一种数字型高压输电线路取能装置的制作方法

1.本技术涉及电力技术领域，尤其涉及一种数字型高压输电线路取能装置。


背景技术：

2.随着经济发展，对电网稳定性的要求也越来越高。为了保证电网供电的稳定性，防范事故发生，越来越多智能在线监测设备投入使用。通常高压输电线路分布在野外、地下等复杂的地理环境，难以按常规供电方式为这些智能在线监测设备提供稳定、可靠的供电电源。目前高压线路智能在线监测设备的供电方式有ct取电、太阳能供电、电容分压取电、激光供电等，其中ct取电相对其他供电方式应用得更加广泛。而其他的供电方式都有各自缺陷，比如太阳能电池容易受天气的影响，只能适用于阳光充足的地方。电容分压器结构简单，但供电输出功率较小，且容易受温度、杂散电容等因素的影响。激光供电输出电压纹波小，噪声低，不易受干扰，但其输出功率有限，且激光器寿命较短，成本较高。
3.虽然目前市场上有许多ct取电装置，由于缺少对现场应用场景的了解，往往存在性能不可靠、使用不灵活等问题；现有的ct取电装置普遍存在的几类问题：1)ct取电转换效率低。传统ct取电装置工作原理：ct取能线圈经过简单整流滤波后，再经过一级dc-dc转换电路进行稳压输出，未能达到ct取电转换最佳效率。通过实验已证明，线路电流大小和ct铁芯确定的情况下，可以通过选择合适的取电电压，使得ct取电功率达到最大；2)缺少智能化电源管理，无法根据一次线路电流大小、后备电池的剩余电量(soc)等参数进行自动工作模式调节；3)缺失电池管理能，电池长时间过充、过放，导致电池失效；4)无法同时兼容太阳能、市电220v等复合供电方式；5)缺少独立电源监测、通讯、故障诊断、故障信息上报等功能。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种数字型高压输电线路取能装置，用于解决现有技术取能效率低且缺少智能化管理的技术问题。
5.有鉴于此，本技术提供了一种数字型高压输电线路取能装置，包括：取电ct、电流采样模块、第一电压采样模块、数字控制模块、由第一场效应管、第二场效应管、储能电感和电解电容构成的buck电路、稳压模块；
6.所述取电ct，用于获取高压输电线的电能后，向所述电流采样模块和所述电压采样模块供电；
7.所述数字控制模块，用于接收由所述电流采样模块和所述电压采样模块采集的电流信息和电压信息，根据所述电流信息和电压信息通过mpp算法处理得到所述取电ct的初始最大功率点，将所述初始最大功率点与历史最大功率点比较后，根据比较结果通过pid算法对所述buck电路的占空比进行调整，使得所述取电ct处于最大功率输出状态，并通过所述稳压模块输出电能。
8.可选地，还包括：第二电压采样模块、后备电池组、开关控制模块；
9.所述第二电压采样模块，用于采集所述后备电池组的充放电信息并发送至所述数字控制模块，使得所述数字控制模块根据所述充放电信息生成第一指令后，并下发到所述开关控制模块，从而断开所述后备电池组点电能的输入或输出。
10.可选地，还包括：太阳能板、mppt控制器；
11.所述mppt控制器，用于接收所述数字控制模块下发的第二指令后，控制所述太阳能板在最大功率点进行发电工作，并向所述后备电池组输出电能或通过所述稳压模块输出电能。
12.可选地，所述buck电路的结构，具体为：
13.所述第一场效应管的漏极与所述电流采样模块相连，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极相连，所述第一场效应管和所述第二场效应管的栅极与所述数字控制模块中的两个引脚相连；
14.所述储能电感的第一端并联于所述第一场效应管与所述第二场效应管之间，第二端与所述电解电容的正极相连。
15.可选地，还包括：emi保护模块，所述emi保护模块的第一端与所述取电ct相连；
16.所述emi保护模块，用于对所述取电ct的输出电能中的高压脉冲和噪音进行滤除处理。
17.可选地，还包括：过压保护模块，所述过压保护模块的第一端与所述emi保护模块的第二端相连；
18.所述过压保护模块，用于当所述取电ct的输出电能的电压值大于预设阈值时通过双向可控硅元件进行斩波，或对所述取电ct的输出电能进行耗散。
19.可选地，还包括：过零触发模块，所述过零触发模块的第一端与所述过压保护模块的第二端相连，第二端连接于所述数字控制模块；
20.所述过零触发模块，用于减少电路中的开关噪音。
21.可选地，还包括：整流滤波模块，所述整流滤波模块的第一端连接于所述过压保护模块的第二端，第二端分别与所述电流采样模块和第一电压采样模块相连；
22.所述整流滤波模块，用于将所述取电ct输出的交流电转换成纯净直流电压。
23.可选地，还包括：真二极管控制模块，所述真二极管控制模块的第一端连接于所述mppt控制器，第二端连接于所述稳压模块；
24.所述真二极管控制模块，用于减少导通压差损耗。
25.可选地，所述第一场效应管和所述第二场效应管均为n沟道场效应管。
26.与现有技术相比，本技术实施例的优点在于：
27.本技术实施例中，提供了一种数字型高压输电线路取能装置，包括：取电ct、电流采样模块、第一电压采样模块、数字控制模块、由第一场效应管、第二场效应管、储能电感和电解电容构成的buck电路、稳压模块；取电ct，用于获取高压输电线的电能后，向电流采样模块和电压采样模块供电；数字控制模块，用于接收由电流采样模块和电压采样模块采集的电流信息和电压信息，根据电流信息和电压信息通过mpp算法处理得到取电ct的初始最大功率点，将初始最大功率点与历史最大功率点比较后，根据比较结果通过pid算法对buck电路的占空比进行调整，使得取电ct处于最大功率输出状态，并通过稳压模块输出电能。进一步地，还包括：与后备电池组和太阳能板等组成复合供电装置。
28.与现有技术相比，本技术的优点有：
29.1)ct取电转换效率高。在一次线路电流大小和ct铁芯确定的情况下，可以通过调整数字控制核心pwm的占空比，使得选择合适的取电电压，使得ct取电功率达到最大；
30.2)数字控制核心内置智能化电源管理程序，可以动态根据一次线路电流大小、后备电池的剩余电量(soc)等参数智能调节负载的工作模式；
31.3)优化电池管理能，避免电池长时间过充、过放；
32.4)可以在输出母线并联太阳能、市电220v等供电方式，方便实现复合供电；
33.5)进一步地，技术人员可以通过数字控制模块进行电源监测、通讯，可以进行故障诊断和及时向主站上报故障信息。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，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获得其他的附图。
35.图1为本技术实施例提供的一种数字型高压输电线路取能装置的结构示意图；
36.图2为本技术实施例提供的一种的结构示意图。
37.标号：q1、第一场效应管；q2、第二场效应管；l1、储能电感；c1、电解电容。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
41.请参阅图1，图1为本技术实施例中提供的一种数字型高压输电线路取能装置的结构示意图。
42.本实施例提供的一种数字型高压输电线路取能装置，包括：取电ct、电流采样模块、第一电压采样模块、数字控制模块、由第一场效应管、第二场效应管、储能电感和电解电容构成的buck电路、稳压模块；
43.需要说明的是，本实施例的第一场效应管和第二场效应管均为n沟道场效应管；稳压模块为dc-dc稳压模块：该模块主要作用为负荷提供一个稳定电压输出。其中，buck电路
如图1所示，其结构连接关系为：第一场效应管的漏极与电流采样模块相连，第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极相连，第一场效应管和第二场效应管的栅极与数字控制模块中的两个引脚相连；储能电感的第一端并联于第一场效应管与第二场效应管之间，第二端与电解电容的正极相连。
44.buck电路工作原理：第一场效应管(q1)的源极(s极)与第二场效应管(q2)的漏极(d极)相连接，再与储能电感(l1)的1脚进行并联；储能电感(l1)的2脚与电解电容(c1)的正极相连接；数字控制核心(数字控制模块)产生不同占空比的pwm脉冲对第一场效应管(q1)、第二场效应管(q2)进行互补控制。当数字控制模块控制第一场效应管(q1)导通、第二场效应管(q2)截止，电流经过储能电感(l1)向后级负荷供电，同时储能电感(l1)、第电解电容(c1)也将部分电能存储起来。经过ton时刻后，数字控制模块控制第一场效应管(q1)截止、第二场效应管(q2)导通时，储能电感(l1)、电解电容(c1)中储存的电能并向后级负荷继续供电。通过调节pwm脉冲的占空比，可以得到不同输出功率，使得取电ct在一次线路电流大小和ct铁芯确定的情况下，达到最大输出功率。
45.取电ct，用于获取高压输电线的电能后，向电流采样模块和电压采样模块供电；
46.需要说明的是，取电ct利用电磁感应原理获取电能，一次高压输电线路电流流经取电ct时，在取电ct的铁芯中产生交变磁场，该交变磁场又使得绕在磁芯上的二次侧线圈产生感应电动势，进而给后级电路供电。
47.数字控制模块，用于接收由电流采样模块和电压采样模块采集的电流信息和电压信息，根据电流信息和电压信息通过mpp算法处理得到取电ct的初始最大功率点，将初始最大功率点与历史最大功率点比较后，根据比较结果通过pid算法对buck电路的占空比进行调整，使得取电ct处于最大功率输出状态，并通过稳压模块输出电能。
48.需要说明的是，数字控制模块是本装置的核心，由具有hrtim(高分辨率定时器)的功能的mcu以及外围电路组成。该模块主要负责采集整流滤波模块之后的电流、电压数据，并进行快速a/d转换，并根据电流、电压的采样值经过内置的mpp(最大功率点)算法、pid(比例、积分、微分)算法，实时调整q1与q2的占空比使得整流滤波模块之后的电流、电压乘积具有最大值，即取电ct转换获得最高效率。
49.进一步地，在一个实施例中，数字型高压输电线路取能装置还包括：emi保护模块、过压保护模块、过零触发模块、整流滤波模块；
50.如图1所示，emi保护模块的第一端与取电ct相连；过压保护模块的第一端与emi保护模块的第二端相连；过零触发模块的第一端与过压保护模块的第二端相连，第二端连接于数字控制模块；整流滤波模块的第一端连接于过压保护模块的第二端，第二端分别与电流采样模块和第一电压采样模块相连。
51.emi保护模块，用于对取电ct的输出电能中的高压脉冲和噪音进行滤除处理；
52.需要说明的是，emi保护模块主要起到浪涌保护、雷击保护、emi滤波作用，防止高压脉冲损坏后级电路，同时也减少取电ct耦合噪音对后级电路的干扰。
53.过压保护模块，用于当取电ct的输出电能的电压值大于预设阈值时通过双向可控硅元件进行斩波，或对取电ct的输出电能进行耗散；
54.需要说明的是，过压保护模块主要起到过压保护作用，当检测到取电ct输出电压值大于设置阈值时通过过压保护模块内部的双向可控硅元件进行斩波。同时当一次线路电
流很大时，取电ct转换出来的能量远大于负载所消耗的能量，这时需要过压保护模块进行功率耗散，防止后级电路损坏。
55.过零触发模块，用于减少电路中的开关噪音；
56.需要说明的是，过零触发模块能获取到取电ct输出电压的过零点，进而控制保护电路中的双向可控硅元件在过零点时刻进行动作，从而达到减少开关噪音的目的
57.整流滤波模块，用于将取电ct输出的交流电转换成纯净直流电压。
58.需要说明的是，整流滤波模块负责把取电ct输出的交流电转换成纯净直流电压。
59.进一步地，在一个实施例中，数字型高压输电线路取能装置还包括：第二电压采样模块、后备电池组、开关控制模块；太阳能板、mppt控制器；真二极管控制模块。
60.第二电压采样模块，用于采集后备电池组的充放电信息并发送至数字控制模块，使得数字控制模块根据充放电信息生成第一指令后，并下发到开关控制模块，从而断开后备电池组点电能的输入或输出。
61.需要说明的是，太阳能发电板：根据一次线路实际的工况和使用环境，搭配不同功率大小的太阳能发电板，作为本装置的辅助供电设备，并联给负荷和后备电池组供电；后备电池组：根据不同工况环境，配备不同材质、不同容量的锂电池组在感应取电、太阳能板供电不足时，作为装置的供电备用电源。
62.mppt控制器，用于接收数字控制模块下发的第二指令后，控制太阳能板在最大功率点进行发电工作，并向后备电池组输出电能或通过稳压模块输出电能。
63.需要说明的是，mppt控制器：配套相应的太阳能发电板使用，负责跟踪太阳能发电板的最大功率点，使得太阳能板输出功率最大。
64.真二极管控制模块的第一端连接于mppt控制器，第二端连接于稳压模块；真二极管控制模块，用于减少导通压差损耗。
65.需要说明的是，真二极管控制模块为了实现类似二极管的单向导通特性和减少二极管导通压差造成的损耗，使得太阳能发电板的效率更高。
66.如图2所示，以下为本技术提供的一个具体应用例：
67.1)数字型高压输电线路取能装置上电后，数字核心控制单元先对uart通讯、hrtim高精度定时器、adc模数转换器、timer定时器等外设进行初始化；
68.2)设置定时器1，定时器1按照预设的计数值，为adc模数转换器提供的开始采样的触发信号。数字控制核心按照预设的频率对整流滤波模块输出的电流、电压信号进行采集，并记录相应的数据。
69.3)设置定时器2，数字控制核心按照定时器2按照预设值，定时运行mpp(最大功率点)算法。经过运行mpp(最大功率点)算法后得到现阶段的取电ct输出的最大功率点，并与上阶段的数值进行比较，同时把比较的结果送至pid算法模块，由pid算法模块对第一n沟道场效应管(q1)、第二n沟道场效应管(q2)的运行占空比进行调节，使得取电ct处于最大功率输出状态。
70.4)设置定时器3，数字控制核心按照定时器3按照预设值定时采集电池的电压，并根据内置的电池充放电曲线进行soc(剩余电量)计算。再根据soc(剩余电量)计算结果，判断电池当前状态，如果发现电池出现过放、过充，立即关闭电池输出或输入。
71.其中：
72.mpp(最大功率点)算法原理：数字控制核心周期性地增加或减少输出负荷的大小，使得整流滤波模块输出电压以及输出功率改变，并观察、比较输出负荷变动前后的输出电压以及输出功率的大小，以决定下一步的增、减负荷的动作。
73.pid算法原理：pid控制器由比例(p)、积分(i)和微分(d)通过线性组合构成，其工作原理是基于误差而消除误差；它不依赖被控对象具体的数学模型，所以几乎可以应用于各种自动化控制场合。结合本装置特点，pid算法应用方法如下：整流滤波模块输出电流、电压作为采样对象，两者的乘积作为当前值；而mpp(最大功率点)算法产生的下一阶段的最大功率值为目标值；调整同步buck电路中的第一n沟道场效应管(q1)、第二n沟道场效应管(q2)的运行占空比作为调节手段。
74.以下为本技术实施例中提供的一种数字型高压输电线路取能装置的产品说明：
75.(1)装置外壳为圆柱形，材质为铝合金，壳体与导线直接接触，利用法拉第笼原理，保护内部电路板。
76.(2)装置尺寸约为385mm*150mm，孔径约为55mm，重量不超过5kg，外壳作圆边倒角处理，减小装置的电晕放电。
77.(3)装置夹具部分为铝合金和橡胶垫组合，铝合金起着承力作用，橡胶垫起着缓冲和防护导线作用。
78.(4)装置壳体分为上下两大部分，做开合式设计，用螺栓连接和固定，便于安装；内部主要放置有感应取电模块、备用电池模块、电源板等。
79.应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
80.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。