電源模塊在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端FTU的應(yīng)用

    摘 要：配網(wǎng)自動(dòng)化是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，也是國(guó)家能源局未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的行動(dòng)計(jì)劃之一（國(guó)家能源局下發(fā)《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015~2020年）》）。在電力行業(yè)中RTU、DTU、FTU、TTU等設(shè)備是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)監(jiān)控裝置，適用于城市、農(nóng)村、企業(yè)配電網(wǎng)的自動(dòng)化工程，完成環(huán)網(wǎng)柜、柱上開(kāi)關(guān)的監(jiān)視和保護(hù)以及通信等自動(dòng)化功能，配合配電子站、主站實(shí)現(xiàn)配電線路的正常監(jiān)控和故障識(shí)別、隔離和非故障區(qū)段恢復(fù)供電，在電力行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備的內(nèi)部設(shè)計(jì)上非常相似，其對(duì)電源的要求更是如此，本文以FTU為例主要介紹其供電電源解決方案。

    引 言

    FTU是安裝在配電室或饋線上的智能終端設(shè)備。它可以與遠(yuǎn)方的配電子站通信，將配電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到配電子站，還可以接受配電子站的控制命令，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。本文主要介紹了電源模塊在FTU中的應(yīng)用。

    一、FTU的基本功能

    饋線終端裝置簡(jiǎn)稱FTU，具有遙控、遙信，故障檢測(cè)功能，并與配電自動(dòng)化主站通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行情況和各種參數(shù)即監(jiān)測(cè)控制所需信息，包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電能參數(shù)、相間故障、接地故障以及故障時(shí)的參數(shù)，并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電功能。

    二、 電源模塊在FTU系統(tǒng)中的應(yīng)用

    方案一：

    系統(tǒng)供電說(shuō)明如下：

    方案一：集成了充電電源，AC/DC電源輸出27V左右電壓，一路給DC/DC模塊進(jìn)行供電，另一路給蓄電池供電；當(dāng)市電斷電的時(shí)候，蓄電池提供備用電源。DC/DC電源提供兩路相互隔離的直流電，5V給串行通信模塊供電；5V作為AD轉(zhuǎn)換模組、微處理器芯片和數(shù)字電路的總電源；24V作為遙測(cè)系統(tǒng)隔離供電。如果MCU芯片需要3.3V或1.8V的供電電源要求，還可以再用LD0轉(zhuǎn)為為3.3V或1.8V的電源供MCU使用。蓄電池方案為目前行業(yè)內(nèi)永磁開(kāi)關(guān)使用比較多的方案，蓄電池的容量大，能夠帶起大電流的開(kāi)關(guān)，但是體積也比較大。

    方案二：

    系統(tǒng)供電說(shuō)明如下：

    方案二：集成了充電電源，AC/DC電源輸出27V左右電壓，一路給DC/DC模塊進(jìn)行供電，另一路給超級(jí)電容供電；當(dāng)市電斷電的時(shí)候，電容提供備用電源。DC/DC電源提供兩路相互隔離的直流電，5V給串行通信模塊供電；5V作為AD轉(zhuǎn)換模組、微處理器芯片和數(shù)字電路的總電源；24V作為遙測(cè)系統(tǒng)隔離供電。如果MCU芯片需要3.3V或1.8V的供電電源要求，還可以再用LD0轉(zhuǎn)為為3.3V或1.8V的電源供MCU使用。超級(jí)電容目前的方案較少，電容的工藝成熟度還需要加強(qiáng)。

    小結(jié)：方案一和方案二主要是針對(duì)遠(yuǎn)程控制永磁開(kāi)關(guān)，可以提供較大的能量，為開(kāi)關(guān)的動(dòng)作提供較長(zhǎng)的維持時(shí)間。下面介紹另外兩種電源方案，方案三和方案四，主要特點(diǎn)為成本低，體積小，主要針對(duì)遠(yuǎn)程控制彈簧開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)。

    方案三：

    系統(tǒng)供電說(shuō)明如下：

    方案三：本方案同樣集成了充電電源，但是這個(gè)電源屬于DC/DC充電電源，前級(jí)需要使用工頻變壓器和整流橋把輸出電壓變成直流電壓，電壓值可以自行設(shè)計(jì)，本方案以48V為例。充電電源只有一路輸出，52V直接給電容進(jìn)行充電；當(dāng)市電斷電的時(shí)候，電容提供備用電源。DC/DC電源直接從48V取電，5V作為AD轉(zhuǎn)換模組、微處理器芯片和數(shù)字電路的總電源；另外需要單獨(dú)隔離5V給串行通信模塊供電；24V作為遙測(cè)系統(tǒng)隔離供電。如果MCU芯片需要3.3V或1.8V的供電電源要求，還可以再用LD0轉(zhuǎn)為為3.3V或1.8V的電源供MCU使用。

    方案四：

    系統(tǒng)供電說(shuō)明如下：

    方案四：本方案較為常用，整體成本較低。直接采用工頻變壓器和AC/DC電源的組合，輸出同樣是兩路隔離電壓5V和24V，5V作為AD轉(zhuǎn)換模組、微處理器芯片和數(shù)字電路的總電源；另外需要單獨(dú)隔離5V給串行通信模塊供電；24V作為遙測(cè)系統(tǒng)隔離供電。如果MCU芯片需要3.3V或1.8V的供電電源要求，還可以再用LD0轉(zhuǎn)為為3.3V或1.8V的電源供MCU使用。此方案主要是針對(duì)遠(yuǎn)程遙控彈簧開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作的能量主要由240VDC后端高壓電容C提供。

    三、電源模塊在FTU控制系統(tǒng)應(yīng)用中的選型方案

    整個(gè)FTU系統(tǒng)的電源解決方案，主要考慮到不間斷供電的問(wèn)題，所以需要雙電源供電的一個(gè)供電形式，主流的供電方式一般是有兩部分組成，一部分是大功率300W的AC/DC充電電源，這個(gè)電源一般兩路輸出，一路給后級(jí)的板卡進(jìn)行供電，一方面給后級(jí)的蓄電池或者是超級(jí)電容進(jìn)行充電；另外的一部分就是蓄電池或者超級(jí)電容，這個(gè)主要是在市電斷電的情況下，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外，電網(wǎng)對(duì)于EMC方面的要求比較苛刻，特別是浪涌方面，需要完全滿足4級(jí)的要求。主電源和蓄電池都掉電時(shí)，系統(tǒng)掉電保持時(shí)間500mS以上。

    根據(jù)上面的應(yīng)用描述，我們推薦選用金升陽(yáng)MBP300-2A27D27的接線式電源，它具備電池充電功能，可對(duì)24V 鉛酸電池充電；工業(yè)級(jí)工作溫度：-40℃～+70℃；2500VAC 高隔離電壓；最大瞬時(shí)過(guò)功率達(dá)432W；優(yōu)越的EMC性能；接線式安裝。

    方案二中使用的是電容充電電源，推薦金升陽(yáng)公司的MCP100-2A27D27的接線式電源，該電源具備高效率高可靠性安全隔離等特點(diǎn)；輸出電壓連續(xù)可調(diào)，滿足不同的充電電壓要求，該系列廣泛應(yīng)用于電力永磁開(kāi)關(guān)控制器、電力網(wǎng)柜等電力設(shè)備，可用超級(jí)電容做不間斷供電。

    遙測(cè)系統(tǒng)的供電需要高隔離電源的供電，主要是考慮到端口浪涌的問(wèn)題；另外這個(gè)電源同時(shí)需要滿足低壓輸入供電的要求，所以推薦我司的URF2424LP-10WR3的產(chǎn)品。它具有3000VDC的高隔離電壓；9-36V的超寬輸入范圍；空載功耗低至0.12W；工作溫度：-40℃～+85℃；輸入欠壓保護(hù)，輸出過(guò)壓、短路、過(guò)流保護(hù)；裸機(jī)滿足CISPR22/EN55022 CLASS A。

    主控板的電源，同樣需要滿足低壓輸入的寬電壓范圍，主要是5V給主板進(jìn)行供電，所以這里推薦URB2405LD-20WR3的電源型號(hào)。

    URB2405LD-20WR3具備1500VDC隔離電壓，9-36V輸入電壓范圍，5V穩(wěn)定電壓輸出，20W電源輸出功率，40～85℃的工作溫度范圍，效率高達(dá)90%，具備UL與CE認(rèn)證。

    FTU除具有數(shù)據(jù)采集與控制功能外,另一個(gè)重要功能就是通信功能。根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求,FTU需要與配電自動(dòng)化主站通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行情況和各種參數(shù)，并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。因此,對(duì)饋線終端裝置通信功能的要求比較嚴(yán)格。這里推薦我司的B0505XT-1WR2給485/232及CAN通信供電。B0505XT-1WR2具備1500VDC隔離電壓，體積小，效率高達(dá)80%，超寬溫度工作范-40~+105℃，滿足FTU市外惡劣的運(yùn)行環(huán)境。并且為貼片化設(shè)計(jì)，方便客戶大批量生產(chǎn)。

    方案三使用的DC/DC48V充電電源，以上圖為例，推薦金升陽(yáng)公司的VRB4852D-30W-XJ的型號(hào)，具備36-72V寬輸入范圍，輸出恒壓恒流，短路保護(hù)，輸出報(bào)警等特性。24V充電電源同樣有對(duì)應(yīng)的型號(hào)。

    方案四使用了的AC/DC電源，推薦金升陽(yáng)公司的LH20-10D0524-03型號(hào)，兩路隔離輸出，寬電壓輸入:85～264VAC，輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，通過(guò)UL/CE認(rèn)證。

    金升陽(yáng)將根據(jù)FTU系統(tǒng)對(duì)電源模塊的需求，研發(fā)生產(chǎn)出更適合該行業(yè)應(yīng)用的電源模塊，助力我國(guó)配電FTU行業(yè)發(fā)展。

    名詞解釋：

    [1] FTU：Feeder Terminal Unit饋線終端裝置

    [2] SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) <