电子式互感器工作电源及唤醒机制的实现

季龙三，侯铁信，卜正良，舒乃秋，康 兵

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2.武汉国测科技股份有限公司，湖北 武汉 430000；3.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

随着我国超、特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，新一代电力网络——坚强的智能电网已经初步形成，这标志着我国电网发展将朝着信息化、数字化、自动化、集成化方向前进。新型的电子式互感器具有动态范围大、频带宽、体积小、测量范围大、抗电磁干扰性强等优点，适应电力系统的发展要求，符合智能配网一体化概念。本文通过对基于电子式互感器技术的集数据采集与合并配电网一体化装置的介绍，阐述一种新型高压供能方式以弥补现存取能方式的缺陷，提高设备取能模块的可靠性、安全性与经济性。

1 装置整体方案

装置分为低压与高压两部分，高压部分主要完成实时运行电气量检测、电气信号数据整合、操作控制命令执行功能，低压部分主要实现保护、测控和计量数据显示与远传等功能。

低压侧设计部分主要实现状态监测、电能质量监控、测量、控制与保护等功能。由于设计方案是以配网自动化概念为核心，在数据传输、站内通信、远程控制时采用国际电工委员会制定的IEC61850统一标准，解决了设备之间的互操作性和无缝集成等问题，使通信可靠性得到提高。

高压部分包含了电压／电流传感模块、数据采集模块、取能模块与合并单元。电压／电流传感模块选用有源式电子式互感器作为传感头来检测线路电气量，采集所得的模拟信号进入数据采集模块进行调理、量化，再根据IEC60044协议通过Manchester编码与光电转换，实现数据采集模块与合并单元之间的光通信。三相所有保护和计量的测量信号均汇总到B相内的合并单元后，合并单元对数据进行串并转换处理并打包成标准IEC61850 9-1或IEC61850 9-2格式的报文，最后发送给低压侧的智能保护单元或测控单元。同时合并单元还通过光纤同步信号完成对其他相上的高压电位计量、保护数据模块进行采样的同步控制。同时，为保障高压侧有源设备的正常工作，需设计相应的取能模块来解决一体化装置高压侧供电问题。因此，设计合理、科学的工作电源模块成为一体化设备研究中的难点和关键技术。智能集成终端原理图如图1所示。

图1 智能集成终端原理图Fig.1 Schematic diagram of intelligent integrated terminal

2 高压悬浮取能

2.1 现有取能方案

传统的高压供能方式有电流互感器（TA）供能、激光供能与太阳能供能。

利用TA从输电线上取能的基本工作原理是利用特制TA从母线上感应电压，通过整流、滤波、稳压等后续电路处理后，给高压侧电子电路提供所需的电源。在设计铁芯线圈感应交流电能为二次侧供能时，应使其尽量工作在饱和段，这样即使感应电压的瞬时峰值会随一次导线电流的增加而增加，感应电压的平均值也不会变化[1]。但这样的设计方案也使得TA取能存在2个比较明显的问题。

a.存在供电死区。当母线电流较低时，由于电磁式TA自身缺陷，感应电流动态范围小，难以为高压侧电路提供稳定电压。

b.由于铁芯过早达到饱和状态，随着母线电流增大，铁芯热耗变得严重，供电电源如何降低热耗、增加设备使用寿命成为一个关键问题[2]。

激光供能通过光纤将激光二极管发出的光能从低压侧传送到高压侧，由光电转换器件将光能量转换为电能量，再经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。因此，激光功能不存在电能死区问题，而且所得电源比较稳定且纹波小、噪声低，不易受到外界干扰。但激光供能也存在自身缺点，由于激光输出功率、光电池转换效率低，该方法提供的能量有限，而高功率半导体激光器的光源寿命较短、价格昂贵，是目前阻碍该供电方式实用化进程的关键因素[3]。

太阳能作为分布式发电，相比其他供能方式，其稳定性较差。而且太阳能电池板需置于室外，受环境影响较大，很难满足国家相关文件的技术指标要求。

2.2 新型电容分压悬浮取能

利用电容式电压互感器进行高压悬浮取能[4]，其原理如图2所示。

图2 高压悬浮取能原理图Fig.2 Schematic diagram of suspended power supply at high-voltage side

高压取能在取能方式上可分为单边取能和双边取能。如果选择两相线电压作为取能电源，实现单边供电相间（例如AB相）取能，则在A相或B相失压时，取能中断，电路板因失去工作电源而停止工作。如果选择双边供能，可有效降低电压死区范围，下面以AB相间与CD相间进行双边取能为例进行说明。

当A相失压时，电容C1一端接于合并单元取能模块，另一端接于B相线路，当合并单元取能模块电阻视为理想无穷大时，C1两端形成等势位，电路板可以通过BC两相之间的线电压进行悬浮取能。由于AB相间与CB相间的电容分压比相同，则合并单元取能模块两端的电压UED、B相电源与点D之间的电压UBD的幅值相等，UBD相位超前UED60°。根据图3可知，当C相失压时，UED变化为UEB，其幅值不变，UEB相位滞后UED60°。当B相失压时，原有的跨AB、CB相间的2组取能电容分压器变成了1组电容分压器，可等效为合并单元取能模块直接利用AC线电压进行分压取能，且由图3可知，合并单元取能模块两端电压由UED变为UE2C，其幅值不变，相位变化超前180°。此种设计保证了一体化设备核心模块合并单元能在全相、非全相运行时可靠工作。

图3 高压取能相量图Fig.3 Phasor diagram of power supply at high-voltage side

3 工作电源设计

高压侧电路是利用电容分压器进行高压悬浮取能，因此其工作电源设计较低压侧工作电源存在更多的问题，其中最主要的是工作电源负荷变化对取能功率的波动影响和工作电源模块的过电压保护技术。工作电源原理设计如图4所示。

图4 工作电源Fig.4 Schematic diagram of power supply

理想情况下，设计通过电容C1、C2分压获取100 V低电压为负荷供电，因此需要解决由于电源模块负荷变化对前端取能造成波动影响的问题，设计中利用电容式电压互感器原理，在电容C2后端串联补偿电抗器L1，使其与C1、C2发生谐振，消除负荷波动影响。分压原理图如图5所示。r1、r2分别为C1、C2的等效串联电阻，其值相对较小，可忽略不计。ZL为负荷等效阻抗；L1为串联电感。根据戴维南定律可得负载阻抗上的分压为：

图5 电容分压器电路图Fig.5 Circuit of capacitive voltage divider

由于高压线路雷击事故和一些空载变压器的投切操作，会对线路产生雷击过电压和操作过电压，因此在高压工作电源的设计上，需添置过电压保护元器件。如图4所示，选择气体放电管、压敏电阻（RV1、RV2）和瞬态抑制二极管（VD1）三者相互配合来防止过电压。3种防雷元器件中，气体放电管属于开关型元器件，三者的性能比较如表1所示。

表1 防雷元器件性能差异Tab.1 Comparison of performance among different anti-lightning components

因此将瞬态抑制二极管作为第3级保护，压敏电阻RV2作为第2级保护，气体放电管作为第1级保护。由于瞬态抑制二极管和压敏电阻响应时间快、流通量小，为防止耐流能力较低的瞬态抑制二极管和压敏电阻单独承担巨大的冲击能量而损坏，将在瞬态抑制二极管、压敏电压RV2、气体放电管之间添加隔离单元，使3个保护元器件按顺序放电、导通。隔离单元可为电阻、电容、电感或它们的组合网络，图4中将AC／DC转换模块和线绕电阻R1作为三者之间的隔离单元。同时，压敏电阻RV2前端串联线绕电阻R1可在RV2短路失效时将短路电路断开。最后，由于压敏电阻寄生电容较大，在正常工作时会产生一定的漏电流，当反复导通几次后，漏电流增大会致使压敏电阻爆炸造成短路失效；而气体放电管寄生电容小，但自身确存在续流问题。因此，通过气体放电管与压敏电压RV1串联设计，同时解决了压敏电阻漏电流过大和气体放电管续流问题。

4 电源管理模块

4.1 电源管理模块设计原理

为解决断电或其他事故引起的电压消失致使取能中断、高压侧数据采集模块无法正常工作的问题，添加一套储能元件作为后备电源，当取能中断时，由后备储能电源为高压侧电路板供电。电源管理模块正是通过对线路取能与后备电源的管理控制，来实现线路取能与后备电源之间相互配合工作，为高压侧有源设备提供稳定、可靠电源，满足各项指标要求。其基本原理如图6所示。

图6 电源管理原理图Fig.6 Schematic diagram of power supply management

储能元件由超级电容Cs和超能电池（将在4.3节分析）两部分组成。超级电容作为主要储能元件，放置在高压侧，通过AC／DC转换装置与电容分压器中的低压电容进行并联取能。当线路正常运行时，电路利用电容分压悬浮取电，不仅为数据采集模块进行供电，同时也为超级电容进行充电。超能电池作为后备储能元件，其作用是当超级电容能量耗尽时，为高压侧电路板供电。

将2个二极管并联作为电源切换电路设计，通过电容分压、AC／DC转换后，设计取能电压为5 V，可将电池电压设计为3.6 V。当取能回路正常工作时，由于取能电压高于电池电压，则二极管2处于优先导通状态，由取能电源供电；当电容分压器失压，悬浮取能中断后，取能电压达不到电路最低工作电压，则二极管1优先导通，由电池电源供电。

智能控制模块控制电源切换电路与微控制单元（MCU）之间的开关，电源开关主要实现电路板唤醒状态与休眠状态之间的转换。当开关处于闭合状态时，电路板处于正常工作唤醒状态；当开关处于断开状态时，电路板处于休眠状态，此时备用电源只为智能控制模块供电，使得电路板可随时唤醒。控制开关可选用模拟电子开关，由于模拟电子开关是利用二极管饱和导通原理，因此需要考虑二极管饱和压降带来的影响。控制模块通过一次能量唤醒与二次信号唤醒来闭合处于断开状态的开关，此方案不仅可根据需要提前为电路板供电，也可由电容分压器电压信号来实现控制模块自动唤醒，提高电路板正常工作冗余度，从而实现MCU智能供电方式。

4.2 唤醒机制逻辑设计

国家电网《智能变电站测控单元技术规范》4.1.1条提出，测控装置应具备高可靠性，装置GOOSE信息处理时延应小于1ms。首次合闸前由于一体化装置处于休眠状态，一次电压取能方案需要对采集电能进行整流处理，供电电能由于整流原理将造成前半周期波头丢失无法供能，会出现供能延迟现象，无法满足《智能变电站测控单元技术规范》对信息传输延时要求。因此，需要为一体化装置设计二次唤醒信号接口，在首次合闸前，通过取得测控保护单元的唤醒信号来提前启动后备电源使一体化装置带电，此时就可实现合闸后零秒传输延时。

线路工作状态与智能控制模块工作状态关系如下。

a.当设备处于待机状态时，智能控制模块断开开关启动休眠机制，使高压电路板处于最低功耗状态，避免过早消耗超级电容与超能电池能量。

b.当线路正常状态运行时，超级电容处于充电状态，由高压侧悬浮电压取能供电。

c.当线路出现事故失压时，高压电路板无法进行悬浮取能，则由后备电源供电，使其延时工作10～20 s，提供足够的保护反应时间和重合闸时间；若在10～20s内线电压仍然未恢复，则控制芯片进入休眠模式，由后备电源提供μA级电流维持。

d.当线路检修后再次准备投运时，可以由二次信号唤醒机制启动控制开关，使后备电源提前3～5 s为设备供电，避免出现保护盲区。同时为防止线路首次合闸时再次出现线路失压造成取能中断，需考虑状态 c，备用电源增加 10～25 s工作时间，共计 15～25 s。

控制模块可通过逻辑门电路设计，选择低电平为有效电平。由于一次能量唤醒为连续信号，则当开关控制模块接受一次能量唤醒低电平信号时，开关为闭合状态。当电容分压器失压时，一次能量唤醒信号从低电平转换为高电平，控制模块为开关提供10～20 s延时，由后备电源供电，若此期间控制模块始终无法再次获得一次能量唤醒低电平信号，则开关断开，电路板启动休眠机制，等待二次信号唤醒。

二次信号唤醒来源于二次侧保护测控装置，此信号使开关闭合并延时15～25 s。若此期间无法获得一次能量信号，则开关断开。

此套设计最大特点在于减小启动电流和启动时间，增加母线动态范围，并消除首次合闸带点到电源正常启动的时间延迟，避免传感器丢失合闸瞬间的暂态波头。

4.3 备用电源的选型及其容量设计

4.3.1 备用电源选型设计

目前市场上有多种储能元件可应用于集成电路，主要考虑的储能元件有一次电池与可再充储能元件静电电容、超级电容、二次电池。各种储能元件由于自身实现原理不同造成性能差异的不同（如表2所示），因此适用环境也不尽相同[3]。

在备用电源的选择上，必须考虑备用电源的工作特点和性能要求。由于备用电源是在装置无法正常取能时和装置处于休眠状态时为装置提供待机能量，其电源首先必须具备一定的功率密度，保证所提供的功率水平满足电路板正常工作要求。同时，备用电源也应具备一定的能量密度，需为电路板提供长时间的休眠待机电能。另外，由于备用电源是密封于装置内部置于线路高压侧，不能取出更换或维护，因此需具有使用寿命长、工作温度范围宽的特点。最后，备用电源的充放电性能要好，需具备稳定、安全、可靠性强的特点。

表2 各储能元件特性比较Tab.2 Comparison of performance among energy storage components

鉴于以上分析和各储能元件的性能差异，单一的储能元件很难满足其要求。因此，本文选择超级电容与一次电池复合电源方案，使各储能元件相互配合满足要求。

4.3.2 超级电容误差分析

对超级电容进行误差分析，结论如下。

a.当多个超级电容串联设计时，由于各个电容工艺水平不一致，即使每个超级电容额定容量相同，也会存在容量偏差问题，最严重时可使超级电容组储能能力下降27%。如果经过电压均衡处理，可以将原储能能力提高10%，但由于其控制复杂、成本昂贵、技术不成熟，采用额外增加电容来提高储能能力比较实际[6]。

b.由于超级电容工作原理，超级电容能实现快速充电模式，充电时间为1～30s。但随着充电电流的增加，受超级电容等效串联电阻的影响，端电压的突变幅度增加，有效储能降低，并且电容容量降低。

c.由于超级电容中存在并联等效电阻，因此超级电容自身存在漏电流，使其储存电能过早消耗。

d.超级电容端电压波动严重，当超级电容释放50%的储能能量时，端电压下降到初始电压的70%。

4.3.3 超级电容最长工作时间

超级电容工作于线路出现故障且继保装置仍需正常工作的情况下。在计算最长工作时间时，需要考虑保护动作时间、断路器动作时间和重合闸动作时限问题。在相间三段式电流保护中，需要考虑其限时电流速断保护和定时限过电流保护。限时电流速断保护的最大时限是当校验灵敏系数不能满足要求时，需考虑进一步延伸限时电流速断保护的保护范围，使之与下一条线路的限时电流速断相配合，动作时限t″2=t″1+Δt，约为2 s，t″1为本线路电流保护的整定时间，t″2为下一条线路电流保护的整定时间，Δt通常为0.5 s。定时限过流保护的最大整定时限也约为2 s。非故障状态时，断路器跳闸灭弧时间为50 ms，故障状态断路器跳闸灭弧时间约为200～300 ms。考虑一定冗余度后，设保护时间与断路器动作时间之和tp=3 s。由于断路器跳闸后进行一次重合闸，需经过一段灭弧时间和绝缘材料恢复时间，根据我国一些电力系统的运行经验，如果第1次重合闸恢复及动作时间整定为0.3～0.5 s，一次重合闸成功率较低，而采用1 s左右的重合闸恢复及动作时间则较为合适；当断路器进行二次重合闸时，则需增加重合闸恢复时间，将第2次重合闸恢复及动作时间整定为5 s左右的时间较为合适。

同时，当线路检修时，备用电源需为设备提供待机电流，其待机时间设置为Tb=24 h。

最后，考虑断路器首次合闸前设备需提前带电，因此备用电源最长提前工作时间为T0=5 s。

备用电源工作时间分布图见图7，其中，Ta=15 s，为线路失压到断路器最终跳闸时间；Tb=24 h，为线路检修时间；Tc=15 s，为断路器首次合闸到最终跳闸时间；T0=5 s，为备用电源提前唤醒时间；T1为一次重合闸时间，T2为二次重合闸时间；I1为高压侧电路板工作电流；I2为高压侧电路板休眠待机电流。

4.3.4 超级电容容量计算

由图7可知，备用电源工作最长时间由Ta、Tb、Tc和 T0组成。 Ta、Tc、T0为设备处于工作状态时间，此时设备功率消耗为P1，备用电源提供正常工作电流。Tb为设备处于休眠状态时间，此时设备功率消耗为P2，备用电源提供待机电流。则超级电容保持期间所需要的总能量为：

超级电容提供的最大能量为：

其中，Uw为设备正常工作电压（单位为V）；Umin为设备截止工作电压（单位为V）。

由 Ek≤Ed得：

其中，C为超级电容的标称容量，单位为F。

超级电容器单元的额定电压范围为2.5～2.7 V，因此单一的超级电容无法满足高压侧电路板额定电压要求，需将多个超级电容进行串联设计。当超级电容串联设计时，根据4.3.2节的分析，采用补偿超级电容容量方法来解决超级电容组容量偏差带来的问题。当需要容量为C、额定电压为U的超级电容组时，理论上选取2个额定容量2C、额定电压为0.5U的超级电容进行串联设计，考虑到电容器-20%的容量偏差，实际应选取2个额定容量为2.5C、额定电压为0.5U的超级电容来组成超级电容器。最后，考虑超级电容端电压波动影响，需要设计DC-DC放电回路来提高超级电容利用效率。

5 结语

本文介绍了一种新型的高压取能方案，通过设计双边取能模式提高高压悬浮取能可靠性；通过设计简化电容式电压互感器提高高压取能电能质量和设计应用于高压侧的工作电源电路来提高工作电源可靠性；通过设计电源管理模块来实现高压取能与备用电源相互配合，消除取能死区与取能延迟问题。最后根据有源设备功耗大小与备用电源工作最大时间与工作环境，来设计科学合理的备用电源选型方案。