一種低功耗配電終端的設(shè)計(jì)方案

沈劍韜，劉 偉，劉 毅

（上海置信智能電氣有限公司，上海200050）

隨著配電網(wǎng)設(shè)備的一二次融合進(jìn)程逐步推進(jìn)，一二次融合型柱上斷路器等新型開關(guān)設(shè)備也逐步得到推廣[1-2]。但是一二次融合型柱上斷路器普遍采用電容分壓取電方式，導(dǎo)致取電的輸出功率有限[3]，因此也影響了配套的終端設(shè)備（FTU）的供電功率。目前各相關(guān)斷路器廠家產(chǎn)品電容取電功率最大約為25W，最小則為6W 左右。因此為后續(xù)配網(wǎng)一二次設(shè)備融合進(jìn)程能夠繼續(xù)推進(jìn)，降低配套FTU 的整機(jī)功耗以及提高取電功率必定會成為新的技術(shù)要求。

1 常規(guī)型FTU 功耗分析

目前，普遍掛網(wǎng)運(yùn)行的FTU 仍屬于電磁式常規(guī)型，整個(gè)終端設(shè)備主要由核心單元、線損模塊、通訊模塊、電源管理模塊及后備電源五個(gè)模塊構(gòu)成，而一二次融合型終端在各模塊構(gòu)成上與常規(guī)型也是相同的。對某型號常規(guī)型FTU 樣機(jī)進(jìn)行功耗測量分析，以交流220V 供電，后備電源為鉛酸電池。其整機(jī)系統(tǒng)供電原理圖如圖1 所示，T1、T2、T3為三個(gè)測試點(diǎn)，QF1～QF7 為各個(gè)空開，測試時(shí)將電壓、電流探頭置于測試點(diǎn)T1處，將AC220V 從測試點(diǎn)T1輸入，利用功率分析儀，分別測得總輸入功率Pin、核心單元功耗Ph、通訊模塊功耗Pt、線損模塊功耗Px、電源模塊充電功耗Pb以及電源模塊空載時(shí)功耗P0。然后將探頭移至測試點(diǎn)T2，再次測得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后將探頭移至測試點(diǎn)T3，再次測得電源模塊充電功耗Pb。

選取圖1 中T1、T2、T3三個(gè)測試點(diǎn)，對空開QF1～QF7（QF1、QF2 各控制一路交流電源輸入，實(shí)驗(yàn)中令QF2 處于分狀態(tài)不變）進(jìn)行分合操作，利用功耗測試儀可測得不同情況下的功耗值。記錄各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各模塊功耗數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2 分析可知，在FTU 整機(jī)工作功耗中，電源模塊給蓄電池充電功耗占比最大，其次為核心單元，因此降低FTU 整機(jī)功耗應(yīng)主要從這兩方面考慮。

2 低功耗終端核心單元設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，核心單元占FTU 整機(jī)功耗的30%左右，其主要由主控、遙信、遙控、電源、采樣等幾部分路構(gòu)成[4-5]，核心單元的功耗主要集中于主控板和電源轉(zhuǎn)換電路。電源電路為各元器件提供工作電壓，常規(guī)型FTU 核心單元采用24VDC 輸入，設(shè)計(jì)有24VDC/5VDC、5VDC/±5VDC、5VDC/3.3VDC 等多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。而低功耗設(shè)計(jì)方案可直接利用5VDC 供電，則可以消除24VDC/5VDC 電壓轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗。以原有電路某24VDC/5VDC 轉(zhuǎn)換模塊為例，該模塊轉(zhuǎn)換效率約為80%，圖1 中在T2點(diǎn)測得模塊輸入電壓27V，輸入電流0.2A，則功率損耗約為1W。

圖1 常規(guī)型FTU 系統(tǒng)供電原理

圖2 常規(guī)型FTU 各模塊實(shí)際功耗

主控電路是核心單元的核心部分，主控MCU 芯片的選擇直接影響這部分電路的工作功耗，本設(shè)計(jì)方案主控MCU 選擇STM32F407ZGT6，并且根據(jù)芯片工作手冊，該芯片具有睡眠和待機(jī)兩種低功耗工作模式[6]，則可以在原有主程序中嵌入兩種低功耗工作模式。切換工作模式后，功耗會降低0.3W 左右。另外，通訊和線損模塊選用低功耗模塊，并且可集成于主控電路中，在降低功耗同時(shí)還可以簡化終端機(jī)箱布局，節(jié)省空間，通訊和線損模塊可降低功耗約1W。則整個(gè)低功耗FTU 核心單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 低功耗FTU 核心單元結(jié)構(gòu)圖

3 低功耗終端電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是FTU 整機(jī)系統(tǒng)供電的核心模塊，用于實(shí)現(xiàn)各種輸入電壓的管理和分配、輸出電壓給系統(tǒng)各模塊供電、蓄電池的充電及狀態(tài)監(jiān)測等多種功能。根據(jù)以上分析可知，低功耗終端系統(tǒng)的取電方式與常規(guī)式不同，以ZW32 型某一二次融合型柱上斷路器為例，其電容取電電壓范圍為18V～54V，標(biāo)準(zhǔn)值約42V。同時(shí)，為增加終端的取電功率，可增加太陽能取電方式，設(shè)計(jì)太陽能電池板額定輸出電壓約36VDC，最大輸出功率80W，最大輸出電流約2.2A。

因此，在電源模塊設(shè)計(jì)方案中，須設(shè)計(jì)兩個(gè)輸入電壓通道，電容取電42VDC 和太陽能取電36VDC，并且兩個(gè)通道設(shè)計(jì)不同的電池充電電流，電容取電最大充電電流為0.2A，太陽能取電最大充電電流為2A，這樣在僅有電容取電情況下，電池充電功耗會有效降低。另外，電源模塊設(shè)計(jì)5VDC、24VDC 兩路電壓輸出，5VDC 給終端核心單元供電，同時(shí)再輸出24VDC 作為開關(guān)操作電壓和遙信遙控電壓。則設(shè)計(jì)低功耗FTU 電源模塊供電原理圖如圖4 所示，具體的實(shí)現(xiàn)途徑則需要通過電源模塊廠家在原有電源模塊設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上改進(jìn)。

圖4 低功耗FTU 電源模塊供電原理

而終端配套的蓄電池則選用磷酸鐵鋰電池，與常規(guī)型終端中普遍選用的鉛酸電池相比，鋰電池在環(huán)保性、安全性和使用壽命上具有更好的性能[7]，選用鋰電池輸出電壓和電池容量為24V/15Ah，短時(shí)輸出功率≥300W/15s。電源模塊的設(shè)計(jì)難點(diǎn)其主要體現(xiàn)在：（1）供電方式由原來的兩種變?yōu)槿N，則模塊內(nèi)部的供電邏輯會更復(fù)雜。（2）三種供電方式必須有無縫切換功能，當(dāng)某一種或兩種供電方式失電時(shí)，剩余的供電方式要立即投入，確保系統(tǒng)正常供電運(yùn)行。

4 結(jié)論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)和分析，原常規(guī)型FTU 核心單元加上通訊、線損模塊的直流功耗約為6.8W，而第2 部分提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案使這部分功耗降低約2W，低功耗終端的核心單元功耗約為4.8W。而根據(jù)第3 部分內(nèi)容，僅有電容取電情況下最大充電功耗約為5.6W（浮充電壓28V，充電電流0.2A），則當(dāng)斷路器電容取電功率大于5W 即可確保終端裝置正常運(yùn)行（核心單元可以正常工作），大于11W 時(shí)則可以達(dá)到最大充電電流。由于太陽能取電的不穩(wěn)定性，則在不考慮太陽能取電的前提條件下，對比不同的電容取電功率時(shí)終端工作情況，具體如表1 所示。

表1 不同電容取電功率時(shí)終端工作情況

綜合以上分析，本文所提出的低功耗FTU 設(shè)計(jì)方案可以配套電容取電功率在6W 以上的一二次深度融合型柱上斷路器工作，能夠滿足FTU 的低功耗運(yùn)行要求，為未來配網(wǎng)一二次設(shè)備融合進(jìn)程的繼續(xù)推進(jìn)提供了一個(gè)參考方案。