CN207866910U - 变电站直流电源系统用电能质量评估装置 - Google Patents

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CN207866910U CN201721080806.1U CN201721080806U CN207866910U CN 207866910 U CN207866910 U CN 207866910U CN 201721080806 U CN201721080806 U CN 201721080806U CN 207866910 U CN207866910 U CN 207866910U
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陈金木
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张翔
钱璟
张义莲
袁辉
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变电站直流电源系统用电能质量评估装置,该评估装置通过设计了母线电压直流分量信号传感及调理模块、母线电压交流(谐波)分量信号传感及调理模块、信号采集管理模块、电源模块及智能诊断后台,来检测直流电源系统母线的交、直流电压信号,实现直流电源系统直直流电压幅值得波动、正负极直流电压幅值偏差、高次谐波分量、工频交流窜入等指标的综合智能检测评估。本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置为保障变电站直流电源系统的电能质量,为减少或避免因电能质量恶化引发的事故提供了有力的支持。

Description

变电站直流电源系统用电能质量评估装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电力系统中对电源电能进行质量检测、参数对比等功能的装置, 尤其涉及一种应用于变电站直流电源系统的对电能质量的进行参数对比的评估装置。
背景技术
[0002] 目前,在国家电网中经常使用到了一种直流电源系统,该直流电源系统是作为电 力现场中继电保护装置、自控装置及照明装置的工作电源。
[0003] 近年来,直流电源系统的绝缘监测受到电力现场的高度重视,而直流系统的供电 质量的重要性也逐渐得到了重视,因为其电能质量将会直接影响到整个系统的安全性,如 电能质量恶化将会引发一系列的生产责任事故,故由国家电网公司企业标准(Q/GDW1969-2013)《变电站直流系统绝缘监测装置技术规范》中明确规定,需要对变电站直流电源系统 的电能质量进行检测。理论分析及工程总结。
[0004] 现有技术下的变电站直流电源系统的电能质量包含直流电压幅值波动、正负极直 流电压幅值偏差、高次谐波分量、工频交流窜入等指标。但由于技术发展的原因,传统的直 流系统状态监察装置其功能单一,且技术落后,故已经无法应对或不具备对变电站直流电 源系统的电能质量进行综合评估的要求和功能,而其他相关领域中的电能质量检测装置也 无法应用或不支持现有技术下的新型变电站直流电源系统的电能质量的各项指标同步综 合量测、评估的能力。
[0005] 综上所述,由于现有技术下的变电站直流电源系统的电能质量指数无比重要,故 现迫切需要一种新型的可应用于变电站直流电源系统的电能质量智能评估装置,为减少或 避免因电能质量恶化引发的事故提供了有力的检测工具。 实用新型内容
[0006] 为了解决现有技术下的直流系统状态监察装置难以对新型的变电站直流电源系 统进行检测的问题,本实用新型提供了一种变电站直流电源系统用电能质量评估装置,该 评估装置通过设计了母线电压直流分量信号传感及调理模块、母线电压交流(谐波)分量信 号传感及调理模块、信号采集管理模块、电源模块及智能诊断后台,来检测直〇电源系统母 线的交、直流电压信号,实现直流电源系统直直流电压幅值得波动、正负极直流电压幅值偏 差、高次谐波分量、工频交流窜入等指标的综合智能检测评估。本实用新型的变电站直流电 源系统用电能质量评估装置为保障变电站直流电源系统的电能质量,为减少或避免因电能 质量恶化引发的事故提供了有力的支持。
[0007] 本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其具体结构如下所述:
[0008] 变电站直流电源系统用电能质量评估装置,包括装置壳体和智能诊断后台,其特 征在于:
[0009] 所述的装置壳体为一中空的矩形壳体,其内部分别设置有信号采集模块、控制模 块、电源模块、通信模块;
[0010] 所述的信号采集模块与待测的电压、电流连通,该信号采集模块包括母线电压直 流分量信号传感及调理模块、母线电源交流分量信号传感及调理模块和信号采集管理模 块;
[0011] 所述的控制模块与信号采集模块和通信模块连通,该控制模块控制了信号采集模 块的各种信号采集动作,并将获得的数据进行数据预处理以及数模转换,整合后通过通信 模块采用无线wifi网络的方式发送至智能诊断后台;
[0012] 所述的电源模块为信号采集模块、控制模块和通信模块供电。
[0013] 所述的智能诊断后台为一基于PDA的无线接收智能终端,利用无线wifi网络接收 通信模块发送的系统各项参数数据,通过运算分析得到最终的电能质量评估结果。
[0014] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的母线电压直流分量信号传感及调理模块设置有由电阻R3与R4组成的检测电阻,该检测电 阻对直流母线电压进行分压,将测量电压山控制在控制模块⑻的电压输入范围内,其中,
Figure CN207866910UD00051
将正极母线对地电压Ud2等比缩小50倍,即,R3与R3+R4之比应为1: 50,而 正极母线的对地等效电阻相当于心与1?3+1?4的并联,使检测电路的接入对直流系统本身不造 成电压波动与偏移,应使R3+R4远大于Ri,最后,确认R3为49ΜΩ,R4为1ΜΩ。
[0015] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的由电阻R3与R4组成的检测电阻,经过该检测电阻对直流母线电压进行分压后,电阻R4两端 的电压经过AD623调理电路输入到控制模块,其具体为,将AD623调理电路的1号引脚与8号 引脚悬空,设置AD623调理电路为单增益模式,其中,由于山电压大小已经满足后级的电压 输入范围,故AD623调理电路起到隔离与缓冲的作用,将测量电压输入至控制模块进行数据 预处理以及数模转换。
[0016] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的母线电源交流分量信号传感及调理模块在直流母线上设置有一阶RC高通滤波器,实现直 流母线上的交流信号的传感,该电路的传递函数为:
[0017]
Figure CN207866910UD00052
[0018] 截止频率为:
[0019]
Figure CN207866910UD00053
[0020] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的母线电源交流分量信号传感及调理模块,其设置有工频电压采样模块和高次谐波电压采 样模块,其中,工频电压采样模块设置在正极母线与地线及负极母线与地线之间,该工频电 压采样模块的截止频率为f L = 16Hz,经过该工频电压采样模块的滤波电路后,电路中的大 于16Hz的交流分量全部被提取出来,再经过一个变比为20:1的小型变压器以及一个由稳压 二极管组成的双向限幅电路,使输出电压范围在±1V以内,以适配后级调理电路的输入电 压范围;而高次谐波电压采样模块的设置方式与工频电压采样模块相同,经过该高次谐波 电压采样模块的滤波电路后,电路中的大于150Hz的交流高次分量被提取出来。由于高次谐 波幅值较小,因此该电路中的变压器变比相应减小。
[0021] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的工频电压采样模块和高次谐波电压采样模块,经过这两个模块采样提取出来的交流信号 是有正负幅值的信号,需要将被测信号抬高至OV以上,以适应A/D转换器的需要,故在信号 采样之后需要对其进行调理,其具体为,在工频电压采样模块和高次谐波电压采样模块的 后续电路中设置有一基于TL082运放的信号调理电路,该电路由两级调理电路组成,使采集 的交流电压从双极性信号变为单极性信号。
[0022] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的信号采集管理模块为一基于ARM Cortex-M4内核的STM32F103单片机,该模块实现交、直 流分量信号的采集策略及模数转换功能,信号采集管理模块与控制模块、通信模块和智能 诊断后台通信交互。
[0023] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的信号采集管理模块针对变电站直流电源系统的交、直流信号,其采集策略为分时序依次 进行,一个采样周期为IOs,每隔Imin进行一次采样,电压采样精度为1 %,在一个检测周期 内,先完成直流信号的采集,再完成交流信号的采集,接着对采集的两种信号数据进行打包 整合与存储,最后通过控制模块和通信模块将数据包发送给智能诊断后台。
[0024] 根据本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述 的电源模块设置有LM7805三端正电源稳压芯片、MAX660 CMOS单片电压转换芯片和AMS1117 线性稳压器芯片,整个电源模块采用7.4V锂电池供电,对供电电源进行稳压、转换、管理和 控制,对信号采集模块、控制模块和通信模块供电,其中,对信号采集模块提供±5V的供电 电源,对于+5V电源,电源模块的LM7805三端正电源稳压芯片输出固定的5V电压,而对于-5V 电源,电源模块的MAX660 CMOS单片电压转换芯片将+5V电源变换成稳定的-5V电源;而对控 制模块则需要提供3.3V的供电电源,电源模块以AMS1117线性稳压器芯片为核心,选用该芯 片的3.3V电压输出的电路,来实现对控制模块的供电。
[0025] 使用本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置获得了如下有益效 果:
[0026] 1.本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置能快速检测变电站直 流电源系统的各项指数并反馈至智能诊断后台;
[0027] 2.本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置能保障变电站直流电 源系统的电能质量,为减少或避免因电能质量恶化引发的事故提供了有力的支持。
附图说明
[0028] 图1为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的装置部分的具体 机构示意图;
[0029] 图2为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的母线电压直流分 量信号传感及调理模块的正极对地电压检测电路图;
[0030] 图3为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的母线电源交流分 量信号传感及调理模块的一阶RC滤波器原理图;
[0031] 图4为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的母线电源交流分 量信号传感及调理模块的母线交流电压调理电路图;
[0032] 图5为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的电源模块中的直 流电源-5V变换电路图;
[0033] 图6为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的电源模块中的直 流电源3.3V变换电路图;
[0034] 图7为本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的使用流程图。
[0035] 图中:1_装置壳体,2-智能诊断后台,A-信号采集模块,B-控制模块,C-电源模块, D-通信模块,Al-母线电压直流分量信号传感及调理模块,A2-母线电源交流分量信号传感 及调理模块,A3-信号采集管理模块。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和实施例对本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装 置做进一步的描述。
[0037] 如图1〜图7所示,变电站直流电源系统用电能质量评估装置,包括装置壳体1和智 能诊断后台2,该装置壳体为一中空的矩形壳体,其内部分别设置有信号采集模块A、控制模 块B、电源模块C、通信模块D;
[0038] 信号采集模块A与待测的电压、电流连通,该信号采集模块包括母线电压直流分量 信号传感及调理模块A1、母线电源交流分量信号传感及调理模块A2和信号采集管理模块 A3;
[0039] 所述的控制模块B与信号采集模块A和通信模块D连通,该控制模块控制了信号采 集模块的各种信号采集动作,并将获得的数据进行数据预处理以及数模转换,整合后通过 通信模块采用无线wifi网络的方式发送至智能诊断后台2;
[0040] 所述的电源模块C为信号采集模块A、控制模块B和通信模块D供电。
[0041] 所述的智能诊断后台2为一基于PDA的无线接收智能终端,利用无线wifi网络接收 通信模块D发送的系统各项参数数据,通过运算分析得到最终的电能质量评估结果。
[0042] 如图2所示,母线电压直流分量信号传感及调理模块Al设置有由电阻R3与R4组成的 检测电阻,该检测电阻对直流母线电压进行分压,将测量电压山控制在控制模块B的电压输 入范围内,其中,
Figure CN207866910UD00071
将正极母线对地电压Ud2等比缩小50倍,即,R3与R3+R4之 比应为1:50,而正极母线的对地等效电阻相当于心与1?3+1?4的并联,使检测电路的接入对直 流系统本身不造成电压波动与偏移,应使R3+R4远大于R1,最后,确认R3为49ΜΩ,R4为1ΜΩ。
[0043] 由电阻R3与R4组成的检测电阻,经过该检测电阻对直流母线电压进行分压后,电阻 R4两端的电压经过AD623调理电路输入到控制模块B,其具体为,将AD623调理电路的1号引 脚与8号引脚悬空,设置AD623调理电路为单增益模式,其中,由于山电压大小已经满足后级 的电压输入范围,故AD623调理电路起到隔离与缓冲的作用,将测量电压输入至控制模块进 行数据预处理以及数模转换。
[0044] 本实施例中,如需设计负极母线对地电压检测电路,与正极母线对地电压检测电 路大致相同,区别是增加了一个后级的反相放大电路,将AD623调理电路输出的负值转换为 绝对值以适配控制模块的AD转换端口的输入电压范围,其中,直流母线电压值Ud2等于负极 对地电压的绝对值I Udf I加上正极对地电压Udz,因此采集正、负极母线电压直流信号,经过 计算就能得到直流系统母线电压。
[0045] 如图3所示,母线电源交流分量信号传感及调理模块A2在直流母线上设置有一阶 RC高通滤波器,实现直流母线上的交流信号的传感,该电路的传递函数为:
[0046]
Figure CN207866910UD00081
[0047] 截止频率为:
[0048]
Figure CN207866910UD00082
[0049] 母线电源交流分量信号传感及调理模块A2,其设置有工频电压采样模块和高次谐 波电压采样模块,其中,工频电压采样模块设置在正极母线与地线及负极母线与地线之间, 该工频电压采样模块的截止频率为fL=16Hz,经过该工频电压采样模块的滤波电路后,电 路中的大于16Hz的交流分量全部被提取出来,再经过一个变比为20:1的小型变压器以及一 个由稳压二极管组成的双向限幅电路,使输出电压范围在±1V以内,以适配后级调理电路 的输入电压范围;而高次谐波电压采样模块的设置方式与工频电压采样模块相同,经过该 高次谐波电压采样模块的滤波电路后,电路中的大于150Hz的交流高次分量被提取出来。由 于高次谐波幅值较小,因此该电路中的变压器变比相应减小。
[0050] 如图4所示,工频电压采样模块和高次谐波电压采样模块,经过这两个模块采样提 取出来的交流信号是有正负幅值的信号,需要将被测信号抬高至OV以上,以适应A/D转换器 的需要,故在信号采样之后需要对其进行调理,其具体为,在工频电压采样模块和高次谐波 电压采样模块的后续电路中设置有一基于TL082运放的信号调理电路,该电路由两级调理 电路组成,使采集的交流电压从双极性信号变为单极性信号。
[0051] 信号采集管理模块A3为一基于ARM Cortex-M4内核的STM32F103单片机,该模块实 现交、直流分量信号的采集策略及模数转换功能,信号采集管理模块与控制模块B、通信模 块D和智能诊断后台2通信交互。
[0052] 本实施例中,所选择的是意法半导体公司最新的基于ARM Cortex-M4内核的 STM32F103单片机,该主控制器ADC采样通道的采样频率最高可达6MHz,完全满足了系统的 测量要求,可以保证系统正常稳定的运行。
[0053] 信号采集管理模块A3针对变电站直流电源系统的交、直流信号,其采集策略为分 时序依次进行,一个采样周期为IOs,每隔Imin进行一次采样,电压采样精度为1 %,在一个 检测周期内,先完成直流信号的采集,再完成交流信号的采集,接着对采集的两种信号数据 进行打包整合与存储,最后通过控制模块B和通信模块D将数据包发送给智能诊断后台2。
[0054] 电源模块C设置有LM7805三端正电源稳压芯片、MAX660 CMOS单片电压转换芯片和 AMS1117线性稳压器芯片,整个电源模块采用7.4V锂电池供电,对供电电源进行稳压、转换、 管理和控制,对信号采集模块A、控制模块B和通信模块D供电,其中,对信号采集模块提供± 5V的供电电源(如图5所示),对于+5V电源,电源模块的LM7805三端正电源稳压芯片输出固 定的5V电压,而对于-5V电源,电源模块的MAX660 CMOS单片电压转换芯片将+5V电源变换成 稳定的-5V电源;而对控制模块(B)则需要提供3.3V的供电电源(如图6所示),电源模块以 AMS1117线性稳压器芯片为核心,选用该芯片的3.3V电压输出的电路,来实现对控制模块的 供电。
[0055] 实施例
[0056] 如图7所示,本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置的具体实施 流程如下:
[0057] (1)将变电站直流电源系统用电能质量评估装置连接至变电站直流电源系统的待 测的电压、电流,启动电源对各项指标进行检测;
[0058] (2)对于专供控制负荷的直流系统,考虑电缆压降,母线电压为标称电压的105% 〜110%;
[0059] (3)对于专供动力负荷的直流系统,考虑电缆压降,母线电压为标称电压的105% 〜112.5%;
[0060] ⑷对于控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统,考虑电缆压降,母线电压为标 称电压的105%〜110%;
[0061] (5)直流系统电压波动的单位闪变值小于1;
[0062] ⑹直流对地电压偏移值小于直流系统标称电压的4.5% ;
[0063] ⑺直流系统正负极母线对地电压中交流电压幅值小于10V;
[0064] ⑻直流系统正负极母线上的交流电压只有工频基波信号,没有高次谐波;
[0065] ⑼上述步骤完成后,获得步骤2)至步骤8)中的各项指标,当直流电源系统状态参 数均满足以上步骤2)至步骤8)中的标准时,可以认为系统电能质量合格,一旦有一项参数 范围超出以上标准,则认为系统电能质量下降。
[0066] 本实用新型的变电站直流电源系统用电能质量评估装置能快速检测变电站直流 电源系统的各项指数并反馈至智能诊断后台;本实用新型能保障变电站直流电源系统的电 能质量,为减少或避免因电能质量恶化引发的事故提供了有力的支持。

Claims (9)

1. 变电站直流电源系统用电能质量评估装置,包括装置壳体(1)和智能诊断后台(2), 其特征在于: 所述的装置壳体(1)为一中空的矩形壳体,其内部分别设置有信号采集模块(A)、控制 模块⑻、电源模块⑹、通信模块⑼; 所述的信号采集模块(A)与待测的电压、电流连通,该信号采集模块包括母线电压直流 分量信号传感及调理模块(Al)、母线电源交流分量信号传感及调理模块(A2)和信号采集管 理模块(A3); 所述的控制模块(B)与信号采集模块OV)和通信模块(D)连通,该控制模块控制了信号 采集模块的各种信号采集动作,并将获得的数据进行数据预处理以及数模转换,整合后通 过通信模块采用无线wifi网络的方式发送至智能诊断后台(2); 所述的电源模块⑹为信号采集模块(A)、控制模块⑻和通信模块⑼供电, 所述的智能诊断后台(2)为一基于PDA的无线接收智能终端,利用无线wifi网络接收通 信模块0))发送的系统各项参数数据,通过运算分析得到最终的电能质量评估结果。
2. 如权利要求1所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 母线电压直流分量信号传感及调理模块(Al)设置有由电阻R3与R4组成的检测电阻,该检测 电阻对直流母线电压进行分压,将测量电压山控制在控制模块(B)的电压输入范围内,其 中:
Figure CN207866910UC00021
将正极母线对地电压Ud2等比缩小50倍,即,R3与R3+R4之比应为1:50, 而正极母线的对地等效电阻相当于办与1?3+1?4的并联,使检测电路的接入对直流系统本身不 造成电压波动与偏移,应使R3+R4远大于Ri,最后,确认R3为49ΜΩ,R4为1ΜΩ。
3. 如权利要求2所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 由电阻R3与R4组成的检测电阻,经过该检测电阻对直流母线电压进行分压后,电阻R4两端的 电压经过AD623调理电路输入到控制模块⑻,其具体为,将AD623调理电路的1号引脚与8号 引脚悬空,设置AD623调理电路为单增益模式,其中,由于山电压大小已经满足后级的电压 输入范围,故AD623调理电路起到隔离与缓冲的作用,将测量电压输入至控制模块进行数据 预处理以及数模转换。
4. 如权利要求1所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 母线电源交流分量信号传感及调理模块(A2)在直流母线上设置有一阶RC高通滤波器,实现 直流母线上的交流信号的传感,该母线电源交流分量信号传感及调理模块的电路的传递函 数为:
Figure CN207866910UC00022
截止频率为:
Figure CN207866910UC00023
5. 如权利要求4所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 母线电源交流分量信号传感及调理模块(A2),其设置有工频电压采样模块和高次谐波电压 采样模块,其中,工频电压采样模块设置在正极母线与地线及负极母线与地线之间,该工频 电压采样模块的截止频率为f L = 16Hz,经过该工频电压采样模块的滤波电路后,电路中的 大于16Hz的交流分量全部被提取出来,再经过一个变比为20:1的小型变压器以及一个由稳 压二极管组成的双向限幅电路,使输出电压范围在±1V以内,以适配后级调理电路的输入 电压范围;而高次谐波电压采样模块的设置方式与工频电压采样模块相同,经过该高次谐 波电压采样模块的滤波电路后,电路中的大于150Hz的交流高次分量被提取出来,由于高次 谐波幅值较小,因此该电路中的变压器变比相应减小。
6. 如权利要求5所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 工频电压采样模块和高次谐波电压采样模块,经过这两个模块采样提取出来的交流信号是 有正负幅值的信号,需要将被测信号抬高至OV以上,以适应A/D转换器的需要,故在信号采 样之后需要对其进行调理,其具体为,在工频电压采样模块和高次谐波电压采样模块的后 续电路中设置有一基于TL082运放的信号调理电路,该电路由两级调理电路组成,使采集的 交流电压从双极性信号变为单极性信号。
7. 如权利要求1所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 信号采集管理模块(A3)为一基于ARM Cortex-M4内核的STM32F103单片机,该模块实现交、 直流分量信号的采集策略及模数转换功能,信号采集管理模块与控制模块(B)、通信模块 ⑼和智能诊断后台⑵通信交互。
8. 如权利要求1所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 信号采集管理模块(A3)针对变电站直流电源系统的交、直流信号,其采集策略为分时序依 次进行,一个采样周期为l〇s,每隔Imin进行一次采样,电压采样精度为1%,在一个检测周 期内,先完成直流信号的采集,再完成交流信号的采集,接着对采集的两种信号数据进行打 包整合与存储,最后通过控制模块⑻和通信模块0))将数据包发送给智能诊断后台(2)。
9. 如权利要求1所述的变电站直流电源系统用电能质量评估装置,其特征在于,所述的 电源模块⑹设置有LM7805三端正电源稳压芯片、MAX660CM0S单片电压转换芯片和AMS1117 线性稳压器芯片,整个电源模块采用7.4V锂电池供电,对供电电源进行稳压、转换、管理和 控制,对信号采集模块㈧、控制模块⑻和通信模块⑼供电,其中,对信号采集模块提供± 5V的供电电源,对于+5V电源,电源模块的LM7805三端正电源稳压芯片输出固定的5V电压, 而对于-5V电源,电源模块的MAX660CM0S单片电压转换芯片将+5V电源变换成稳定的-5V电 源;而对控制模块⑻则需要提供3.3V的供电电源,电源模块以AMSl 117线性稳压器芯片为 核心,选用该芯片的3.3V电压输出的电路,来实现对控制模块的供电。
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