CN207572979U - 一种智能控制电源防晃电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能控制电源防晃电装置，其包括与电源智能管理模块和超级电容智能管理模块；所述电源智能管理模块包括核心处理部分、控制电压测量与监视部分、直流升压与逆变控制部分、逆变回路测量与监视部分、电源切换与反向电势吸收部分；所述超级电容智能管理模块包括智能超级电容充电与管理部分。本实用新型能够有效的避免电源发生晃电时对负载端和控制电源造成的冲击和过压问题，实现逆变电源与控制电源的快速切切换。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种电源保护装置，特别是涉及一种智能控制电源防晃电装置。
【背景技术】
目前，工业控制回路中大量使用交流接触器等控制元件，当电源波动时，会造成交流接触器脱扣，影响控制回路的正常运行。因此，在电源控制装置中需要增加防晃电功能。现有技术中常用的防晃电技术方案是离线式的UPS(即不间断电源)，请参照附图12，其主要包括：1)电池充电电路部分，电池充电电路主要负责对蓄电池组进行充电，当控制电源电压正常时，充电电路将交流电整流成直流电压，对电池组进行充电，一般以先恒流再恒压的充电方式，其充电电压一般是可设定的；2)蓄电池组，蓄电池组一般为多节蓄电池组串并联组成，构成了储能单元，蓄电池的容量一般按UPS的容量和负载需要后备电源的工作时间确定；3)直流/交流逆变电路，直流/交流逆变电路，主要负责将蓄电池的直流电压逆变成交流电压；4)切换电路，主要负责监视控制电源电压和切换功能，当控制电源异常时，切换电路断开控制电源后接通逆变电源，蓄电池放电为负载供电；当控制电源恢复正常时，切换电路断开逆变电源后切换到控制电源供电；5)滤波电路滤波电路主要是抑制切换过程中或正常工作过程中，电压的波形闪变和干扰。
现有技术中的上述方案存在以下缺点：1)蓄电池组工作温度窄，且单节电池出现异常时影响其他电池对负载的继续供电；2)逆变电源输出的交流电压和控制电源电压不同步，切换过程存在瞬态过电压，尤其是负载为感性负载时，容隐引起设备和负载损坏；3)无法提供切换过程中的数据信息，无法分析动作过程事件；4)可靠性较差，无智能管理功能，无法监视充电的特征曲线等。
因此，有必要提供一种新的智能控制电源防晃电装置来解决上述问题。
【实用新型内容】
本实用新型的主要目的在于提供一种智能控制电源防晃电装置，能够有效的避免电源发生晃电时对负载端和控制电源造成的冲击和过压问题，实现逆变电源与控制电源的快速切切换。
本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种智能控制电源防晃电装置及其控制方法，其包括与控制电源输出端连接的且设置有电源输出端的电源智能管理模块、与所述电源智能管理模块连接的超级电容智能管理模块；所述电源智能管理模块包括核心处理部分，该部分包括微处理器及外围电路；控制电压测量与监视部分，对所述控制电源的输入端的电压大小、频率以及所述电源输出端的电流大小进行监测；直流升压与逆变控制部分，该部分将所述超级电容智能管理模块中的储存能量经过高频升压后，再经过逆变电路处理成和控制电源同频率、同相位以及同幅值的电能输出；逆变回路测量与监视部分，该部分对所述直流升压与逆变控制部分的逆变电压和频率进行实时监测，并将其采集结果传送至所述核心处理部分；电源切换与反向电势吸收部分，该部分通过切换电路对控制电源和所述直流升压与逆变控制部分输出的逆变电源对负载的供电进行快速切换；所述超级电容智能管理模块包括智能超级电容充电与管理部分，当控制电源无法正常工作时，该部分将储能转化成电压为装置供电。
与现有技术相比，本实用新型一种智能控制电源防晃电装置及其控制方法及其控制方法的有益效果在于：采用复合因子判断的同步锁相算法将超级电容储能的直流能量逆变成和控制电源快速同步，并作为控制电源的后备电源；当控制电源发生晃电时，逆变电源迅速切换并输出到负载端，保证负载的连续工作；控制电源恢复后，逆变电源通过同步锁相算法进行逆变调节，使逆变电源与控制电源再同步，然后切换成系统控制电源供电；充分保证整个切换过程中对负载和设备的冲击最小，负载电压连续，避免由于感性负载的反向电动势引起的暂态过压问题；本装置将切换过程中的控制电压、逆变电压等波形保存到USB存储器并显示到人机界面，提供完善的事故记录与波形分析，精确的获得电压波动时间，波动幅值和相位变化；采用的N+1方式的超级电容管理模块，每个管理模块管理超级电容的充电、监视其温升以及故障情况，如果发生异常自动短接输出，不影响其他模块，保证了储能的可靠与稳定。
【附图说明】
图1为本实用新型实施例的模块化控制原理示意图；
图2为本实用新型实施例中超级电容智能管理模块的控制原理示意图；
图3为本实用新型实施例的控制方法流程示意图；
图4为本实用新型实施例中控制电源测量与监测逻辑控制流程示意图；
图5为本实用新型实施例中负载运行识别与状态识别逻辑控制流程示意图；
图6为本实用新型实施例中同步锁相算法与逆变输出逻辑控制流程示意图；
图7为本实用新型实施例中直流电压与逆变电源测量监测逻辑控制流程示意图；
图8为本实用新型实施例中晃电监视与切换逻辑控制流程示意图；
图9为本实用新型实施例中再同步与控制电源回切逻辑控制流程示意图；
图10为本实用新型实施例中晃电波形数据与事件存储记录逻辑控制流程示意图；
图11为本实用新型实施例中SCB通讯与监测逻辑控制流程示意图；
图12为现有技术的模块化控制原理示意图。
【具体实施方式】
实施例：
请参照图1，本实施例为智能控制电源防晃电装置，其包括与控制电源输入端连接(即附图1中的控制电源AC220V输入)的并设置有电源输出端(即附图1中的AC220V输出)的电源智能管理模块A、与电源智能管理模块A连接的超级电容智能管理模块B。所述电源智能管理模块A包括核心处理部分a、控制电压测量与监视部分b、直流升压与逆变控制部分c、逆变回路测量与监视部分d以及电源切换与反向电势吸收部分e；所述超级电容智能管理模块B包括智能超级电容充电与管理部分f。
所述核心处理部分a主要包含微处理器及外围电路、AC/DC电源转换及储能电路、USB读取与存储电路、对外部监控系统的数据通讯接口、触屏显示及LED指示部分、与所述超级电容智能管理模块B连接的通讯接口电路。
微处理器及外围电路作为装置的核心部件，主要实现各种数据量的采集与分析，经过算法实现本实用新型的控制功能。AC/DC电源转换及储能电路，主要作用是为装置提供弱电电源，其储能部分是当控制电源发生电压降低或电压晃电时，其储能能量可提供装置继续稳定工作，VCC为AC/DC经过储能回路后输出的装置供电电压，Ucap为储能电容的电压。USB读取与存储电路，负责存储装置记录的波形数据、动作记录等信息，形成文件后将其存储在U盘中，方便用户分析事故记录，USB的控制通过SPI总线和微处理器进行通讯和控制。数据通讯接口，主要是通过微处理器及外围电路与其连接，进行对外的数据交换，将装置的测量信息、动作信息及自我检测信息以及监控系统的控制命令等进行数据交换，实现装置的智能化，数据通讯接口和微处理器的串口UART1连接。触屏显示及LED指示部分作为装置的人机交互部分，其重要作用是显示装置的各种数据和信息、提供用户参数设定界面等。与超级电容智能管理模块B进行通讯的通讯接口电路为RS485通讯接口，即附图1中的RS485通讯接口电路，主要通过RS485通讯，实现对超级电容的充电情况(包括充电电流和充电电压)、超级电容的温度、充电电路的温度等信息进行智能管理和检测。
请参照附图1控制电压测量与监视部分b，主要负责监测控制电源输入端的电压大小、频率以及电源输出端的电流大小。控制电压测量与监视部分b包括与控制电源输入端连接的电压互感器TV1、与电压互感器TV1连接的控制电压采集及频率测量电路以及设置在所述电源输出端的电流互感器TA，控制电压采集及频率测量电路和电流互感器TA均与所述微处理器及外围电路连接。电压互感器TV1的作用是起到强弱电的隔离。电流互感器TA的作用是对信号的进行变换。电压互感器TV1将控制电压和控制电压的频率变换为微处理器可以接受和识别的信号Uac1和Freq1，电流互感器TA将电流信号变换成Iac，Uac1、Freq1和Iac三个信号被输入到微处理器中的模数转换接口。
直流升压与逆变控制部分c，主要由宽输入直流升压电路(DC/DC升压)、逆变电路(DC/AC)、低通滤波器以及逆变电压输出继电器J1构成。宽输入直流升压电路将VDC+、VDC-输入的幅值较低的直流电压经过高频升压后变换为电压为DC400V左右的直流电压，满足逆变AC220V所需要的直流电压。逆变电路主要负责将DC400V逆变成交流220V，逆变电路受微处理器的NBctr控制，可由微处理控制逆变电路控制逆变电压的频率和电压幅值大小，低通滤波器的主要作用是将逆变电压的高频部分滤除掉，使其输出电压的波形更接近正弦波，同时减小逆变电压输出时对外部电路的干扰。逆变电压输出继电器J1的主要作用是提供逆变电路和电源切换与反向电势吸收部分e中的切换电路提供电气隔离，当逆变回路、升压回路异常时，微处理器控制输出继电器J1断开继电器触点J1A和J1B，使逆变部分和切换电路完全断开，不影响控制电压的正常输出和绝缘。当升压和逆变部分正常时，微处理器控制输出继电器J1闭合J1A、J1B，使逆变电压输出到切换带电路中，保证控制电压发生异常时，切换电路迅速的将逆变电压投入到负载端。
逆变回路测量与监视部分d，其包括直流电压测量电路、逆变电压和频率采集回路。直流电压测量电路与超级电容智能管理模块B的输入电压端和输出电压端连接，测量外部超级电容智能管理模块B输入的电压VDC和直流升压电路输出的400V电压，其输出的Udc和Uh是已经被直流电压测量电路变换后可被微处理器接收的电压信号，进入到微处理器的模数转换部分。逆变电压和频率采集回路包括电压互感器TV2和逆变电压采集及频率测量电路，电压互感器TV2的两个连接端分别与逆变电压输出继电器J1的两个继电器触点J1A和J1B连接；电压互感器TV2的另外两个连接端与逆变电压采集及频率测量电路连接，逆变电压经过转换后输出幅值Uac2和频率值Freq2到微处理器。
电源切换与反向电动势吸收部分e，其包括切换电路、与切换电路连接的反向电动势吸收电路。切换电路的功能主要是负责控制电源和逆变电源对负载供电的切换。切换电路包括开关K1、K2、与开关K1并联的开关S3、与开关K2并联的开关S4、以及开关S1和S2。开关K1的一端与控制电源一输入端连接且另一端与反向电动势吸收电路连接，开关K2的一端与控制电源另一输入端和微处理器的输入控制信号连接，且另一端与反向电动势吸收电路连接。优选的，开关K1、K2为机械开关；开关S1、S2、S3以及S4为电子开关。开关S1的一端与逆变电压输出继电器J1的继电器触点J1A连接，另一端与反向电动势吸收电路的输入端连接。开关S2的一端与逆变电压输出继电器J1的继电器触点J1B连接，另一端与反向电动势吸收电路的输入端连接。初始状态下，机械开关K1、K2处于闭合状态，电子开关S1～S4为断开状态。装置经过自动检测无异常后，先闭合S3、S4，然后断开K1、K2。当微处理器识别出控制电压异常后，输出控制信号QHctr，断开S3、S4，经过小延时确认，闭合S1、S2，使逆变电压对负载供电；当控制电压恢复正常或防晃电的时间到后，控制信号QHctr使S1、S2断开，经过小延时后，闭合S3、S4，恢复控制电压供电。反向电动势吸收电路，主要的作用：1)抑制控制电源的浪涌电压对负载的危害；2)抑制切换电路在切换过程引起的反向感应电动势对设备的危害。
请参照图2，智能超级电容充电与管理部分f，主要由N+1个智能超级电容管理模块(SCB)构成，N+1数量为用户需要防晃电的支撑容量来计算N的大小。SCB的实现原理图见图2。SCB超级电容智能管理模块，具备可调节的充电电流和充电电压，同时监测超级电容的温度、充电电路的温度，充电电流大小、充电电压的大小。并具备超级电容过热保护、充电异常保护、充电电路过热和短路保护，当微处理器监测出异常时，控制信号QHctr使继电器J1的常闭接点J1A和J1B断开，切断电容电压回路对外输出，短接输出端子，不影响其他SCB模块的能量输出。当微处理器未检测出异常，则控制信号QHctr使继电器J1的常开接点J1A和J1B闭合，超级电容回路对外输出电压。SCB的电源部分由AC/DC模块和DC/DC模块构成，外部供电(L，N)电压正常时，AC/DC对装置提供电源，当外部供电电压降低AC/DC无法工作时，DC/DC将超级电容储存的能量变化成电压，为装置提供供电电压。
请参照图3本实施例智能控制电源防晃装置的控制方法，其包括以下步骤：
S1：主程序开始；
S2：初始化程序；
S3：执行控制电源测量与监测逻辑；
S4：执行负载运行识别与状态识别逻辑；
S5：执行同步锁相算法与逆变输出逻辑；
S6：执行直流电压与逆变电源测量监测逻辑；
S7：执行晃电监视与切换逻辑；
S8：执行再同步与控制电源回切逻辑；
S9：晃电波形数据与事件存储记录；
S10：执行SCB模块通讯与监测逻辑。
其中，请参照图4，所述步骤S3控制电源测量与监测逻辑主要测量控制电压幅值Uac1和频率Freq1，通过数模转换和测量计算出对应的幅值大小FUAC1和频率大小F1。控制电源在正常工作的情况下，电压幅值的范围应该在0.85～1.15Ue范围内，其中Ue是指控制电源的额定电压，一般为220V。频率F1的正常工作范围应该在49.5～50.5Hz范围内。如果电压和频率都在正常范围内，则控制电源的异常标志KZErrFlag应该为0，否则KZErrFlag被置1。如果控制电源异常标志KZErrFlag被置1，后续的逻辑中会检测此状态，停止晃电判断和切换逻辑。同时，该功能逻辑中还对装置内部的储能电压进行了监测，如果内部储能电压FUCAP小于12V，则认为装置储能为满足，如果长时间小于12V，则充电异常标志CHRErrFlag会置1。
具体的，所述步骤S3控制电源测量与监测逻辑包括以下步骤：
S301：通过数模转换读取Uac1采样点，并储存到datbuf1中；
S302：读取datbuf1中24个数据，并用傅立叶变换计算Uac1的幅值FUAC1；
S303：通过高速输入接口读取Freq1的上升沿，并计算高速输入时间Tr1；
S304：将捕捉时间Tr1存储到datbuf2中，读取上一次的Tr1’，计算控制电压频率值F1；
S305：启动ADC转换计算超级电容储能电压Ucap的幅值大小FUCAP；
S306：判断FUAC1是否大于0.85Ue，且FUAC1是否小于1.15Ue，其中Ue是指控制电源的额定电压；
S307：若步骤S306的结果是肯定的，则判断F1是否大于49.5Hz且F1是否小于50.5Hz，若是，则设置控制电源的异常标志KZErrFlag和KZFcou均等于0，再执行步骤S308；
S308：判断FUCAP是否大于12V，若是则设置充电异常标志CHRErrFlag和CHRcou均等于0，且结束控制电源测量与监测逻辑；否则，执行步骤S309；
S309：判断充电异常标志CHRErrFlag是否等于1，若是，则结束控制电源测量与监测逻辑；若不是，则储能计数器CHRcou＝CHRcou+1，
S310：判断CHRcou是否大于充电异常计数，若是，则设置充电异常标志CHRErrFlag等于1，并结束控制电源测量与监测逻辑；否则，直接结束控制电源测量与监测逻辑；
S311：若步骤S306或步骤S307的结果是否定的，则判断控制电源异常标志KZErrFlag是否等于1，若是，则结束控制电源测量与监测逻辑；若不是，则控制电异常计数器KZFcou＝KZFcou+1；
S312：判断KZFcou是否大于控制电异常计数，若是，则设置控制电源异常标志KZErrFlag等于1，并结束控制电源测量与监测逻辑；否则，直接结束控制电源测量与监测逻辑。
请参照图5，所述步骤S4负载运行识别与状态识别逻辑，当控制电压正常(KZErrFlag为0)并且装置内部储能充电也无异常(CHRErrFlag为0)时，检测负载电流Iac的幅值FIAC大小，如果FIAC大于0.05Ie则认为控制电源带有负载工作，如果小于0.05Ie则认为没有负载工作，其中，Ie是控制电源的额定电流。控制电源有负载工作时，负载运行计数器FZRcou累加，大于负载运行确认计数后，负载运行标志FZRunFlag置1。如果负载电流Iac的幅值FIAC大于1.5Ie，则认为出现了过载情况，此时负载过载标志FZOCFlag被置1。具体的包括以下步骤：
S401：启动数模转换ADC转换读取Iac采样点，并存储到datbuf3中；
S402：读取datbuf3中并用傅立叶变换计算Iac1的幅值FIAC；
S403：判断控制电源异常标志KZErrFlag和充电异常标志CHRErrFlag是否都等于1，若是，则结束负载运行识别与状态识别逻辑，若不是，则执行步骤S404；
S404：判断FIAC是否大于0.05Ie，其中Ie是控制电源的额定电流，若是，则执行步骤S405；否不是，则设置负载运行标志FZRunflag等于0，并结束负载运行识别与状态识别逻辑；
S405：判断负载运行标志FZRunflag是否等于1，若是，则执行步骤S407，若不是，则负载运行计数器FZRcou＝FZRcou+1，并执行步骤S406；
S406：判断FZRcou是否大于负载运行确认计数，若是则设置负载运行标志FZRunflag等于1，再执行步骤S407，若不是，则直接执行步骤S407；
S407：则判断幅值FIAC是否大于1.5Ie，若是，则执行步骤S408，否则，设置负载运行标志FZRunflag等于0，再结束负载运行识别与状态识别逻辑；
S408：判断负载过载标志FZOCFlag是否等于1，若是则结束结束负载运行识别与状态识别逻辑，若不是，则负载过载计数器FZOCcou＝FZOCcou+1，并执行步骤S409；
S409：判断FZOCcou是否大于过载确认计数，若是则设置负载过载标志FZOCFlag等于1，否则结束负载运行识别与状态识别逻辑；若不是，则直接结束负载运行识别与状态识别逻辑。
请参照图6，所述步骤S5同步锁相算法与逆变输出逻辑的主要功能是实现逆变电压和控制电源的电压同频率、同相位以及同幅值，以便在晃电切换时，保证对负载和切换电路的冲击最小。在进行同步锁相前，先判断控制电压和储能情况是否正常(KZErrFlag和CHRErrFlag都为零)，负载已经运行且没有过载情况(FZRunFlag为1且FZOCFlag为0)。逆变电压输出的初始状态下，先控制NBctr逆变输出电压的幅值为控制电源的幅值FUAC1和控制电源的频率F1，相位初始角度为0度，输出1s后检测输出的逆变电压FUAC2和频率F2是否与设定初值相等(两者差值小于设定误差)，如果相等则认为正常，不相等则认为异常。输出正常后，将逆变输出标志ACInvRunFlag置1，逆变异常标志ACInvErrFlag置0；如果异常，则变输出标志ACInvRunFlag置0，逆变异常标志ACInvErrFlag置1。
本实施例采用同步锁相算法，包括以下步骤：
1)计算出逆变电压和电源电压之间的相角差dJ、频率差dF和幅值差dV；
具体的，dF为逆变频率和控制电源频率差值，dF＝Freq2-Freq1；dJ为逆变频率和控制电源角度差值，dJ＝arg(FUAC2)-arg(FUAC1)，arg为角度计算符号，程序内部采用傅里叶计算公式，通过求角度算法实现；dV为逆变电压幅值与控制电压幅值的差值，dV＝FUAC2-FUAC1；
2)计算频率、角度、幅值调整因子：
频率调整因子YF＝dF/dF0；
角度调整因子YJ＝dJ/dJ0；
幅值调整因子YV＝dV/dV0；
其中，dF0为频率差值门槛设定值；dJ0角度差值门槛设定值；dV0幅值差值门槛设定值。
3)计算复合因子Y＝0.5*|YF|+0.3*|YJ|+0.2*|Yv|；
其中YF的占比为50％，YJ的占比为30％；YJ的占比为20％。三者的比例充分的考虑到了频率、角度和幅值三者对晃电切换时切换过程影响的大小。如果复合因子Y>1表明，逆变电源和控制电源的同步误差已经超过了允许范围，算法会寻找YF，YJ，Yv三者最大的进行调节，保证快速调节误差，使复合因子Y<1，并将逆变同步锁定标志ACInvLockFlag置1，表明逆变电压已经和控制电压的同步误差已经限定在设定的误差范围内。
具体的，所述步骤S5同步锁相算法与逆变输出逻辑，其包括以下步骤：
S501：判断控制电源异常标志KZErrFlag和充电异常标志CHRErrFlag是否都等于1，若是，则结束同步锁相算法与逆变输出逻辑，若不是，则进行下一步；
S502：判断负载运行标志FZRunflag是否等于1且负载过载标志FZOCFlag是否等于0，若不是则结束同步锁相算法与逆变输出逻辑，若是，则进行下一步；
S503：判断逆变运行标志ACInvRunFlag是否等于1，若不是则结束同步锁相算法与逆变输出逻辑，若是，则进行下一步；
S504：判断直流异常标志DCErrFlag是否等于1，若是则结束同步锁相算法与逆变输出逻辑，若不是，则进行下一步；
S505：设定逆变电压初始值：即初始幅值为FUAC1，初始相角为0，初始频率为F1；
S506：启动NBctr控制逆变回路工作，延时1s后，检测逆变输出电压是否正常；
S507：判断逆变电源Uac2和逆变频率Freq2是否正常，若是，则设置逆变异常标志ACInvErrFlag等于1，再结束同步锁相算法与逆变输出逻辑，若不是，则设置ACInvRunFlag等于1，设置ACInvErrFlag等于0；
S508：计算逆变电压与控制电压的频差dF、角差dJ和压差dV，dF＝Freq2-Freq1；dJ＝arg(FUAC2)-arg(FUAC1)；dV＝FUAC2-FUAC1；
S509：计算复合调整因子Y＝0.5*|YF|+0.3*|YJ|+0.2*|Yv|，其中YF＝dF/dF0，YJ＝dJ/dJ0，YV＝dV/dV0；
S510：判断复合调整因子Y是否大于1，若是，则进行下一步，若不是，则设置逆变同步锁定标志ACInvLockFlag等于1，再结束同步锁相算法与逆变输出逻辑；
S511：设置逆变同步锁定标志ACInvLockFlag等于0；
S512：判断频率调整因子YF是否大于MAX{YJ，Yv}，若是，则执行步骤S513，若不是，则执行步骤S514；
S513：若YF大于0，则按照dF0的步长减小逆变电压频率；若YF小于0，则按照dF0的步长增加逆变电压频率；
S514：判断角度调整因子YJ是否大于MAX{YF，Yv}，若是，则执行步骤S515，若不是，则执行步骤S516；
S515：若YJ大于0，则按照0.5倍dJ0的步长减小逆变电压频率；若YJ小于0，则按照0.5倍dJ0的步长增加逆变电压频率；
S516：判断幅值调整因子Yv是否大于MAX{YF，YJ}，若是，则执行步骤S517，若不是，则结束同步锁相算法与逆变输出逻辑；
S517：若Yv大于0，则按照0.2倍dV0的步长减小逆变电压频率；若Yv小于0，则按照0.2倍dV0的步长增加逆变电压频率，然后结束同步锁相算法与逆变输出逻辑。
请参照图7，所述步骤S6直流电压与逆变电源测量监测逻辑的逻辑流程，当逆变电源输出时(ACInvRunFlag标志为1)，系统需要检测储能电压Udc和直流升压电压Uh是否正常，如果出现异常将设置报警标志。算法首先启动ADC转换储能电压Udc和直流电压Uh并存储到数据缓冲区databuf4，databuf5中，然后计算其幅值的大小。如果Udc<Udclset或者Uh<Uhlset，则经过DCErrcou计数确认后，直流异常标志DCErrFlag会被置1，同时控制NBctr关闭逆变电压输出，保证逆变电路不出现损坏。同时逆变运行标志ACInvRunFlag标志设置为0，表明逆变电压输出运行已经停止工作。
所述步骤S6直流电压与逆变电源测量监测逻辑具体包括以下步骤：
S601：判断控制电源异常标志KZErrFlag和充电异常标志CHRErrFlag是否都等于1，若是，则结束流电压与逆变电源测量监测逻辑，若不是，则进行下一步；
S602：判断负载运行标志FZRunflag是否等于1且负载过载标志FZOCFlag是否等于0，若不是则结束流电压与逆变电源测量监测逻辑，若是，则进行下一步；
S603：判断逆变运行标志ACInvRunFlag是否等于1，若不是则结束流电压与逆变电源测量监测逻辑，若是，则进行下一步；
S604：启动ADC转换读取储能模块电压Udc采样点，并储存到databuf4中，读取升压模块输出电压Uh采样点，并储存到databuf5中；
S605：计算输出的储能电压Udc和升压模块输出电压Uh的幅值大小；
S606：判断储能电压Udc是否小于最小设定值Udclest，若是，则执行步骤S608，若不是，则执行步骤S607；
S607：判断直流升压电压Uh是否小于最小设定值Uhlest，若是，则执行步骤S608，若不是，则设置直流异常标志DCErrFlag等于0，再结束流电压与逆变电源测量监测逻辑；
S608：判断直流异常标志DCErrFlag是否等于1，若是，则结束流电压与逆变电源测量监测逻辑，若不是，则进行下一步；
S609：直流异常计数器DCErrcou＝DCErrcou+1；
S610：判断DCErrcou是否大于异常确认计数，若不是，则结束流电压与逆变电源测量监测逻辑，若是，则关闭NBctr使逆变电压输出停止工作，并设置直流异常标志DCErrFlag等于1，逆变运行标志ACInvRunFlag等于0，再结束流电压与逆变电源测量监测逻辑。
请参照图8，所述步骤S7晃电监视与切换逻辑的逻辑流程图，其主要作用是在控制电源正常、逆变电源输出正常且直流电压也正常的情况下，监视控制电源是否发生突然降低，如果降低将立即控制切换电路将与其同步的逆变电源切换到负载上，保证负载的连续稳定运行。系统先计算控制电压的突变量大小dFUAC1，如果控制电压突变量dFUAC1>20％Ue或者控制电压FUAC1<80％Ue，则认为控制电压出现了异常，经过电压变化计数器VolSudcou的计数确认后，电压变化标志VoltSudFlag被置1，同时控制QHctr信号控制切换电路进行开关切换(先打开电子开关S3、S4，经过2ms延时后闭合电子开关S1、S2)，使控制电源回路被断开，逆变电源回路被投入到负载上，保证负载供电。由于逆变电源是与电压跌落前控制电源同步，因此切换后负载的电压依然和控制电压运行一样不受影响。
所述步骤S7晃电监视与切换逻辑的具体步骤包括：
S701：判断KZErrFlag、CHRErrFlag以及DCErrFlag是否都等于1，若是，则结束晃电监视与切换逻辑，若不是，则进行下一步；
S702：判断FZRunflag是否等于1且FZOCFlag是否等于0，若不是则结束晃电监视与切换逻辑，若是，则进行下一步；
S703：判断ACInvRunFlag和ACInvLockFlag是否等于1，若不是则结束晃电监视与切换逻辑，若是，则进行下一步；
S704：判断电压切换标志VoltSwFlag是否等于1，若是，则结束晃电监视与切换逻辑，若不是，则进行下一步；
S705：判断电压变化标志VoltSudFlag是否等于1，若不是，则计算FUAC1的突变量dFUAC1大小，若是，则执行步骤S708；
S706：判断dFUAC1是否大于20％Ue同时小于80％Ue，若是，则电压变化计数器VolSudcou＝VolSudcou+1，若不是，则设置VolSudcou等于0，再结束晃电监视与切换逻辑；
S707：判断VolSudcou是否大于电压变化确认计数，若是，则设置电压变化标志VoltSudFlag等于1，再执行步骤S708，若不是，则直接执行步骤S708；
S708：控制QHctr信号，使开关S3、S4打开，延迟2ms后关闭S1、S2；
S709：设置电压切换标志VoltSwFlag等于1，晃电维持计数器HDBakcou等于0，再结束晃电监视与切换逻辑。
请参照图9，所述步骤S8再同步与控制电源回切逻辑的流程控制图，当逆变电源给负载供电时，在一定时间(内晃电支撑计数器HDBakcou<晃电支撑计数)如果控制电源恢复正常(FUAC1>0.85Ue)，则系统开始计算逆变电压和控制电压的频差dF、角差dJ和压差dV。如果三者的误差都在设定的范围内dF<dF0、dJ<dJ0、dV<dV0则系统控制QHctr使电子开关S1、S2打开断开逆变电源对负载供电，2ms延时后闭合电子开关S3、S4使控制电源对负载供电。如果三者的误差都大于设定范围，则控制NBctr进行同步过程，同步过程和同步锁相与逆变输出控制相同。同步不成功，并且晃电支撑计数器HDBakcou>晃电支撑计数时，直接执行切换，控制QHctr使电子开关S1、S2打开断开逆变电源对负载供电，2ms延时后闭合电子开关S3、S4使控制电源对负载供电。采用复合因子方法判断的逆变电源与控制电源同步方法，该同步方法充分的考虑了频差、角差和压差在切换过度过程中的影响，具备同步速度快，切换过度过程冲击小的特点。
所述步骤S8再同步与控制电源回切逻辑具体的包括以下步骤：
S801：判断电压切换标志VoltSwFlag是否等于1，若是，进行下一步，若不是，则结束同步与控制电源回切逻辑；
S802：判断HDBakcou是否大于晃电支撑确认计数，若是则执行步骤S806，若不是则进行下一步；
S803：判断FUAC1是否大于0.85Ue，若是，则进行下一步，若不是，则结束同步与控制电源回切逻辑；
S804：计算逆变电压与控制电压的频差dF、角差dJ和压差dV，dF＝Freq2-Freq1；dJ＝arg(FUAC2)-arg(FUAC1)；dV＝FUAC2-FUAC1；
S805：判断dF>dF0、dV>dV0、dJ>dJ0是否都成立，若是，则控制NBctr是逆变电压FUAC2与控制电压FUAC1同步(即同频、同相、同角度)，再结束同步与控制电源回切逻辑；若不是都成立，设置晃电动作标志HDTrpFlag等于1，再则执行步骤S806；
S806：控制QHctr信号，使开关S1、S2打开，延时2ms后闭合S3、S4；
S807：设置电压切换标志VoltSwFlag等于0，再结束同步与控制电源回切逻辑。
请参照图10，所述步骤S9晃电波形数据与事件存储记录逻辑流程图，控制电源电压发生变化时(电压变化标志VoltSudFlag为1)，系统会启动晃电波形数据和事件记录功能。记录首先读取数据记录指针PC，然后将发生电压变化的精确时间从实时时钟中读取出来，写入到时间缓冲区Timbuf中，然后读取控制电压FUAC1、逆变电压FUAC2和储能电压Udc的ADC采样数据，写入到记录缓冲区。电压切换标志VoltSwFlag和晃电动作标志HDTrpFlag都为1时，继续填充记录数据直到本次记录缓冲区满，然后通过USB口将记录波形和事件写入到U盘储存器，并通过人机界面显示出晃电的记录波形。本实用新型在控制电源发生变化，同步的逆变电源切换过程的同时记录控制电源的波形、逆变电源的波形以及储能电压的波形，具备较强分析和记录事故的能力。
所述步骤S9晃电波形数据与事件存储记录逻辑具体的包括以下步骤：
S901：判断电压变化标志VoltSudFlag是否等于1，若是，则进行下一步，若不是，则结束晃电波形数据与事件存储记录逻；
S902：判断数据记录标志DatRecFlag是否等于1，若是，则执行步骤S905；若不是，则读取数据记录指针PC，读取实时时钟，记录电压扰动的精确时间，写入Timbuf中；
S903：读取控制电压FUAC1、逆变电压FUAC2和直流电压Udc采样点，按记录指针PC记录到缓冲区；
S904：判断电压切换标志VoltSwFlag是否等于1，若是，则设置数据记录标志DatRecFlag等于1，若不是，则结束晃电波形数据与事件存储记录逻；
S905：判断晃电动作标志HDTrpFlag是否等于1，若是，则继续读取数据，直到数据缓冲区满，结束一次数据记录，若不是，则结束晃电波形数据与事件存储记录逻；
S906：设置数据记录标志DatRecFlag等于0，数据记录指针PC＝PC+1；
S907：将缓冲区数据写入到USB存储器，并通过触摸屏显示出晃电的波形，再结束晃电波形数据与事件存储记录逻。
请参照图11，所述步骤S10SCB通讯与监测逻辑流程图，超级电容充电模块具备通讯接口，电源管理部分可以通过通讯接口将超级电容的充电电流Icap、充电电压Ucap和超级电容温度Tcap，充电电路的温度Tch实时的读取出来，根据SCB1～SCBN历史充电电流、充电电压和充电温度，计算出SCB1～SCBN平均充电特征曲线。这些统计数据可以为超级电容的充电特性变化和充电情况提供十分可靠的分析数据。本装置采用N+1组合方式的独立智能超级电容充电模块SCB作为储能元件实现储能，并具备每个智能超级电容充电模块的充电特征进行实时监测，并形成充电特征曲线，传统的储能模式一般为蓄电池组或超级电容模组作为储能元件。
所述步骤S10SCB通讯与监测逻辑具体的包括以下步骤：
S1001：依次从第一个SCB1到第N个SCBN开始判断读取标志RdScb1Flag至RdScbNFlag是否等于1，若是，则判断第i+1个SCB，当判断完最后一个后，则进行下一步；若不是，则读取该SCBi(i＝1，2，3，……，N)的充电电流Icap、充电电压Ucap、超级电容温度Tcap和充电电路温度Tch，设置SCBi异常信息标志RdScbiFlag等于1，则判断第i+1个SCB，当判断完最后一个后，则进行下一步；
S1002：依次从第一个SCB1到第N个SCBN开始判断标志RdScb1Flag至RdScbNFlag是否等于1，若是，则显示该SCBi的工作状态，并指示其是否自动退出情况，设置RdScbiFlag等于0，若不是，则判断下一个SCB标志，直至最后一个判断结束后，进行下一步；
S1003：依次根据SCB1至SCBN的历史充电电流、充电电压和充电温度，计算出SCB1至SCBN的平均充电特征曲线，结束SCB通讯与监测逻辑。
本实施例智能控制电源防晃电装置及其控制方法的有益效果在于：由智能电源管理模块和超级电容智能管理模块构成，采用复合因子判断的同步锁相算法将超级电容储能的直流能量逆变成和控制电源快速同步，并作为控制电源的后备电源；当控制电源发生晃电时，逆变电源迅速切换并输出到负载端，保证负载的连续工作；控制电源恢复后，逆变电源通过同步锁相算法进行逆变调节，使逆变电源与控制电源再同步，然后切换成系统控制电源供电；充分保证整个切换过程中对负载和设备的冲击最小，负载电压连续，避免由于感性负载的反向电动势引起的暂态过压问题；本装置将切换过程中的控制电压、逆变电压等波形保存到USB存储器并显示到人机界面，提供完善的事故记录与波形分析，精确的获得电压波动时间，波动幅值和相位变化；采用的N+1方式的超级电容管理模块，每个管理模块管理超级电容的充电、监视其温升以及故障情况，如果发生异常自动短接输出，不影响其他模块，保证了储能的可靠与稳定。
本实施例采用N+1方式的独立电容充电模块作为储能元件，在任一一个模块出现问题时自动退出，其他N个模块依然独立运行，保证了后备能量的可靠性。同时，超级电容充电模块作为智能设备，和电源管理模块进行实时的数据交换，使管理模块可以检测到每个模块的充电电流、电压，超级电容温度，充电电路温度的情况，并形成记录曲线；通过复合因子方法判断法实现逆变电源和控制电源的同步过程，该过程可以降低切换过程中由于逆变电源和控制电源的非同步误差造成的冲击，保证了负载供电无间断运行，提高了设备的可靠性；提供在晃电过程中控制电源，逆变电源和储能电源的波形和事件记录信息，大大的提高了事故分析能力，为使用者提供了强有力的分析手段。
以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种智能控制电源防晃电装置，其特征在于：其包括与控制电源输出端连接的且设置有电源输出端的电源智能管理模块、与所述电源智能管理模块连接的超级电容智能管理模块；
所述电源智能管理模块包括
核心处理部分，该部分包括微处理器及外围电路；
控制电压测量与监视部分，对所述控制电源的输入端的电压大小、频率以及所述电源输出端的电流大小进行监测；
直流升压与逆变控制部分，该部分将所述超级电容智能管理模块中的储存能量经过高频升压后，再经过逆变电路处理成和控制电源同频率、同相位以及同幅值的电能输出；
逆变回路测量与监视部分，该部分对所述直流升压与逆变控制部分的逆变电压和频率进行实时监测，并将其采集结果传送至所述核心处理部分；
电源切换与反向电势吸收部分，该部分通过切换电路对控制电源和所述直流升压与逆变控制部分输出的逆变电源对负载的供电进行快速切换；
所述超级电容智能管理模块包括智能超级电容充电与管理部分，当控制电源无法正常工作时，该部分将储能转化成电压为装置供电。
2.如权利要求1所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述核心处理部分包括与所述微处理器及外围电路连通的AC/DC电源转换及储能电路、USB读取与存储电路、对外部监控系统的数据通讯接口、触屏显示及LED指示部分、与所述超级电容智能管理模块连接的通讯接口电路。
3.如权利要求1所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述控制电压测量与监视部分包括将控制电源输入的电压和频率转换为所述微处理器可以接受的信号的电压互感器、与所述电压互感器连接的控制电压采集及频率测量电路以及设置在所述电源输出端的电流互感器，所述控制电压采集及频率测量电路与所述微处理器及外围电路连接。
4.如权利要求1所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述直流升压与逆变控制部分包括将所述智能超级电容充电与管理部分的电能进行高频升压变换成直流电压的宽输入直流升压电路、将直流电压转换成220V交流电压的所述逆变电路、与所述逆变电路输出端连接的低通滤波器、逆变电压输出继电器，所述逆变电压输出继电器控制所述低通滤波器的输出端和所述切换电路之间的断开或导通。
5.如权利要求4所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述变电压输出继电器的触点由所述微处理器控制。
6.如权利要求4所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述逆变回路测量与监视部分包括直流电压测量电路、逆变电压和频率采集回路；
所述直流电压测量电路与所述超级电容智能管理模块的输入电压端和输出电压端连接，所述直流电压测量电路的输出端与所述微处理器链接；
所述逆变电压和频率采集回路包括电压互感器和逆变电压采集及频率测量电路，所述电压互感器的两个连接端与所述逆变电压输出继电器的触点连接；所述电压互感器另外两个连接端与所述逆变电压采集及频率测量电路连接，逆变电压经过所述逆变电压采集及频率测量电路转换后输出幅值和频率值到所述微处理器。
7.如权利要求4所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述电源切换与反向电动势吸收部分包括所述切换电路、与所述切换电路连接的反向电动势吸收电路。
8.如权利要求7所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述切换电路包括开关K1、K2、与开关K1并联的开关S3、与开关K2并联的开关S4、以及开关S1和S2；
开关K1、K2的一端分别与控制电源的两个输入线连接，且另一端均与所述反向电动势吸收电路连接；
开关S1、S2的一端分别与所述逆变电压输出继电器的两个触点连接，另一端均与所述反向电动势吸收电路的输入端连接；
开关S1、S2、S3以及S4均受所述微处理器控制。
9.如权利要求1所述的智能控制电源防晃电装置，其特征在于：所述智能超级电容充电与管理部分包括N+1个智能超级电容管理模块，根据用户需要防晃电的支撑容量来计算N的大小。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201721492084.0U CN207572979U (zh) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | 一种智能控制电源防晃电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107834565A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-03-23 | 江苏国网自控科技股份有限公司 | 一种智能控制电源防晃电装置及其控制方法 |
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2017
- 2017-11-10 CN CN201721492084.0U patent/CN207572979U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (5)
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