一种适用于智能配电设备的微能量优化管理系统及其存储、分配方法

摘要

本发明公开了一种适用于智能配电设备的微能量优化管理系统包括：微能量源采集单元，分别与DC/DC系统电源单元、操作用储能模块的输入端相连；DC/DC系统电源单元，分别与CPU、系统用储能模块、无线通讯模块相连；CPU，分别与操作用储能模块、系统用储能模块、无线通讯模块相连；操作用储能模块还与配电开关机构分合闸单元相连；系统用储能单元还分别与故障指示单元、无线通讯模块相连；其充分利用智能配电网技术，实现了对微能量的高效采集与储存，优化了能量的分配，解决了微能量情况下控制器的取电问题，集能量优化管理系统、微能量存储算法、能量分配算法于一体，实现整个配电开关设备功能及能效极大化，可靠且实用。

说明书

技术领域

本发明涉及微能量的取电技术及微能量的存储与分配技术，尤其涉及一种可广泛应用于10kV配电自动化的微能量管理系统及其储存、分配方法。 

背景技术

随着配电网自动化的建设与发展，配电设备可靠性和低功耗的需求愈发明显，由此催生基于新式能源或微能量的配电自动化产品，如以电流互感器感应取电、光伏发电等为电源，以超级电容为储能元件的自动化产品，该类产品因取电电源相比传统电源PT取电而言，成本低，应用前景较好，但因其电源功率小且产品能量管理方式粗犷，没有从自动化系统层面制定产品低功耗策略，无完整且实用的能量存储与分配方法，一定程度上制约了该型自动化产品的应用。传统微电源产品的电源系统主要存在以下3个问题： 

1）其能量存储采用功率电阻串联方式限流，防止负载冲击影响系统电源电压的同时，能量消耗严重。

2）功能单一，无法兼具指示功能、通信功能及分合闸功能，大多采用微能量取电的自动化产品在配电网自动化产品系列中定位低端。 

3）能量管理方式粗犷，没有从自动化系统层面制定低功耗策略，无法建立一套完整且实用的能量存储与分配方法。 

上述缺陷将对目前提倡的功耗低、功能全、能效高、可靠性强提出了挑战。因此，实现微能量的优化管理、高效存储以及合理的分配将是未来急需解决的关键技术和发展趋势。 

发明内容

针对上述问题，本发明提供了适用于智能配电设备的微能量优化管理系统，其充分利用智能配电网技术，实现了对微能量的高效采集与储存，优化了能量的分配，解决了微能量情况下控制器的取电及能耗高、功能单一、可靠性低的问题。 

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种适用于智能配电设备的微能量优化管理系统，其特征在于包括：微能量源采集单元、DC/DC系统电源单元、CPU、操作用储能模块、系统用储能模块、无线通讯模块、配电开关机构分合闸单元及故障指示单元，

所述微能量源采集单元分别与DC/DC系统电源单元、操作用储能模块的输入端相连，用于从配电开关取电设备取电，为系统提供能量始源；

所述DC/DC系统电源单元的输出端分别与CPU、系统用储能模块、无线通讯模块微的输入端相连，用于转换电压，为下级各单元提供电源；

所述CPU分别与操作用储能模块、系统用储能模块、无线通讯模块相连，是系统的数据处理中心，用于采集系统信息，控制操作用储能模块、系统用储能模块、配电开关机构分合闸单元、故障指示单元及无线通信模块的运行；

所述操作用储能模块还与配电开关机构分合闸单元相连，为配电开关机构分合闸单元提供操作用能量；

所述系统用储能单元还分别与故障指示单元、无线通讯模块相连，用于采集储存微能量，实现系统在微能量源消失后，后备工作电源的提供，保障整个系统在配电线路掉电后正常运行，并为故障指示单元和无线通信单元提供能量；

所述配电开关机构分合闸单元，用于保证本体开关的分合闸，实现负荷侧配电线路停供电；

所以故障指示单元，用于以指示配电线路工况变化情况；

所述无线通信模块，用于CPU系统与主站或监控平台进行信息交互。

作为上述方案是进一步改进，所述操作用储能模块包括操作用储能单元及分别与CPU相连的第一、第四控制单元，所述操作用储能单元的输入端通过第一控制单元与微能量源采集单元的输出端相连，所述操作用储能单元的输出端通过第四控制单元与配电开关机构分合闸单元相连。 

作为上述方案是进一步改进，所述系统用储能模块包括分别与CPU相连的系统用储能单元、第二、第五控制单元，所述系统用储能单元的输入端通过第二控制单元与DC/DC系统电源单元的输出端相连，所述系统用储能单元的输出端通过第五控制单元与故障指示单元相连。 

作为上述方案是进一步改进，所述无线通讯模块包括无线通讯单元及分别与CPU相连的第三、第六控制单元，所述无线通讯单元的第一输入端通过第三控制单元与DC/DC系统电源单元的输出端相连，第二输入端通过第六控制单元与系统用储能单元相连。 

一种微能量存储方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）微能量源采集单元从配电开关取电设备采集微能量源；

2）把采集到的微能量源能量通过DC/DC系统电源单元转换成系统可用的电压电源，供给CPU；

3）CPU控制开启第一控制单元，使操作用储能单元进入充电模式；

4）操作用储能单元进行充电并随时检测操作用储能电压的状态值Ua；

5）将CPU内设定的操作用储能电压阀值U0与检测到的电压状态值Ua进行比较；

6）如果Ua＜U0，则返回步骤5继续充电，且采用恒压方式进行充电；如果Ua＞U0，则关闭第一控制单元，操作用储能模块停止充电，开启第二控制单元，使系统用储能模块进入充电模式；

7）系统用储能单元进行充电并随时检测系统用储能电压的状态值Ub；

8）将CPU内设定的操作用储能电压阀值U1与检测到的电压状态值Ub进行比较；

9）如果Ub＜U1，则返回步骤7继续充电，且采用恒压方式进行充电；如果Ub＞U1，则采用涓流间隙式充电方式进行充电，并采用PWM控制技术开启第三控制单元，使无线通讯单元开通，CPU通过无线通信单元与主站或监控平台进行信息交互。

一种微能量分配方法，包括以下步骤： 

1）当开关设备检测到10kV配电线路发生故障且微能量源消失时，系统用储能模块切换至放电模式，为CPU系统供电；

2）CPU控制操作用储能模块切换至放电模式，为配电开关机构分合闸单元保护动作供能，同时开启故障指示功能；

3）CPU控制无线通讯模块开启，并通过无线通讯单元向主站或监控平台上传线路故障；

4）若检测到配电线路故障解除且微能量源恢复，则CPU系统进入微能量存储算法模式；

5）若配电线路故障未解除，系统用储能电源降至设定的电压阀值U2时，CPU系统进入关机模式。

本发明的有益效果是：本发明的微能量优化管理系统、存储与分配方法，其充分利用智能配电网技术，构建了能量优化管理系统，实现了对微能量的高效采集与储存，优化了能量的分配，解决了微能量情况下控制器的取电问题，使得该方法集能量优化管理系统、微能量存储算法、能量分配算法于一体，实现整个配电开关设备功能及能效极大化，可靠且实用，其主要体现在以下3个方面： 

1、 实现了控制器功耗低与功能全的一体化设计，以配电线路提供的微能量为控制器工作及储能提供能量，同时引入微能量存储算法及能量分配算法，优先保证控制器CPU系统工作及配电开关分合闸，拥有故障指示功能，可实时直观显示配电线路运行工况变化，兼具可与主站或监控平台进行无线通信功能；

2、 建立了能量优化管理系统和能量极大化利用的能量管理架构，利用这种可靠高效的方法，克服了自动化功能与功耗相对立的矛盾；

3、 降低了产品的成本，具备可推广条件。

附图说明 

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得的其他设计方案和附图：

图1为本发明较佳实施例的微能量优化管理系统示意图；

图2为本发明较佳实施例的微能量存储方法流程图；

图3为本发明较佳实施例的微能量分配方法流程图。

具体实施方式 

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1，本实施例中一种适用于智能配电设备的微能量优化管理系统，包括：微能量源采集单元100、DC/DC系统电源单元101、CPU102、操作用储能模块、系统用储能模块、无线通讯模块、配电开关机构分合闸单元105及故障指示单元106； 

所述操作用储能模块为配电开关机构分合闸单元提供操作用能量，其包括操作用储能单元104及分别与CPU102相连的第一、第四控制单元201、204，所述操作用储能单元104的输入端通过第一控制单元201与微能量源采集单元100的输出端相连，所述操作用储能单元104的输出端通过第四控制单元204与配电开关机构分合闸单元105相连；

    所述系统用储能模块用于采集储存微能量，实现系统在微能量源消失后，后备工作电源的提供，保障整个系统在配电线路掉电后正常运行，并为故障指示单元和无线通信单元提供能量，其包括分别与CPU102相连的系统用储能单元103，第二、第五控制单202、205，所述系统用储能单元103的输入端通过第二控制单元202与DC/DC系统电源单元101的输出端相连，所述系统用储能单元103的输出端通过第五控制单元205与故障指示单元106相连；

    所述无线通讯模块用于CPU系统与主站或监控平台进行信息交互，其包括无线通讯单元107及分别与CPU102相连的第三、第六控制单元203、206，所述无线通讯单元107的第一输入端通过第三控制单元203与DC/DC系统电源单元101的输出端相连，第二输入端通过第六控制单元206与系统用储能单元103相连；

所述微能量源采集单元100用于从配电开关取电设备取电，为系统提供能量始源，还与DC/DC系统电源单元相连，；

所述DC/DC系统电源单元101用于转换电压，为下级各单元提供电源，其还与CPU相连；

所述CPU102是系统的数据处理中心，用于采集系统信息，控制操作用储能模块、系统用储能模块、配电开关机构分合闸单元、故障指示单元及无线通信模块的运行；

所述配电开关机构分合闸单元105用于保证本体开关的分合闸，实现负荷侧配电线路停供电；

所以故障指示单元106用于以指示配电线路工况变化情况。

参照图2，本实施例的一种微能量存储方法，包括以下步骤： 

1）微能量源采集单元从配电开关取电设备采集微能量源；

2）把采集到的微能量源能量通过DC/DC系统电源单元转换成系统可用的电压电源，供给CPU；

3）CPU控制操作用储能模块开启充电模式；

4）操作用储能模块进行充电并随时检测操作用储能电压的状态值Ua；

5）将CPU内设定的操作用储能电压阀值U0与检测到的电压状态值Ua进行比较；

6）如果Ua＜U0，则返回步骤5继续充电；如果Ua＞U0，则操作用储能模块停止充电，系统用储能模块开启充电模式；

7）系统用储能模块进行充电并随时检测系统用储能电压的状态值Ub；

8）将CPU内设定的操作用储能电压阀值U1与检测到的电压状态值Ub进行比较；

9）如果Ub＜U1，则返回步骤7继续充电；如果Ub＞U1，则开启无线通讯模块，使CPU通过无线通信模块与主站或监控平台进行信息交互。

参照图3，本实施例的一种微能量分配方法，包括以下步骤： 

1）当开关设备检测到10kV配电线路发生接地故障或短路故障且微能量源消失时，系统用储能单元切换至放电模式，为CPU系统供电，同时关闭第一、二、三控制单元；

2）CPU控制开启第四控制单元，使操作用储能单元切换至放电模式，为配电开关机构分合闸单元保护动作供能，同时开启第五控制单元，使系统用储能单元为故障指示单元功能，确保故障指示功能正常运作；

3）CPU控制开启第六控制单元，使无线通讯单元开启，CPU系统通过无线通讯单元向主站或监控平台上传线路故障；

4）当操作用储能单元将能量提供至配电开关机构分合闸系统，且高压开关可靠动作后，关断第四控制单元；

5）当CPU系统通过无线通信单元向主站或监控平台成功上传线路故障信息后，关断第六控制单元；

6）若检测到配电线路故障解除且微能量源恢复，则CPU系统进入微能量存储算法模式；

7）若配电线路故障未解除，系统用储能电源降至设定的电压阀值U2时，CPU系统进入关机模式。

其中，步骤3和步骤4的顺序可以互换。 

本发明中的微能量，是指为10kV智能配电设备提供功率＜10瓦的能量，用于智能配电设备的能量存储与使用的能量源。 

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。