電源模塊在配網(wǎng)自動(dòng)化中的應用

　　摘要：

　　配網(wǎng)自動(dòng)化是利用現代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息、離線(xiàn)信息、用戶(hù)信息、電網(wǎng)結構參數、地理信息進(jìn)行集成，構成完整的自動(dòng)化管理系統，實(shí)現配電系統正常運行及事故情況下的監測、保護、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。金升陽(yáng)科技有限公司為助力配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展專(zhuān)門(mén)推出了專(zhuān)用的以高可靠性著(zhù)稱(chēng)的電源，提供可靠高效的電源解決方案。

　　關(guān)鍵字：配網(wǎng)自動(dòng)化;充電電源;金升陽(yáng);EMC;可靠性;配電終端;

　　1.引言

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

　　目前，我國的電力用戶(hù)平均停電時(shí)間是400分鐘，而發(fā)達國家均在100分鐘以?xún)?，我國配網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量與國際先進(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：硬件設備的可靠性、軟件上的配網(wǎng)信息和數據處理管理方式。

　　圖1 各國電力用戶(hù)平均停電時(shí)間(分鐘)

　　2. 系統組成及主要功能

　　配網(wǎng)自動(dòng)化系統組成如下圖2所示。從設計的角度來(lái)說(shuō)，主站層、子站層、通信層偏向于數據信息的軟件部分，該部分的設備一般作為數據信息的載體，設備的工作環(huán)境相對比較良好;終端層屬于硬件設備部分，與電網(wǎng)直接連接，多放置于戶(hù)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，對電壓的擾動(dòng)非常大，甚至會(huì )把開(kāi)關(guān)閘門(mén)的供電電壓拉低。

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

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

　　為適應配網(wǎng)自動(dòng)化的應用，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。真可謂是首當其沖，任重而道遠了。

　　表1　配網(wǎng)自動(dòng)化遠方終端EMC要求

　　3.配網(wǎng)自動(dòng)化中電源推薦應用方案

　　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)執行機構的，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用而設計，可以提供高達1080W(300mS)的瞬態(tài)輸出功率，確保開(kāi)關(guān)閘門(mén)執行機構按照指定指令進(jìn)行動(dòng)作，并且電壓擾動(dòng)非常小，不會(huì )因為開(kāi)關(guān)閘門(mén)執行機構的動(dòng)作而影響其他電路的工作。

　　從圖3可以看出，如果電源反應速度不夠快，無(wú)法及時(shí)調節，就會(huì )出現電壓跌落的現象。

　　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)對比

　　黃色：輸出電壓波形。藍色：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MCU電路造成影響。此處推薦3000V隔離的超寬電壓輸入穩壓電源URF2405LP-20WR3，從充電電源的輸出端取電，為MCU及其外圍電路提供穩定的5V電壓，并且能夠解決共模浪涌對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系統造成沖擊。該沖擊輕則引起系統死機重啟，嚴重時(shí)還會(huì )引起系統損壞。

　　當給運放供電需要正負電源時(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可靠性。

　　配網(wǎng)自動(dòng)化系統設計要點(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(zhù)嚴酷的EMC環(huán)境，系統存在多個(gè)地方接地，共模干擾對系統影響很大。對于電源的應用，首先，應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(如在單片機復位端口上加1nF電容旁路)，以解決共模浪涌/脈沖群等共模類(lèi)干擾對系統的影響，造成系統死機或者重啟。其次，應在敏感的信號輸入輸出端口進(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)行設計，電路可以按照預定程序運行。當測試4KV脈沖群性能時(shí)，則容易出現三極管不受控、誤動(dòng)作的情況。在系統中表現出來(lái)的現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(xiàn)較長(cháng)或者控制回路較大時(shí)，容易耦合高頻信號，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作。添加旁路電容，可以減少高頻信號的耦合，減小對端口的干擾，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。當然，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的測試大部分屬于高頻干擾，容易通過(guò)地線(xiàn)和器件的寄生參數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，共模浪涌引起系統重啟等現象多有發(fā)生，只有恰當的電源選型加上優(yōu)質(zhì)的系統設計，才能實(shí)質(zhì)性的提高配電終端的可靠性。

　　4.總結

　　在嚴酷的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(hù)的用電質(zhì)量，對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。當然，這與系統的設計也是密不可分的，如果單純依靠電源來(lái)提高可靠性，是遠遠不夠的。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)品參數請查閱技術(shù)手冊：URF2405LP-20WR3， URF2424P-6WR3， A0512D-2WR2 ， TD501D485H

　　參考文獻：

　　【1】DL/T814-2002《配電自動(dòng)化系統功能規范》

　　【2】《配電網(wǎng)建設改造行動(dòng)計劃(2015—2020年》