高可靠的配网自动化终端电源设计

（南京首风智慧电力研究院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

配网自动化系统的终端装置，一般称为配电自动化终端或配网自动化终端，简称配电终端，用于中压配电网中的开闭所、重合器、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、线路调压器、无功补偿电容器的监视与控制，与配网自动化主站通信，提供配电网运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配网设备进行调节控制的指令1[1]。配电终端是配网自动化系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用。

配电自动化终端运行于户外，取电比较困难，其供电电源主要包括电源管理模块和后备电源。电源管理模块负责从PT取电，并向配电自动化终端、开关、通信装置的供电，也对后备电源进行充放电管理2[2]；后备电源在线路失电时，给配电自动化终端、开关、通信装置提供电源。户外的运行环境较为恶劣，高温、高湿、强电磁干扰，以及开关操作的大电流冲击，都对配电自动化终端供电电源的可靠性提出了较高的要求，研发设计高靠性的配电自动化终端的电源有其必要性。

1 终端电源组成

典型的配电终端电源主要由EMC电路、双电源切换电路、变换整流滤波电路、后备电源及其管理电路、输出检测保护电路等组成。图1表示了终端电源各组成部分及相应关系。

终端的电源输入通常来自电压互感器二次侧或配电变压器二次侧，在终端内部进行一系列处理后输出直流48V/24V电源，同时为后备电源充电，当外部交流失电后，后备电源开始放电，继续输出相应的直流。

2 可靠性设计

配电终端的电源不仅要为终端自身供电，还要为控制回路和通信模块供电。由于配电终端通常安装在户外，恶劣的环境经常会使电源部件出现故障，影响终端的正常工作及开关的可靠操作。

2.1 电磁兼容防护设计

电源端口的电磁兼容防护主要针对浪涌电压和电快速瞬变脉冲群。这两种干扰产生的机理和特性均不同。浪涌电压来源于线路故障产的过电压，或由于雷电等自然现象耦合入的过电压，是一种时间短，能量大的瞬变干扰信号。电快速瞬变脉冲群来源于一次回路中的开关在正常工作的状况下，开断电感性负载，如切空载变压器、电抗器及电动机等，或切除容性负载,如空载长线、电容器组等，是一种频率高，能量小的瞬变干扰信号。

由于配电终端取电方式是电压互感器二次侧或配电变压器二次侧，所以上述两种干扰会通过变压器直接注入到配电终端电源输入端口。如果电源端口浪涌防护电路设计不能起到很好的抑制作用，干扰会直接耦合到弱电系统中去，导致设备异常，严重时会导致设备损坏。图2为电源输入端口的电磁兼容防护电路。

电路中采用了π型滤波器，Y电容二种器件对电快速瞬变脉冲群进行防护。其中C1、C2放置在电源入口处，用于泻放大部分电快速瞬变脉冲群的能量，剩余的能量被后级共模电感与C5、C6组成的LC滤波器进一步吸收后，干扰几乎消失，不影响负载正常运行。

R3、R5为压敏电阻，用于钳位浪涌差模电压，R3、R5额定电压的选取需要满足系统最大输入电压的要求，一般为Un≥1.2×Uinmax。但由于压敏电阻动作时间为25ns左右，所以无法及时保护后级电路。所以需要将干扰信号在时域上展宽，给予压敏电阻足够的动作相应时间。因此，在此回路中串入NTC电阻R4，与后级的输出滤波储能电容，构成的RC滤波器，可以将浪涌波形展宽。并且NTC电阻在电源冷启动时可以抑制冲击电流，起到很好的限流作用。

浪涌共模防护，传统的防护方式如图3所示，此种方式由GAS放电管与压敏电阻串联，构成防护电路。由于GAS放电管的动作时间为100ns，所以防护响应时间更长，并且无法满足电力系统二次控保装置端口耐压要求。

本配电终端采用的电源，取消掉压敏电阻RV1，RV1以及GAS放电管。当共模浪涌电压施加于电源端口时，供电线路的等效电感与电源入口电容会产生谐振，入口干扰信号峰值会被抬高，对后级系统产生很大影响。本设计将放电管串联功率电阻，并接在共模电感两端，如上图R1、G1、R2、F2所示。当共模浪涌电压施加于电源端口时，由于共模电感电流不能突变，所以共模电感上瞬间会产生很高的电压，这时通过放电管瞬间击穿，将共模电感两端的电压钳位在200V左右，以限制后级负载的共模电压幅值。后级回路中，开关变压器中的耦合电容是共模浪涌电压潜在的传导路径，所以开关变压器的设计也是关键，通过改变绕组的顺序和绕制的工艺，以及变压器材料的选用，以减小开关变压器的耦合电容，切断耦合路径，保护后级负载不受干扰影响。

2.2 可靠的双电源切换

采用继电器切换的方式实现外部输入双电源自动切换，此种方式为自驱动方式，能实时跟随输入电压的状态，并做出快速的投切动作，由于减少了电路设计的复杂性，从而也提高了其可靠性。双电源切换的原理如图4所示。

且此设计增加了两路输入的互锁机制，保证同一时间只有一路输入，防止两路电压互相耦合而形成环路，引入空间耦合干扰，导致装置异常。

2.3 电源的自保护功能

配电终端的电源系统中，设计了DC/DC开关电源，将输入的直流48V/24V电压转换为5V电压，为核心板、出口板等插件供电。开关电源实现的方式是通过闭环控制，实时监视输出电压，根据不同的负载，动态调节反馈环路中的偏置电压，保证系统的稳定性。当反馈环路异常，导致系统开环，则输出5V电压会偏高，使后级负载过电压损坏，可能会导致装置误动作。

后级负载短路或阻抗下降时，会导致电源输出电流长时间超出最大输出电流，此刻DC/DC开关电源中的功率器件会发热严重，导致电源寿命下降甚至损坏，部分连接器由于长时间发热甚至起火，会导致用户财产损坏。为避免此问题发生，所以设计了过流保护电路，当输出电流超过动作门槛时，电源停止输出，直至故障恢复。

2.4 散热设计

在电源系统中，热量都是由电能转换来的：电流流过连接线和连接点产生的导通损耗，开关器件快速的开通、闭合产生的开关损耗，变压器铁心产生磁滞损耗，交变磁场、交变电场产生的涡流损耗和介质损耗等，都以热量的型式，分布在机箱内，迫使机箱温度升高3[3]。如果没有良好的散热设计，当机箱温度超过元器件的允许温度时，电源会工作异常，部分元器件寿命急剧下降，甚至局部发热严重，烧毁电源。

因此散热设计非常重要，这是确保电源正常供电，寿命的关键。在散热设计过程中，根据具体情况，选择合适的途径将热量传递出去，以达到元器件降温的目的，从而提高电源工作可靠性，延长其使用寿命。

3 后备电源

在电力配电系统中，配电终端的后备电源至关重要。正常情况下，配网自动化终端装置的电源一般取自电压互感器二次侧，当因故障或其他原因导致电路停电时，终端必须能继续维持工作一段时间，以便能完成线路的故障检测、信息记录、上报以及配合主站对开关进行遥控操作等一系列工作，从而实现故障快速定位、隔离并恢复非故障区域供电。因此，在线路故障时拥有可靠的备用工作电源，对故障隔离及恢复线路供电，有十分重要的作用。

3.1 三种后备电源特点

目前，配电终端的后备电源主要有铅酸蓄电池、锂电池和超级电容；每种后备电源都有其优势和劣势。

铅酸蓄电池的单体电压高、能量密度高（20～100Wh/kg），适当的重量和体积能带来较大的能量输出，在额定充放电倍率下，循环寿命较长；但蓄电池存在功率密度低、放电性能受温度影响、充放电电流不能太大等问题，因此，对于要求长寿命、高可靠的应用场合，使用蓄电池储能就存在较多的局限。

3.2 后备电源充放电管理

根据对三种后备电源的特点分析知，铅酸蓄电池需要定期活化、放电电流不能过大，锂电池不能浮充、需要保护控制电路；超级电容需要均压控制电路。为保证后备电源的安全可靠、长期正常运行，高可靠的充放电管理电路是必需的。

后备电源的充放电管理电路具有短路保护和电压保护功能，以及定期激活电池功能，有效保障了电池运行安全及运行寿命。充分考虑电池防爆设计处理，电池充放电管理采用专用电池管理设计电路及算法，防止电池过充和过放，并设有手动、自动激活电池功能，有效保障电池长期安全运行。

对于后备电源为超级电容，管理电路设计了短路保护和电压保护功能，对电容完成充电和切换管理。在电容充电时限流作用，防止电流过大对装置元器件产生不良影响如老化和烧毁等。

4 结语

根据《DL/T 721-2000配电网自动化系统远方终端》规范，对我司配网自动化终端进行相关EMC测试，试验结果表明，终端电源设计可靠、EMC性能良好。采用继电器方式设计的双电源切换电路，存在10ms左右的切换时间，但由于电源直流输出部分有储能电容的存在，能够保证终端在切换过程中正常工作，不会出现后备电源启动或断电等情况。

从现场多台套终端运行情况反映，采用文中方案设计的电源具有散热优良、稳定可靠等优点；同时，设计中考虑了多种后备电源的情况，也使得终端电源具有较强的通用性，为设计人员、工程调试人员提供了较大的便利。