應對智能電網(wǎng)的電源管理設計挑戰

引言

電網(wǎng)的現代化建設正在穩步推進(jìn)。采用現代控制和自動(dòng)化技術(shù)能夠顯著(zhù)節省能源、保護環(huán)境，并通過(guò)改善人們的健康和安全來(lái)提高生活質(zhì)量。配電自動(dòng)化采用具有先進(jìn)控制和通信技術(shù)的數字傳感器和開(kāi)關(guān)，實(shí)現功能自動(dòng)化，包括發(fā)電、開(kāi)關(guān)控制、根據負載變化實(shí)時(shí)調節、監測、斷電/過(guò)壓/欠壓故障管理，以及功率因數修正。自動(dòng)化設計改善了這些關(guān)鍵配電功能的速度、成本和精度，提高可靠性并降低用戶(hù)成本。這就要求對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制，以支持現場(chǎng)的自動(dòng)決策，并將關(guān)鍵信息傳遞到電網(wǎng)控制中心。

能源自動(dòng)化(圖1)控制會(huì )產(chǎn)生能源效率、方案尺寸、系統安全以及所用電子產(chǎn)品的可靠性等問(wèn)題。本文探討了配電自動(dòng)化發(fā)展的大趨勢及其相關(guān)的系統設計挑戰，涵蓋從網(wǎng)絡(luò )協(xié)議到硬件設計環(huán)節。然后通過(guò)幾個(gè)案例研究，介紹能源應用中現場(chǎng)設備的電源管理新方案。

圖1 變電站電氣開(kāi)關(guān)設備

1   配電自動(dòng)化的大趨勢

越來(lái)越多的能源運營(yíng)商采用云技術(shù)遠程管理能源配送，其軟件平臺提供性能監測、數據分析、可視化、故障檢測和診斷，以及不同的能源管理組合。這些自動(dòng)化系統能夠實(shí)時(shí)監測多個(gè)變量并對數據進(jìn)行分析，從而實(shí)時(shí)調節系統，提供能源管理，并要求符合政府法規和稅費政策。通過(guò)將設備數據與云端聯(lián)網(wǎng)，憑借先進(jìn)的人工智能(AI)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，確定所要采取的措施。高級配電自動(dòng)化(ADA)擴展了配電等級及其他領(lǐng)域的電網(wǎng)智能控制。擁有監控和數據采集(SCADA)系統的電力公司能夠對輸電設備進(jìn)行全面控制，并通過(guò)配電自動(dòng)化增強對配電設備的控制。配電自動(dòng)化能夠實(shí)現更高可靠性、可服務(wù)性，改善預測性維護以及故障檢測、隔離，降低排放。

2   配電自動(dòng)化系統

配電自動(dòng)化系統(圖2)包括不同的管理、控制和現場(chǎng)層。管理層從中心站點(diǎn)操作和控制配電，根據需要記錄并優(yōu)化數據。能夠實(shí)時(shí)發(fā)現問(wèn)題，從而立即采取措施?？刂茖訉?zhuān)門(mén)處理硬件設備的管理與控制。在現場(chǎng)層，智能傳感器和執行器收集數據并執行相應操作。配電系統嵌入的傳感器和控制單元用于發(fā)出監測信號，減少或避免斷電時(shí)間、熱運行設備、斷路器跳閘以及電網(wǎng)閃爍。

圖2 配電自動(dòng)化系統

3   技術(shù)推動(dòng)

配電自動(dòng)化(DA)系統根據具體的通信網(wǎng)絡(luò )采用各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信方案傳輸數據。依托先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)實(shí)現系統的智能化、網(wǎng)絡(luò )化和控制管理。在現場(chǎng)層，通過(guò)控制器、傳感器、I/O和執行器展現這些新技術(shù)?？刂茊卧删幊踢壿嬁刂破?PLC)、電機/運動(dòng)控制器，或采用先進(jìn)的處理器和微控制器實(shí)現分布式控制系統(DCS)設計。傳感器可以是數字或模擬式，用于測量溫度、濕度、振動(dòng)、開(kāi)路和短路等條件。執行器則控制能源分配、溫度、濕度及其他參數。傳感器和執行器通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與控制中心通信。它們由電池或直流電壓供電，典型工作電壓為5~24 V范圍。圖3所示為變電站配電盤(pán)及其開(kāi)關(guān)、信號燈、傳感器和儀表。

圖3 帶開(kāi)關(guān)和傳感器的變電站

控制器接收來(lái)自現場(chǎng)傳感器的輸入，對其進(jìn)行數據處理，然后正確驅動(dòng)執行器。當今的傳感器和執行器都配備內部處理器，能夠在本地制定簡(jiǎn)單決策，無(wú)需提交到控制器，從而改善數據吞吐率和系統響應時(shí)間。

4 設計挑戰

智能、互聯(lián)設備的激增為系統硬件提出了新要求：縮小元件尺寸，以便在相同甚至更小的機柜內安裝額外的電子設備；提高能源效率，能夠工作在相同或更低的熱預算條件；提高電子/機械設備安全性和可靠性，減少停工時(shí)間?？傊?，電子單元所面臨的設計挑戰包括如下：

1)提高能源效率

2)減小方案尺寸

3)提高安全性和可靠性

5 解決方案

5.1 提高能源效率

小型化使得PCB尺寸越來(lái)越小，也為散熱提出了更大挑戰。由于電路板空間非常有限，限制了一些散熱手段，例如散熱器的使用。為防止灰塵和污染物，機箱采用密封外殼，導致無(wú)法使用增強空氣流通的風(fēng)扇。因此，極高效率的電源方案就至關(guān)重要，并且要求比以往產(chǎn)品提供更大功率、占用更小面積。

有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )配電現場(chǎng)的特點(diǎn)是采用24 V標稱(chēng)電壓的直流電源總線(xiàn)，這在傳統的模擬繼電器網(wǎng)絡(luò )中有很長(cháng)的歷史，并且仍然是當前的行業(yè)標準。而實(shí)際應用中，一些非關(guān)鍵設備需要承受的最大工作電壓為36 V至40 V；對于關(guān)鍵設備，例如控制器、執行器和安全模塊，則必須支持高達60 V (IEC 61131-2、60664-1和61508 SIL標準)的電壓。設備要求的主流輸出電壓為3.3 V和5 V，電流從小型傳感器需要的10 mA到運動(dòng)控制、CNC和PLC要求的幾十安培不等。因此，對于控制系統，顯而易見(jiàn)的選擇就是降壓(buck)型穩壓器(圖4)。

圖4 全集成同步整流降壓型轉換器

在表1的“能源效率”一欄，給出了能夠為高性能配電系統提供的高效率降壓轉換器。

關(guān)于最大輸入電壓的注意事項

盡管24 V是許多應用的標稱(chēng)電壓軌，對于配電系統，由于容限和異常瞬態(tài)電壓會(huì )疊加到最大工作電壓，必須謹慎考慮工作電壓范圍。當今市場(chǎng)上供選擇的電源管理方案有28 V、36 V、42 V或60 V輸入。由于28 V的裕量只有4 V，太接近24 V，無(wú)法為大多數應用提供可靠的設計裕量。許多標準要求60 V容限，大大降低了選擇余地。對于許多設計師來(lái)說(shuō)，選擇最高輸入為36 V的電源器件具有極大誘惑力。但是，對于工作在24 V電壓軌的傳感器和編碼器，使用36 V輸入是一種高風(fēng)險選擇。即使使用TVS二極管進(jìn)行浪涌保護，提供了一定的容限范圍，但仍然可能將設備暴露在過(guò)高電壓。除非您確定，并已經(jīng)針對長(cháng)電纜和PCB走線(xiàn)引起的每種可能的浪涌場(chǎng)景進(jìn)行了建模，否則建議使用42 V或60 V最大工作電壓的器件，即使標準并未作此要求。

5.2 減小方案尺寸

傳感器無(wú)處不在在控制環(huán)節。隨著(zhù)系統復雜程度的提高、尺寸的減小，傳感器變得越來(lái)越復雜，要求板載電源的供電效率更高且發(fā)熱最小。在高壓環(huán)境下如何安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時(shí)最大程度地減小方案尺寸、提高效率？我們將在這一章節介紹典型的傳感器架構，并提出應對這種挑戰的簡(jiǎn)單方案。

●   現場(chǎng)傳感器應用

整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò )的戰略性布局中，用于監測電流、電壓、功率和溫度的傳感器提供了諸多好處，可以識別故障位置以及產(chǎn)生故障的原因，從而更快地采取主動(dòng)措施來(lái)恢復系統工作，避免計劃外停電。智能傳感器提供故障檢測、捕獲關(guān)鍵的電能質(zhì)量數據，用于日常電網(wǎng)管理，并且通過(guò)檢測和報告逆向輸電支持可再生能源整合。圖5所示示例中，一旦檢測到故障，3相繼電器等執行器可自動(dòng)切斷電力線(xiàn)。

圖5 2.5 MW 3相繼電器

●   傳感器系統

傳感器可能位于現場(chǎng)的任何位置。傳感器“盒”包括前端收發(fā)器，用于處理數據并將電源傳送給降壓型調節器，進(jìn)而為ASIC/微控制器/FPGA、檢測元件、通信器件提供正確的電壓。智能電網(wǎng)傳感器或空中電力線(xiàn)傳感器采用無(wú)線(xiàn)或電力線(xiàn)通信。圖6所示為3相電力線(xiàn)中的空中傳感器。

圖6 智能電網(wǎng)空中傳感器

●   安全的低壓工作

大多數傳感器由24 V直流電源供電。然而現場(chǎng)環(huán)境可能極具挑戰性，長(cháng)電纜、強電磁干擾容易產(chǎn)生瞬態(tài)高壓。所以，傳感器內的降壓轉換器必須能夠承受42 V，甚至60 V瞬態(tài)電壓，遠遠高于傳感器的工作電壓。如上所述，對于24 V電壓軌，最好使用最大工作電壓為42 V的器件。根據SELV/PELV/FELV (超低壓安全/保護/功能性)規范，能夠支持高達60 V電壓的隔離設備被認為是可以安全接觸的。60 V以上的保護則通過(guò)增加專(zhuān)用的TVS (瞬態(tài)電壓抑制器)實(shí)現。

表1的“小尺寸”一欄給出了滿(mǎn)足構建自動(dòng)化傳感器要求的電源方案。

5.3 提高安全性和可靠性

5.3.1降壓轉換器與TVS的配合

典型傳感器系統的電源路徑如圖7所示。

圖7 傳感器電源系統

如果24 V總線(xiàn)是干凈的或者電噪聲水平低于前端開(kāi)關(guān)穩壓器的工作電壓，則無(wú)需保護(圖7中無(wú)TVS)，典型最大輸入電壓為36 V或42 V的降壓轉換器就足以滿(mǎn)足該傳感器設計。

但是，如果出現強電磁干擾，則應采取更嚴格的措施。

典型傳感器的電源管理方案采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)來(lái)限制前端降壓轉換器的輸入電壓(VCC)。相關(guān)的輸入電流峰值由電阻RP限制，RP是電壓瞬態(tài)源(VBUS)和傳感器之間的寄生或物理元件。

我們以L(fǎng)itteIfuseTM目錄為例，探討如何選擇TVS。TVS的通用特性如圖8所示。

圖8 TVS V-I特性曲線(xiàn)

在TVS電壓達到VBR之前，TVS器件呈現為開(kāi)路電路。在VBR工作點(diǎn)，TVS器件開(kāi)始出現導通電流，同時(shí)其電壓略微上升到其最大箝位電壓VC，對應于所允許的最大峰值脈沖電流IPP。VC x IPP乘積是TVS能夠處理的最大峰值功率(該TVS系列為400 W)。

為了實(shí)現有效保護，TVS VBR必須高于VCC(MAX)，而VC必須低于開(kāi)關(guān)穩壓器輸入允許的擊穿電壓。

我們的VBUS電源為24 V +25%、-20%，最大30 V (VBUS(MAX))。

理想情況下，可以使用額定值為60 V的降壓轉換器，最小VBR為33 V的SMAJ33A (箝位電壓VC為53.3 V，恰好低于60 V)。這樣得到的工作裕量為比(VBUS(MAX))高3 V，比60 V低6.7 V (圖9)。

圖9 理想TVS選擇

降壓轉換器必須承受24VDC和至少53.3 V瞬態(tài)電壓這一事實(shí)將大部分降壓轉換器擋在門(mén)外。

表1的“安全性和可靠性”一欄給出了額定值為60 V的降壓轉換器。

5.3.2 隔離方案

大多數應用中依然采用隔離型DC-DC電源調節器。盡管隔離方案比非隔離型方案更復雜，但仍然要求其占用較小空間且具有高效率。本案例研究中，我們討論在低壓電源轉換系統中進(jìn)行隔離的原因。

根據SELV/FELV規范，低于60 V的輸入電壓被認為是可以安全接觸的，但出于功能安全性和可靠性考慮，在該工作范圍內仍然普遍要求隔離設計。該電壓范圍內需要保護電源電子負載(通常是專(zhuān)用或非常昂貴的微控制器)，這些器件一旦意外暴露到高壓環(huán)境很容易毀壞。

隔離也能防止較大的地環(huán)路電流，特別是當兩個(gè)或多個(gè)電路共用同一接地回路時(shí)很容易發(fā)生這種情況。接地環(huán)路產(chǎn)生的寄生電流會(huì )影響輸出電壓調節，甚至引發(fā)電線(xiàn)的電化腐蝕，這種現象會(huì )降低設備可靠性。

圖10所示隔離電源方案采用峰值限流模式、固定頻率開(kāi)關(guān)控制器，為工作在非連續傳導模式(DCM)的隔離反激結構。器件采用先進(jìn)設計，使其省去了用于輸出電壓反饋和調節的光耦。無(wú)光耦意味著(zhù)更小的電路板空間和更高可靠性，因為消除了固有的低MTBF光耦。

圖10 無(wú)光耦反激控制器

5.3.3 保護電路

保護電路是當今電子產(chǎn)品的無(wú)名英雄。無(wú)論何種應用，從交流電源到數字負載整個(gè)供電鏈路中，都散布著(zhù)不同尺寸和形狀的保險絲、瞬態(tài)電壓抑制器。雖然IC內部解決了諸如ESD保護和引腳間短路等常見(jiàn)問(wèn)題，但為了安全性和可靠性，還需要考慮其他因素。在電氣路徑中，儲能電容引起的浪涌電流、斷電造成的反向電流、電感負載切換引起的過(guò)壓和欠壓等電氣應力源會(huì )損壞昂貴的電子負載，比如采用脆弱的亞微米、低壓技術(shù)制造的微處理器和存儲器。保護電路對于處理此類(lèi)潛在的災難性事件是必不可少的(圖11)。

圖11 無(wú)保護的CPU起火

保護電路必須能夠處理額定電壓和電流限制范圍內的故障條件，例如過(guò)壓/欠壓、過(guò)流和反向電流。如果預期電壓浪涌超過(guò)保護電路的額定值，則需采用濾波器或TVS器件增加額外保護。

5.3.4 集成方案

圖12所示集成保護電路能夠處理過(guò)壓、欠壓、極性反接、限流、反向電流和短路保護，整合了電子保險絲和浪涌抑制器的全部?jì)?yōu)勢。通過(guò)可配置引腳設置UVLO/OVLO、限流值、電壓及電流實(shí)時(shí)監測、電流熱折返、熱關(guān)斷等特性，設計師很容易為其智能電網(wǎng)設備提供可靠保護，并通過(guò)相關(guān)規范測試。

圖12 單芯片IC集成完備保護功能

表1所示為支持配電自動(dòng)化的電源管理方案匯總。

表1 支持配電自動(dòng)化的電源管理方案

6   結語(yǔ)

隨著(zhù)當前配電自動(dòng)化和數據交換大趨勢的發(fā)展，需要依賴(lài)新技術(shù)和新方案實(shí)現更高的能源利用率，改善系統可維護性、預測性維護、以及故障檢測、隔離，并降低排放。另一方面，新技術(shù)的普及帶來(lái)了提高能效、以及系統小型化和高可靠性設計等諸多方面的挑戰。本文針對上述各項挑戰介紹了更高效的電源管理方案，以及如何改善配電自動(dòng)化系統的設計。這些電源管理方案克服了當今配電自動(dòng)化系統所面臨的關(guān)鍵挑戰。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）