智能電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備的設(shè)計(jì)

唐肖軍，唐建業(yè)

（浙江嘉科電子有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引 言

隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的進(jìn)步，智能電源的應(yīng)用逐漸廣泛。智能電源的控制理論是智能電源體系應(yīng)用的重點(diǎn)內(nèi)容，也是智能電源設(shè)備應(yīng)用的核心基礎(chǔ)。控制工具和控制基礎(chǔ)原理一直是控制行業(yè)研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)[1]，二者如何通過合適的載體銜接起來，是電源市場(chǎng)創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)。為保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)換控制設(shè)備需在高功率、高密度以及大范圍的環(huán)境溫度內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，需要通過網(wǎng)絡(luò)化的智能監(jiān)控管理實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，從而實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)[2]。

1 設(shè)備原理及方案

饋線終端設(shè)備（Feed Terminal Unite，F(xiàn)TU）作為智能電源控制與轉(zhuǎn)換的重要組成部分，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控輸電線路中的供電情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。它的安全性能直接決定著智能電源運(yùn)行的穩(wěn)定性。供電的高質(zhì)量發(fā)展對(duì)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的提高具有重要意義[3]。本文設(shè)計(jì)的FTU智能電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備主要包括用電模塊和穩(wěn)壓模塊。其中，穩(wěn)壓模塊根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果將輸電電壓穩(wěn)定在所需要的穩(wěn)定值區(qū)間內(nèi)，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的[4]。

1.1 設(shè)備要求

控制設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)設(shè)備運(yùn)行至關(guān)重要。不同環(huán)境對(duì)控制設(shè)備的要求不同，如安裝于戶外惡劣環(huán)境中的設(shè)備，其元器件的保障要求極高。元器件之間的通信協(xié)議和耦合性能也是設(shè)備設(shè)計(jì)要求的重點(diǎn)內(nèi)容。不同組件之間的耦合性能直接影響軟件的整體運(yùn)行水平，需要反復(fù)測(cè)試，以保證元器件的穩(wěn)定性。

1.1.1 冗余供電要求

為滿足FTU的監(jiān)測(cè)需求，設(shè)備在主路失電的情況下需要能夠在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的冗余供電。因此，電源設(shè)備應(yīng)具備能夠熱備份的備用電源，以實(shí)現(xiàn)主備供電的功能。

1.1.2 輸入要求

FTU設(shè)備在戶外安裝過程中會(huì)有不便，且一般不會(huì)備用專業(yè)變壓器。因此，安裝過程中需要從配電網(wǎng)上直接獲取輸入性電源來滿足需求。這就要求FTU設(shè)備具備高壓電源取電性能。

1.2 設(shè)備方案

結(jié)合數(shù)字電源技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)，依據(jù)實(shí)際的功能需求，本文提出了智能電源控制設(shè)備方案。

（1）主路模塊。根據(jù)設(shè)備對(duì)電壓的基本需求，主路模塊需將AC 220 V電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。不僅能夠有效通過主路電壓對(duì)FTU進(jìn)行供電，還能實(shí)現(xiàn)雙向的供電和取電。

（2）冗余模塊。它作為設(shè)備的備用電源進(jìn)行熱備份供電。當(dāng)設(shè)備內(nèi)有取電需求時(shí)，冗余模塊能夠及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，從而滿足功能性需求。

（3）超級(jí)電容器組。通過超級(jí)電容為電容器組進(jìn)行平穩(wěn)放電，應(yīng)盡可能地提升超級(jí)電容器組的能源有效利用率，從而為FTU提供有效的穩(wěn)定電源。

（4）穩(wěn)壓模塊。對(duì)穩(wěn)壓模塊進(jìn)行有效的智能化控制，保證電容器組運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，通過穩(wěn)壓模塊的元器件可進(jìn)行有效承壓，從而保證整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的安全。需要說明的是，穩(wěn)壓模塊的性能受整個(gè)設(shè)備綜合運(yùn)行水平的影響。

（5）數(shù)字控制器。通過二極管實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定切換。電路設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制時(shí)，由主路模塊將智能電源轉(zhuǎn)換成直流電源，分別向主電路和輔助電路輸出電流。失電情況下，由冗余模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。

2 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

2.1 直流輸出

設(shè)備采用13路輸出。其中，4路輸出為AC 220 V，輸出電壓范圍為AC （220±10%）V；9路為DC+28 V和備份DC +24 V雙輸出，輸出電壓精度≤3%。

2.2 內(nèi)置芯片架構(gòu)

電源設(shè)備的主控芯片是在ARM的基礎(chǔ)架構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以嵌入式環(huán)境能夠有效適用本設(shè)備的開發(fā)工作。電源設(shè)備匯編語言的開發(fā)環(huán)境選用MDK集成開發(fā)環(huán)境，能夠最大限度地支持軟件的仿真情況，進(jìn)而完整地展現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的綜合運(yùn)行工況。同時(shí)，它支持JTAG設(shè)備的硬件仿真形式，并具有強(qiáng)大的編譯功能。開發(fā)環(huán)境能夠支持代碼的生成和各類調(diào)試器的綜合調(diào)節(jié)，在指令模擬中能夠通過KEIL集成好開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)操作界面和軟件編譯的同時(shí)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)擁有代碼生成接口和語法敏感性接口的編譯功能。

2.3 硬件與外形設(shè)計(jì)

2.3.1 外形尺寸要求

電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備結(jié)構(gòu)的前后面板示意圖，分別如圖1和圖2所示。由圖可知，它的外形尺寸中，寬為482.6 mm，高為3U（132.5mm）。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù)

電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備內(nèi)置10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與上位機(jī)進(jìn)行通信。它的網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù)表

圖1 前面板示意圖

圖2 后面板示意圖

一路單相AC 220 V/50 Hz交流輸入電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備，通過交流電磁兼容濾波器給內(nèi)部輔助電源和電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備隔離模塊供電。輔助電源輸出12 V給主控單元電路、顯示觸摸屏和風(fēng)機(jī)供電。主控單元電路可以通過網(wǎng)絡(luò)接口由上位機(jī)遙控控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的輸出，也可以通過本地面板開關(guān)控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的輸出。用戶可以通過顯示觸摸屏切換遙控和本地功能，可自行修改網(wǎng)絡(luò)IP地址。此外，顯示觸摸屏還可以顯示當(dāng)前各路輸出的狀態(tài)信息。電源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備通過電壓和電流檢測(cè)控制電路，實(shí)時(shí)采集輸出電壓和電流的信息，一旦出現(xiàn)異常，立刻關(guān)閉輸出并顯示保護(hù)狀態(tài)。主控單元電路和電壓電流檢測(cè)控制電路通過串口總線通信，將輸出電壓、電流以及電源內(nèi)部溫度信息傳給主控單元電路進(jìn)行匯總，并通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到上位機(jī)，從而方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 設(shè)備控制電路

設(shè)備控制電路采用了具備電流電壓采集功能的控制器芯片。通過單片機(jī)輸出一個(gè)高低電平來控制（開通或者關(guān)斷）光耦，從而達(dá)到控制輸出的目的。直流輸出控制電路如圖3所示。

圖3 控制電路圖

3 控制設(shè)備的控制策略

設(shè)備運(yùn)行中主要采用分階段的啟停控制來進(jìn)行綜合控制。啟停控制功能可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和形式進(jìn)行有效的互補(bǔ)，不僅可以有效解決設(shè)備運(yùn)行過程中對(duì)元器件產(chǎn)生的沖擊，也在一定程度上減少了對(duì)設(shè)備的損害。

4 功能介紹

轉(zhuǎn)換控制設(shè)備的功能需求主要建立在智能電源的基本需求上，滿足放電的需求，從忽略對(duì)象性能退化的控制調(diào)節(jié)向考慮對(duì)象性能退化的控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變。電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)控制設(shè)備的健康狀態(tài)管理進(jìn)行整體性指導(dǎo)，從而預(yù)測(cè)管理對(duì)象全生命周期內(nèi)的故障/損傷與維護(hù)維修。該設(shè)備將傳感器、算法、故障模式、故障癥兆、診斷結(jié)果及維修任務(wù)等元素進(jìn)行有機(jī)組合，形成了一種新的隨機(jī)應(yīng)對(duì)控制設(shè)備。設(shè)備軟件采用ST公司開發(fā)的底層平臺(tái)，可應(yīng)用于嵌入式設(shè)備和離線設(shè)備。

5 結(jié) 論

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電源的控制設(shè)備，且基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能FTU智能電源，根據(jù)設(shè)備形式介紹了相應(yīng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、各個(gè)功能塊的基本組成部分以及軟硬件之間能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。具體地，基于終端設(shè)備的電源需求，提出了超級(jí)電容的轉(zhuǎn)換控制設(shè)備設(shè)計(jì)內(nèi)容的具體實(shí)施方案。數(shù)據(jù)控制模塊體系通過各類穩(wěn)壓電氣結(jié)構(gòu)策劃數(shù)控原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效提升數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。根據(jù)數(shù)據(jù)模塊的穩(wěn)定策略，基本驗(yàn)證了電源的實(shí)際充放電過程，也充分驗(yàn)證了硬件設(shè)計(jì)和軟件控制策略的重要性和正確性。實(shí)際的測(cè)控結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量。