CN113933738A - 一种开关电源的监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源的监测方法及装置，通过获取电解电容温升来对电解电容的状态进行监测，根据监测结果自适应投切备用的电解电容；并对电源输出进行实时监测，判断电源输出采样数据是否超出预定阈值。通过根据电解电容温升判断电解电容是否正常，能够快速识别已经老化导致容量缩减的电解电容，并且能够迅速切换至备用的电解电容，从而延长了开关电源的使用寿命；对电源输出进行实时监测，判断电源输出采样数据是否超出预定阈值，并根据超出预定阈值采样数据的个数采用不同的故障处理策略，可以根据开关电源采样数据的情况判断开关电源的故障程度，并依据不同故障程度采取不同的故障处理策略，从而能够有针对性地进行故障处理。

Description

一种开关电源的监测方法及装置

技术领域

本发明涉及应用开关电源的电力系统技术领域，尤其涉及一种开关电源的监测方法及装置。

背景技术

继电保护是保障电力系统安全稳定运行的卫士，其使用寿命的长短直接影响到电力系运行稳定性和安全性。继电保护装置一般要求寿命12年以上，其具体使用中会因诸多外界因素而缩短其使用时间，这时对继电保护装置寿命分析及其寿命影响机理进行分析则非常重要,对整体电网的安全运行有着极大的现实意义。根据《DL/T 587-2016继电保护和安全自动装置运行管理规程》，微机保护装置的使用年限一般不低于12年，对于运行不稳定、工作环境恶劣的微机保护装置可根据运行情况适当缩短使用年限。

频繁地更换继电保护装置电源插件既增加二次班组的工作量，又浪费了大量二次资金，影响了继电保护装置的高效可靠运行。目前大多数继电保护电源插件都采用开关电源作为其工作电源。开关电源的工作原理是将110V或220V直流电通过逆变稳压，转变为+5V、±15V和+24V的低压直流电，为继电保护装置的各个插件供电。微机保护对电源的性能要求较高，在运行过程中要求开关电源的输出电压保持稳定，不随外部供给电压的变化而变化。保护装置的电源供电方式示意图如图1所示，由图1可知，由于现在保护装置中的插件均需要开关电源供电，因此开关电源的寿命和可靠性对整个保护装置至关重要。开关电源的开关频率要达到30kHz以上才能有较小的体积和较高的效率。如此高的开关频率对输出端的滤波电容提出了较高要求,由于普通无极性电容容量小,因此输出端的滤波波电容必须采用电解电容,电解电容高频损耗很大,在高频电流作用下会发热以致老化干枯,然而电解电容又不是突然损坏的,而是逐步老化,这就导致了电源模块的滤波效果会逐年降低、输出的纹波会逐年增大。保护装置对开关电源的要求很高,稍有波动就会导致程序出错。

现有技术中的开关电源的插件内部原理框图如图2所示，由图2可知，开关电源自身有输出电压监视回路，用来实现失电告警功能，并通过保护装置引出失电告警接点。目前现场的保护装置中采用的开关电源均设计有过电压保护、过电流保护、尖峰电压吸收回路，仅用来保护开关电源本身，开关电源自身有输出电压监视回路，用来实现失电告警功能，并通过保护装置引出失电告警接点。并没有针对继电保护装置开关电源易损坏的问题，提出行之有效的开关电源的监测方法，以实现进一步提高装置开关电源使用年限的目的，并便于开展开关电源使用寿命评估分析，与全资产寿命管理、装置终身免维护的要求存在一定差距。因此需要对开关电源的监测方法进行研究，以达到提升装置开关电源使用年限、便于开展开关电源使用寿命评估分析的目的。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种开关电源的监测方法及装置，通过获取电解电容温升来对电解电容的状态进行监测，并可以根据监测结果自适应投切备用的电解电容，以达到延长开关电源使用年限的目的；并通过对电源输出的实时监测和故障处理，达到降低继电保护装置误出口的目的。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种开关电源的监测方法，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路，包括步骤：

获取逆变电路输出端平波电解电容的温升，根据该温升判断电解电容是否正常；

若电解电容不正常，则投入备用电解电容；

按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值；

若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理。

进一步的，所述获取逆变电路中电解电容的温升包括：

监测该开关电源印制电路板的温度t₁；

根据该温度t₁计算得到印制电路板的温升Δt₁：

Δt₁＝t₁-t₀；

其中，t₀为开关电源开始工作时印制电路板的初始温度。

进一步的，所述根据该温升Δt₁计算得到电解电容的温升Δt₂，根据以下公式计算：

Δt₂＝Δt₁+T

其中，T为印制电路板温度与电解电容外壳温度差的平均值。

进一步的，所述根据该温升判断电解电容是否正常包括：

若Δt₂≤k，则该电解电容正常；

若Δt₂＞k，则该电解电容不正常；

其中，k为电容标准温升值。

进一步的，还包括，若电解电容正常，则仍采用该电解电容工作。

进一步的，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，包括：

若超出阈值的采样数据的个数为1，则采用前一个采样点的采样数据代替当前超出阈值的采样数据。

进一步的，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若超出阈值的采样数据的个数为2且该2个采样数据连续，则设置闭锁继电保护装置出口事件位，并闭锁出口第一延时时间T₂；

其中，开关电源为所述继电保护装置供电。

进一步的，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若该继电保护装置处于闭锁出口状态持续时间超过第二延时时间T₃，则设置电源自检出错事件位，并保持至开关电源重启；

其中，T₃＞T₂。

进一步的，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若该继电保护装置处于闭锁出口状态持续时间超过第一延时时间T₂且后续采样数据一直小于所述阈值，则清除闭锁继电保护装置出口事件位。

根据本发明的另一个方面，提供了一种开关电源的监测装置，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路，包括电解电容监测模块、备用电解电容投入模块、采样数据监测模块、以及故障处理模块；其中，

所述电解电容监测模块用于获取逆变电路中电解电容的温升，并根据该温升判断电解电容是否正常；

所述备用电解电容投入模块用于当电解电容不正常时投入备用电解电容；

所述采样数据监测模块用于按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值；

所述故障处理模块用于当有采样数据超出阈值时根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理。

综上所述，本发明提供了一种开关电源的监测方法及装置，通过获取电解电容温升来对电解电容的状态进行监测，并可以根据监测结果自适应投切备用的电解电容，以达到延长开关电源使用年限的目的；并对电源输出进行实时监测，判断电源输出采样数据是否超出预定阈值，并根据超出预定阈值采样数据的个数采用不同的故障处理策略，从而达到提升开关电源可靠性，防止开关电源异常，造成继电保护装置误出口的目的。通过根据电解电容温升判断电解电容是否正常，能够快速识别已经老化导致容量缩减的电解电容，并且能够迅速切换至备用的电解电容，从而避免了电容老化导致开关电源整体故障，延长了开关电源的使用寿命；对电源输出进行实时监测，判断电源输出采样数据是否超出预定阈值，并根据超出预定阈值采样数据的个数采用不同的故障处理策略，可以根据开关电源采样数据的情况判断开关电源的故障程度，并依据不同故障程度采取不同的故障处理策略，从而能够有针对性地进行故障处理，进而提升开关电源可靠性，防止开关电源异常，造成继电保护装置误出口的问题。

附图说明

图1是现有技术保护装置的电源供电方式示意图；

图2是现有技术中开关电源的插件内部原理框图；

图3是开关电源的电路原理示意图；

图4是本发明开关电源的监测方法的流程图；

图5是继电保护装置的硬件网络示意图；

图6是本发明开关电源的监测装置的构成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种开关电源的监测方法。图3示出了开关电源的电路原理示意图，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路。开关电源的电取自于外部交流电。外部的220V交流电经过EMC滤波器滤波后，由全桥整流电路将交流电变为直流电，然后经过逆变电路(例如图3中的开关电路)将直流变为脉动交流，然后再经过高频变压器将脉动交流电的电压降低，最后经过整流和滤波电路得到继电保护装置要求的直流电源，例如本实施例中的+24V和+5V。在该电路中设置例如由单片机实现的控制器，可以实现如下功能：对该开关电源输出直流电压的监测；输出PWM信号以控制开关电源中MOS管构成的双向导通开关的通断；对该开关电源的印制电路板温度进行监测，并将其换算为逆变电路中输出端平波电解电容的温度，以实现对电解电容状态的监测，并根据电解电容状态监测结果自动投切备用的电解电容。本实施例提供的监测方法的流程图如图4所示，包括如下步骤：

获取逆变电路中输出端平波电解电容的温升，根据该温升判断电解电容是否正常。本实施例中，通过对开关电源的印制电路板温度进行监测，并将其换算为电解电容的温度来获取电解电容的温升：

读取该开关电源开始工作时印制电路板的初始温度t₀；

监测该开关电源印制电路板的温度t₁：与开关电源连接的CPU在总线复位后，发出温度转换命令，进行测温，经过必要的转换时间后，读出测温结果t₁；

根据该温度t₁计算得到印制电路板的温升Δt₁：

Δt₁＝t₁-t₀；

根据该温升Δt₁计算得到电解电容的温升Δt₂，根据以下公式计算：

Δt₂＝Δt₁+T

其中，T为印制电路板温度与电解电容外壳温度差的平均值，是一个固定值，取值范围通常为0.5℃～5℃。可以按照以下方法获取该T的值：在开关电源正常工作温度范围内，通过在电解电容外壳预埋感温线的方法，获得电解电容的温度t₂’，通过测温芯片读出对应时刻的印制电路板温度t₁’，得到印制电路板温度与电解电容外壳温度差Δt₁’＝t₁’-t₂’，测若干组数据后，取平均值T。

根据该温升判断电解电容是否正常，通常情况下，当电解电容逐步老化，直至容量缩减时，电解电容的温度会出现一个较大温升，对应本实施例中的Δt₂，当温升Δt₂超过电容标准温升值时，则认定该电解电容已经出现容量缩减的情况，不宜再继续使用。电容标准温升值设置为k，k一般取值为8℃～15℃，具体判断为：

若Δt₂≤k，则该电解电容正常；

若Δt₂＞k，则该电解电容不正常。

若判定结果为电解电容不正常，则投入备用电解电容至开关电源中，取代已经出现容量缩减的电解电容，以延长开关电源的使用寿命。在本实施例中，例如采用开关DK1和DK2，分别将原电解电容C和备用电解电容C′连接至开关电源的输入回路中，该备用电解电容C′正常情况下仅充满电荷防止老化，不参与充放电滤波过程。当电解电容正常时，开关DK1接通，开关DK2断开，将原电解电容C连接至开关电源中，正常工作；当电解电容不正常时，开关DK2接通，开关DK1断开，将备用电解电容C′连接至开关电源的输入回路中以替代原电解电容C。

该方法还实现对直流输出电压的监测。按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值。根据实际的硬件回路，配置需要检测的直流输出回路数，并对每个需要检测的直流输出回路，配置采样的通道号、包括电源上限值k₁和电源下限值k₂的阈值。以5V电源为例，其中k₁可以取5.1～5.3，k₂可以取4.7～4.9。

若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，例如在A/D中断处理函数中，每当采集到有效的采样数据后，将瞬时值取绝对值与电源上限值和下限值进行比较，超出范围则认为开关电源插件出错。具体分为以下几种情况：

若超出阈值的采样数据的个数为1(可以用出错计数器实现)，则采用前一个采样点的采样数据代替当前超出阈值的采样数据。

若超出阈值的采样数据的个数为2且该2个采样数据连续，则设置闭锁继电保护装置出口事件位，并闭锁出口第一延时时间T₂(可以采用闭锁出口计数器实现)，T₂例如可以取50-150毫秒。

若该开关电源处于闭锁出口状态持续时间超过第二延时时间T₃，则设置电源自检出错事件位，并保持至开关电源重启，T₃例如可以取300-1000毫秒。其中，T₃＞T₂。

若该开关电源处于闭锁出口状态持续事件超过第一延时时间T₂且后续采样数据一直小于阈值，则清除闭锁继电保护装置出口事件位。

根据某些实施例，还可以提供继电保护装置与开关电源的通信，图5中示出了继电保护装置的硬件网络示意图，如图5所示，电源插件(即开关电源)的CPU与保护插件的CPU通过内部以太网通信，传输两个数值和一个状态：开关电源印制板温度和电解电容温度，以及电解电容状态。保护插件的CPU与人机接口插件的CPU通过内部以太网通信。人机接口插件的CPU通过外部以太网，与监控系统通信。监控系统除完成常规的功能外，还需要定期总召开关电源印制板温度和电解电容温度，以及电解电容状态，分别绘制开关电源印制板温度曲线和电解电容温度曲线，当电解电容自动投切为备用电解电容时，系统会特殊记录，提醒现场检修人员在本年度大修时，增加对相关保护装置开关电源插件的检测。监控系统开展的开关电源使用寿命评估分析可以打印输出文档，便于存档。

根据本发明的另一个方面，提供了一种开关电源的监测装置，该监测装置的构成框图如图6所示，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路，包括电解电容监测模块、备用电解电容投入模块、采样数据监测模块、以及故障处理模块。

所述电解电容监测模块用于获取逆变电路中电解电容的温升，并根据该温升判断电解电容是否正常；

所述备用电解电容投入模块用于当电解电容不正常时投入备用电解电容；

所述采样数据监测模块用于按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值；

所述故障处理模块用于当有采样数据超出阈值时根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理。

该装置中各模块实现对应功能的具体步骤与本发明第一个实施例中所提供的方法相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明涉及一种开关电源的监测方法及装置，通过获取输出端平波电解电容温升来对电解电容的状态进行监测，并可以根据监测结果自适应投切备用的电解电容，以达到延长开关电源使用年限的目的；并对电源输出进行实时监测，判断电源输出采样数据是否超出预定阈值，并根据超出预定阈值采样数据的个数采用不同的故障处理策略，从而达到提升开关电源可靠性，防止开关电源异常，造成继电保护装置误出口的目的。通过根据电解电容温升判断电解电容是否正常，能够快速识别已经老化导致容量缩减的电解电容，并且能够迅速切换至备用的电解电容，从而避免了电容老化导致开关电源整体故障，延长了开关电源的使用寿命；对开关电源输出进行实时监测，判断开关电源输出采样数据是否超出预定阈值，并根据超出预定阈值采样数据的个数采用不同的故障处理策略，可以根据开关电源采样数据的情况判断开关电源的故障程度，并依据不同故障程度采取不同的故障处理策略，从而能够有针对性地进行故障处理，进而提升开关电源可靠性，防止开关电源异常，造成继电保护装置误出口的问题。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种开关电源的监测方法，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路，其特征在于，包括步骤：

获取逆变电路输出端平波电解电容的温升，根据该温升判断电解电容是否正常；

若电解电容不正常，则投入备用电解电容；

按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值；

若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取逆变电路中电解电容的温升包括：

监测该开关电源印制电路板的温度t₁；

根据该温度t₁计算得到印制电路板的温升Δt₁：

Δt₁＝t₁-t₀；

其中，t₀为开关电源开始工作时印制电路板的初始温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据该温升Δt₁计算得到电解电容的温升Δt₂，根据以下公式计算：

Δt₂＝Δt₁+T

其中，T为印制电路板温度与电解电容外壳温度差的平均值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据该温升判断电解电容是否正常包括：

若Δt₂≤k，则该电解电容正常；

若Δt₂>k，则该电解电容不正常；

其中，k为电容标准温升值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，若电解电容正常，则仍采用该电解电容工作。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，包括：

若超出阈值的采样数据的个数为1，则采用前一个采样点的采样数据代替当前超出阈值的采样数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若超出阈值的采样数据的个数为2且该2个采样数据连续，则设置闭锁继电保护装置出口事件位，并闭锁出口第一延时时间T₂；

其中，开关电源为所述继电保护装置供电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若该继电保护装置处于闭锁出口状态持续时间超过第二延时时间T₃，则设置电源自检出错事件位，并保持至开关电源重启；

其中，T₃>T₂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述若有采样数据超出阈值，则根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理，还包括：

若该继电保护装置处于闭锁出口状态持续时间超过第一延时时间T₂且后续采样数据一直小于所述阈值，则清除闭锁继电保护装置出口事件位。

10.一种开关电源的监测装置，所述开关电源包括变压器、连接于变压器原边的逆变电路以及连接于变压器副边的整流电路，其特征在于，包括电解电容监测模块、备用电解电容投入模块、采样数据监测模块、以及故障处理模块；其中，

所述电解电容监测模块用于获取逆变电路中电解电容的温升，并根据该温升判断电解电容是否正常；

所述备用电解电容投入模块用于当电解电容不正常时投入备用电解电容；

所述采样数据监测模块用于按照预设的采样频率对开关电源的直流输出电压进行采样，并判断每一个采样数据是否超出阈值；

所述故障处理模块用于当有采样数据超出阈值时根据超出阈值的采样数据的个数进行故障处理。

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