一种超级电容模组状态预警系统及方法与流程

1.本发明属于电容储能技术领域，特别涉及一种超级电容模组状态预警系统及方法。


背景技术：

2.超级电容作为一种储能元件，广泛应用于风电、光伏、轨道交通及能源行业的装置能量回收。在应用过程中，超级电容模组配置的数量多、分布广，其运行状态的实时监测及各个电容模组寿命的预测将成为影响超级电容模组安全，高效运行的首要任务。超级电容模组运行过程的过压，过温会直接损害超级电容，从而影响整个系统的安全，有效运行。在目前的应用中，对超级电容的电压，温度信息进行采集并上报，形成报警信号，从而判断模组是否故障，再根据故障情况加以检修。不能提前预测电容模组的运行状况及生命周期。
3.以上分析描述的超级电容模组状态监测过程，是一种传统常见的方案，简单易行。但其自身存在如下问题：
4.1、超级电容模组是否故障只能在系统发出故障报警之后才能知道，无预警功能，实时性差并有安全隐患；
5.2、在应用场站分布较广，电容模组较多的情况下，不能及时发现有寿命缩短的电容模组并及时定位。
6.以上问题存在问题反映滞后，改造升级工作延缓，影响正常工作连续性(生产效率)等问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种超级电容模组状态预警系统及方法，以解决上述问题。
8.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种超级电容模组状态预警系统，包括上级控制模块、通讯模块和设备端；若干设备端通过通讯模块与上级控制模块连接；
10.上级控制模块用于通过通讯模块收集实时各设备端的状态信息并做显示，下发控制指令，点对点控制发出预警的设备；
11.设备端用于通过收集超容模组的电压，温度信息，判断超容模组充放电开关的状态记录超容模组的工作次数，同时将信息及状态量通过通讯模块传输给上级控制模块；
12.通讯模块用于将各设备端与上级控制模块连接起来实现信息传递。
13.进一步的，上级控制模块包括显示屏、阈值判断模块和设备切换开关控制单元；阈值判断模块用于判断各设备端的状态信息和阈值的大小；设备切换开关控制单元用于根据阈值判断模块的判断结果开闭设备切换开关。通讯模块为 rs485通讯网络。
14.进一步的，设备端包括若干组超级电容模组、电压采样模块、温度采样模块、充电开关状态检测、放电开关状态监测、设备端cpu和投切控制开关；每组超级电容模组上均设
置有电压采样模块和温度采样模块，电压采样模块和温度采样模块均连接设备端cpu；设备端cpu还连接有充电开关状态检测、放电开关状态监测和投切控制开关；设备端cpu把接收到的模组电压信号，温度信号，充放电状态与计时器和计数器一起进行模组生命周期预测算法计算并判断，根据内部逻辑或上级控制器的指令产生故障输出和投切控制命令。
15.进一步的，电压采样模块为通过高阻差分采样的方式，将总模组电压及单个模组电压从高电压变换为设备端cpu的ad采样能识别的低电压范围；温度采样模块通过热敏元件及桥式变换电路，将模组的温度信号转换为相对应的电压信号并调整至设备端cpu的ad采样能识别的低电压范围。
16.进一步的，充电开关状态检测通过状态检测通道可将触点信号转换为设备端cpu能识别的高低电平信号，用于记录充电次数；放电开关状态监测模块通过状态检测通道可将触点信号转换为设备端cpu能识别的高低电平信号，用于记录放电次数。
17.进一步的，设备端cpu还连接有故障指示模块和通讯模块；通讯模块将 cpu采集到的模组信息，状态量传送给上级控制器，同时接收上级控制器下发的控制指令；故障指示模块将设备端cpu发出的电平信号转换为控制故障灯或故障开关的信号，进行告警。
18.进一步的，设备端cpu包括ad转换模块、io输入模块、时钟计时模块、计数模块、电容模组生命周期这算模块、485接口模块和io输出模块；ad转换模块、io输入模块、时钟计时模块、计数模块、485接口模块和io输出模块均连接到电容模组生命周期这算模块。
19.进一步的，ad转换模块用于将电压采样模块采集到的超级电容模组的电压信号和超级电容模组信号转换成数字量给电容模组生命周期计算模块；io 输入模块用于将充电开关和放电开关的状态以电平的方式送入电容模组生命周期计算模块，记录充放电的次数；电容模组生命周期这算模块：在实际运行环境下，根据模组的在不同温度下，不同电压情况下，以及累计的运行时间对电容模组的寿命进行一步折算，再结合计数器所累计的充放电次数对电容模组的寿命进行整体折算，将折算值定时发送给上级控制器。另外将折算的寿命与理论电容模组能运行的寿命进行对比，在达到寿命阈值门限时将告警信号发送到上级控制器，同时控制本地故障指示。
20.进一步的，时钟计时模块用于记录累计电容工作时间；计数模块用于记录电容模组的充放电次数；485接口模块用于将模组生命周期信息及模组的生命周期预警信号通过modbus-rtu协议发送给上级控制模块，将上级控制模块发送的指令通过modbus-rtu协议接收回cpu；io输出模块用于在cpu得到上级接收的控制命令后或设备自身出现故障时，输出投切开关控制信号和故障状态指示信号。
21.进一步的，一种超级电容模组状态预警系统的预警方法，包括以下步骤：
22.系统上电，先判断有无故障，有故障则报故障，故障指示灯长亮，无故障的情况下检测放电开关状态，若开关闭合则说明在放电状态，等待放电完毕后断开放电开关，闭合充电开关，此时计数器及计时器启动；
23.在装置运行过程中，只要充放电开关动作计数器就会启动累计次数，计时器也会累计时间，结合计数器及计时器信息同时根据外部采样的模组温度及工作电压对模组的生命周期进行估算，将估算值及预警信号通过485接口上传至上级控制器，上级控制器实时接收装置信息，并通过预警信号对相应的装置进行分断控制，方便现场及时更换。
24.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
25.本发明通过通讯组网的方式获得多片区，多模组的信息，根据采集到的电容模组的电压，温度，及充放电开关的状态，计算出相应电容模组的寿命。此方案一方面能全面收集各电容模组的状态，另一方面能提前预判出单个或多个模组的寿命，从而在不影响设备运行的条件下，及时更换模组减少故障停机，提高整个系统运行效率及安全。此发明具有信息覆盖面广，预警性强，低成本，运维效率高等特点。
26.本发明将超容模组的实时信息传递给上级监控器且实时计算超容模组的寿命同时上传上级控制器，上级控制器可实时知晓模组寿命信息，定位寿命末期的模组，并下发相应的控制指令控制寿命末期模模组工作与否。此方案方便信息定位，提前锁定即将失效的模组，及时更换，提高运行效率。此发明具有信息覆盖面广，预警性强，低成本，运维效率高等特点；通过生命周期预测提前定位故障，提高运行效率；通过通讯组网的方式全方位覆盖模组信息并对故障模组进行定点控制。
附图说明
27.图1为本本发明系统结构图。
28.图2为本发明设备端结构图。
29.图3为本发明设备端cpu结构图。
30.图4为本发明流程图。
具体实施方式
31.以下结合附图对本发明进一步说明：
32.请参阅图1至图3，一种超级电容模组状态预警系统及方法包括：
33.(1)上级控制器：通过485接口收集实时各子设备的状态信息并做显示，当有预警信号发生时可下发控制指令，直接点对点控制发出预警的设备。
34.(2)设备端：超级电容模组所在设备，通过采样收集超容模组的电压，温度信息，通过判断模组充放电开关的状态记录模组的工作次数，通过cpu运算执行相应的控制，同时将信息及状态量通过485传输给上级控制设备。接收上级控制设备的指令并执行。
35.(3)通讯网络：通过rs485网络将各子设备与上级控制器连接起来实现信息传递。
36.单个设备中模组信息采集及预警控制框图，包括：
37.(1)超级电容模组：此系统中的被采样被控制元件。
38.(2)电压采样通道：通过高阻差分采样的方式，将总模组电压及单个模组电压从高电压变换为cpu的ad采样能识别的低电压范围；
39.(3)温度采样通道：通过热敏元件及桥式变换电路，将模组的温度信号转换为相对应的电压信号并调整至cpu的ad采样能识别的低电压范围；
40.(4)充电开关状态检测通道：充电开关闭合后，开关的反馈触点会接通，此时通过状态检测通道可将触点信号转换为cpu能识别的高低电平信号，用于记录充电次数；
41.(5)放电开关状态监测通道：放电开关闭合后，开关的反馈触点会接通，此时通过状态检测通道可将触点信号转换为cpu能识别的高低电平信号，用于记录放电次数；
42.(6)485通讯通道：将cpu采集到的模组信息，状态量传送给上级控制器，同时，接收上级控制器下发的控制指令；
43.(7)故障指示通道：当有故障发生时，将cpu发出的电平信号转换为控制故障灯或故障开关的信号，及时告警；
44.(8)投切控制通道：在满足模组投入或切断的条件下，将cpu发出投切命令电平信号转换为控制投切开关的大电压控制信号，从而控制模组的投入与断开；
45.(9)cpu：把接收到的模组电压信号，温度信号，充放电状态与计时器和计数器一起进行模组生命周期预测算法计算并判断，同时根据内部逻辑或上级控制器的指令产生故障输出和投切控制命令；
46.设备中cpu预警控制的实现框图：
47.(1)ad转换模块：将采样通道采集到的超级电容模组的电压信号和模组信号转换成数字量给电容模组生命周期计算模块；
48.(2)io输入模块：将充电开关和放电开关的状态以电平的方式送入电容模组生命周期计算模块，用于记录充放电的次数；
49.(3)时钟计时模块：计时模块在电容模组工作后开始计时，不工作后停止计时，在整个系统运行过程中累计电容工作时间；
50.(4)计数模块：计数模块根据冲电开关和放电开关的动作状态记录电容模组的充放电次数；
51.(5)电容模组生命周期这算模块：在实际运行环境下，根据模组的在不同温度下，不同电压情况下，以及累计的运行时间对电容模组的寿命进行一步折算，再结合计数器所累计的充放电次数对电容模组的寿命进行整体折算，将折算值定时发送给上级控制器。另外将折算的寿命与理论电容模组能运行的寿命进行对比，在达到寿命阈值门限时将告警信号发送到上级控制器，同时可控制本地故障指示；
52.(6)485接口模块：将模组生命周期信息及模组的生命周期预警信号通过modbus-rtu协议发送给上级控制器，将上级控制器发送的指令通过 modbus-rtu协议接收回cpu；
53.(7)io输出模块：在cpu得到上级接收的控制命令后或设备自身出现故障时，输出投切开关控制信号和故障状态指示信号。
54.工作原理：
55.系统上电，先判断有无故障，有故障则报故障，故障指示灯长亮，无故障的情况下检测放电开关状态，若开关闭合则说明在放电状态，等待放电完毕后断开放电开关，闭合充电开关，此时计数器及计时器启动；
56.在装置运行过程中，只要充放电开关动作计数器就会启动累计次数，计时器也会累计时间，结合计数器及计时器信息同时根据外部采样的模组温度及工作电压对模组的生命周期进行估算，将估算值及预警信号通过485接口上传至上级控制器，上级控制器实时接收装置信息，并通过预警信号对相应的装置进行分断控制，方便现场及时更换。