CN113433391B - 实现远端电压精确控制的电路、方法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路、检测方法，基于所述线缆电阻检测电路的远端电压精确控制方法、系统及存储介质，该线缆电阻检测电路包括：包括第一开关、线缆电阻检测回路和辅助电容，其中，所述辅助电容并联在长线缆末端，所述第一开关串接在电源输出端，所述线缆电阻检测回路并接在所述第一开关电源输出端，所述线缆电阻检测回路包括电压检测电路、电流采样电路、锁相环和第二开关，电压检测电路、电流采样电路的输出端分别与锁相环输入端相连，所述锁相环输出端输出正弦电压信号，并通过第二开关注入到线缆源端，锁相环对设定正弦电压信号进行频率锁定。本发明能够对线缆末端电压精确控制。

Description

实现远端电压精确控制的电路、方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及线缆阻抗检测技术领域，特别涉及一种实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路、检测方法，还涉及一种包括所述检测方法的远端电压精确控制方法、系统及存储介质。
背景技术
用于远距离输电的线缆具有不可忽视的电阻，因此电源的远端负载端电压或二次电源输入电压会小于电源的实际输出电压。尤其是低压大电流应用场合，线缆电阻造成的压降较大，存在远端负载欠压或影响二次电源正常工作的问题。
现有的远端线缆电阻检测方法主要是通过在线缆末端并联足够大的电容以实现负载端较低的交流阻抗，通过连续调制到负载系统的电流来测量由于线路电阻而产生的电压变化，计算得到线缆电阻值，从而进行线缆压降补偿。这种方法为保证负载端较低的交流阻抗，对电容的容值有较高的要求，且随使用寿命电容容值降低会影响线缆电阻的检测精度。
发明内容
针对远距离输电线缆会造成电压降低的问题，本发明的主要目的在于提出一种实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路、检测方法、远端电压精确控制方法、系统及存储介质，旨在实现对线缆末端电压的远端精确控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路，包括第一开关、线缆电阻检测回路和辅助电容，其中，所述辅助电容并联在长线缆末端，所述第一开关和所述线缆电阻检测回路均设置在长线缆源端，其中，所述第一开关串接在电源输出端，所述线缆电阻检测回路并接在所述第一开关电源输出端，所述线缆电阻检测回路包括电压检测电路、电流采样电路、锁相环和第二开关，所述电压检测电路、电流采样电路分别用于采集线缆源端的电压和电流，其输出端分别与锁相环输入端相连，所述锁相环输出端输出初始频率为fref的正弦电压信号，并通过第二开关注入到线缆源端，当线缆源端注入的正弦电压信号与线缆响应电流相位差为0时，锁相环对其输出的正弦电压信号进行频率锁定。
本发明进一步的技术方案是，所述锁相环包括按照信号依次设置的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，其中，所述压控振荡器输出初始频率为fref的正弦电压信号注入到长线缆源端，对正弦电压激励和线缆响应电流进行采样，并通过鉴相器进行相位监测，鉴相器将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，经环路滤波器进行处理后形成压控振荡器的控制电压，从而对压控振荡器输出的正弦电压信号的频率进行调整，当相位差为0时，锁相环对压控振荡器输出的正弦电压信号进行频率锁定。
本发明还提供了一种基于所述线缆电阻检测电路的检测方法，包括如下步骤：
S1：断开第一开关S1，闭合第二开关S2，利用压控振荡器注入线缆一定频率的正弦电压；
S2：检测正弦电压激励与线缆响应电流的相位；
S3：判断正弦电压激励与线缆响应电流的相位差是否为0，如果是，执行步骤S4，如果否，将相位差转换为电压量，调节压控振荡器输出正弦电压的频率，直至相位差为0；
S4：锁定压控振荡器输出正弦电压的频率，该频率即为线缆电感与辅助电容的谐振频率；
S5：在该频率下，根据同时刻正弦电压值及线缆电流值获取线缆电阻值。
本发明还提供了一种基于上述检测方法的远端电压精确控制方法，获取线缆电阻值后，还包括：
步骤S6：断开第二开关S2，闭合第一开关S1，根据vo(t)＝VL+iline(t)Rline，对电压源输出电压进行闭环控制，实现线缆末端电压的精确调节，其中，vo(t)为t时刻需要输出的线缆源端电压，VL为负载系统期望的输入电压，Rline为步骤S5获取的线缆电压值，iline(t)为t时刻线缆的电流值。
本发明进一步的技术方案是，获取线缆电阻值后，还包括：步骤A:断开第二开关S2，闭合第一开关S1，根据线缆的损耗电压对线缆末端电压进行动态补偿，对电压源输出电压进行闭环控制，实现线缆末端电压的精确调节，所述线缆的损耗电压为t时刻的电流值与步骤S5获取的线缆电压值的乘积。
为实现上述目的，本发明还提出一种远距离输电线缆末端电压控制系统，所述系统包括：存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被所述处理器调用时执行如上所述的方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被处理器调用时执行如上所述的方法的步骤。
本发明实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路、系统及存储介质的有益效果是：本发明通过通过检测线缆源端激励电压、线缆响应电流，能够在线缆源端得到长线缆的电阻值，从而可以实现对线缆末端电压的远端精确控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明电源系统原理框图；
图2为本发明线缆电阻检测电路原理图；
图3为本发明线缆电阻检测方法流程图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
电源系统框图如图1所示，整个系统由电压源、线缆等效总电阻Rline、线缆等效自感Lline、负载或二次电源组成，其中vo为电压源输出电压(即线缆源端电压)，vL为负载端电压或二次电源输入电压(即线缆末端电压)，iline为线缆流经的电流，Caux为检测中需要添加的辅助电容。电压源通过较长线缆为负载系统提供电压和电流，由于线缆总电阻Rline的存在，稳态时线缆末端电压低于电压源实际输出电压，从而导致负载端电压或二次电源输入电压低于期望电压，影响系统正常工作。
为了在电压源的闭环控制中对远距离线缆电阻造成的压降进行补偿，实现对线缆末端电压精确调节，其前提条件是能够检测出任意长线缆的电阻值。下面对本发明所提出的基于锁相环的远端线缆电阻检测方法进行详细介绍。
如图2所示，本例的实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路包括第一开关、线缆电阻检测回路和辅助电容，其中，所述辅助电容并联在长线缆末端，所述第一开关和所述线缆电阻检测回路均设置在长线缆源端，其中，所述第一开关串接在电源输出端，所述线缆电阻检测回路并接在所述第一开关电源输出端，所述线缆电阻检测回路包括电压检测电路、电流采样电路、锁相环和第二开关，所述电压检测电路、电流采样电路分别用于采集线缆源端的电压和电流，其输出端分别与锁相环输入端相连，所述锁相环输出端输出初始频率为fref的正弦电压信号，并通过第二开关注入到线缆源端，当线缆源端注入的正弦电压信号与线缆响应电流相位差为0时，锁相环对其输出的正弦电压信号进行频率锁定。
具体的，本例锁相环路是一种已有的反馈控制电路结构，简称锁相环(PLL，Phase-Locked Loop)。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器(PD，Phase Detector)、环路滤波器(LF，LoopFilter)和压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)三部分组成。
本发明中，与传统锁相环控制电路不同的是：压控振荡器输出的正弦电压激励既作为锁相环的输出，又作为锁相环的输入信号与线缆响应电流输入信号进行相位比较。
本发明对线缆末端电压进行精准调节的原理为：
在电压源工作前期，断开S1，闭合S2，压控振荡器输出初始频率为fref的正弦电压信号注入到长线缆源端，对正弦电压激励和线缆响应电流进行采样，并通过鉴相器进行相位监测，鉴相器将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，经环路滤波器进行处理后形成压控振荡器的控制电压，从而对压控振荡器输出的正弦电压信号的频率进行调整，当相位差为0时，锁相环对压控振荡器输出的正弦电压信号进行频率锁定。根据阻抗特性，当线缆源端注入的正弦电压激励信号与线缆响应电流相位差为0时，表明线缆自感Lline与辅助电容Caux发生谐振，即压控振荡器输出的正弦电压频率位于谐振频率处。此时线缆源端的输入阻抗呈电阻特性，采样当前频率下正弦电压和线缆响应电流数据，根据
Figure BDA0003121477750000051
即可得到当前所用线缆的电阻值。其中，Iline(t)为t时刻线缆流经的电流，Vsine(t)为t时刻正弦电压值。
最后，断开S2，闭合S1，根据vo(t)＝VL+iline(t)Rline，对电压源输出电压进行闭环控制，实现线缆末端电压的精确调节，其中，VL为负载系统期望的输入电压。也可以通过线缆的压降对源端的电压进行实时补偿，从而使线缆末端的输出电压为期望值。
如图3所示，本例的实现源端电压精确控制的线缆电阻检测方法具体步骤如下：
Step1：在线缆末端并联辅助电容Caux；
Step2：利用压控振荡器输出初始频率为fref的正弦电压信号，并注入到线缆源端；
Step3：采样正弦电压激励和线缆响应电流，判断二者相位差并将相位差转换为压控振荡器的控制电压；
Step4：判断相位差是否为0，如果不为0，则通过控制电压调节压控振荡器输出的正弦电压的频率，直至相位差为0，此时锁定频率，该频率即为线缆电感与辅助电容的谐振频率；
Step5：根据该谐振频率下同时刻正弦电压和线缆响应电流值得到线缆电阻值，即
Figure BDA0003121477750000061
本发明基于锁相环的线缆电阻精确检测方法，即通过检测线缆源端激励电压、线缆响应电流，能够在线缆源端得到长线缆的电阻值，从而可以实现对线缆末端电压的远端精确控制，具有以下有益效果：
(1)仅通过激励信号、辅助电容和锁相环原理便可以准确得到线缆电阻值，逻辑简单，易于实现；
(2)该方法解决了远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；
(3)该方法能够实现仅在长线缆的单端进行线缆电阻检测；
(4)该方法对引入的辅助电容容值无特殊要求；
(5)该方法可以应用于任意电源系统，不受负载系统的电路结构制约，具有普适性。
为实现上述目的，本发明还提出一种远距离输电线缆末端电压控制系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被所述处理器调用时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被处理器调用时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.实现远端电压精确控制的线缆电阻检测电路，其特征在于：包括第一开关、线缆电阻检测回路和辅助电容，其中，所述辅助电容并联在长线缆末端，所述第一开关和所述线缆电阻检测回路均设置在长线缆源端，其中，所述第一开关串接在电源输出端，所述线缆电阻检测回路并接在所述第一开关电源输出端，所述线缆电阻检测回路包括电压检测电路、电流采样电路、锁相环和第二开关，所述电压检测电路、电流采样电路分别用于采集线缆源端的电压和电流，其输出端分别与锁相环输入端相连，所述锁相环输出端输出初始频率为fref的正弦电压信号，并通过第二开关注入到线缆源端，当线缆源端注入的正弦电压信号与线缆响应电流相位差为0时，锁相环对其输出的正弦电压信号进行频率锁定。
2.根据权利要求1所述的线缆电阻检测电路，其特征在于：所述锁相环包括按照信号依次设置的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，其中，所述压控振荡器输出初始频率为fref的正弦电压信号注入到长线缆源端，对正弦电压激励和线缆响应电流进行采样，并通过鉴相器进行相位监测，鉴相器将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，经环路滤波器进行处理后形成压控振荡器的控制电压，从而对压控振荡器输出的正弦电压信号的频率进行调整，当相位差为0时，锁相环对压控振荡器输出的正弦电压信号进行频率锁定。
3.基于权利要求2所述的线缆电阻检测电路的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：断开第一开关S1，闭合第二开关S2，利用压控振荡器注入线缆一定频率的正弦电压；
S2：检测正弦电压激励与线缆响应电流的相位；
S3：判断正弦电压激励与线缆响应电流的相位差是否为0，如果是，执行步骤S4，如果否，将相位差转换为电压量，调节压控振荡器输出正弦电压的频率，直至相位差为0；
S4：锁定压控振荡器输出正弦电压的频率，该频率即为线缆电感与辅助电容的谐振频率；
S5：在该频率下，根据同时刻正弦电压值及线缆电流值获取线缆电阻值。
4.包括权利要求3所述的检测方法的远端电压精确控制方法，其特征在于，获取线缆电阻值后，还包括：
步骤S6：断开第二开关S2，闭合第一开关S1，根据vo(t)＝VL+iline(t)Rline，对电压源输出电压进行闭环控制，实现线缆末端电压的精确调节，其中，vo(t)为t时刻需要输出的线缆源端电压，VL为负载系统期望的输入电压，Rline为步骤S5获取的线缆电压值，iline(t)为t时刻线缆的电流值。
5.包括权利要求3所述的检测方法的远端电压精确控制方法，其特征在于，获取线缆电阻值后，还包括：步骤A:断开第二开关S2，闭合第一开关S1，根据线缆的损耗电压对线缆末端电压进行动态补偿，对电压源输出电压进行闭环控制，实现线缆末端电压的精确调节，所述线缆的损耗电压为t时刻的电流值与步骤S5获取的线缆电压值的乘积。
6.一种远距离输电线缆末端电压控制系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被所述处理器调用时执行如权利要求4或5所述的方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有远距离输电线缆末端电压控制程序，所述远距离输电线缆末端电压控制程序被处理器调用时执行如权利要求4或5所述的方法的步骤。
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