配电网络馈线终端装置的供电电源研究

喻文球，靳　坤

(中国长江三峡集团公司机电工程局，四川成都610042)

配电网络馈线终端装置的供电电源研究

喻文球，靳坤

(中国长江三峡集团公司机电工程局，四川成都610042)

分析了目前配电网络中馈线终端装置(feeder terminal unit，FTU)与被控主设备的3种普遍供电方式及其存在的缺陷，并且针对这些缺陷提出了基于超级电容器-蓄电池的混合电源方案和基于CT电源的供电方案，前者综合蓄电池放电时间长和超级电容器储能巨大的特点，在线路故障时由蓄电池提供FTU的工作电源而超级电容器提供被控主设备的操作电源，后者从CT采集能量，具有较高的性价比。

馈线终端装置；电源；超级电容器；蓄电池；CT

在我国10 kV及以下配电网络中，配电自动化要求在故障情况下，及时对一次线路进行故障判断和采取报警和分断开关进行故障隔离等措施，所以在配电系统一旦故障时，馈线自动化装置也必须能够正常工作，故而系统本身的供电电源不间断就显得尤为重要。

馈线自动化装置(feeder terminal unit，FTU)是基于计算机和通信网络的馈线自动化系统的核心设备。在配电网自动化系统中，FTU的电源不仅仅要为其自身供电，还要为控制回路和通信模块供电。当发生故障或因为其他原因导致停电时，FTU必须可靠上报故障信息和接受远方控制，因为此时它所上报的故障信息对于故障定位很重要，因此FTU应在线路故障时拥有可靠的备用工作电源，在故障隔离及恢复线路供电时，也需要可靠的主设备操作电源[1]。

多年运行情况表明：FTU常年运行在户外恶劣的环境里，其电源是出现问题最多的部件，是影响其稳定可靠运行的关键。因此，安装于户外柱上开关处的FTU的供电可靠性是配电网自动化系统的一个难点。

1　FTU及被控主设备的普遍供电方式

FTU要能可靠工作，就必须要有不间断的工作电源供电，主设备的操作机构则需要可靠的操作电源使得故障隔离时能够快速断开开关而恢复供电时能够迅速闭合开关。

目前我国配电网络主要有三种馈线自动化装置供电方式：一是操作电源和工作电源均取自馈线；二是操作电源和工作电源均取自蓄电池；三是操作电源取自馈线，工作电源取自蓄电池[2]。

1.1操作电源和工作电源均取自馈线

在这种方式下，FTU的工作电源和主设备也即开关的操作电源均取自馈线。取电方式有三种：第一，FTU的工作电源采用FTU两侧的变压器供电；第二，低压线路与柱上开关共杆，采用一台单相变压器和一回低压线路供电；第三，当不同电源的两回低压线路与柱上开关较近时，采用两回低压线路供电。

以上三种取电方式的电源来路有两个：一是单相变压器，二是低压线路。这种方案适合于与采用交流操作机构和交流储能电动机的柱上开关配合。因不需要蓄电池，所以维护方便，但仍存在以下不足：

(1)若电源来自单相变压器，当馈线停电后，变压器失电，FTU将失去电源，从而无法上报故障信息和接收控制命令。

(2)若电源来自低压线路，有可能造成不同配电变压器低压配网的耦合，这会对安全运行带来影响，且往往有许多分段开关位置不能获得真正独立的电源。

(3)在这种供电方式下，一般的解决方法是：由FTU的CPU对两路电源电压分别监测，当主回路电压下降到70%时，切除主回路，经过延时后投入备用回路。当主回路恢复正常时，再经过延时后切换到主回路。对于采用交流操作电源的柱上开关，这种延时就是保障安全的需要，但针对采用直流操作的柱上开关则没有必要延时[3]。

1.2操作电源和工作电源均取自蓄电池

这种方式需要一个较大容量的蓄电池，通过它获得FTU的工作电源和开关的操作电源。它的优点在于即使馈线停电，FTU仍能工作，开关也仍能操作，为了解决蓄电池的充电问题，需从0.4 kV的低压馈线或通过PT直接从10 kV的高压馈线上获得充电电源，但此时PT的容量可以选择小些。

在这种方式下，宜采用直流操作机构和直流储能电动机的柱上开关(如48 VDC，合闸电流10 A)，因为这样使得利用蓄电池供电的方案更方便。但是采用这种柱上开关对FTU的中间继电器的触点容量和断弧能力要求较高。另一种直流操作机构是24 VDC、合闸电流25 A，但在这种情形下，对FTU中间继电器断弧能力的要求更高。因此相对而言，采用48 VDC、合闸电流10 A操作机构的开关更合适些。

1.3操作电源取自馈线，工作电源取自蓄电池

这种方式下，FTU的工作电源取自蓄电池，柱上开关直接从10 kV馈线上获取或者取自0.4 kV低压线路。

由于馈线沿线柱上开关的合闸操作是按顺序进行的，因此当某台开关需要合闸时，其电源侧相邻开关已经处于合闸位置即已经将电供至待合闸开关处，所以总是可以为被控主设备提供可靠操作电源。

但是，由于配电网中的开关整定困难，经常发生越级跳闸，即在故障后，距故障最近的开关尚未跳开，其上级开关却先分断的现象。因此，在故障后为了准确地隔离故障区段，必须在顺序恢复供电前通过补跳使与故障区段相邻的开关可靠分闸，否则恢复供电时会合到故障点上。而这个补跳操作只能依赖蓄电池提供操作电源，因为此时尚未将电送至补跳的开关处。

1.4目前FTU供电方式的缺点

(1)取自低压线的电源会因为线路改造而失去，取自馈线的电源会因为馈线故障而失效。

(2)户内式的PT安装在开关本体内，使开关显得笨重；户外式的PT安装在开关本体外，影响美观，并且极易受到雷电、风雨等恶劣环境的破坏。另外，PT的容量增大会导致测量精度降低。

(3)采用专用单相变压器，占用空间大，安装麻烦，并且增加了开关的造价。

(4)蓄电池经常因充电时间较长、使用过程中消耗的电解液无法及时补充、未经常活化、生锈等原因，使得供电能力达不到技术要求。同时，蓄电池的使用寿命短，一般运行2～3年后容量急剧降低，无法为FTU提供足够的电源，甚至无法进行分、合开关的操作[4]。

2　基于超级电容器-蓄电池的混合电源方案

2.1蓄电池储能的缺点

在目前使用普遍的3种FTU及被控开关的供电方式中，有两种均使用到了蓄电池来储能并作备用电源，因此蓄电池性能的好坏对FTU的正常工作和开关的可靠操作非常重要。但是，由于蓄电池受充放电电流的限制，充放电次数仅可达到数百次，使用寿命较短；而且过充电和过放电都会使其性能受到损坏，甚至有时过度充电或短路会引起爆炸；此外，蓄电池使用铅等有害金属，对环境造成严重污染。

目前市面上的蓄电池电压等级偏低，线路故障后可以为FTU、通信模块和控制模块供电，但作为被控开关的操作电源使用时有明显的问题，主要是被控开关的操作电源需要较高的电压等级但是蓄电池一般在运行了2～3年后容量会急剧降低，输电端电压会下降，电压不稳定，而电压等级高的蓄电池则造价很高，不具备经济性[5]。

2.2超级电容器的储能原理

超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，并能与其他储能装置混合储存，可以取代蓄电池成为被控开关的操作电源。

2.2.1超级电容器的储能机理与电池和传统物理电容的比较

(1)电池以化学能的形式储存能量。电化学能在电池的两个极板的界面处通过电化学反应发生转化。电池所储存的能量E等于电池放电过程中的氧化还原反应所交换的电荷量乘以电池两电极之间电压的一半，如式(1)：

放电过程就是一个与电极反应物电子得失及其转移有关的电化学反应过程。

(2)传统物理电容由电极和电介质构成，储存的电能来源于电荷Q在两块极板上的分离，两块极板被真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数ε)所隔离。

由式(2)所示，若想获得较大的电容量C必须增大电极面积S或减少介质厚度d。

(3)超级电容器填补了电池和传统物理电容之间的空白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的。能获得大的比电容是因为极板为活性炭，它具有极大的有效表面积S[6]。超级电容器的等效电路模型如图1所示。

2.2.2超级电容器的优点

超级电容器的优点为：

(1)电容量很大，可达2 300 F；

(2)漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长，因为只有电荷的吸附与解吸附，不存在电荷转移；

图1　超级电容器的等效电路模型

(3)充电性能好，且无需限流和充放电控制回路，不受充电电流限制，可快速充电，通常几十秒；

(4)储存和使用寿命长，维修费用很小；

(5)使用范围广，可达－40～+85℃，而电池仅为0～+40℃；

(6)比蓄电池安全，如果发生短路的话，超级电容器不会爆炸[5]。

2.3基于超级电容器-蓄电池的混合电源方案

由于超级电容器所具有的优势，如循环寿命长，充放电效率高，放电能量大等等，可以将其与蓄电池联合作为储能单元。线路故障时，由蓄电池提供FTU工作电源，超级电容器提供被控开关的操作电源，这样设计是由于超级电容器的放电时间较短，而停电后FTU需要较长时间的工作电源供应，所需的电压等级不高，而开关操作电源则需要一个放电能量高、速度快的电源[7]。

以供电对象直流操作机构的开关为例，取电模块输出DC 24 V，基于超级电容器-蓄电池的混合电源方案原理如图2所示。

图2　基于超级电容器-蓄电池的混合电源方案原理图

若供电对象为交流操作机构的开关，则需要在超级电容器之后加逆变器。在此方案中，当蓄电池、超级电容器作为后备电源使用时，若线路正常，则由取电模块供应电源；若发生故障，则蓄电池为FTU提供工作电源，超级电容器提供开关操作电源[7]。在这个方案的基础上，还可以进行改进，将线路供电改成太阳能供电，即在取电模块前设计一个太阳能供电系统，由控制器通过对太阳电池板的电压及电流的采集，实现太阳电池最大功率点跟踪，最大效率的存储太阳能，超级电容和蓄电池则作为储能设备，其余部分同上，这样就避免了输电线路的架设，但是由于太阳能本身受气象条件限制，具有间歇性，所以利用太阳能为FTU供电还需进行进一步的研究。

3　基于CT的供电方案

3.1PT取电并配用蓄电池供电的缺点

安装在户外的FTU采用PT直接从10 kV线路上提取电源并辅助蓄电池供电时的缺陷，主要有以下几点：

(1)采用专用变压器安装在FTU之外，安装困难，占用空间大；

(2)若操作电源采用交流电，线路必须有电，当馈线停电后，FTU将无法上报故障信息和接受控制命令；

(3)采用PT供电，容量有限，一般满足不了要求，若要增加容量则需要降低精度，这样又无法满足测量要求，二者不易兼顾；而且PT安装在户外容易遭受雷击、腐蚀、外力等的破坏，损坏几率很高；

(4)采用直流供电，电压等级低，跳、合闸时瞬间的冲击电流很大，电压瞬间降低，容易造成FTU死机或通讯中断，而且蓄电池的人工维护比较困难。

3.2FTU的CT取电方式

利用电流互感器为FTU提供电源，结构和接线更为简化。从电流互感器采集能量，作为FTU的工作电源和开关的操作电源以及为储能电机和通信设备提供所需要的能量，这种方案成为CT电源。该方案仅与一次电流大小有关，与电压等级无关，由于能量完全由高压侧一次母线电流通过CT电源的电磁感应产生，故可称之为高压自备电源。

从现代电力电子技术的角度看，利用电流互感器为FTU提供电源的CT电源实际上是一种电流输入、电压输出的高频开关功率变换器，在技术上已经相当成熟。采用脉宽调制(PWM)的高频开关功率变换技术，即使再输入电流变化较大时，也可以得到各种电压等级的输出电压，常用的有AC220 V、AC110 V、DC220 V、DC110 V、DC48 V、DC24 V等。如果增大CT铁芯体积可以获得更低的启动电流或更大的功率输出。CT电源的原理如图3所示。

图3　用于直流220 V或直流24 V的CT电源原理图

本方案的CT电源提供电容和蓄电池两种后备电源。蓄电池由两节标准的12 VDC、电池容量为10 Ah的密封式铅酸蓄电池串联组成。正常运行时CT电源还可以为蓄电池和储能电容提供充电服务(一般为恒流充电、限压保护)。馈线停电时CT电源可以将蓄电池和储能电容的电能转化为FTU和开关操作所需要的各种电压等级的电压，以满足在失电情况下，FTU工作和操作电源的要求。CT电源方案供电模块原理如图4所示。

图4　CT电源方案供电模块原理图

3.3CT电源的电压等级和储能方式

为FTU供电的CT电源可设计成2个电压等级，DC24 V和DC220 V。DC24 V电源为FTU自身、通讯模块、储能电机供电。由于蓄电池容量会下降，24 V的电源无法提供足够的电流来完成操作，所以可采用DC220 V的电源为断路器跳、合闸回路供电。考虑到蓄电池在使用过程中可能出现故障而影响FTU的正常工作和开关的操作，CT电源可采用电容和蓄电池两种储能方式。PWM电路为储能电容充电，当电容电压达到直流220 V时充电完成，电容充电回路使电容电压稳定在220 V[4]。

采用电动储能机构的断路器合闸结束时总是自动完成一次储能，即使外界断电，也可以保证完成一次跳、合闸任务，所以在电力系统正常运行期间，储能电机不消耗蓄电池的电量，由电源模块供电。在极特殊的情况下，如一次设备断电，而又需要进行多次跳、合闸的情况下，跳、合闸的能量有大容量电容器或蓄电池提供。所以蓄电池在大多数情况下主要用来为FTU、通讯模块提供能量，再借助大容量的电容储能(选取C=4 700 μF)，可以保证断电后FTU能够正常运行。

4　结语

超级电容器以其优势在众多领域得到广泛应用，技术成熟度也较高，不过虽然它储能巨大且能够弥补蓄电池的缺点，但由于放电时间比较短，所以在作被控开关的操作电源时还是需要和蓄电池配合使用，以便获得更好的供电可靠性。CT电源方案虽然存在缺陷，但这些缺陷可以采取适当方式补救，比如根据实际负荷水平合理选取CT变比，以避免其二次侧电流过小。与PT方案相比，CT电源方案具有较高的性价比。

[1]刘健,倪健立.配电网自动化新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2]朱毅勇.配电自动化中的电源问题[J].电气时代,2007(1)：105-106.

[3]刘健,倪健立,邓永辉.配电自动化系统[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[4]隋国正,张力大.FTU供电电源方案改进[J].电源技术,2008(1): 16-17.

[5]冷超,江启人,傅坚.超级电容器储能的应用[J].上海电力,2008, 21(1):79-82.

[6]胡毅,陈轩恕,杜砚,等.超级电容器的应用与发展[J].电气设备, 2008,9(1):19-22.

[7]迟乾洲,常芳,汤受鹏.超级电容储能在独立供电系统中的应用设计[J].数字技术与应用,2011(7):58-59.

Study on power supply of feeder terminal equipment

YU Wen-qiu,JIN Kun
(Mechanical and Electrical Engineering Bureau,China Three Gorges,Chengdu Sichuan 610042,China)

The three general power supply methods of feeder terminal unit(FTU)and controlled switch in distribution network were introduced and their disadvantages were analyzed.Two power supply schemes were proposed accordingly,namely the current transformer(CT)supply scheme and the scheme based on super capacitor-storage battery.The cost-effective CT scheme acquired energy from CT and provided power supply for FTU and controlled switch.The scheme based on super capacity or storage battery has the combined advantages of long discharge duration of storage battery and the great energy storage of super capacity and can provide the operating power supply for FTU by battery and for controlled switch by super capacitor in case of line faults.

feeder terminal unit(FTU);power supply;super capacitor;storage battery;current transformer(CT)

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2044-04

2016-03-01

喻文球(1963—)，男，湖南省人，高级工程师，主要研究方向为水电站公用系统的规划和现场施工管理工作。