配網(wǎng)自動化是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時信息、離線信息、用戶信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息進(jìn)行集成，構(gòu)成完整的自動化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測、保護(hù)、控制和配電管理。下文將以金升陽科技有限公司高效電源解決方案為實(shí)例進(jìn)行分析。

系統(tǒng)組成及主要功能

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)組成如下圖2所示。從設(shè)計的角度來說，主站層、子站層、通信層偏向于數(shù)據(jù)信息的軟件部分，該部分的設(shè)備一般作為數(shù)據(jù)信息的載體，設(shè)備的工作環(huán)境相對比較良好;終端層屬于硬件設(shè)備部分，與電網(wǎng)直接連接，多放置于戶外，供電情況和工作環(huán)境都十分惡劣。終端與電網(wǎng)連接，需要承受電網(wǎng)上的波動和干擾;終端連接開關(guān)閘門，在分閘和合閘的瞬間，對電壓的擾動非常大，甚至?xí)验_關(guān)閘門的供電電壓拉低。

 

圖1 配網(wǎng)自動化系統(tǒng)組成框

2013年國家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《配電自動化遠(yuǎn)方終端》DL/T 721中明確指出，電源回路電壓大于60V時，應(yīng)施加5KV試驗(yàn)電壓。同時，終端需要具備良好的EMC抗干擾能力。EMC抗擾度等級需達(dá)到四級(最高等級)，且要求終端設(shè)備能正常工作，其性能指標(biāo)應(yīng)符合基本性能的要求。EMC主要要求如表1所示。

為適應(yīng)配網(wǎng)自動化的應(yīng)用，終端的前端AC-DC電源需要具備同等的抗干擾能力，并且為后端的控制板和采集板提供主要的EMC防護(hù)。真可謂是首當(dāng)其沖，任重而道遠(yuǎn)了。

表1　配網(wǎng)自動化遠(yuǎn)方終端EMC要求

配網(wǎng)自動化中電源推薦應(yīng)用方案

在配電終端中，DTU和FTU這兩類終端單元通常是帶開關(guān)閘門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，如圖4所示。因此必須考慮瞬態(tài)輸出功率。金升陽的MBP500-2A27D27充電電源正是為這樣的應(yīng)用而設(shè)計，可以提供高達(dá)1080W(300mS)的瞬態(tài)輸出功率，確保開關(guān)閘門執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照指定指令進(jìn)行動作，并且電壓擾動非常小，不會因?yàn)殚_關(guān)閘門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作而影響其他電路的工作。
從圖3可以看出，如果電源反應(yīng)速度不夠快，無法及時調(diào)節(jié)，就會出現(xiàn)電壓跌落的現(xiàn)象。

 

圖3 開關(guān)閘門動作時，電壓擾動大(左圖)和電壓擾動小(右圖)對比

圖4 DUT/FTU配電終端電源框圖

金升陽配網(wǎng)自動化電源解決方案選型推薦：

通常MCU電路及其外圍電路需要與充電電源進(jìn)行隔離，減少高頻干擾對MCU電路造成影響。此處推薦3000V隔離的超寬電壓輸入穩(wěn)壓電源URF2405LP-20WR3，從充電電源的輸出端取電，為MCU及其外圍電路提供穩(wěn)定的5V電壓，并且能夠解決共模浪涌對MCU的干擾。
遙信單元的供電電源推薦URF2424P-6WR3寬壓輸入DC-DC電源進(jìn)行隔離，避免共模浪涌從遙信端口對系統(tǒng)造成沖擊。該沖擊輕則引起系統(tǒng)死機(jī)重啟，嚴(yán)重時還會引起系統(tǒng)損壞。

當(dāng)給運(yùn)放供電需要正負(fù)電源時，可以選擇A0512D-2WR2定壓輸入 DC-DC電源，提供±12V電壓輸出。485通信可選擇TD501D485H進(jìn)行隔離，避免通信端口的干擾影響系統(tǒng)可靠性。
配網(wǎng)自動化系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)解析：選用高隔離電源模塊、進(jìn)行旁路處理。

由于終端面臨著嚴(yán)酷的EMC環(huán)境，系統(tǒng)存在多個地方接地，共模干擾對系統(tǒng)影響很大。對于電源的應(yīng)用，首先，應(yīng)盡量采用高隔離的電源模塊(如金升陽提供的3000V隔離URF系列的模塊)或者在敏感端口進(jìn)行旁路處理(如在單片機(jī)復(fù)位端口上加1nF電容旁路)，以解決共模浪涌/脈沖群等共模類干擾對系統(tǒng)的影響，造成系統(tǒng)死機(jī)或者重啟。其次，應(yīng)在敏感的信號輸入輸出端口進(jìn)行旁路處理。

那么，通常如何進(jìn)行敏感端口的旁路處理呢?以下舉一個簡單但非常經(jīng)典的案例。如圖5所示：正常工作時，按照左圖進(jìn)行設(shè)計，電路可以按照預(yù)定程序運(yùn)行。當(dāng)測試4KV脈沖群性能時，則容易出現(xiàn)三極管不受控、誤動作的情況。在系統(tǒng)中表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是繼電器誤跳動，一些指示燈或者一些裝置閃爍跳動等。這實(shí)際上是I/O口的走線較長或者控制回路較大時，容易耦合高頻信號，從而產(chǎn)生誤動作。添加旁路電容，可以減少高頻信號的耦合，減小對端口的干擾，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。當(dāng)然，這只是提供一種解決方法，實(shí)際上可以用優(yōu)化布局等方法去解決。

圖5 典型端口處理案例原理圖

EMC的測試大部分屬于高頻干擾，容易通過地線和器件的寄生參數(shù)直接干擾后端的用電電路，因此，脈沖群影響繼電器誤動作，共模浪涌引起系統(tǒng)重啟等現(xiàn)象多有發(fā)生，只有恰當(dāng)?shù)碾娫催x型加上優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)計，才能實(shí)質(zhì)性的提高配電終端的可靠性。

總結(jié)

在嚴(yán)酷的EMC和用電環(huán)境中，要保證配網(wǎng)自動化的可靠性和改善用戶的用電質(zhì)量，對配電終端的電源可靠性要求是極高的，如EMC要求、輸出瞬態(tài)功率要求等。當(dāng)然，這與系統(tǒng)的設(shè)計也是密不可分的，如果單純依靠電源來提高可靠性，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。金升陽不僅是在為配網(wǎng)自動化提供高可靠的電源解決方案，更是在不斷探索，把提高電源可靠性的技術(shù)推而廣之，為配網(wǎng)自動化的發(fā)展鼎力相助。