電容儲能的自動(dòng)化終端備用開(kāi)關(guān)電源設計

程紅麗，王立，劉健，王利強

（西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710054）

摘要：為了在失電情況下繼續維持智能終端設備短暫工作，提出了一種基于電容儲能的自動(dòng)化終端備用開(kāi)關(guān)電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲能電容器容量設計方法。根據能量平衡關(guān)系，分析了負載突然增大和負載突然減輕情況下的最嚴重電壓凹陷和電壓驟升，并得出輸出濾波電容容量的設計考慮。以一個(gè)具體的電容儲能FTU電源為例，詳細說(shuō)明了電路參數的設計方法，并進(jìn)行了實(shí)驗研究。實(shí)驗結果表明所設計的電容儲能備用電源能夠滿(mǎn)足在失去正常供電電源后自動(dòng)化終端待機、操作和通信的需要，并且所進(jìn)行的理論分析與實(shí)際情況相符。

0引言

在電力系統監測、監控和自動(dòng)化系統中，開(kāi)關(guān)電源是智能終端設備的關(guān)鍵部件之一，其輸入一般來(lái)自電壓互感器二次側或配電變壓器二次側。但是在故障或其它因各種原因導致輸入電源失去的情況下，這些智能終端設備還必須維持工作一段時(shí)間，否則就不能完成故障檢測、處理和繼電保護以及信息記錄和上報功能，因此需要采取儲能措施。

在變電站內的智能終端設備，可以采用蓄電池儲能構成備用電源系統。但是安裝在戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜、柱上開(kāi)關(guān)、配電變壓器等的智能終端設備，需要在惡劣的環(huán)境下工作，采用蓄電池無(wú)論對于設備可靠性或維護方便性而言都是不理想的。

實(shí)際上對于絕大多數戶(hù)外智能終端設備，在失去電源時(shí)僅需要維持短暫的工作時(shí)間即可[1]，比如：對于配電變壓器監測終端（TTU），只需在停電時(shí)上報該信息即可；對于柱上開(kāi)關(guān)監控終端（FTU），只需在失電時(shí)上報故障信息和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有必要的話(huà)分斷該開(kāi)關(guān)即可；對于環(huán)網(wǎng)柜監控終端，只需在失電時(shí)上報故障信息和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并將故障線(xiàn)路上游相鄰開(kāi)關(guān)分斷即可。上述功能所需要的時(shí)間一般在1min之內。由于分斷開(kāi)關(guān)所需的能量可以由專(zhuān)門(mén)的工作儲能電容器提供，因此在故障或者失電時(shí)，智能終端設備的電源只需要提供維持本機工作和通信單元所需要的能量即可，峰值功率一般不會(huì )超過(guò)5W，平均功率小于2.5W。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超級電容器和大容量電解電容器技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。與蓄電池相比，電容器具有充電速度快且管理方便、壽命長(cháng)、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的電力儲能設備并且已經(jīng)成功地應用在電力系統中[2~4]。

從戶(hù)外智能終端設備在失電后需要一段短暫的平均功率較小的維持電源供應需求看，采用超級電容器和大容量電解電容器作為儲能手段是完全可行并且較蓄電池而言更加合適[5]。

本文論述一種采用電容儲能的備用開(kāi)關(guān)電源分析和設計方法，并對其性能進(jìn)行實(shí)驗驗證。

1電路組成

電容儲能開(kāi)關(guān)電源由整流電路、切換電路、DC-DC變換器、工作儲能電容器和操作儲能電容器等部分組成，其結構如圖1所示。對于TTU等不需要控制的情形，可僅有虛線(xiàn)下方部分。