一种电压异常控制保护系统及控制方法与流程

本发明涉及电压异常控制保护，更具体地说，本发明涉及一种电压异常控制保护系统及控制方法。

背景技术：

1、工业精密设备如半导体光刻机、医疗影像诊断设备、高端数控加工中心等，对供电电压质量具有极高的要求；供电系统中的电压异常，包括电压跌落、过冲、谐波畸变等可能导致设备误动作、加工精度下降、数据丢失甚至硬件损坏，造成重大的生产损失和安全风险，因此，对工业精密设备的供电配电节点进行有效的电压异常控制保护，是该领域长期关注的技术难题。

2、现有电压保护方案，大多采用被动阈值检测，仅当电压幅值越限后才触发保护，属于先恶化、后响应的滞后模式，而许多异常如滤波电容老化、连接阻抗漂移、负载突变在电压幅值尚未明显偏离时已表现为动态阻抗谱的特征偏移，但现有技术缺乏在线辨识阻抗谱并与健康基准比对的手段，无法进行前兆预警；

3、现有阻抗测量技术如cn120971813a公开的宽频带阻抗扫频测量方法仅关注如何准确获取电网阻抗特性，其阈值比较目的是在检测到谐振风险时保护测量设备本身，从而降低扰动或停止测量，而非预测下游用电设备的电压异常前兆，更不具备在维持供电的前提下进行主动补偿与分级隔离的协同保护能力；

4、同时传统保护方案多采用直接切断供电的一刀切方式，导致设备突然停机，造成工艺中断或数据丢失，缺乏根据异常类型动态调整补偿策略的能量路由整形机制，也无法实现主动整形与分级隔离的协同保护，既不能在维持供电的前提下渐进干预，也无法在干预失败后按严重程度执行递进式隔离；

5、且现有保护方案对快速恶化故障响应不足，且缺乏故障前的数据追溯能力，当电压异常快速恶化时，如功率器件短路，响应时间极短，传统阈值保护难以满足要求，同时，现有装置仅记录故障瞬间的电压电流值，无法保存故障前波形及阻抗变化轨迹，致使故障溯源和健康评估缺乏数据支撑。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种电压异常控制保护系统及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电压异常控制保护系统，包括：

3、纹波感知与微扰阻抗辨识模块，对接于工业精密设备的供电配电节点，所述纹波感知与微扰阻抗辨识模块包括高频电压采样通道、高频电流采样通道、纹波特征提取单元及微扰注入单元；

4、所述高频电压采样通道用于实时采集所述供电配电节点的母线电压波形，所述高频电流采样通道用于实时采集同一节点的回路电流波形；

5、所述微扰注入单元被配置为：向所述供电配电节点所处回路中通过耦合注入预设频率范围内的微幅扫频扰动信号；所述高频电压采样通道与高频电流采样通道同步采集所述微幅扫频扰动信号对应的电压响应序列与电流响应序列；所述纹波特征提取单元通过各扰动频率点下的扰动电压与扰动电流的比值在线辨识该配电节点的动态阻抗谱，并将所述动态阻抗谱与预先建立的基准阻抗谱进行频域偏差匹配，所述基准阻抗谱通过以下方式预先建立：在所述工业精密设备处于出厂验收或定期校准的已知健康工况下，由所述微扰注入单元以相同预设频率范围与相近幅值注入微幅扫频扰动信号，记录各频率点处的扰动电压与扰动电流比值，形成复阻抗轨迹；

6、所述频域偏差匹配包括：在预设关注频带内计算实时与的幅值偏差与相位偏差，当幅值偏差的均方根超过第一匹配阈值或相位偏差的均方根超过第二匹配阈值时，判定为电压异常前兆；

7、能量路由整形模块，与所述纹波感知与微扰阻抗辨识模块及多个供电支路连接，包括可编程多端口变换器阵列；当判定存在电压异常前兆时，所述能量路由整形模块根据动态阻抗谱的偏差特征，通过所述可编程多端口变换器阵列从相邻供电支路或储能缓冲单元向所述配电节点注入补偿电流或补偿电压，对该节点的电压波形进行主动整形以维持供电质量；

8、分级安全隔离模块，分别与所述纹波感知与微扰阻抗辨识模块、所述能量路由整形模块及所述工业精密设备的设备控制器电连接；

9、所述分级安全隔离模块被配置为：当所述动态阻抗谱的偏差超出可控范围、或所述能量路由整形模块在预设整形窗口内未能使偏差收敛时，按异常严重程度分级触发物理隔离措施；并且在触发第二级或第三级隔离前或同时，向所述能量路由整形模块发送中止整形指令，以停止补偿注入并使对应端口进入高阻态；

10、所述分级安全隔离模块包括三级递进式隔离单元：

11、第一级：驱动控制级软关断，通过逐步拉低功率器件栅极驱动信号，使该配电节点处功率变换器进入零电流或零电压关断过渡；

12、第二级：磁耦合解耦，响应于所述中止整形指令将所述可编程多端口变换器阵列中对应端口的双向开关单元切换至高阻态，切断电气直连通路而保留弱电侧通信链路；

13、第三级：物理空气间隙隔离，驱动机械继电器或灭弧装置断开，在所述配电节点与供电干线之间形成可见空气间隙；

14、其中，当异常严重程度越过当前级的容忍阈值时，所述分级安全隔离模块被配置为跳过更低优先级的预设延时，直接跃迁至对应更高级别隔离。

15、优选地，所述纹波感知与微扰阻抗辨识模块根据所述动态阻抗谱的偏差模式，判定电压异常前兆的类型：

16、当在高频段的容抗幅值相较基准值上升且相位向电阻性偏移时，判定为滤波电容劣化型前兆；

17、当在低频段的实部持续增大且相位无明显偏移时，判定为连接阻抗漂移型前兆；

18、当在非特征次频率处出现局部阻抗凹陷且伴随谐波电流抬升时，判定为非线性负载突变型前兆。

19、优选地，所述可编程多端口变换器阵列包括多个由sic mosfet或gan hemt构成的双向开关单元，各双向开关单元跨接于所述供电配电节点与相邻供电支路或储能缓冲单元之间并形成可重构功率通路；每一双向开关单元包含h桥拓扑，所述能量路由整形模块通过调节各双向开关单元的占空比与相位移控制补偿能量传输方向与大小。

20、优选地，还包括：

21、电磁兼容管理单元，与所述能量路由整形模块联动；当所述可编程多端口变换器阵列的开关动作占空比或超过预设活跃阈值时，所述电磁兼容管理单元自动投切吸收电容与共模扼流圈抽头端，将开关噪声限制于预设emi掩码频段之外，以避免串扰至所述工业精密设备的传感器链路。

22、还提供了一种电压异常控制保护方法，基于上述的系统实现，包括以下步骤：

23、s1.微扰阻抗辨识与预警：在所述供电配电节点处，通过微扰注入单元注入预设频率范围内的微幅扫频扰动信号，由高频电压采样通道与高频电流采样通道同步采集电压/电流响应对，在线计算动态阻抗谱，并将所述动态阻抗谱与预先建立的基准阻抗谱进行频域偏差匹配，所述基准阻抗谱通过以下方式预先建立：在所述工业精密设备处于出厂验收或定期校准的已知健康工况下，由所述微扰注入单元以相同预设频率范围与相近幅值注入微幅扫频扰动信号，记录各频率点处的扰动电压与扰动电流比值，形成复阻抗轨迹；

24、所述频域偏差匹配包括：在预设关注频带内计算实时与的幅值偏差与相位偏差，当幅值偏差的均方根超过第一匹配阈值或相位偏差的均方根超过第二匹配阈值时，判定为电压异常前兆；

25、s2.能量路由与电压波形整形：当存在异常前兆时，根据动态阻抗谱的偏差特征计算补偿量与补偿类型，通过可编程多端口变换器阵列向该配电节点注入补偿电流或补偿电压，对该节点电压波形进行主动整形，并以一预设整形窗口监控偏差收敛情况；

26、s3.分级响应与安全兜底：若偏差收敛至匹配阈值以内则维持供电；若偏差超出可控范围或窗口内未收敛，则按异常严重程度分级触发物理隔离措施，并在触发第二级或第三级隔离前或同时向所述能量路由整形模块发送中止整形指令以停止补偿注入；所述分级安全隔离模块包括三级递进式隔离单元：

27、第一级：驱动控制级软关断，通过逐步拉低功率器件栅极驱动信号，使该配电节点处功率变换器进入零电流或零电压关断过渡；

28、第二级：磁耦合解耦，响应于所述中止整形指令将所述可编程多端口变换器阵列中对应端口的双向开关单元切换至高阻态，切断电气直连通路而保留弱电侧通信链路；

29、第三级：物理空气间隙隔离，驱动机械继电器或灭弧装置断开，在所述配电节点与供电干线之间形成可见空气间隙；

30、其中，当异常严重程度越过当前级的容忍阈值时，所述分级安全隔离模块被配置为跳过更低优先级的预设延时，直接跃迁至对应更高级别隔离；

31、若偏差收敛至匹配阈值以内则维持供电；若偏差超出可控范围或窗口内未收敛，则按异常严重程度分级触发物理隔离措施，并在触发第二级或第三级隔离前或同时向所述能量路由整形模块发送中止整形指令以停止补偿注入。

32、优选地，所述s1中，所述微幅扫频扰动信号的注入幅值被限制为所述配电节点额定电压的0.5%-3%，且扰动频率扫描范围避开所述工业精密设备的工作基频及其整数倍谐波频带，以降低对正常工况的可感知扰动。

33、优选地，所述s2中还包括：沿时间序列拟合动态阻抗谱偏差量的变化率，当所述变化率超过预设恶化速率阈值时，判定为快速恶化工况，跳过渐进式整形，将可编程多端口变换器阵列切换至限流模式，并触发第二级或以上隔离动作。

34、优选地，所述s3中，在触发第二级或第三级隔离之前，还包括数据保全子步骤：向所述设备控制器发送预报警中断信号，并将故障发生前预设回溯时长内的母线电压波形片段、回路电流波形片段及最后一次辨识的动态阻抗谱存入非易失性缓冲存储区，以供故障溯源。

35、本发明的技术效果和优点：

36、通过设置纹波感知与微扰阻抗辨识模块，主动向供电回路注入微幅扫频扰动信号，在线辨识配电节点的动态阻抗谱，并与预先建立的健康基准阻抗谱进行频域偏差匹配。能够在电压异常尚未发生、仅表现为阻抗特征偏移的阶段即可判定异常前兆，并根据高频段容抗变化、低频段实部漂移、非特征次频率阻抗凹陷等不同偏差模式，精准识别滤波电容劣化、连接阻抗漂移、非线性负载突变等具体前兆类型，通过这种基于阻抗谱分析的预测机制，为后续保护动作争取了宝贵的时间窗口，从根本上解决了传统电压保护先恶化后响应的问题；

37、通过在预测到电压异常前兆后，由能量路由整形模块，根据动态阻抗谱的偏差特征，控制可编程多端口变换器阵列从相邻供电支路或储能缓冲单元向异常节点注入补偿电流或电压，对电压波形进行主动整形，能够在异常发展初期有效抑制电压跌落或过冲，维持工业精密设备的供电质量，避免因瞬时电压扰动导致的设备停机或生产损失，通过分级安全隔离模块，当偏差超出可控范围或整形窗口内未能收敛时，按异常严重程度分级触发物理隔离措施，从驱动控制级软关断、磁耦合解耦到物理空气间隙隔离，形成递进式保护，在触发高级别隔离前，分级安全隔离模块同步向能量路由整形模块发送中止整形指令，避免补偿注入与隔离动作之间的冲突，实现了主动整形与被动隔离的无缝协同，这种双层保护策略，既最大程度保证了供电连续性，又在不可控故障发生时提供了可靠的安全屏障；

38、通过在电压波形主动整形过程中，引入动态阻抗谱偏差量的时间演化趋势分析，通过拟合偏差变化率判断是否为快速恶化工况，当检测到偏差量急剧增大时，系统能够跳过渐进式整形步骤，直接将可编程多端口变换器阵列切换至限流模式，并触发二级或以上隔离动作，弥补了常规预测保护对突发性、高速恶化故障响应不足的缺陷，使系统兼具对缓变劣化与突发恶化的全面应对能力；同时在触发高级别隔离前执行数据保全子步骤，自动向设备控制器发送预报警中断信号，并将故障发生前预设回溯时长内的母线电压波形、回路电流波形及最后一次辨识的动态阻抗谱存入非易失性缓冲存储区，这些完整保留的故障前兆数据为后续故障溯源、设备健康评估及保护策略优化提供了可靠依据，显著提升了系统的智能化水平和可维护性；

39、综上所述，本发明提供的一种电压异常控制保护系统及控制方法与现有阻抗测量技术不同，本发明并非以测量为目的，而是以保护为目的；并非采用单一的实数增益阈值进行越限判断，而是建立健康工况下的复数基准阻抗谱，通过幅值与相位双重偏差匹配实现前兆预测；并非在异常时被动切断供电，而是通过能量路由主动整形与分级递进隔离的协同，在维持供电连续性与保障设备安全之间实现动态平衡。