電源模塊在配網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用

摘要：

配網(wǎng)自動(dòng)化是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息、離線信息、用戶信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息進(jìn)行集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和配電管理。(1)配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展離不開(kāi)各行業(yè)的配合與協(xié)調(diào)。金升陽(yáng)科技有限公司為助力配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展專門(mén)推出了專用的以高可靠性著稱的電源，提供可靠高效的電源解決方案。

1.引言

國(guó)家能源局發(fā)布《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃(2015—2020年》中明確提到：到2020年，中心城市(區(qū))智能化建設(shè)和應(yīng)用水平大幅提高，供電可靠率達(dá)到99.99%，用戶年均停電時(shí)間不超過(guò)1小時(shí)，供電質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2015-2020年，配電網(wǎng)建設(shè)改造投資不低于2萬(wàn)億元。(2)

目前，我國(guó)的電力用戶平均停電時(shí)間是400分鐘，而發(fā)達(dá)國(guó)家均在100分鐘以內(nèi)，我國(guó)配網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平之間仍存在很大的努力空間(如圖1)。目前影響我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化可靠性和供電質(zhì)量的因素有哪些呢?從技術(shù)層面來(lái)看，無(wú)外乎兩個(gè)原因：硬件設(shè)備的可靠性、軟件上的配網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)處理管理方式。

圖1 各國(guó)電力用戶平均停電時(shí)間(分鐘)

2. 系統(tǒng)組成及主要功能

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)組成如下圖2所示。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，主站層、子站層、通信層偏向于數(shù)據(jù)信息的軟件部分，該部分的設(shè)備一般作為數(shù)據(jù)信息的載體，設(shè)備的工作環(huán)境相對(duì)比較良好;終端層屬于硬件設(shè)備部分，與電網(wǎng)直接連接，多放置于戶外，供電情況和工作環(huán)境都十分惡劣。終端與電網(wǎng)連接，需要承受電網(wǎng)上的波動(dòng)和干擾;終端連接開(kāi)關(guān)閘門(mén)，在分閘和合閘的瞬間，對(duì)電壓的擾動(dòng)非常大，甚至?xí)验_(kāi)關(guān)閘門(mén)的供電電壓拉低。

圖2 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)組成框圖(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

2013年國(guó)家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端》DL/T 721中明確指出，電源回路電壓大于60V時(shí)，應(yīng)施加5KV試驗(yàn)電壓。同時(shí)，終端需要具備良好的EMC抗干擾能力。EMC抗擾度等級(jí)需達(dá)到四級(jí)(最高等級(jí))，且要求終端設(shè)備能正常工作，其性能指標(biāo)應(yīng)符合基本性能的要求。EMC主要要求如表1所示。

為適應(yīng)配網(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用，終端的前端AC-DC電源需要具備同等的抗干擾能力，并且為后端的控制板和采集板提供主要的EMC防護(hù)。真可謂是首當(dāng)其沖，任重而道遠(yuǎn)了。

表1　配網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端EMC要求

3.配網(wǎng)自動(dòng)化中電源推薦應(yīng)用方案

在配電終端中，DTU和FTU這兩類(lèi)終端單元通常是帶開(kāi)關(guān)閘門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，如圖4所示。因此必須考慮瞬態(tài)輸出功率。金升陽(yáng)的MBP500-2A27D27充電電源正是為這樣的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以提供高達(dá)1080W(300mS)的瞬態(tài)輸出功率，確保開(kāi)關(guān)閘門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照指定指令進(jìn)行動(dòng)作，并且電壓擾動(dòng)非常小，不會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)閘門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作而影響其他電路的工作。

從圖3可以看出，如果電源反應(yīng)速度不夠快，無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)出現(xiàn)電壓跌落的現(xiàn)象。

圖3 開(kāi)關(guān)閘門(mén)動(dòng)作時(shí)，電壓擾動(dòng)大(左圖)和電壓擾動(dòng)小(右圖)對(duì)比

黃色：輸出電壓波形。藍(lán)色：開(kāi)關(guān)閘門(mén)啟動(dòng)電流波形

圖4 DUT/FTU配電終端電源框圖

金升陽(yáng)配網(wǎng)自動(dòng)化電源解決方案選型推薦：

通常MCU電路及其外圍電路需要與充電電源進(jìn)行隔離，減少高頻干擾對(duì)MCU電路造成影響。此處推薦3000V隔離的超寬電壓輸入穩(wěn)壓電源URF2405LP-20WR3，從充電電源的輸出端取電，為MCU及其外圍電路提供穩(wěn)定的5V電壓，并且能夠解決共模浪涌對(duì)MCU的干擾。

遙信單元的供電電源推薦URF2424P-6WR3寬壓輸入DC-DC電源進(jìn)行隔離，避免共模浪涌從遙信端口對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。該沖擊輕則引起系統(tǒng)死機(jī)重啟，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)損壞。

當(dāng)給運(yùn)放供電需要正負(fù)電源時(shí)，可以選擇A0512D-2WR2定壓輸入 DC-DC電源，提供±12V電壓輸出。485通信可選擇TD501D485H進(jìn)行隔離，避免通信端口的干擾影響系統(tǒng)可靠性。

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析：選用高隔離電源模塊、進(jìn)行旁路處理。

由于終端面臨著嚴(yán)酷的EMC環(huán)境，系統(tǒng)存在多個(gè)地方接地，共模干擾對(duì)系統(tǒng)影響很大。對(duì)于電源的應(yīng)用，首先，應(yīng)盡量采用高隔離的電源模塊(如金升陽(yáng)提供的3000V隔離URF系列的模塊)或者在敏感端口進(jìn)行旁路處理(如在單片機(jī)復(fù)位端口上加1nF電容旁路)，以解決共模浪涌/脈沖群等共模類(lèi)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，造成系統(tǒng)死機(jī)或者重啟。其次，應(yīng)在敏感的信號(hào)輸入輸出端口進(jìn)行旁路處理。

那么，通常如何進(jìn)行敏感端口的旁路處理呢?以下舉一個(gè)簡(jiǎn)單但非常經(jīng)典的案例。如圖5所示：正常工作時(shí)，按照左圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路可以按照預(yù)定程序運(yùn)行。當(dāng)測(cè)試4KV脈沖群性能時(shí)，則容易出現(xiàn)三極管不受控、誤動(dòng)作的情況。在系統(tǒng)中表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是繼電器誤跳動(dòng)，一些指示燈或者一些裝置閃爍跳動(dòng)等。這實(shí)際上是I/O口的走線較長(zhǎng)或者控制回路較大時(shí)，容易耦合高頻信號(hào)，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作。添加旁路電容，可以減少高頻信號(hào)的耦合，減小對(duì)端口的干擾，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。當(dāng)然，這只是提供一種解決方法，實(shí)際上可以用優(yōu)化布局等方法去解決。

圖5 典型端口處理案例原理圖

EMC的測(cè)試大部分屬于高頻干擾，容易通過(guò)地線和器件的寄生參數(shù)直接干擾后端的用電電路，因此，脈沖群影響繼電器誤動(dòng)作，共模浪涌引起系統(tǒng)重啟等現(xiàn)象多有發(fā)生，只有恰當(dāng)?shù)碾娫催x型加上優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才能實(shí)質(zhì)性的提高配電終端的可靠性。

4.總結(jié)

在嚴(yán)酷的EMC和用電環(huán)境中，要保證配網(wǎng)自動(dòng)化的可靠性和改善用戶的用電質(zhì)量，對(duì)配電終端的電源可靠性要求是極高的，如EMC要求、輸出瞬態(tài)功率要求等。當(dāng)然，這與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是密不可分的，如果單純依靠電源來(lái)提高可靠性，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。金升陽(yáng)不僅是在為配網(wǎng)自動(dòng)化提供高可靠的電源解決方案，更是在不斷探索，把提高電源可靠性的技術(shù)推而廣之，為配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展鼎力相助。

具體產(chǎn)品參數(shù)請(qǐng)查閱技術(shù)手冊(cè)：URF2405LP-20WR3， URF2424P-6WR3， A0512D-2WR2 ， TD501D485H

參考文獻(xiàn)：

【1】DL/T814-2002《配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能規(guī)范》

【2】《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃(2015—2020年》