CN106356873A - 一种新型电化学电容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型电化学电容器，包括：微处理器、电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、掉电检测电路、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路；本发明采用微电子软硬件技术、微型传感器、微型网络技术等最新成果，成功运用到低压无功补偿电容器上，实现了低压无功自动控制功能、过零投切、掉电保护、电能测量、通讯组网、故障自诊断等功能，可灵活使用于低压无功控制的各种场合，改变了现有低压无功自动控制设备的结构模式，具有结构简洁、生产简易、成本降低、性能提高、维护简便的全面优点。

Description

一种新型电化学电容器

技术领域

本发明属于无功补偿电容器技术领域，尤其涉及一种新型电化学电容器。

背景技术

目前在配电系统中运行的同类产品不泛有各大厂家潜心研制的智能无功补偿电容器，虽然工作原理上在同小异，但是各厂家的无功补偿电容器智能程度不尽相同，技术革新也不一样。但存在不同的缺陷。

综上所述，现有的电化学电容器智能化程度低，电容器在配电系统中起不到良好的无功补偿效果，不能有效的做到节能绿色环保；严重者甚至会造成配电系统故障。

发明内容

本发明为解决现有的电化学电容器智能化程度低，电容器在配电系统中起不到良好的无功补偿效果，不能有效的做到节能绿色环保，严重者甚至会造成配电系统故障的技术问题而提供一种新型电化学电容器。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种新型电化学电容器，该新型电化学电容器包括：微处理器、电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、掉电检测电路、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路；

电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、掉电检测电路、人机交互界面模块、485通信电路均通过信号连接微处理器；485通信电路连接第一RJ45通讯口，PI总线连接电能计量电路；电能计量电路连接第二RJ45通讯口；第二RJ45通讯口连接电流信号传感电路；BL8203、脉冲变压器均通过信号连接复合开关电路；

所述电能计量电路实时检测三相电网，并通过SPI总线将采集到的数据发送给微处理器；所述的数据包括功率因数、无功功率、有功功率、电压、电流、谐波；

电流信号传感电路用于采集电网突变数据信号，并通过第二RJ45通讯口传输给电能计量检测电路；

人机交互界面模块用于选择人机交互界面的自动或手动状态，还用于设置新型电化学电容器的相关参数和查询相关数据内容。

进一步，电能计量电路由三片BL6523B和分压电阻组成；复合开关电路由磁保护继电器和单向可控硅组成。

进一步，新型电化学电容器电能检测方法包括：电能计量检测电路实时检测三相电网，并通过SPI总线将采集到的数据发送给微处理器M0516LDN，数据包括:功率因数、无功功率、有功功率、电压、电流、谐波；当电网突变时，电能计量电路会产生一次中断并通知微处理器及时做出处理；电能计量电路所需的电流采样电路由外部微型电流互感器采样电路将输出信号通过第二RJ45通讯端向RY6523B提供所需的电流信号采样；电压信号通过电阻分压电路，并将三相电压信号实时地向RY6523B提供；外部无功补偿控制器通过第一RJ45通讯端向485通讯电路传递命令或接收数据；

当系统处在自动状态，并接收到无功补偿控制器的动作命令时，微处理器检测到过零信号，并且电容器的温度在允许范围内，电网电压正常，在第二个过零信号到来时触发脉冲变压器触发反并联单向可控硅电路，在确保可控硅正常导通时，驱动RY8023电路触发磁保持继电器；

当磁保持继电器完全工作时，向脉冲变压器发信号关闭反并联单向可控硅使其从复合开关电路中断开，由磁保持继电器保持导通状态，电容器投入电网；

若切断电容器信号，首先向脉冲变压器发信号触发反并联单向可控硅电路使其完全导通，驱动RY8023电路反向触发磁保持继电器使其从电网上安全断开；微处理器检测电网的电流过零信号，当电流过零时，向脉冲变压器发触发信号使其关断，此时复合开关完全从电网上断开。

进一步，所述过零检测电路检测电磁开关两端的过零点，采用双光耦组成的过零检测电路，过零信号由光耦进行隔离，并且过零信号通过SYS端向微处理器提供一个电网电压过零的信号；

电能计量电路集成电压监测电路，检测掉电状；用于可编程增益调整和相位补偿；给出功率因子、电流、电压有效值、线频率参数；还用于失压过压检测、电流电压峰值检测、过零检测；按需要给出中断请求信号；电能计量电路还提供SPI通信接口，用于数据传输；

微处理器实时检测复合开关电路分断时两端的电压和复合开关电路闭合时间，控制复合开关电路在电压过零点时闭合；通过检测复合开关电路动静点的电流和复合开关电路的断开时间，控制复合开关电路在电流过零点时断开，实现零投切；使复合开关电路产生的涌流很小，不发生燃弧。

进一步，投切算法包括：

按照电容组容量及系统所需无功量进行容量配置，构成多级容量投切；N组电容按一定比例2ⁿ-1级不等容量投切；每级容量对应一组编码，每级容量对应一功率因数段；补偿容量由以下公式计算：

$Q_C=P_m(tg\mathrm{\θ}1-tg\mathrm{\θ}2)=P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)$

P_m为日平均有功功率(K_var)，

cosθ₁为补偿前的功率因数。

cosθ₂为补偿后的功率因数，所需补偿容量Q_c(K_var)；

补偿容量满足以下公式：

$P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)\≤Q_c\≤P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)$

当电容容量配置不当将导致编码所对应的功率因数不连续或出现重叠现象，对应的功率因数不连续时因找不到于功率因数段对应的编码段而得不到补偿，出现重叠现象时造成电容容量的浪费；为避免编码所对应的功率因数段不连续或重叠，具体如下：

当补偿功率因数接近给定范围下限为投入第一组电容Q1时，不大于上限值，确定第一组容量的容值并确定其对应的编码；采用通讯方式各台电容器自动把本机电容级对应的机台号上报给电容器智能组网主机；电容器智能组网主机把电容容量及对应的编号放入补偿容量数据库，并按照编码投切算法一次性补偿到位。

进一步，该掉电检测电路包括网络设备检测单元、报警显示器；

所述的网络设备检测单元，用于检测电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路的数据传输是否正常，并将检测的数据传输给微处理器；所述微处理器对网络设备检测单元传输的数据信息进一步对比，并将异常的数据传输给报警显示器，进行报警显示；

所述网络设备检测单元包括：

信号采集模块，所述信号采集模块与信号处理模块连接，用于采集电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路的实时数据传输信号；

信号处理模块，用于将信号采集模块传输的数据模拟信号转换成八位二进制数字信号，并将数字信号经过处理后传输给微处理器。

进一步，所述信号采集模块包括采集电容器温度检测电路信号采集器、过零检测电路信号采集器、BL8203信号采集器、脉冲变压器信号采集器、SPI总线信号采集器、人机交互界面模块信号采集器、485通信电路信号采集器、第一RJ45通讯口信号采集器、电能计量电路信号采集器、第二RJ45通讯口信号采集器、电流信号传感电路信号采集器、复合开关电路信号采集器并均通过信号与信号处理模块连接。

进一步，信号采集模块的信号采集方法包括：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；

然后，对量化后的信号x(i)进行降维；

最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波器的差分方程其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下公式(1)最优化问题来重构原信号：

$\begin{array}{cc}\underset{x}{\min }& \left|\right|x|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x\end{array}---\left(1\right)$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如电流或电压信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下公式(2)最优化问题，精确重构出原信号：

$\begin{array}{cc}\underset{\mathrm{\α}}{\min }& \left|\right|\mathrm{\α}|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α}\end{array}---\left(2\right);$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。

进一步，信号处理模块的信号处理方法包括：

对接收信号s(t)进行非线性变换，按如下公式进行：

$f\[s\left(t\right)\]=\frac{s\left(t\right)*\ln \left|s\left(t\right)\right|}{\left|s\left(t\right)\right|}=s\left(t\right)c\left(t\right);$

其中A表示信号的幅度，a(m)表示信号的码元符号，p(t)表示成形函数，f_c表示信号的载波频率，表示信号的相位，通过该非线性变换后得到：

$f\[s\left(t\right)\]=s\left(t\right)\frac{\ln \left|Aa\left(m\right)\right|}{\left|Aa\left(m\right)\right|}.$

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明以第二代低压电力电容器(1台共补两组共补电容器或一组大容量电容器，分相补偿为一组电力电容器)为主体，采用微电子软硬件技术、微型传感器、微型网络技术等最新成果，成功运用到低压无功补偿电容器上，实现了低压无功自动控制功能、过零投切、掉电保护、电能测量、通讯组网、故障自诊断等功能，可灵活使用于低压无功控制的各种场合，改变了现有低压无功自动控制设备的结构模式，具有结构简洁、生产简易、成本降低、性能提高、维护简便的全面优点。

本发明改变了传统的的熔断器、投切开关、电力电容器等散件组合的方式，高度集成化具有体积小，安装及接线方便，操作简单，运行可靠，外部可配置功率因数控制器并通过接收来自功率因数控制器发出的控制命令投切电容器组实现对配电系统的无功补偿；也可以由若干台智能电容器进行智能化组网，可组成一个对配电系统的无功补偿网络。

本发明掉电检测电路的信号采集方法和处理方法以及报警方式，有效保证本发明的正常运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型电化学电容器结构示意图；

图中：1、微处理器；2、电容器温度检测电路；3、过零检测电路；4、BL8203；5、脉冲变压器；6、SPI总线；7、掉电检测电路；8、人机交互界面模块；9、485通信电路；10、第一RJ45通讯口；11、电能计量电路；12、第二RJ45通讯口；13、电流信号传感电路；14、复合开关电路；

图2是本发明实施例提供的电能计量电路示意图；

图中：(a)是电能计量检测专用芯片BL6523B用作电能计量典型应用电路；(b)是无源晶振电路，它向BL6523B计量芯片正常工作所需的时钟振荡频率；(c)是电网电流电流的电流采样电路，IA+，IA-端接被测端的二次电流电流互感器信号输出端，电流互感器一般采用5A:2.5mA的二次电流互感器；(d)为电网相电压信号采样电路，电网相电压信号通过UC端经过电阻分压，使其成为信号大小适合BL6523B采样的信号以满足对电网计量所需采样；

图3是本发明实施例提供的电网电压信号由U1，U2端进入过零检测电路示意图；

图4是本发明实施例提供的可控硅电子开关电路图；

图5是本发明实施例提供的485通讯电路示意图；

图6是本发明实施例提供的磁保持继电器驱动电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的新型电化学电容器主要包括：微处理器1、电容器温度检测电路2、过零检测电路3、BL82034、脉冲变压器5、SPI总线6、掉电检测电路7、人机交互界面模块8、485通信电路9、第一RJ45通讯口10、电能计量电路11、第二RJ45通讯口12、电流信号传感电路13、复合开关电路14。

电容器温度检测电路2、过零检测电路3、BL82034、脉冲变压器5、SPI总线6、掉电检测电路7、人机交互界面模块8、485通信电路9连接微处理器1，485通信电路9连接第一RJ45通讯口10，PI总线6连接电能计量电路11，电能计量电路11连接第二RJ45通讯口12，第二RJ45通讯口12连接电流信号传感电路13，BL82034、脉冲变压器5连接复合开关电路14；

电能计量电路11由三片BL6523B和分压电阻等组成；

复合开关电路14由磁保护继电器和单向可控硅组成。

本发明实施例提供的新型电化学电容器，其主要特点是将传统的电路结构包括(空气开关、避雷针、双向晶闸管、三相电容器、熔断器、可控开关、触发装置)等集成在一个精巧的空间里，其结构简单外观大方，功能强大集无功补偿控制器，上述电气电路结构于一体。更合理的治理于无功缺乏的用电场所.

本发明采用新唐NuMicro M051^TM系列Cortex^TM-M0内核的32位微控制器Cortex^TM-M0内核系列最高可运行至50MHz，内建8K/16K/32K/64K字节的Flash存储器，4K字节非易失性数据存储区(Data FLASH)，4K ISP用LDROM Flash存储器，及4K SRAM，电能计量检测电路实时检测三相电网，并通过SPI总线将采集到的数据发送给微处理器M0516LDN，数据包括:功率因数，无功功率，有功功率，电压，电流，谐波等，当电网突变时，电能计量电路会产生一次中断并通知微处理器及时做出处理.，电能计量电路所需的电流采样电路由外部微型电流互感器采样电路将输出信号通过第二RJ45通讯端向RY6523B提供所需的电流信号采样，电压信号通过电阻分压电路，由于是直接采样电压信号，所以采样到的电压信号是真实的三相电压信号，并将三相电压信号实时地向RY6523B提供。无功补偿控制器通过第一RJ45通讯端向485通讯电路传递命令或接收数据，当系统处在自动状态，并接收到无功补偿控制器的动作命令时，当系统检测到过零信号时，并且电容器的温度在允许范围内，电网电压正常，在第二个过零信号到来时触发脉冲变压器触发反并联单向可控硅电路，在确保可控硅正常导通时，驱动RY8023电路触发磁保持继电器，当磁保持继电器完全工作时，向脉冲变压器发信号关闭反并联单向可控硅使其从复合天关电路中断开，由磁保持继电器保持导通状态，此时电容器投入电网。由于是在零点投入，所以不会产生涌流，不会对电网产生波动。如果是切断电容器信号，首先向脉冲变压器发信号触发反并联单向可控硅电路使其完全导通，驱动RY8023电路反向触发磁保持继电器使其从电网上安全断开。

微处理器检测电网的电流过零信号，当电流过零时，向脉冲变压器发触发信号使其关断，此时复合开关完全从电网上断开；

人机交互由数码显示和按键，拨动开关输入组成，可通过扭动开关来选择”自动”或”手动”功能，通过按键来设置参数及查询相关数据内容。

图2是本发明实施例提供的电能计量电路示意图；图中：(a)是电能计量检测专用芯片BL6523B用作电能计量典型应用电路；(b)是无源晶振电路，它向BL6523B计量芯片正常工作所需的时钟振荡频率；(c)是电网电流电流的电流采样电路，IA+，IA-端接被测端的二次电流电流互感器信号输出端，电流互感器一般采用5A:2.5mA的二次电流互感器；(d)为电网相电压信号采样电路，电网相电压信号通过UC端经过电阻分压，使其成为信号大小适合BL6523B采样的信号以满足对电网计量所需采样；

图3是本发明实施例提供的电网电压信号由U1，U2端进入过零检测电路示意图；信号通过电阻R40，R41限流，使流过电阻器的电流可以安全地流过光耦EL817，而光耦EL817又起到对信号隔离作用，当交流正弦电压接近零时光电偶合器的两发光二极管截止，SYS端输出脉冲信号，SYS端信号接入M0516LDN的外部中断输入引脚。

图4所示为本发明实施所用的可控硅电子开关电路:图上所示T1，T2为脉冲变压器，实现了触发电路与主电路的电气隔离，单片机给出的触发信号由COIN端输入，并且经过C2电容耦合加载到脉冲变压器的原边，副边为可控硅触发主电路；TSC电路为二极管D1，D2+可控硅Q1，Q2组成的"2+2"电路。电容器上有二极管预充电，所以一直存在直流电压，而可控硅两端的交流电压不变，由过零检测电路取得电网电压同步信号并发出触发信号，当主电路电网在正半周期，脉冲变压器T1处于关断储能状态，触发信号由二极管D1传递给Q1的触发脚，使Q1处于导通状态，而Q2由于T2判断而处于截止状态.当负半周到来时，T2处于关断储能状态，T1处于工作状态，D2得到触发信号使得Q2处于导通状态，Q1由于T2关断无触发信号而处于截止状态。R13，C7为阻容吸收电路，其中电容的选择

C＝(2.5-5)×10的负8次方×If

If＝0.367Id

电阻的选择：

R＝((2-4)×535)If＝2.14-8.56

电感L1在电路中作限流用，有效抑制流向可控硅的冲击电流，从而对可控硅限流保护作用。使得整个电路的工作寿命延长。其中Q1，Q2JCT6055单向可控硅。与U2，CTR2端并联的是DS902A磁保持继电器的开关端，它与单向反并联可控硅组成复合开关作为本发明的动作部件。

图5是本发明所提供的485通讯电路，通讯电路采用美信的MAX485，为了简化软件实现，本电路TX_CH信号端加了个由三极管SS8050S组成的逻辑转换电路，用来实现485读写功能选择。并将发送信号TX同时接入485读写选择的逻辑转换电路的信号输入端，接受信号则直接取485电路的信号接收端。在485电路的输出端，由电容C4、C5，共模扼流线圈电感L1及肖特基二极管D1，D2，D3组成485通讯的EMC电磁兼容性处理电路，使通讯更稳定。

图6是本发明所提供的磁保持继电器驱动电路，电路采用上海缔索生产的RY8023作为驱动电路的主电路，其驱动电流为800mA，DA1，DB1为驱动信号的输入端，R2，R3为限流电阻，保护MCU的IO口，C3，C4是电磁兼容性所要求的滤波电容。J1为磁保持继电器DS902A.由于RY8023直流耐压高于50V，而磁保持继电器工作电压范围是9V到15V，所以本发明设计继电器驱动电路工作电压为+12V，驱动信号逻辑功能表如下所示:

INA	INB	OUTA	OUTB
				0	0	高阻	高阻
0	1	0	1
				1	0	1	0
1	1	高阻	高阻

软件控制实现比较容易。硬件电路简单，抗电磁干扰性较由分立元件所实的驱动电路有优势。

本发明实施例提供的信号采集模块的信号采集方法包括：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；

然后，对量化后的信号x(i)进行降维；

最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波器的差分方程其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下公式(1)最优化问题来重构原信号：

$\begin{array}{cc}\underset{x}{\min }& \left|\right|x|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x\end{array}---\left(1\right)$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如电流或电压信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下公式(2)最优化问题，精确重构出原信号：

$\begin{array}{cc}\underset{\mathrm{\α}}{\min }& \left|\right|\mathrm{\α}|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α}\end{array}---\left(2\right);$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。

进一步，信号处理模块的信号处理方法包括：

对接收信号s(t)进行非线性变换，按如下公式进行：

$f\[s\left(t\right)\]=\frac{s\left(t\right)*ln\left|s\left(t\right)\right|}{\left|s\left(t\right)\right|}=s\left(t\right)c\left(t\right);$

其中A表示信号的幅度，a(m)表示信号的码元符号，p(t)表示成形函数，f_c表示信号的载波频率，表示信号的相位，通过该非线性变换后得到：

$f\[s\left(t\right)\]=s\left(t\right)\frac{\ln \left|Aa\left(m\right)\right|}{\left|Aa\left(m\right)\right|}.$

下面结合工作原理对本发明的应用进一步描述。

1、投切原理

智能组件是产品智能化载体，由核心器件的微处理器M0516(Cortex-M0系列)实时检测电容器投切开关电器分断时两端的电压和开关电器的闭合时间，可以控制其在电压过零点时闭合，通过检测开关电器动静点(闭合时)的电流和开关电器的断开时间，可以控制其在电流过零点时断开，实现“零投切”功能，使投切低压电力电容器时产生的涌流很小，退运低压电力电容器时不发生燃弧情况，延长了低压电力电容器和开关电器本身的使用寿命，也减小了投切低压电力电容器对电网的冲击，改善了电网的电能质量。

2、电压保护原理

智能组件通过检测电源电压和控制开关的断开，实现新型电化学电容器的过电压、欠电压、失电压和三相不平衡电压的保护，根据需要可以设置电压分段保护或者更高要求的电压反时限保护。

3、电流保护原理

智能组件通过微型电流互感器，检测本发明的新型电化学电容器的各相电流和控制开关电器的断开，可以实现本发明的新型电化学电容器的各相过电流保护，根据需要可以设置电流保护或者更高要求的电流反时限保护，替代常规产品中使用的熔断器和热继电器，不仅具有更好的保护性能，而其没有常规产品中熔断器和热继器所造成的很大功率损耗。电流速切保护则由电源引入端的断路器实现。

4、电容器体内温度保护原理

智能组件通过微型温度传感器(热敏电阻NTC)，测得电容器的内部工作温度，根据该温度测量值可以设置电容器体内温度分级保护，或者温度反时限保护。电容器体内温度保护是其重要保护之一，工作电源电压过高、过谐波及环境过温度均会引起电容器体内温度升高，超过其限值将会严重影响电容器的使用寿命。设置电容器体内温度保护，可以在其体内温度超值时退出运行，由同一网络的其它电容器替换运行，从而延长本发明的电容器的使用寿命。

产品相互之间联机以及与外投之间联机由智能组件的通信功能实现，采用串行有线通信方式或者无线路由通信方式。

5、控制方式

控制方式分三相和分相二种。三相控制方式中的低压电力电容器为“△”型，投运时与其相连通，退运时三相三线电源同时与其断开；分相控制方式中的低压电力电容器为三相四线的“Y”型，其中有三组单相低压电力电容器，各组低压电力电容器可以单独或同时投运或退运。

6、联机

在实际使用中，由于单台本发明的新型电化学电容器容量有限，或者分级有限，需要数台或者数十台结合起来，在不能实现其某些特定功能时还需要和控制器等外设结合，相互联机构成一个整体或一个系统协调工作。联机方式可采用有线的RS-485总线式通信，以及无线的无线路由通信、433MHZ无线、NFC无线或电力载波通信。

7、额定电压

额定电压是设计新型电化学电容器时规定的交流电压方均根植，其略高于新型电化学电容器工作电源的电网电压等级值，以保证电网电压在正常波动范围内能够可靠工作。0.4KV电压等级的电网，三相控制式取450V(380V-％15～+％20)，分相控制式取250V(-％15～+％20)；额定电压高虽然能延长电力电容器的使用寿命但不能过高，过高的额定电压将使新型电化学电容器在正常工作电压时所产生的无功容量过小。

8、抗谐波能力

无抗谐波能力的新型电化学电容器，可以工作在谐波指标符合国家标准的电网，对于电网中出现的暂时谐波超标，由于会引起新型电化学电容器的工作电流增大和体内温度升高，产品启动过电流保护和过温度保护，使本发明的新型电化学电容器退出运行而受到保护。有抗谐波能力的本发明的新型电化学电容器中，新型电化学电容器经特殊设计和制造，能够允许电网的谐波超标，

9、额定电压

额定电压是本发明的新型电化学电容器设计时规定的交流电压方均根植，其略高于本发明的新型电化学电容器工作电源的电网电压等级值，以保证电网电压在正常波动范围内能够可靠工作。0.4KV电压等级的电网，三相控制式取450V，分相控制式取250V；0.66KV电压等级的电网，三相控制式取750V，分相控制式取450V。额定电压高虽然能延长电力电容器的使用寿命但不能过高，过高的额定电压将使本发明的新型电化学电容器在正常工作电压时所产生的无功容量过小。

10、额定容量

额定容量是以本发明的新型电化学电容器在其额定电压下计算的电容器无功容量(Kvar)，实际工作电压越高，产生的无功量越大，反之则越小，电容量(μf)则不随电压电化而变化。

三相控制方式的最大额定容量为(40+40)Kvar，两台电容器的容量可不同，如(40+20)Kvar，两台电容器可不同时投运、退运。

分相控制方式的最大额定容量为(20+20)Kvar，两台电容器的容量可不同，如(20+10)Kvar。每台电容器由三个单相电容器组构成，共有六个单相电容器组。如额定电容量为(20+10)Kvar，则有三个容量为6.67(20/3)Kvar容量的单相电容器组和三个容量为3.33(10/3)Kvar容量的单相电容器组。六个单相电容器组可以不容时投运、退运。

11、电容器型式

普通式智能式低压电力电容器中的低压电力电容器的电介质固体材料浸于液体介质中，而固态式智能式低压电力电容器中的低压电力电容器则不以液体浸渍，而以全固体环氧树脂浸渍。

固体式智能式低压电力电容器具有整体阻燃，不会产生火警，没有泄露现象，不会污染环境，不会产生环保问题。

本发明开关电器的特性：

1、开关电器耐电压、耐电流冲击能力强

本发明涉及一种新型电化学电容器中的复合开关电器使用上海缔索生产的磁保持继电器并反并耐压值1800V的硅片所组成的复合电磁式开关完成过零投切，其断开触点间耐电压冲击能力大于交流1500V1min触点于线圈间耐压交流4000V1min，耐电流冲击能力达到100倍额定电流以上，投切额定次数超过100万次，而普通电子式零投切开关电器的耐电压冲击能力一般小于直流2200V(交流1550V)，耐电流冲击能力一般小于20倍额定电流。在复杂多变的电网电器环境下，本发明复合电磁式开关过零投切开关电器具有极好的工作可靠性。

2、开关电器的零投切性能优异

本发明涉及一种新型电化学电容器中所用的的投切的开关电器使用一种经特殊设计、制造的磁保持加可控硅组成的电磁式零投切开关电器，其零投切的偏移度小于2.5°、投切涌流小于2.5倍额定电流，有效地延长了低压电力电容器和开关电器本身的使用寿命，也减小了投切低压电力电容器对电网的冲击和对电网质量的影响。电子式零投切开关电器由于受器重晶闸管最低导通电压和最小导通电流的限制，零投切的偏移度一般大于3度和涌流一般大于3倍额定电流。

3、低压电力电容器各相电流的监测与保护

本发明涉及一种新型电化学电容器对于其中的低压电力电容器各相电流通过微型电流互感器进行高精度监测，不仅可以知道新型电化学电容器的容量衰减的质量情况，同时设置电流分段保护或者电流反时限保护，能够在过谐波引起过电流等情况下有效地新型电化学电容器。

4、局域网联机技术

本发明涉及一种新型电化学电容器，采用无线路由通信方式或有线通讯方式进行相互之间或者与外设之间联机，构成无功补偿系统，除了一次电源接线，不需要二次信息接线，极大地简化了安装接线，减小了因接线有误造成的各种故障，提高了可维护性。

5、低压电力电容器渐进式加厚银锌镀膜工艺

本发明涉及一种新型电化学电容器中的电容器组件采用渐进式加厚银锌镀膜工艺，银锌镀膜具有良好的导电性和稳定性，同时厚度与该处的电流密度成正比，因此工作时发热量小并且均匀，极大地提高了低压电力电容器的容量稳定性，极少衰减。

6、人机界面良好

本发明使用数码、三色指示灯和按键进行人机交互，数码显示清晰度不受环境亮度影响。数码显示器上有运行工况数字、字符提示，概念明确、示值清楚，三色指示灯用三种颜色指示投运、退运和故障三种运行状况。

7、投切算法

本发明采用一种将按照电容组容量及系统所需无功量进行容量配置，构成多级容量投切。N组电容按一定比例2ⁿ-1级不等容量投切。每级容量对应一组编码，每级容量对应一功率因数段。补偿容量可以由以下公式计算：

$Q_C=P_m(tg\mathrm{\θ}1-tg\mathrm{\θ}2)=P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)$

P_m为日平均有功功率(K_var)，

cosθ₁为补偿前的功率因数。

cosθ₂为补偿后的功率因数，所需补偿容量Q_c(K_var)。

补偿容量满足以下公式：

$P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)\≤Q_c\≤P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)$

当是如果电容容量配置不当将导致编码所对应的功率因数不连续或出现重叠现象，因此前者因找不到于功率因数段对应的编码段而得不到补偿，后者会造成电容容量的浪费。为确保编码所对应的功率因数段连续不重叠，具体算法如下：

当补偿功率因数接近给定范围下限为投入第一组电容Q1时，不大于上限值，确定第一组容量的容值并确定其对应的编码。这里考虑到容量计算需要花时候影响实时性，所以采用通讯方式各台电容器自动把本机电容电容级对应的机台号上报给主机(电容器组网后，其它一台设置为主机或功率因数控制器，这里指电容器智能组网)。主机把电容容量及对应的编号放入补偿容量数据库，并按照编码投切算法一次性补偿到位，弥补了常用的循环投切中的生产投切震荡的不足也弥补了编码式投切的弊端。

下面结合的硬件对本发明的应用原理进一步描述。

1、电能计量电路，如图2所示；

BL6523B是一款高精度、高稳定性的计量芯片，其精度在输入动态工作范围(1500:1)内，非线性测量误差小于0.1％；稳定性高，输出频率波动小于0.1％。BL6523B可精确测量正负两个方向的有功功率，具有两个电流采样端，采样火线和零线电流；给出电压和双电流的有效值，以及可测量范围(1500:1)。BL6523B还具有电压失压和断相检测功能；芯片上有电源电源。BL6523B集成电压监测电路，检测掉电状；具有防潜动功能，可编程防潜阀值设置；同时具有可编程调整脉冲输出的频率；此外，BL6523B还具有可编程增益调整和相位补偿；给出功率因子(PF)，电流、电压有效值、线频率等参数，具有失压过压检测功能，电流电压峰值检测，过零检测；可按需要给出中断请求信号(/IRQ)；提供SPI通信接口，用于数据传输。在三相电容器中用单路BL6523B采集B相信号，分相电容器中用3路BL6523B采集每一相信号。BL6523B支持全数字域的偏置补偿、增益调整(相位调整最大±2.54°可调).如若电流电压信号非余弦函数，则可按傅立叶变换将信号展开为余弦函数的谐波，同样可按上述p(t)＝v(t)*i(t)计算过零检测电路，如图3所示；

检测电磁开关两端的过零点，采用双光耦组成的过零检测电路精简，过零信号由光耦进行隔离，并且过零信号精度高，通过SYS端向微处理器提供一个电网电压过零的信号。波形如下图:

2、可控硅电子开关，电路图如图4所示：

可控硅电路是采用一对普通逆阻型晶闸管的反并联，其等效为双向晶闸管，双向晶闸管有两个主电极T1、T2和一个门极G，触发信号加在T2极和门极G之间，它在正反两个方向的触发电流作用下均可用同一门极控制触发导通，由反并可控硅构成的”双向可控硅”根据T1、T2间电压极性的不同以及门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种触发开通方式：

(1)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时”双向可控硅”导通工作在第Ⅰ象限。

(2)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时”双向可控硅”导通，也工作在第Ⅰ象限。

(3)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时”双向可控硅”导通工作在第Ⅲ象限。

(4)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时”双向可控硅”导通工作在第Ⅲ象限。”双向可控硅”一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。当主电极T1、T2电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，”双向可控硅”阻断，只有重新加载触发电压才能再次导通.

采用脉冲变压器触发可控硅电路，当得到触发命令后在投切点产生脉冲序列经过脉冲变压器隔离推动可控硅，同步信号处理由微处理器完成，可实现确保可控硅在所要求的10us持续时间内导通，由于开关无误动作，电气隔离良好，所以投入电容器时无涌流，切除无飞弧，燃弧现象。

3、通讯电路，电路图如图5所示：

485通讯电路采用广西睿奕科技的无极性RY485D通讯电路，其通讯信号A、B端可以任意连接没有极性。且电容器上配有RJ45接口使得施工更加方便。

本发明的智能电容器是以第二代低压电力电容器(1台共补两组共补电容器或一组大容量电容器，分相补偿为一组电力电容器)为主体，采用微电子软硬件技术、微型传感器、微型网络技术等最新成果，成功运用到低压无功补偿电容器上。所以本发明可实现低压无功自动控制功能、过零投切、掉电保护、电能测量、通讯组网、故障自诊断等功能。可灵活使用于低压无功控制的各种场合，改变了现有低压无功自动控制设备的结构模式，具有结构简洁、生产简易、成本降低、性能提高、维护简便的全面优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型电化学电容器，其特征在于，该新型电化学电容器包括：微处理器、电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、掉电检测电路、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路；

电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、掉电检测电路、人机交互界面模块、485通信电路均通过信号连接微处理器；485通信电路连接第一RJ45通讯口，PI总线连接电能计量电路；电能计量电路连接第二RJ45通讯口；第二RJ45通讯口连接电流信号传感电路；BL8203、脉冲变压器均通过信号连接复合开关电路；

所述电能计量电路实时检测三相电网，并通过SPI总线将采集到的数据发送给微处理器；所述的数据包括功率因数、无功功率、有功功率、电压、电流、谐波；

电流信号传感电路用于采集电网突变数据信号，并通过第二RJ45通讯口传输给电能计量检测电路；

人机交互界面模块用于选择人机交互界面的自动或手动状态，还用于设置新型电化学电容器的相关参数和查询相关数据内容。

2.如权利要求1所述的新型电化学电容器，其特征在于，电能计量电路由三片BL6523B和分压电阻组成；复合开关电路由磁保护继电器和单向可控硅组成。

3.如权利要求1所述的新型电化学电容器，其特征在于，新型电化学电容器电能检测方法包括：电能计量检测电路实时检测三相电网，并通过SPI总线将采集到的数据发送给微处理器M0516LDN，数据包括:功率因数、无功功率、有功功率、电压、电流、谐波；当电网突变时，电能计量电路会产生一次中断并通知微处理器及时做出处理；电能计量电路所需的电流采样电路由外部微型电流互感器采样电路将输出信号通过第二RJ45通讯端向RY6523B提供所需的电流信号采样；电压信号通过电阻分压电路，并将三相电压信号实时地向RY6523B提供；外部无功补偿控制器通过第一RJ45通讯端向485通讯电路传递命令或接收数据；

当系统处在自动状态，并接收到无功补偿控制器的动作命令时，微处理器检测到过零信号，并且电容器的温度在允许范围内，电网电压正常，在第二个过零信号到来时触发脉冲变压器触发反并联单向可控硅电路，在确保可控硅正常导通时，驱动RY8023电路触发磁保持继电器；

当磁保持继电器完全工作时，向脉冲变压器发信号关闭反并联单向可控硅使其从复合开关电路中断开，由磁保持继电器保持导通状态，电容器投入电网；

若切断电容器信号，首先向脉冲变压器发信号触发反并联单向可控硅电路使其完全导通，驱动RY8023电路反向触发磁保持继电器使其从电网上安全断开；微处理器检测电网的电流过零信号，当电流过零时，向脉冲变压器发触发信号使其关断，此时复合开关完全从电网上断开。

4.如权利要求1所述的新型电化学电容器，其特征在于，所述过零检测电路检测电磁开关两端的过零点，采用双光耦组成的过零检测电路，过零信号由光耦进行隔离，并且过零信号通过SYS端向微处理器提供一个电网电压过零的信号；

电能计量电路集成电压监测电路，检测掉电状；用于可编程增益调整和相位补偿；给出功率因子、电流、电压有效值、线频率参数；还用于失压过压检测、电流电压峰值检测、过零检测；按需要给出中断请求信号；电能计量电路还提供SPI通信接口，用于数据传输；

微处理器实时检测复合开关电路分断时两端的电压和复合开关电路闭合时间，控制复合开关电路在电压过零点时闭合；通过检测复合开关电路动静点的电流和复合开关电路的断开时间，控制复合开关电路在电流过零点时断开，实现零投切；使复合开关电路产生的涌流很小，不发生燃弧。

5.如权利要求4所述的新型电化学电容器，其特征在于，投切算法包括：

按照电容组容量及系统所需无功量进行容量配置，构成多级容量投切；N组电容按一定比例2ⁿ-1级不等容量投切；每级容量对应一组编码，每级容量对应一功率因数段；补偿容量由以下公式计算：

$Q_C=P_m(tg\mathrm{\θ}1-tg\mathrm{\θ}2)=P_m(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1)$

P_m为日平均有功功率(K_var)，

cosθ₁为补偿前的功率因数。

cosθ₂为补偿后的功率因数，所需补偿容量Q_c(K_var)；

补偿容量满足以下公式：

$P_m\left(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1\right)\≤Q_c\≤P_m\left(\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_1}^2}-1-\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{cos\θ}}_2}^2}}}-1\right)$

当电容容量配置不当将导致编码所对应的功率因数不连续或出现重叠现象，对应的功率因数不连续时因找不到于功率因数段对应的编码段而得不到补偿，出现重叠现象时造成电容容量的浪费；为避免编码所对应的功率因数段不连续或重叠，具体如下：

当补偿功率因数接近给定范围下限为投入第一组电容Q1时，不大于上限值，确定第一组容量的容值并确定其对应的编码；采用通讯方式各台电容器自动把本机电容级对应的机台号上报给电容器智能组网主机；电容器智能组网主机把电容容量及对应的编号放入补偿容量数据库，并按照编码投切算法一次性补偿到位。

6.如权利要求1所述的新型电化学电容器，其特征在于，该掉电检测电路包括网络设备检测单元、报警显示器；

所述的网络设备检测单元，用于检测电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路的数据传输是否正常，并将检测的数据传输给微处理器；所述微处理器对网络设备检测单元传输的数据信息进一步对比，并将异常的数据传输给报警显示器，进行报警显示；

所述网络设备检测单元包括：

信号采集模块，所述信号采集模块与信号处理模块连接，用于采集电容器温度检测电路、过零检测电路、BL8203、脉冲变压器、SPI总线、人机交互界面模块、485通信电路、第一RJ45通讯口、电能计量电路、第二RJ45通讯口、电流信号传感电路、复合开关电路的实时数据传输信号；

信号处理模块，用于将信号采集模块传输的数据模拟信号转换成八位二进制数字信号，并将数字信号经过处理后传输给微处理器。

7.如权利要求6所述的新型电化学电容器，其特征在于，所述信号采集模块包括采集电容器温度检测电路信号采集器、过零检测电路信号采集器、BL8203信号采集器、脉冲变压器信号采集器、SPI总线信号采集器、人机交互界面模块信号采集器、485通信电路信号采集器、第一RJ45通讯口信号采集器、电能计量电路信号采集器、第二RJ45通讯口信号采集器、电流信号传感电路信号采集器、复合开关电路信号采集器并均通过信号与信号处理模块连接。

8.如权利要求6所述的新型电化学电容器，其特征在于，信号采集模块的信号采集方法包括：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；

然后，对量化后的信号x(i)进行降维；

最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波器的差分方程其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下公式(1)最优化问题来重构原信号：

$\begin{array}{ccc}\underset{x}{min}\left|\right|x|{|}_1& s.t.& y={\mathrm{\Φ}}_x\end{array}---\left(1\right)$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如电流或电压信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下公式(2)最优化问题，精确重构出原信号：

$\begin{array}{cccc}\underset{\mathrm{\α}}{min}& \left|\right|\mathrm{\α}|{|}_1& s.t.& y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α}\end{array}---\left(2\right);$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。

9.如权利要求6所述的新型电化学电容器，其特征在于，信号处理模块的信号处理方法包括：

对接收信号s(t)进行非线性变换，按如下公式进行：

$f\[s\left(t\right)\]=\frac{s\left(t\right)*ln\left|s\left(t\right)\right|}{\left|s\left(t\right)\right|}=s\left(t\right)c\left(t\right);$

其中A表示信号的幅度，a(m)表示信号的码元符号，p(t)表示成形函数，f_c表示信号的载波频率，表示信号的相位，通过该非线性变换后得到：

$f\[s\left(t\right)\]=s\left(t\right)\frac{ln\left|Aa\left(m\right)\right|}{\left|Aa\left(m\right)\right|}.$