一种基于双超级电容组的电源系统

技术领域

本发明涉及智能化配电网线路状态监测领域，尤其是用于暂态录波型故障指示器汇集单元的双超级电容及电容组的电源系统。

背景技术

智能配电网作为智能电网建设的重要环节，面临着在发生线路故障时，如何快速、准确地定位故障区段的巨大难题。暂态录波型故障指示器，通过对线路电流的精确测量及高速录波，可精准检测线路故障类型，并快速定位故障区段，从而缩短线路故障的响应和处理时间，提高供电可靠性。

暂态录波型故障指示器，作为智能配电网重要组成部分，为电网的安全可靠运行发挥了重大作用。暂态录波型故障指示器分为汇集单元和采集单元两大部分，汇集单元负责与调度主站系统远程实时通信，采集单元负责对线路电流的精确测量和高速录波。汇集单元的稳定不间断运行，成为暂态录波型故障指示器发挥作用的必要前提。

目前汇集单元主要依靠太阳能和免维护蓄电池组成的主备供电系统。太阳能电源板作为主电源，免维护可充电蓄电池作为备用电源。在有太阳能供电的情况下，优先使用太阳能电源板供电；在太阳能供电不足的情况下，使用备用电源供电。

汇集单元的使用环境对蓄电池性能和寿命要求严格，蓄电池性能受外界环境影响很大，长期无法完全充电造成蓄电池性能下降甚至损坏报废；在低温环境下，蓄电池性能下降尤其剧烈；蓄电池充放电次数也是有上限限制。目前使用的蓄电池正常寿命在2年左右，远低于暂态录波型故障指示器的使用寿命，当达到使用寿命后必须进行更换。

现有电源系统无法支撑汇集单元的使用周期，需要一种稳定可靠的电源系统。

另外，汇集单元在不同的运行阶段功耗特点不同，对电源系统的输出需求也不同：汇集单元4G通信模块在开机期间或联网期间消耗功率较大，要求蓄电池必须能够及时放电提供能量，以保证汇集单元平稳运行和通信。因此，需要设计一种供电可靠，免维护、免更换，具有科学有序充放电控制的电源系统。

现有的方案主要有两种：一种方案，是增大太阳能板尺寸，提高输出功率，保证汇集单元4G通信模块的正常启动和联网。此方案只是优化了电源系统，降低了对蓄电池的依赖程度，但未完全解决蓄电池自身存在的性能和寿命问题。

另一种方案，是更换性能优良、寿命更长的电池，如铅碳电池、锂电池等。此方案只是优化了电源，但是成本较高，并且受制于汇集单元机箱尺寸和电线杆安装位置，使其改进和安装都比较困难。

中国专利申请CN 110277826 A公开了《一种小负载设备的太阳能供电电路及供电方法》，披露了使用两个超级电容的技术方案，但使用两个超级电容主要目的是为了提高电能的存储量，作为一个供电单元使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于暂态录波型故障指示器汇集单元的电源系统。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于双超级电容组的电源系统，为暂态录波型故障指示器汇集单元提供电力，包括太阳能光伏板、电源管理模块，其特征在于，电源管理模块连接两组超级电容A和B，A和B在电源管理模块的控制下，完成充电和放电。

超级电容组A用于汇集单元中的通信模块加电及联网时的电能供给，超级电容组B用于在太阳能光伏板供电不足时为汇集单元供电。

有太阳能供电时，优先为超级电容组A充电。

进一步地，A为一个超级电容，以下称超级电容A。

进一步地，根据汇集单元中的通信模块加电及联网时的电能消耗量确定超级电容A的指标。

进一步地，汇集单元上电或复位后，首先进行以下判断：

判断太阳能供电电压SunV，若SunV>=15V且持续时间超过10s，超级电容A开始充电；汇集单元进入到工作状态，太阳能在维持汇集单元正常运行前提下，对超级电容组B进行充电。

若SunV<15V，两组超级电容都不进行充电，汇集单元直接进入到工作状态。

光伏板正常输出为20V左右。太阳能供电有三种状态：

1、输出20V左右，供电充足，可以满足汇集单元的所有功能。

2、输出15V左右，供电不足，不能支持高功耗运行（如通信模块上线），但可以供给汇集单元其它状态的运行。

3、输出小，无供电能力。

汇集单元工作过程中，其通信模块（多为4G通信模块）在加电开机及联网阶段，功耗比较大。如果此时太阳能供电不足，会将电源系统的电压拉低，导致设备复位。通信模块建立通信信道后，整个汇集单元没有功耗峰值，可以较平稳地工作。

根据这一特点，本申请使用两组超级电容，容量不同，特性不同，作用也不同。

超级电容A采用小容量电容，充电速度快，支持短时快速放电，用于4G通信模块开机和联网期间的电能供给，避免因电源系统输出被拉低引起设备复位。在上述情况2，当输出大于15V时，可以为超级电容A充电；当充电完成后，超级电容A支持通信模块上线，其后，汇集单元可以全功能运行。

超级电容组B容量大，输出功率稳定，供电时间长，用于主电源（太阳能供电）缺失时供电，保证设备稳定运行，有效解决蓄电池使用一段时间后出现的性能下降或损坏问题。超级电容充电速度快，充电时间短，能够适应户外多变的天气状况，满足设备可靠供电。

采用本发明提出的技术方案，只要条件允许，优先给超级电容A充电，由于其容量小，充电完成快，且其电量足够支持通信模块联网时的高功耗要求，在短时间内可以支持汇集单元的启动，进入正常工作状态，解决了在太阳能供电不足时设备由于耗能高造成的频繁启动，不能进入正常工作状态的问题；超级电容组B替代常规蓄电池，具有小型化，免维护，延长产品使用寿命，扩大产品使用地域等。

根据汇集单元中的通信模块加电及联网时的电能消耗量确定超级电容A的容量，可以在满足能耗的前提下，尽量减少充电时间，设备快速进入工作状态。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是汇集单元上电/重启阶段的框图；

图3是汇集单元运行期间的框图。

具体实施方式

参看图1，基于双超级电容组的电源系统，为暂态录波型故障指示器汇集单元提供电力，包括太阳能光伏板、电源管理模块，电源管理模块连接两组超级电容A和B。

太阳能板提供的电力，通过电源管理模块，完成对超级电容A和超及电容组B的充放电控制以及对汇集单元主板的电能供给。

超级电容A专门用于汇集单元中的通信模块加电及联网时的电能供给，太阳能板有电时，无论输出大小，只要有可能，首先为超级电容A充电。超级电容A的容量根据汇集单元中的通信模块加电及联网时的电能消耗量确定，这样设置，在最短时间内，超级电容A内储存的电能可以支持通信模块加电及联网。

参看图2，汇集单元上电或重启复位后，首先进行以下判断：

1、判断太阳能供电电压SunV，若SunV>=15V且持续时间超过10s，超级电容A开始充电。

1.1判断超级电容A电压CapA_V，若CapA_V>=13.4V，超级电容A已充满，停止充电。

1.2若CapA_V<13.4V，超级电容A未充满，测试超级电容A充电电流CapA_I，若CapA_I<10mA持续超过5s，太阳能板没有能力对超级电容充电，停止充电。

1.3超级电容A停止充电后，汇集单元进入到工作状态，太阳能在维持汇集单元正常运行前提下，对超级电容组B进行充电。

2、若SunV<15V，两组超级电容都不进行充电，汇集单元直接进入到工作状态。此时通信模块没有启动，汇集单元仅具备本地采集、存储等功能，不具备通信能力。

若汇集单元通信模块在开机和联网过程中，则持续为超级电容A充电，直至汇集单元通信上线。

本发明中，通信模块在上电开机、初始化时，电力供应是由超级电容A提供，只有在超级电容A具备充足的电力储备时，汇集单元中的通信模块才进行工作。汇集单元上电运行后，在条件允许的情况下，首先为超级电容A充电。

参看图3，设备进入运行状态后，首先判断是否有电力支持，即太阳能板（主电源）或超及电容组B是否有能力支持设备运行，如果有电力支持（此时超级电容A已充电完成），则打开超级电容A放电，通信模块（本实施例中，为4G模块）拨号联网，设备全功能运行。

运行过程中，如果通信异常，重新建立通信连接。

如果太阳能板（主电源）供电能力充足，则在维持设备运行的同时，为超级电容充电；如果供电能力不足，则由超级电容组B供电。

超级电容组B的充电流程为：

若汇集单元通信模块在开机和联网过程中，禁止为超级电容组B充电。

在汇集单元通信模块非开机和联网情况下，执行下述逻辑。

首先判断超级电容A的储能情况，超级电容A的电压如果小于12.5V，认为是欠压，需要补充充电；若超级电容A电压CapA_V<12.5V，为超级电容A充电。

若超级电容A电压CapA_V>=12.5V，超级电容A存储的电能足够，可以支持通信模块的开机联网，此时判断超级电容组B是否需要充电：超级电容组B电压CapB_V<14.2V，则开始超级电容组B充电，测试超级电容组B充电电流CapB_I，若CapB_I<10mA持续超过5s，太阳能板没有能力对超级电容充电，停止超级电容组B充电。

若超级电容组B电压CapB_V>=14.2V，停止超级电容组B充电。

有一种情况：超级电容A中的电能已消耗，但超级电容组B有电。这种情况下，系统加电或重启时，按正常流程需要先为超级电容A充电，然后执行通信模块加电及联网，这无疑会延后设备的执行。本实施例中，如果超级电容组B中的电量足够，使用超级电容组B支持通信模块加电及联网。