电容C1、C2、C3、C4、Lf组成滤波电容，起到对电网电压的滤波作用；熔断器F0对AC-DC整流电路起到保护作用；直流电压12V通过DC-DC模块U2转换成直流电压正负5V，C5～C8对该正负5V电压起到滤波作用，其中正5V直流电压通过型号为AM117的芯片，即图2中的模块U3转换成3.3V直流电压输出，C9～C10对该3.3V电压起滤波作用，该3.3V直流电压对MCU供电。

由于超级电容单体的耐压值比较小，而对于储能系统来说，根据<<电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求（GB/T19826-2005）>>规定，逆变器应能够达到稳定“动力母线电压最大变化范围为：87.5%～12.5%直流系统标称电压”，所以实际应用中需要使用多个超级电容储能单元串联组成的超级电容储能系统以达到合适的容量，本实施方式采用的是5个超级电容储能单元串联组成的超级电容储能系统达到了合适的容量，足够为负载供电，保证负载正常工作。

旁路供电单元的超级电容储能系统包括的5个串联的超级电容储能单元和一个滤波电路1，如图6所示。如图3所示，滤波电路1包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1和电阻R1，两个稳压二极管D1和二极管D2并联连接到电压端Vcc，该Vcc端接到AC-DC整流电路的输出端，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极联接接到电压端Vcc，二极管D1的阳极与二极管D2的阴极联接接地，二极管D1和D2可起到滤除纹波作用；二极管D3与电压端Vcc串联，二极管D3的阳极联接电压端Vcc，阴极与电感L1和保护电阻R1并联联接，该二极管D3为单向导通，可防止超级电容C13电压回流，可减少超级电容C13的损耗；电感L1另一端与电阻R2、电阻R4及电阻R6并联联接，当超级电容C13充电时该电感L1储存了一部分电能，当超级电容C13放电时该电感L1可将所储存的电能释放到超级电容C13两端，电感L1起到放电补偿作用；

因为5个超级电容储能单元相同，本实施方式以超级电容储能单元I为例介绍超级电容储能单元的结构构成及连接关系。如图3所示，超级电容储能单元I包括第一放大电路2、超级电容C13和第二放大电路3；第一放大电路2包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C11和NPN三极管Q1；第二放大电路3包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、阻R9、阻R10、电容C12、PNP三极管Q2和N沟道增强型MOS管Q3；电阻R2、电阻R4和电阻R6并联联接；NPN三极管Q1的基极联接电阻R2，同时该NPN三极管Q1的基极通过电阻R3的一端与NPN三极管Q1的发射极相连并连接到nextconnect端，该NPN三极管Q1的集电极通过电容C11与基极相连，该电容C11起隔离作用，该NPN三极管Q1的集电极还联接电阻R4，且通过电阻R5与超级电容C13的正极；超级电容C13的负极联接到nextconnect端，超级电容C13的正极通过PNP三极管Q2的发射极与N沟道增强型MOS管Q3的漏极相连且超级电容储能单元I的N沟道增强型MOS管Q3的漏极还连接到SAA-300逆变器的输入端；PNP三极管Q2的基极联接电阻R6，并通过电容C12联接到nextconnect端；PNP三极管Q2的集电极分别与电阻R10、R8、R7相连，并通过电阻R7和电阻R10联接到nextconnect端，通过电阻R8联接到N沟道增强型MOS管Q3的栅极，N沟道增强型MOS管Q3的源极通过电阻R9联接到nextconnect端。

超级电容储能单元的工作原理为：当超级电容C13充电时，电阻R2和R3分压使NPN三极管Q1工作在放大区，NPN三级管Q1对充电电流进行放大，此时，PNP三极管Q2的发射极电压为超级电容C13两端电压，PNP三极管Q2工作在截止状态，N沟道MOS管不工作；当超级电容C13对外放电时，NPN三极管Q1工作在截止状态，此时，PNP三极管Q2导通使得N沟道MOS管的栅极为高电平，将MOS管导通，该N沟道MOS管可以对超级电容放电电流进行放大。电容C11和电容C12主要对NPN三极管Q1和PNP三极管Q2起到隔离保护作用。

当MCU通过三点采样法计算的电网电压的幅值与电网电压幅值标准值不相同时，MCU判断出发生了电网电压瞬间抖动，此时，MCU输出信号控制第一继电器关断并控制旁路供电单元的第二继电器导通，此时已经充电到额定电压值的旁路供电单元的超级电容储能系统通过逆变器对负载进行供电。

旁路供电单元的SAA-300逆变器如图4所示，包括：保护电路、高频升压电路、PWM驱动电路、整流滤波电路、逆变桥电路、SPWM驱动电路、输出过压保护电路；保护电路的输入端接12V直流输入信号，保护电路的输出端连接高频升压电路的输入端，高频升压电路的输出端联接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端联接逆变桥电路的输入端，逆变桥电路的输出端连接输出过压保护电路的输入端，输出过压保护电路输出220V交流电信号；逆变器的工作原理是：先通过PWM驱动电路驱动高频升压电路将12V的直流电逆变为220V/50KHZ的高频交流电，然后利用整流滤波电路整流出220V的直流电，最后通过SPWM驱动电路驱动逆变桥将220V直流再逆变为220V/50HZ交流电，其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路自动对整个电路进行保护，然后停止逆变桥电路的工作，过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动保护使逆变桥电路停止工作，输出过压保护电路对逆变桥电路构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路工作。

当MCU通过三点采样法检测到电网电压瞬间抖动恢复正常时，即MCU通过三点采样法计算的电网电压的幅值与电网电压幅值标准值相同，MCU会控制第一继电器导通并控制旁路供电单元的第二继电器关断，即电网对负载直接供电，旁路供电单元不再对负载供电。

采用所述的装置的进行电网电压瞬间抖动监控的方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤1：电网输出的电压信号分别传输至负载和AC-DC整流电路；

步骤2：经AC-DC整流后的电压信号输出至超级电容储能系统，并对超级电容储能系统充电至额定电压值；

步骤3：LV25-P电压传感器实时采集电网的电压信号，并将采集到的电压信号传至MCU；

步骤4：MCU通过三点采样法计算电网电压的幅值，并将该幅值与能够使得负载正常稳定工作的电网电压幅值标准值作比较，若两者不同，则此时发生电网电压瞬间抖动，则执行步骤5，否则，电网正常供电，即电网直接给负载供电，返回步骤1；

三点采样法是对电网单相电压的一个周期任取等间隔的3点，通过该三点的电压瞬时值计算出电压幅值，具体计算过程如下：

假设被测电压为正弦量，该正弦量数学表达式如式（1）所示：

u(t)＝Asin(ωΔt×k+φ)(1)

式中，

u(t)为电网的瞬时电压，V；A为电网电压的幅值，V；ω为电网电压的角频率，Hz；k为采样点位置；Δt为电网电压一个周期的时间，s；φ为正弦波的初相，度。

通过对式（1）的变换计算可以得到采样位置的电压瞬时值u(k)，V，其计算式如式（2）所示：

u(k)＝Asin(ωΔt×k)cosφ+Acos(ωΔt×k)sinφ(2)

电压的一个周期内取等间距相邻三个点，记为u(-1)，u(0)，u(1)，可以得到

u(-1)＝Asin(-ωΔt)cosφ+Acos(ωΔt)sinφ＝-Asin(ωΔt)cosφ+Acos(ωΔt)sinφ(3)

u(0)＝Asin(ωΔt×0)cosφ+Acos(ωΔt×0)sinφ＝Asinφ(4)

u(1)＝Asin(ωΔt)cosφ+Acos(ωΔt)sinφ(5)

通过式(3)至式(5)迭代计算可以得到式（6）、式（7），如下所示：

$A\cos \mathrm{\&phi;}=\frac{u\left(1\right)-u(-1)}{2\sin \left(\mathrm{\&omega;\&Delta;t}\right)}=\frac{u\left(1\right)-u(-1)}{2\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\&omega;\&Delta;t}}}---\left(6\right)$

Asinφ＝u(0)(7)

通过式（6）与式（7）的迭代计算得到式（8），如下所示：

cosωΔt＝[u(1)-u(-1)]/2u(0)（8）

通过式（6）至式（8）的迭代可以得到幅值A的计算式（9）

$A=\sqrt{A^2\cos {\mathrm{\&phi;}}^2+A^2\sin {\mathrm{\&phi;}}^2}---\left(9\right)$

步骤5：MCU控制第一继电器关断，同时控制第二继电器导通，此时旁路供电单元开始供电，即超级电容储能系统通过逆变器为负载供电；

步骤6：在旁路供电单元供电过程中，MCU通过三点采样法实时计算电网电压幅值，并将该幅值与电网电压幅值标准值比较，若两者相同，电网电压瞬间抖动结束，执行步骤7，否则，继续由旁路供电单元供电；

步骤7：MCU控制第一继电器导通并同时控制第二继电器关断，执行步骤1。

Claims (3)

1.一种电网电压瞬间抖动的监控装置，包括：

第一继电器、旁路供电单元和监控单元；

所述第一继电器的一端连接电网，第一继电器的另一端连接负载；

所述旁路供电单元包括AC-DC整流电路、超级电容储能系统、逆变器及第二继电器；

所述AC-DC整流电路的输入端连接电网，AC-DC整流电路的输出端连接超级电容储能系统的输入端，超级电容储能系统的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端经第二继电器连接负载；所述超级电容储能系统包括多个超级电容储能单元和一个滤波电路，且各超级电容储能单元间串联联接，滤波电路的输入端与AC-DC整流电路的输出端联接，滤波电路的输出端联接一个超级电容储能单元的输入端；所述监控单元，包括电压传感器和MCU；电压传感器的输入端连接电网，电压传感器的输出端连接MCU的输入端，MCU的输出端分别连接第一继电器和第二继电器；

其特征在于：所述的滤波电路包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第一电感(L1)和第一电阻(R1)，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)两个稳压二极管并联连接到电压端(Vcc)，该电压端(Vcc)接到AC-DC整流电路的输出端，第一二极管(D1)的阴极与第二二极管(D2)的阳极联接接到电压端(Vcc)，第一二极管(D1)的阳极与第二二极管(D2)的阴极联接接地；第三二极管(D3)与电压端(Vcc)串联，第三二极管(D3)的阳极联接电压端(Vcc)，第三二极管(D3)的阴极与第一电感(L1)和第一电阻(R1)并联联接；第一电感(L1)另一端与第二电阻(R2)、第四电阻(R4)及第六电阻(R6)并联联接；当超级电容(C13)充电时，第一电感(L1)储存了一部分电能，当超级电容(C13)放电时第一电感(L1)可将所储存的电能释放到超级电容(C13)两端，第一电感(L1)起到放电补偿作用；

所述的超级电容储能单元，包括第一放大电路(2)、超级电容(C13)和第二放大电路(3)；所述的第一放大电路(2)包括第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C11)和NPN三极管(Q1)；第二放大电路(3)包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第二电容(C12)、PNP三极管(Q2)和N沟道增强型MOS管(Q3)；第二电阻(R2)、第四电阻(R4)和第六电阻(R6)并联联接；NPN三极管(Q1)的基极联接第二电阻(R2)，同时NPN三极管(Q1)的基极通过第三电阻(R3)的一端与NPN三极管(Q1)的发射极相连并连接到另一超级电容储能单元的nextconnect端，该NPN三极管(Q1)的集电极通过第一电容(C11)与基极相连，NPN三极管(Q1)的集电极还联接第四电阻(R4)，且通过第五电阻(R5)与超级电容(C13)的正极；超级电容(C13)的负极联接到另一超级电容储能单元的nextconnect端，超级电容(C13)的正极通过PNP三极管(Q2)的发射极与N沟道增强型MOS管(Q3)的漏极相连且N沟道增强型MOS管(Q3)的漏极还连接到逆变器的输入端；PNP三极管(Q2)的基极联接第六电阻(R6)，并通过第二电容(C12)联接到另一超级电容储能单元的nextconnect端；PNP三极管(Q2)的集电极分别与第十电阻(R10)、第八电阻(R8)、第七电阻(R7)相连，并通过第七电阻(R7)和第十电阻(R10)联接到另一超级电容储能单元的nextconnect端，通过第八电阻(R8)联接到N沟道增强型MOS管(Q3)的栅极，N沟道增强型MOS管(Q3)的源极通过第九电阻(R9)联接到另一超级电容储能单元的nextconnect端。

2.根据权利要求1所述的电网电压瞬间抖动的监控装置，其特征在于，所述的旁路供电单元，用于电网电压发生瞬间抖动时为负载供电。

3.根据权利要求1所述的电网电压瞬间抖动的监控装置，其特征在于，所述的监控单元用于检测电网电压瞬间抖动并控制第一继电器的通断和第二继电器的通断。