關(guān)于10 kV戶外柱上智能設(shè)備電源系統(tǒng)的研究

郭麗慧

摘 要：10 kV戶外柱上智能設(shè)備的電源不僅會受到取電方式、質(zhì)量、空間體積和周邊環(huán)境的影響，還會受到電源系統(tǒng)自身固有缺陷的影響，導(dǎo)致電源系統(tǒng)故障的發(fā)生。如果電源系統(tǒng)的故障不能及時排除，就有可能會導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)的故障，進而嚴重影響供電的安全性和可靠性。因此，對10 kV戶外柱上智能設(shè)備電源系統(tǒng)的設(shè)計進行探討是十分必要的。

關(guān)鍵詞：10 kV戶外柱；智能設(shè)備；電源系統(tǒng)；電容器

中圖分類號：TM762.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0037-02

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的電力行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展。隨著電網(wǎng)的不斷改造，越來越多的智能設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在10 kV架空線路上。其中，戶外柱上的智能設(shè)備已經(jīng)成了10 kV配電網(wǎng)實現(xiàn)智能化、自動化的重要設(shè)備之一。由于電源系統(tǒng)的性能直接影響著智能設(shè)備的運行狀況，因此電源系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。

1 10 kV戶外柱上常見的電源系統(tǒng)

1.1 超級電容器-鋁電解電容器電源系統(tǒng)

超級電容器-鋁電解電容器電源系統(tǒng)采用的是超級電容器和鋁電解電容器相組合的方式，超級電容器具備在較低溫度下運行的能力，即使在-40 ℃的低溫環(huán)境中，電容的損失量也小于28%.超級電容器的循環(huán)使用壽命通?？蛇_到十幾萬次以上，這有效地解決了戶外柱上電源系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中運行壽命短的缺陷。但是，由于超級電容器的能量密度相對較小，因此它的使用會增加供電系統(tǒng)的成本投入。另外，超級電容器的大體積和質(zhì)量上的缺陷嚴重影響了電源系統(tǒng)的防護等級和外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由于這兩種電容器同時存在，因此該電源系統(tǒng)的電源管理電路和充電電路的設(shè)計會更加復(fù)雜。

1.2 蓄電池-鋁電解電容器電源系統(tǒng)

蓄電池-鋁電解電容器電源系統(tǒng)采用了蓄電池和超級電容器組合的方式，通過電解電容器瞬間放電分閘開關(guān)，并由蓄電池維持交流失電時電容器的充電，保證了智能設(shè)備的正常運行。但是，如果蓄電池處于惡劣的環(huán)境條件中，電容器容量的損失就會比較大，甚至會導(dǎo)致蓄電池無法維持智能設(shè)備的正常運行，降低了智能設(shè)備的使用性能。

1.3 無后備電源系統(tǒng)

無后備電源系統(tǒng)利用電壓時間型開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)停電分閘和來電合閘等操作，因此不必考慮后備電源系統(tǒng)，這是相對于傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的主流設(shè)計思路。目前，許多智能電源設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計廠家將組合式設(shè)計和模塊化設(shè)計應(yīng)用到了電源系統(tǒng)的設(shè)計中，顯著地增加了電源系統(tǒng)的電壓型故障處理能力和電流型通信管理能力。運用電流型終端和電壓型終端整合在一起的設(shè)計理念，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)的自動化和集成化，因此，無后備電源系統(tǒng)的智能設(shè)備終究會被時代所淘汰。

2 嵌入式-微處理器電源系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

嵌入式-微處理器電源系統(tǒng)以DC/DC變換電路、電池充電放電模塊、電池組和適配器等為功能模塊，以微控制器為控制和檢測的核心。由于不同應(yīng)用領(lǐng)域中智能設(shè)備的電源系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)不同，因此其對電源系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)的要求也不盡相同。10 kV戶外柱智能設(shè)備電源系統(tǒng)的設(shè)計要求為使用壽命長、能耗低、電源系統(tǒng)自身的轉(zhuǎn)換效率高、功率和電壓可靠性高等。

2.2 設(shè)計思路

嵌入式-微處理器電源系統(tǒng)的總體設(shè)計思路為：①微控制器是數(shù)據(jù)控制和處理的核心。一方面根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的實際狀況實現(xiàn)對驅(qū)動大功率的開關(guān)，另一方面通過監(jiān)控電源系統(tǒng)的狀態(tài)和性能指標控制整個電源系統(tǒng)的電源供給。②電池組的溫度、電流、電壓等信息通過溫度測量電路、電流采樣和電壓采樣進入微控制器。③通過外部適配器的運作保證智能設(shè)備電池的正常充電。④電源系統(tǒng)的RS-232接口能夠?qū)㈦娫礌顟B(tài)接入嵌入式主板，并進行顯示。且微控制器通過主板的ATX電源接口和I/O口進行交互，保證了電源系統(tǒng)的ATX電源功能，實現(xiàn)了PW-OK信號和PS-ON信號的功能模塊。下面將重點介紹該電源系統(tǒng)的DC/DC變換電路和電池組的設(shè)計。

2.2.1 1DC/DC變換電路的設(shè)計

傳統(tǒng)的智能設(shè)備的電源系統(tǒng)通常采用的是一步式的電源轉(zhuǎn)化，這并不能滿足低壓大工作電流的要求；而嵌入式-微處理器電源系統(tǒng)中DC/DC變換電路的二步式變換設(shè)計，則有效地解決了該問題。例如，某嵌入式-微處理器的電源系統(tǒng)設(shè)計采用的是LTC3780芯片和LTC1628芯片，這兩個芯片為電源系統(tǒng)內(nèi)部的各個功能模塊提供了相對穩(wěn)定的電源。其中，LTC3780是一款性能較高的升壓-降壓開關(guān)型穩(wěn)壓器，當輸入等于、低于、高于輸出電壓時，其都能保證電源系統(tǒng)處于正常的運行狀況。將LTC3780芯片作為核心控制芯片，其恒定頻率電流模式架構(gòu)為電源系統(tǒng)提供了400 Hz的可鎖相頻率，并且通過無縫切換Buck-Boost開關(guān)模式，可在輸入和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)不同工作模式之間的無縫切換，有效地提高了降壓和升壓的效率，進而顯著地提高了該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LTC1628芯片是具有較高性能的降壓式雙開關(guān)穩(wěn)壓控制裝置，該控制器通過輸出級異相工作，能夠最大限度地降低輸入電容器的ESR（即等效串聯(lián)電阻）產(chǎn)生的噪聲、功效和控制器的RUN/SS引腳提供的軟啟動，并能在選定時實現(xiàn)短路停機。

2.2.2 電池組的設(shè)計

嵌入式-微處理器電源系統(tǒng)是基于RISC結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，因此，在進行電池組的設(shè)計時，應(yīng)該選擇合適的電池組。目前采用的電池具有廢棄后難處理、充放電壽命短、能量密度低等缺點，其勢必會隨著時代的發(fā)展逐漸地被淘汰。近年來，鋰離子電池由于具有自放電率低、循環(huán)使用壽命長、無記憶效應(yīng)、能量密度高、體積小和重量輕等方面的優(yōu)點，因此被廣泛地應(yīng)用在10 kV戶外柱智能設(shè)備的電源系統(tǒng)中，例如，三洋柱狀18650型鋰電池利用了4串聯(lián)4并聯(lián)的組合方式，使該鋰電池組具備了125 WH的能量，單節(jié)電池的容量也達到了2.1 Ah，這使其不僅具備了很強的續(xù)航能力，而且還顯著地增加了電池組的使用壽命。

電池組的充電電路的設(shè)計思路為：蓄電池和充電電路相連接，能夠隨時對電池組進行充電，充電的過程從大電流恒流充電狀態(tài)開始，充電器輸出恒定的充電電流，并能夠?qū)崟r地檢測電氣兩端的電壓狀況；當電池組的電壓達到額定電壓后，立即停止充電，然后在該狀態(tài)下，保證電池組能夠輸出恒定的電壓；通過GPS觀測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對電池組運行狀況的實時監(jiān)測。當電池組的電量低于某個設(shè)定值時，該電源系統(tǒng)能夠發(fā)出相應(yīng)的警報，并切斷電路，實現(xiàn)對電池組的狀態(tài)監(jiān)測，以減小電源損耗，延長電池組的使用壽命。

3 結(jié)束語

上文分析了10 kV戶外柱上常見智能設(shè)備的電源系統(tǒng)，然后分析了一種新型的電源系統(tǒng)——嵌入式-微處理器的電源系統(tǒng)，并探析了該電源系統(tǒng)的設(shè)計方案，以供相關(guān)人員參考。

參考文獻

[1]狄東晗，張維，李保勇，等.10 kV戶外柱上智能設(shè)備電源系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].廣東電力，2013（06）.

〔編輯：王霞〕