一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统的制作方法

本发明属于特高压领域，尤其涉及一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统。

背景技术：

为了保证测量数据准确，设备正常稳定工作，常见的测量系统在设计的时候都会加入一些抗干扰的手段，如为了抵抗电磁干扰加入电磁屏蔽壳体，引入信号调理电路等常规手段。如专利申请“具有电磁屏蔽功能的信号调理板”中，针对水下航行体自导系统配套设备设计的一种带电磁屏蔽的信号调理版，其设计思路主要从两个方面入手：第一，设计屏蔽壳体将内部电路包裹起来；第二设计特殊电路板，包括信号衰减、滤波、隔离、电平转换以及电源变换单元电路，各单元电路采用模块化设计，并采用大小信号分离，变压器隔离以及电源滤波等常规电路电磁兼容性处理方式。

但这些常规手段应对由于超特高压环境中电压等级高、干扰复杂的情况还是稍显不足，无法应对超特高压环境下的特殊干扰状况。工作在此环境下的弱电测量系统的电源控制电路处除了受到常见电磁干扰等因素外，还很容易受到突发性大电流干扰、各种特殊情况而造成其功能失效，如在实际应用中高压发生器电压降至50kV左右时会降压接地时，此时由于线路上还存有大量剩余电荷，将导致线路上会出现非常大的冲击电流，如果测量系统不加任何防护措施，其测量装置和能源控制系统容易收到大脉冲电流的冲击，造成设备损坏、测量系统模块遭到击穿等严重后果。

此外，在超特高压环境下的弱电测量系统为了减少环境干扰采用高速高性能采集卡、光电转换装置等，这些设备用电状况不一样，需要针对具体情况提供不同供电电压。并且高速采集卡在高速工作的情况下容易出现发热问题，加上弱电测量设备处于电磁屏蔽体内，白天处于室外阳光直射状态，内部温度容易过高，影响设备安全；超特高压环境下的弱电测量系统采用传统锂电池供电方式，持续工作时间有限，更换过程较为困难；在弱电测试系统停止工作后，仍有试验线上的电流进入到测试系统中。目前还没有针对上述超特高压环境下工作的弱电测量系统给出一套完整、系统、全面，并且高可靠性和高续航设计的控制系统。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统，实现了超特高压环境下弱电测量系统的实现电源转换、设备保护、智能控制的功能，保障设备安全可靠工作，提高工作时间。

本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，提供一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统，其特征在于，包括控制模块、电源模块、运行保护模块、高温预警模块和短路保护模块；其中，所述电源模块分别连接所述控制模块、运行保护模块、高温预警模块和短路保护模块，用于提供多种驱动电压和实现低电压预警；所述运行保护模块的两端分别连接所述弱电测量系统的测量设备和传感器，用于对冲击电流形成反应时间差；所述高温预警模块连接所述控制模块，用于对内部温度实时监测和预警；所述控制模块连接所述短路保护模块，用于隔离所述弱电测量系统和试验输电线路。

结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，所述控制模块包括微处理器、防掉电电路、电平转换芯片、至少一个硅栅CMOS器件、达林顿晶体管阵列和至少两组继电器控制电路；其中，所述微处理器的输出端分别连接所述硅栅CMOS器件，所述硅栅CMOS器件的输出端分别连接所述达林顿晶体管阵列，所述达林顿晶体管阵列的输出端连接所述继电器控制电路。

结合第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，所述控制模块通过系统预设或用户自定义的采集间隔，控制所述弱电测量系统中的采集卡和USB延长器关闭和打开。

结合第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，所述电源模块包括至少三组降压稳压电路和至少一组电压反转电路；其中，所述降压稳压电路分别提供5V、6V和5V5A三种稳定电压，所述电压反转电路包括可控精密稳压源与电压比较器，所述可控精密稳压源的输出端接入所述电压比较器的输入端。

结合第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，所述降压稳压电路的5V稳定电压，为所述弱电测量系统内部光电转换模块提供电源；所述降压稳压电路的6V稳定电压，为所述弱电测量系统内部的采集卡提供电源；所述降压稳压电路的5V5A稳定电压，为所述弱电测量系统内部的USB延长器提供电源。

结合第四种可能的实施方式，在第五种可能的实施方式中，所述电压比较器的输入端还连接有电压采集电路，所述电压采集电路包括锂电池和滑动变阻器。

结合第一方面至第五种任意一种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，所述运行保护电路包括并联设置的瞬态抑制二极管和气体放电管；其中，所述弱电测量系统的所述传感器信号输出端连接所述运行保护电路，所述弱电测量系统的所述测量设备输入端连接所述运行保护电路。

结合第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，所述高温预警模块包括温度传感器；其中，所述温度传感器与所述微处理器连接，所述微处理器根据所述温度传感器采集的温度数据判断是否启动报警并关闭所述弱电测量系统。

结合第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，所述短路保护模块包括至少一组继电器和至少两组光电隔离管；其中，所述至少两组光电隔离管的输出端分别连接所述至少一组继电器的输入端，所述至少两组光电隔离管的输入端分别连接所述达林顿晶体管阵列的输出端。

结合第八种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，当接收到上位机发出的关闭指令后，所述短路保护模块切断所述弱电测量系统和输电线路；当接收到上位机发出的开启指令后，所述短路保护模块连接所述弱电测量系统和输电线路。

与现有技术相比，本发明所提供的系统，达到了如下技术效果：

1、通过设置电源模块，可以有效的实现电能管理，为弱电测量系统中的不同设备提供不同的驱动电压，保证弱电测量系统各设备的用电安全性，增强系统的可靠性。

2、通过设置运行保护模块，可以在线路上产生非常大的冲击电流时，保护弱电测量设备防止受到击穿、设备损坏等严重后果。

3、通过设置高温预警模块，可以在弱电测量系统内部温度过高时，发出故障报警指示，并自动关闭弱电测量系统，保证系统运行的安全性。

4、通过设置短路保护模块，可以在弱电测量系统停止工作后试验线上存留的电流与弱电测量系统隔离，保证系统安全同时不影响其他测量的进行。

5、通过控制模块控制继电器电路的打开和关闭，实现采集卡和USB延长线的打开和关闭，可以实现电能的节省，提高系统的用电效率，免去经常性的更换锂电池的麻烦。

附图说明

图1是本发明实施例的控制系统总体结构示意图；

图2是本发明实施例的控制模块电路图；

图3是本发明实施例的三组降压稳压电路图；

图4是本发明实施例的电压反转电路图；

图5是本发明实施例的运行保护模块电路图；

图6是本发明实施例的高温预警模块结构图；

图7是本发明实施例的运行保护模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例提供了一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统，包括控制模块、电源模块、运行保护模块、高温预警模块和短路保护模块；其中，电源模块分别连接控制模块、运行保护模块、高温预警模块和短路保护模块，用于提供多种驱动电压；运行保护模块连接电源模块，用于对冲击电流形成反应时间差；高温预警模块连接控制模块，用于对内部温度实时监测和预警；控制模块连接短路保护模块，用于隔离弱电测量系统和试验输电线路。

如图2所示，其中，控制模块负责所述能源控制系统与上位机交互通信、数据处理和控制能源控制系统的其它模块。具体的，所述控制模块包括微处理器、防掉电电路、电平转换芯片、至少一个硅栅CMOS器件、达林顿晶体管阵列和至少两组继电器控制电路。微处理器为AT89C4051-24PU微处理器，防掉电电路由MAX813型芯片组成，电平转换芯片为MAX2321型单电源电平转换芯片，硅栅CMOS器件为六个74HC04型高速的硅栅CMOS器件，达林顿晶体管阵列的型号为MC1413B型，两组继电器为DS2E-SL2型继电器(RELAY1和RELAY2)。

微处理器的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7输出端分别接硅栅CMOS器件，硅栅CMOS器件的输出分别接入达林顿晶体管阵列的IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6，达林顿晶体管阵列的输出OUT1、OUT3分别接入继电器RELAY1、RELAY2的SET-口，继电器RELAY1的RESET-口和RELAY2的RESET-口，继电器RELAY1、RELAY2的SET+与RESET+的输入口接12V电压，RST1、RST2口无输入。微处理器的RXD、TXD口与单电源电平转换芯片的R1OUT、T1IN口相连。

其中，控制模块内部控制程序能够根据当前弱电测量系统的工作状态控制继电器RELAY1、RELAY2的通断，继而实现6V、5V5A电源的通断，控制弱电测量系统中的采集卡和USB延长器关闭和打开。虽然现有技术中有很多控制电源通断的控制电路，但是其解决的技术问题仅仅是电源的打开和关闭，实现系统的工作开始和停止，无法在系统工作过程中实现局部电源的控制，有效实现电能的管理和对部分设备的控制。而且，弱电测量系统的供电方式是由锂电池提供，该方式的更换过程较为复杂，需要人工爬塔的方式完成，更换成本高，为了延长锂电池的使用时间，实现电能的有效管理，设计如下控制模式。弱电测量系统在采集信号数据的时候使用的是间隔采集，即用户设定采集间隔(30S～60S)进行一次15S的采集，传统供电方式会整个周期都处于供电状态，高速采集卡、USB延长器处于待机工作状态，能源白白浪费，而能源控制系统能够根据用户设置的采集间隔，在间隔阶段通过继电器关断6V和5V5A电源的产生，从而关断高速采集卡USB延长器设备，节约能耗。其中，15S是根据用户设定的，也可以为20S，具体间隔时间不做具体限定。采集间隔也可以是系统预设的或者根据设备的运行环境自动生成。

如图3所示，电源模块包括至少三组降压稳压电路和至少一组电压反转电路。其中，降压稳压电路分别提供5V、6V和5V5A三种稳定电压。具体的，第一组稳压电路使用LM2575S-5稳压芯片构成的降压稳压电路，将能源控制系统中的锂电池提供的电压转化为5V稳定电压，供弱电测量系统内部光电转换模块以及能源控制系统的其他相关设备使用；第二组降压稳压电路使用LM2678-ADJ稳压芯片配合滑动变阻器构成的降压稳压电路，将能源控制系统中的锂电池提供的电压转化为6V稳定电压，供弱电测量系统内部采集卡使用，其中稳压芯片的INPUT端与控制模块的RELAY1继电器COM1端相连，电源电压与RELAY1继电器SET1端相连，实现由控制模块控制操作；第三组降压稳压电路使用LM2678-5稳压芯片构成的降压稳压电路，将能源控制系统中的锂电池提供的电压转化为5V5A稳定电压输出，供弱电测量系统内部USB延长器使用，其中所述稳压芯片的INPUT端与所述控制模块的RELA2继电器COM1端相连，电源电压与RELAY2继电器SET1端相连，实现由控制模块控制操作。

现有技术中提供的电源模块虽然可以提供不同的电压，但是在输出电压的类型上比较单一，不能满足弱电测量系统中的不同设备的供电需求和工作需求；其次，在特高压及超高压环境中对电压的稳定性要求高，现有技术中的电源模块提供的电压稳定性较差，不利于设备的正常运行。通过三组不同的稳压降压电路，可以为弱电测量系统中的不同设备提供不同的驱动电压，不同设备保持良好的工作状态，有效的实现对电能的管理，保证各设备的用电安全性。

如图4所示，电压反转电路包括TL431可控精密稳压源与LM311N电压比较器，锂电池接入TL431为主的稳压电路输出2.5V标准稳定电压，可以实现对电池电压的监控。TL431为主的稳压电路输出端接入LM311N电压比较器3号管脚输入端，电压比较器2号管脚输入端接入锂电池与滑动变阻器电路构成的电压采集电路，配合滑动变阻器的调节设置不同的电压警戒值。

电压反转电路可以根据需要调节滑动变阻器的位置，从而设置不同的电压警戒值，实现供电电池电压过低预警，保护电池安全，运行保护电路根据该警戒值保护弱电测量系统特高压直流环境下运行不受脉冲冲击电流影响。

如图5所示，运行保护电路包括并联设置的瞬态抑制二极管和气体放电管；其中，弱电测量系统的传感器信号输出端连接运行保护电路，弱电测量系统的测量设备输入端连接运行保护电路。具体的，在弱电测量系统中的测量设备和传感器之间设立两级防护措施，第一级保护由瞬态抑制二极管TVS3组成；第二级保护由气体放电管Gas1组成。从保护电路特性来讲，TVS3管反应时间是ns级别，气体放电管Gas1是μs级。因此，可通过其反应时间的差别有效保护能源控制系统中的设备免遭击穿。

在特高压直流试验线段的高压发生器进行降压接地的时候，线路上还存有大量剩余电荷，将导致线路上会出现非常大的冲击电流。通过设置运行保护电路，可以通过反应时间的差别保护弱电测量系统芯片和设备免受击穿。

如图6所示，高温预警模块包括温度传感器；其中，温度传感器与微处理器连接，微处理器根据温度传感器采集的温度数据判断是否启动报警并关闭弱电测量系统。具体的，首先通过DALLAS18B20温度传感器采集弱电测量系统的内部温度，将数据传入微处理器的P3.3口，再将采集到的温度与能源控制系统的微处理器中的高温阈值进行比较，若超过设定值在自动关闭设备并进行故障报警。

通过设置高温预警模块，一方面可实时记录测量系统内部温度状况并通过高低温判断对弱电测量系统进行保护，提高设备安全性；另一方面可为弱电测量系统在出现故障时增加判断依据。

如图7所示，短路保护模块包括至少一组继电器和至少两组光电隔离管；其中，至少两组光电隔离管的输出端分别连接至少一组继电器的输入端，至少两组光电隔离管的输入端分别连接达林顿晶体管阵列的输出端。

具体的，控制模块的MC1413B型达林顿晶体管阵列的OUT5、OUT6的输出口分别接入两个光电隔离管OPTOISO1的2号口，1号口接+12V电压，两个光电隔离管OPTOISO1的输出3号口接地，4号口接入DS2E-SL2型继电器的SET-和RESET-的输入口。继电器RELAY3的SET1、SET2接入传感器采集来的信号。当上位机发输电线路出关闭弱电测量系统指令的时候，短路保护模块将会把弱电测量系统与输电线路分离，保障线路上的电流不会进入弱电测量系统；当上位机发出开启指令的时候，短路保护模块将会把弱电测量系统与输电线路连接，启动测量工作。

通过设置光电隔离管OPTOISO1，可以避免短路保护模块直接接触到采集信号，防止干扰数据。短路保护模块的设置使得测量系统与试验输电线路分离，保证设备安全，也不耽误试验线路其他试验进行。

本发明实施例提供了一种超特高压环境中弱电测量系统的能源控制系统，能够使得弱电测量系统安全可靠的实现相应功能，使其应对超特高压环境中冲击电流、高温的影响，实现所述测量设备与特高压试验线路隔离，有效的提高的所述弱电测量系统的持续工作时间，整体弱电测量系统可靠性大幅提升，节约实验成本。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。