拓?fù)渥R(shí)別特征電流發(fā)射電路研究

鄒其峰 吳有超 黃 亮 唐玉建

北京智芯微電子科技有限公司

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)重點(diǎn)建設(shè)大背景下，提高電力企業(yè)對(duì)信息的獲取與處理能力，促進(jìn)電網(wǎng)管理，促進(jìn)信息間的互動(dòng)，已經(jīng)成為未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)的趨勢(shì)。低壓配電用電環(huán)節(jié)是電網(wǎng)極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是目前電力公司比較薄弱的環(huán)節(jié)[1]，其中面臨的一個(gè)主要問(wèn)題就是戶變關(guān)系的準(zhǔn)確識(shí)別。

戶變關(guān)系識(shí)別的準(zhǔn)確性在整個(gè)電力營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)中非常重要，它既是每個(gè)臺(tái)區(qū)配電服務(wù)的基礎(chǔ)，也是規(guī)劃配電方案和計(jì)算臺(tái)區(qū)線路損耗的依據(jù)，同時(shí)更是臺(tái)區(qū)優(yōu)化用電質(zhì)量的重要參考?，F(xiàn)實(shí)中，因配網(wǎng)建設(shè)發(fā)展造成的頻繁變動(dòng)（如增容、布點(diǎn)、割接、遷建等）、用電負(fù)荷數(shù)量增多、負(fù)荷位置變化等原因，使得用電負(fù)荷臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系出現(xiàn)變更，造成戶對(duì)線不對(duì)變等問(wèn)題。加之受線路交叉、地埋線路等條件限制，用電負(fù)荷表計(jì)與變壓器的隸屬對(duì)應(yīng)關(guān)系很難及時(shí)更新，直接影響供電公司基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。不準(zhǔn)確的戶變關(guān)系主要有以下幾點(diǎn)不利影響：1)配電臺(tái)區(qū)線路損耗分析數(shù)據(jù)有誤差；2)影響新增負(fù)荷配電規(guī)劃，產(chǎn)生負(fù)載不均衡等問(wèn)題；3)影響遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)開(kāi)展。這些問(wèn)題妨礙了基礎(chǔ)電力業(yè)務(wù)的開(kāi)展，同時(shí)也影響了電力公司的精細(xì)化管理。

低壓配電臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別的主要作用就是明確各個(gè)臺(tái)區(qū)中用電負(fù)荷與本臺(tái)區(qū)供電變壓器之間的供電歸屬關(guān)系，即解決臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系識(shí)別問(wèn)題。目前，電力基層進(jìn)行戶變關(guān)系識(shí)別主要以人工為主，存在如下兩類(lèi)問(wèn)題[2-3]：1)需人到現(xiàn)場(chǎng)挨個(gè)表箱進(jìn)行核查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下。2）采用瞬間停電法進(jìn)行核查，對(duì)表計(jì)的質(zhì)量、停送電間隔、現(xiàn)場(chǎng)用戶服務(wù)等要求較高，同時(shí)該方法對(duì)供電質(zhì)量影響較大，存在用戶投訴和損壞用戶家用電器的風(fēng)險(xiǎn)[4]。通過(guò)特征電流發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)拓?fù)渥R(shí)別的方法可以很好地解決上述問(wèn)題。

1 基本原理

整個(gè)拓?fù)渥R(shí)別過(guò)程中有四個(gè)參與者，即主站、帶交采功能的終端裝置、智能電表以及特征電流發(fā)射電路。其中特征電流發(fā)射電路以模組形式安裝于智能電表中，電表負(fù)責(zé)給特征電流發(fā)射模組提供電源及控制信號(hào)。整個(gè)拓?fù)渥R(shí)別流程如下：當(dāng)主站收到進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別指令后，主站給安裝有特征電流發(fā)射模組的智能電表發(fā)送命令。智能電表接收指令并啟動(dòng)特征電流發(fā)射模組。模組啟動(dòng)后，會(huì)在火零線之間產(chǎn)生一定的特征電流，該電流符合相應(yīng)的頻域規(guī)律。在線路的相應(yīng)位置有帶交采功能的終端設(shè)備，這些終端設(shè)備會(huì)對(duì)線路上的電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣分析，記錄并上傳識(shí)別到的特征電流的時(shí)間參數(shù)。最后主站通過(guò)對(duì)所有時(shí)間參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)整個(gè)臺(tái)區(qū)的拓?fù)渥R(shí)別工作。

2 恒阻特征電流發(fā)射電路

當(dāng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果對(duì)電表內(nèi)置的特征電流發(fā)射電路沒(méi)有空間要求限制，可以采用恒阻特性的特征電流發(fā)射電路。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)射電路的電路結(jié)構(gòu)

整個(gè)發(fā)射電路由四個(gè)部分組成，分別是強(qiáng)電主回路、弱電控制、MOS 驅(qū)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)供電。電路產(chǎn)生的特征電流主要有兩個(gè)指標(biāo)，一是電流幅值需要達(dá)到規(guī)定值，二是電流在頻域中符合一定規(guī)律。對(duì)于第一個(gè)指標(biāo)，主要由強(qiáng)電主回路決定，通過(guò)設(shè)置主回路中的電阻參數(shù)產(chǎn)生符合規(guī)定幅值的電流。電流幅值不能太小，如果太小，產(chǎn)生的特征電流可能無(wú)法被終端設(shè)備檢測(cè)到；同時(shí)幅值也不能太大，如果太大，電路產(chǎn)生的功耗過(guò)高造成電能浪費(fèi)。綜合考慮，本電路設(shè)計(jì)中要求產(chǎn)生特征電流的峰值為450mA。對(duì)于第二個(gè)指標(biāo)，主要由弱電控制決定。電路的弱電控制信號(hào)來(lái)自智能電表的MCU 芯片。當(dāng)電表收到主站開(kāi)始拓?fù)渥R(shí)別的指令后，會(huì)對(duì)弱電控制電路輸出特定的PWM 信號(hào)，該P(yáng)WM 信號(hào)通過(guò)弱電控制電路控制MOS 驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而控制MOS 管的通斷，從而令強(qiáng)電主回路產(chǎn)生的電流具備一定的頻域特征。MOS 驅(qū)動(dòng)電路主要用于給強(qiáng)電主回路中的MOS 提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)供電電路主要為驅(qū)動(dòng)提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。

發(fā)射電路詳細(xì)電路圖如圖2所示。強(qiáng)電主回路使用大功率插件電阻串聯(lián)產(chǎn)生峰值為450mA 的特征電流。MOS 管與主回路串聯(lián)，同時(shí)并上保護(hù)MOS 管的RC 吸收回路。MOS 驅(qū)動(dòng)采用經(jīng)典的推挽驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)需要MOS 導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)供電電路為驅(qū)動(dòng)供電，通過(guò)Q2、R6 路徑給MOS 提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)需要MOS 關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)供電電路停止供電，同時(shí) MOS 通過(guò) R5、D5、Q3 路徑放電。驅(qū)動(dòng)供電電路通過(guò)并聯(lián)穩(wěn)壓為MOS 驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的12V 直流電源。弱電控制與MOS 驅(qū)動(dòng)通過(guò)光耦連接，在進(jìn)行控制信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離。

恒阻特征電流發(fā)射電路實(shí)物測(cè)試板如圖3 所示，圖4為特征電流波形。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電路能夠產(chǎn)生符合幅值、頻率要求的特征電流。

3 恒流特征電流發(fā)射電路

圖2 發(fā)射電路原理圖

圖3 測(cè)試板實(shí)物

圖4 特征電流波形

當(dāng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，有時(shí)候表內(nèi)并沒(méi)有太大的空間留給特征電流發(fā)射模組，甚至一些情況下發(fā)射電路需要集成到電表內(nèi)其他單元的電路板上。為了減小發(fā)射電路的體積，可以采用恒流特性的特征電流發(fā)射電路。

在恒阻電路中，占用空間最大的就是主回路中的直插大功率電阻?？梢酝ㄟ^(guò)使用貼片電阻的方法來(lái)縮小電路體積。因?yàn)樘卣麟娏鞯姆逯狄呀?jīng)確定為450 mA，所以整個(gè)主回路功耗一定。恒阻回路中基本上所有的電壓是由電阻承受的，MOS 管在回路中相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，基本不分壓，因此全部功耗都在電阻上。單個(gè)貼片電阻所能承受的功率有限，一般最大為3 W，如果還是用電阻承擔(dān)整個(gè)功耗會(huì)造成電阻損壞。通過(guò)研究，可利用MOS 承壓的方式解決這個(gè)問(wèn)題。MOS 有三個(gè)工作區(qū)，分別是截止區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)。當(dāng)MOS 處于恒流區(qū)時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)下相當(dāng)于是一個(gè)阻值較大的電阻，可以承受一部分功率。因此，讓MOS 導(dǎo)通時(shí)工作在恒流區(qū)可以降低電阻承受的功率，縮小電路體積。由于MOS 工作在恒流區(qū)時(shí)流過(guò)的電流恒定，所以，以該思路設(shè)計(jì)的電路叫作恒流特性的特征電流發(fā)射電路。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置合適的柵源電壓來(lái)使MOS 管工作在恒流區(qū)。本文使用的MOS管是一款耐壓900 V、電流5.4 A、極限功率160 W的大功率MOS 管。其輸出特性曲線如圖5所示，從圖中大致可以推算出流過(guò)峰值電流為450 mA 時(shí)其柵源電壓大約在5 V。通過(guò)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，最終使MOS 工作在恒流區(qū)。

圖5 MOS 管輸出特性曲線

圖6 是恒流發(fā)射電路原理圖，弱電控制和MOS驅(qū)動(dòng)與恒阻電路一致，對(duì)強(qiáng)電主回路以及驅(qū)動(dòng)供電電路進(jìn)行了調(diào)整。強(qiáng)電主回路中，主要調(diào)整了電阻的位置及阻值。因?yàn)镸OS 承壓時(shí)會(huì)使得MOS 的溫度上升，因此需要對(duì)整個(gè)回路的功率作出合理分配，使得MOS 在分擔(dān)功耗的同時(shí)不至于溫度過(guò)高。驅(qū)動(dòng)供電電路中，去掉了整流部分，直接從主回路整流橋后側(cè)取電，進(jìn)一步縮小了電路面積。

圖6 恒流發(fā)射電路原理圖

恒流特征電流發(fā)射電路實(shí)物測(cè)試板如圖7 所示，圖8為特征電流波形。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電路能夠產(chǎn)

圖7 測(cè)試板實(shí)物

本文針對(duì)拓?fù)渥R(shí)別設(shè)計(jì)了兩種特征電流發(fā)射電路。恒阻發(fā)射電路用于無(wú)空間限制條件下，恒流發(fā)射電路用于限制空間條件下。兩者都能產(chǎn)生符合要求的特征電流，完成拓?fù)渥R(shí)別任務(wù)。對(duì)于恒流電路，如果特征電流發(fā)射頻率過(guò)高，還可采用PCB板開(kāi)窗、加散熱片等方式進(jìn)一步降低MOS 溫度。利用特征電流發(fā)射電路來(lái)進(jìn)行戶變關(guān)系識(shí)別，可以有效地提高識(shí)別效率，降低投入成本。生符合幅值、頻率要求的特征電流。同時(shí)對(duì)MOS進(jìn)行了單獨(dú)的溫度測(cè)試，20 次實(shí)際工作條件測(cè)試下，MOS 升溫低于60 k，符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 特征電流波形