高可靠的配網(wǎng)自動化終端電源設(shè)計(jì)

（南京首風(fēng)智慧電力研究院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的終端裝置，一般稱為配電自動化終端或配網(wǎng)自動化終端，簡稱配電終端，用于中壓配電網(wǎng)中的開閉所、重合器、柱上分段開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、配電變壓器、線路調(diào)壓器、無功補(bǔ)償電容器的監(jiān)視與控制，與配網(wǎng)自動化主站通信，提供配電網(wǎng)運(yùn)行控制及管理所需的數(shù)據(jù)，執(zhí)行主站給出的對配網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的指令1[1]。配電終端是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的基本組成單元，其性能與可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能否有效地發(fā)揮作用。

配電自動化終端運(yùn)行于戶外，取電比較困難，其供電電源主要包括電源管理模塊和后備電源。電源管理模塊負(fù)責(zé)從PT取電，并向配電自動化終端、開關(guān)、通信裝置的供電，也對后備電源進(jìn)行充放電管理2[2]；后備電源在線路失電時(shí)，給配電自動化終端、開關(guān)、通信裝置提供電源。戶外的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾，以及開關(guān)操作的大電流沖擊，都對配電自動化終端供電電源的可靠性提出了較高的要求，研發(fā)設(shè)計(jì)高靠性的配電自動化終端的電源有其必要性。

1 終端電源組成

典型的配電終端電源主要由EMC電路、雙電源切換電路、變換整流濾波電路、后備電源及其管理電路、輸出檢測保護(hù)電路等組成。圖1表示了終端電源各組成部分及相應(yīng)關(guān)系。

終端的電源輸入通常來自電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)，在終端內(nèi)部進(jìn)行一系列處理后輸出直流48V/24V電源，同時(shí)為后備電源充電，當(dāng)外部交流失電后，后備電源開始放電，繼續(xù)輸出相應(yīng)的直流。

2 可靠性設(shè)計(jì)

配電終端的電源不僅要為終端自身供電，還要為控制回路和通信模塊供電。由于配電終端通常安裝在戶外，惡劣的環(huán)境經(jīng)常會使電源部件出現(xiàn)故障，影響終端的正常工作及開關(guān)的可靠操作。

2.1 電磁兼容防護(hù)設(shè)計(jì)

電源端口的電磁兼容防護(hù)主要針對浪涌電壓和電快速瞬變脈沖群。這兩種干擾產(chǎn)生的機(jī)理和特性均不同。浪涌電壓來源于線路故障產(chǎn)的過電壓，或由于雷電等自然現(xiàn)象耦合入的過電壓，是一種時(shí)間短，能量大的瞬變干擾信號。電快速瞬變脈沖群來源于一次回路中的開關(guān)在正常工作的狀況下，開斷電感性負(fù)載，如切空載變壓器、電抗器及電動機(jī)等，或切除容性負(fù)載,如空載長線、電容器組等，是一種頻率高，能量小的瞬變干擾信號。

由于配電終端取電方式是電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)，所以上述兩種干擾會通過變壓器直接注入到配電終端電源輸入端口。如果電源端口浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)不能起到很好的抑制作用，干擾會直接耦合到弱電系統(tǒng)中去，導(dǎo)致設(shè)備異常，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致設(shè)備損壞。圖2為電源輸入端口的電磁兼容防護(hù)電路。

電路中采用了π型濾波器，Y電容二種器件對電快速瞬變脈沖群進(jìn)行防護(hù)。其中C1、C2放置在電源入口處，用于瀉放大部分電快速瞬變脈沖群的能量，剩余的能量被后級共模電感與C5、C6組成的LC濾波器進(jìn)一步吸收后，干擾幾乎消失，不影響負(fù)載正常運(yùn)行。

R3、R5為壓敏電阻，用于鉗位浪涌差模電壓，R3、R5額定電壓的選取需要滿足系統(tǒng)最大輸入電壓的要求，一般為Un≥1.2×Uinmax。但由于壓敏電阻動作時(shí)間為25ns左右，所以無法及時(shí)保護(hù)后級電路。所以需要將干擾信號在時(shí)域上展寬，給予壓敏電阻足夠的動作相應(yīng)時(shí)間。因此，在此回路中串入NTC電阻R4，與后級的輸出濾波儲能電容，構(gòu)成的RC濾波器，可以將浪涌波形展寬。并且NTC電阻在電源冷啟動時(shí)可以抑制沖擊電流，起到很好的限流作用。

浪涌共模防護(hù)，傳統(tǒng)的防護(hù)方式如圖3所示，此種方式由GAS放電管與壓敏電阻串聯(lián)，構(gòu)成防護(hù)電路。由于GAS放電管的動作時(shí)間為100ns，所以防護(hù)響應(yīng)時(shí)間更長，并且無法滿足電力系統(tǒng)二次控保裝置端口耐壓要求。

本配電終端采用的電源，取消掉壓敏電阻RV1，RV1以及GAS放電管。當(dāng)共模浪涌電壓施加于電源端口時(shí)，供電線路的等效電感與電源入口電容會產(chǎn)生諧振，入口干擾信號峰值會被抬高，對后級系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。本設(shè)計(jì)將放電管串聯(lián)功率電阻，并接在共模電感兩端，如上圖R1、G1、R2、F2所示。當(dāng)共模浪涌電壓施加于電源端口時(shí)，由于共模電感電流不能突變，所以共模電感上瞬間會產(chǎn)生很高的電壓，這時(shí)通過放電管瞬間擊穿，將共模電感兩端的電壓鉗位在200V左右，以限制后級負(fù)載的共模電壓幅值。后級回路中，開關(guān)變壓器中的耦合電容是共模浪涌電壓潛在的傳導(dǎo)路徑，所以開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵，通過改變繞組的順序和繞制的工藝，以及變壓器材料的選用，以減小開關(guān)變壓器的耦合電容，切斷耦合路徑，保護(hù)后級負(fù)載不受干擾影響。

2.2 可靠的雙電源切換

采用繼電器切換的方式實(shí)現(xiàn)外部輸入雙電源自動切換，此種方式為自驅(qū)動方式，能實(shí)時(shí)跟隨輸入電壓的狀態(tài)，并做出快速的投切動作，由于減少了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從而也提高了其可靠性。雙電源切換的原理如圖4所示。

且此設(shè)計(jì)增加了兩路輸入的互鎖機(jī)制，保證同一時(shí)間只有一路輸入，防止兩路電壓互相耦合而形成環(huán)路，引入空間耦合干擾，導(dǎo)致裝置異常。

2.3 電源的自保護(hù)功能

配電終端的電源系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了DC/DC開關(guān)電源，將輸入的直流48V/24V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，為核心板、出口板等插件供電。開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)的方式是通過閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)視輸出電壓，根據(jù)不同的負(fù)載，動態(tài)調(diào)節(jié)反饋環(huán)路中的偏置電壓，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)反饋環(huán)路異常，導(dǎo)致系統(tǒng)開環(huán)，則輸出5V電壓會偏高，使后級負(fù)載過電壓損壞，可能會導(dǎo)致裝置誤動作。

后級負(fù)載短路或阻抗下降時(shí)，會導(dǎo)致電源輸出電流長時(shí)間超出最大輸出電流，此刻DC/DC開關(guān)電源中的功率器件會發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致電源壽命下降甚至損壞，部分連接器由于長時(shí)間發(fā)熱甚至起火，會導(dǎo)致用戶財(cái)產(chǎn)損壞。為避免此問題發(fā)生，所以設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流超過動作門檻時(shí)，電源停止輸出，直至故障恢復(fù)。

2.4 散熱設(shè)計(jì)

在電源系統(tǒng)中，熱量都是由電能轉(zhuǎn)換來的：電流流過連接線和連接點(diǎn)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗，開關(guān)器件快速的開通、閉合產(chǎn)生的開關(guān)損耗，變壓器鐵心產(chǎn)生磁滯損耗，交變磁場、交變電場產(chǎn)生的渦流損耗和介質(zhì)損耗等，都以熱量的型式，分布在機(jī)箱內(nèi)，迫使機(jī)箱溫度升高3[3]。如果沒有良好的散熱設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)箱溫度超過元器件的允許溫度時(shí)，電源會工作異常，部分元器件壽命急劇下降，甚至局部發(fā)熱嚴(yán)重，燒毀電源。

因此散熱設(shè)計(jì)非常重要，這是確保電源正常供電，壽命的關(guān)鍵。在散熱設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)具體情況，選擇合適的途徑將熱量傳遞出去，以達(dá)到元器件降溫的目的，從而提高電源工作可靠性，延長其使用壽命。

3 后備電源

在電力配電系統(tǒng)中，配電終端的后備電源至關(guān)重要。正常情況下，配網(wǎng)自動化終端裝置的電源一般取自電壓互感器二次側(cè)，當(dāng)因故障或其他原因?qū)е码娐吠ｋ姇r(shí)，終端必須能繼續(xù)維持工作一段時(shí)間，以便能完成線路的故障檢測、信息記錄、上報(bào)以及配合主站對開關(guān)進(jìn)行遙控操作等一系列工作，從而實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離并恢復(fù)非故障區(qū)域供電。因此，在線路故障時(shí)擁有可靠的備用工作電源，對故障隔離及恢復(fù)線路供電，有十分重要的作用。

3.1 三種后備電源特點(diǎn)

目前，配電終端的后備電源主要有鉛酸蓄電池、鋰電池和超級電容；每種后備電源都有其優(yōu)勢和劣勢。

鉛酸蓄電池的單體電壓高、能量密度高（20～100Wh/kg），適當(dāng)?shù)闹亓亢腕w積能帶來較大的能量輸出，在額定充放電倍率下，循環(huán)壽命較長；但蓄電池存在功率密度低、放電性能受溫度影響、充放電電流不能太大等問題，因此，對于要求長壽命、高可靠的應(yīng)用場合，使用蓄電池儲能就存在較多的局限。

3.2 后備電源充放電管理

根據(jù)對三種后備電源的特點(diǎn)分析知，鉛酸蓄電池需要定期活化、放電電流不能過大，鋰電池不能浮充、需要保護(hù)控制電路；超級電容需要均壓控制電路。為保證后備電源的安全可靠、長期正常運(yùn)行，高可靠的充放電管理電路是必需的。

后備電源的充放電管理電路具有短路保護(hù)和電壓保護(hù)功能，以及定期激活電池功能，有效保障了電池運(yùn)行安全及運(yùn)行壽命。充分考慮電池防爆設(shè)計(jì)處理，電池充放電管理采用專用電池管理設(shè)計(jì)電路及算法，防止電池過充和過放，并設(shè)有手動、自動激活電池功能，有效保障電池長期安全運(yùn)行。

對于后備電源為超級電容，管理電路設(shè)計(jì)了短路保護(hù)和電壓保護(hù)功能，對電容完成充電和切換管理。在電容充電時(shí)限流作用，防止電流過大對裝置元器件產(chǎn)生不良影響如老化和燒毀等。

4 結(jié)語

根據(jù)《DL/T 721-2000配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端》規(guī)范，對我司配網(wǎng)自動化終端進(jìn)行相關(guān)EMC測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，終端電源設(shè)計(jì)可靠、EMC性能良好。采用繼電器方式設(shè)計(jì)的雙電源切換電路，存在10ms左右的切換時(shí)間，但由于電源直流輸出部分有儲能電容的存在，能夠保證終端在切換過程中正常工作，不會出現(xiàn)后備電源啟動或斷電等情況。

從現(xiàn)場多臺套終端運(yùn)行情況反映，采用文中方案設(shè)計(jì)的電源具有散熱優(yōu)良、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，設(shè)計(jì)中考慮了多種后備電源的情況，也使得終端電源具有較強(qiáng)的通用性，為設(shè)計(jì)人員、工程調(diào)試人員提供了較大的便利。