應對智能電網的電源管理設計挑戰(zhàn)

引言

電網的現代化建設正在穩(wěn)步推進。采用現代控制和自動化技術能夠顯著節(jié)省能源、保護環(huán)境，并通過改善人們的健康和安全來提高生活質量。配電自動化采用具有先進控制和通信技術的數字傳感器和開關，實現功能自動化，包括發(fā)電、開關控制、根據負載變化實時調節(jié)、監(jiān)測、斷電/過壓/欠壓故障管理，以及功率因數修正。自動化設計改善了這些關鍵配電功能的速度、成本和精度，提高可靠性并降低用戶成本。這就要求對現場設備進行控制，以支持現場的自動決策，并將關鍵信息傳遞到電網控制中心。

能源自動化(圖1)控制會產生能源效率、方案尺寸、系統安全以及所用電子產品的可靠性等問題。本文探討了配電自動化發(fā)展的大趨勢及其相關的系統設計挑戰(zhàn)，涵蓋從網絡協議到硬件設計環(huán)節(jié)。然后通過幾個案例研究，介紹能源應用中現場設備的電源管理新方案。

圖1 變電站電氣開關設備

1   配電自動化的大趨勢

越來越多的能源運營商采用云技術遠程管理能源配送，其軟件平臺提供性能監(jiān)測、數據分析、可視化、故障檢測和診斷，以及不同的能源管理組合。這些自動化系統能夠實時監(jiān)測多個變量并對數據進行分析，從而實時調節(jié)系統，提供能源管理，并要求符合政府法規(guī)和稅費政策。通過將設備數據與云端聯網，憑借先進的人工智能(AI)技術進行實時分析，確定所要采取的措施。高級配電自動化(ADA)擴展了配電等級及其他領域的電網智能控制。擁有監(jiān)控和數據采集(SCADA)系統的電力公司能夠對輸電設備進行全面控制，并通過配電自動化增強對配電設備的控制。配電自動化能夠實現更高可靠性、可服務性，改善預測性維護以及故障檢測、隔離，降低排放。

2   配電自動化系統

配電自動化系統(圖2)包括不同的管理、控制和現場層。管理層從中心站點操作和控制配電，根據需要記錄并優(yōu)化數據。能夠實時發(fā)現問題，從而立即采取措施?？刂茖訉ｉT處理硬件設備的管理與控制。在現場層，智能傳感器和執(zhí)行器收集數據并執(zhí)行相應操作。配電系統嵌入的傳感器和控制單元用于發(fā)出監(jiān)測信號，減少或避免斷電時間、熱運行設備、斷路器跳閘以及電網閃爍。

圖2 配電自動化系統

3   技術推動

配電自動化(DA)系統根據具體的通信網絡采用各種有線和無線通信方案傳輸數據。依托先進的硬件和軟件技術實現系統的智能化、網絡化和控制管理。在現場層，通過控制器、傳感器、I/O和執(zhí)行器展現這些新技術?？刂茊卧删幊踢壿嬁刂破?PLC)、電機/運動控制器，或采用先進的處理器和微控制器實現分布式控制系統(DCS)設計。傳感器可以是數字或模擬式，用于測量溫度、濕度、振動、開路和短路等條件。執(zhí)行器則控制能源分配、溫度、濕度及其他參數。傳感器和執(zhí)行器通過有線或無線網關與控制中心通信。它們由電池或直流電壓供電，典型工作電壓為5~24 V范圍。圖3所示為變電站配電盤及其開關、信號燈、傳感器和儀表。

圖3 帶開關和傳感器的變電站

控制器接收來自現場傳感器的輸入，對其進行數據處理，然后正確驅動執(zhí)行器。當今的傳感器和執(zhí)行器都配備內部處理器，能夠在本地制定簡單決策，無需提交到控制器，從而改善數據吞吐率和系統響應時間。

4 設計挑戰(zhàn)

智能、互聯設備的激增為系統硬件提出了新要求：縮小元件尺寸，以便在相同甚至更小的機柜內安裝額外的電子設備；提高能源效率，能夠工作在相同或更低的熱預算條件；提高電子/機械設備安全性和可靠性，減少停工時間?？傊?，電子單元所面臨的設計挑戰(zhàn)包括如下：

1)提高能源效率

2)減小方案尺寸

3)提高安全性和可靠性

5 解決方案

5.1 提高能源效率

小型化使得PCB尺寸越來越小，也為散熱提出了更大挑戰(zhàn)。由于電路板空間非常有限，限制了一些散熱手段，例如散熱器的使用。為防止灰塵和污染物，機箱采用密封外殼，導致無法使用增強空氣流通的風扇。因此，極高效率的電源方案就至關重要，并且要求比以往產品提供更大功率、占用更小面積。

有線網絡配電現場的特點是采用24 V標稱電壓的直流電源總線，這在傳統的模擬繼電器網絡中有很長的歷史，并且仍然是當前的行業(yè)標準。而實際應用中，一些非關鍵設備需要承受的最大工作電壓為36 V至40 V；對于關鍵設備，例如控制器、執(zhí)行器和安全模塊，則必須支持高達60 V (IEC 61131-2、60664-1和61508 SIL標準)的電壓。設備要求的主流輸出電壓為3.3 V和5 V，電流從小型傳感器需要的10 mA到運動控制、CNC和PLC要求的幾十安培不等。因此，對于控制系統，顯而易見的選擇就是降壓(buck)型穩(wěn)壓器(圖4)。

圖4 全集成同步整流降壓型轉換器

在表1的“能源效率”一欄，給出了能夠為高性能配電系統提供的高效率降壓轉換器。

關于最大輸入電壓的注意事項

盡管24 V是許多應用的標稱電壓軌，對于配電系統，由于容限和異常瞬態(tài)電壓會疊加到最大工作電壓，必須謹慎考慮工作電壓范圍。當今市場上供選擇的電源管理方案有28 V、36 V、42 V或60 V輸入。由于28 V的裕量只有4 V，太接近24 V，無法為大多數應用提供可靠的設計裕量。許多標準要求60 V容限，大大降低了選擇余地。對于許多設計師來說，選擇最高輸入為36 V的電源器件具有極大誘惑力。但是，對于工作在24 V電壓軌的傳感器和編碼器，使用36 V輸入是一種高風險選擇。即使使用TVS二極管進行浪涌保護，提供了一定的容限范圍，但仍然可能將設備暴露在過高電壓。除非您確定，并已經針對長電纜和PCB走線引起的每種可能的浪涌場景進行了建模，否則建議使用42 V或60 V最大工作電壓的器件，即使標準并未作此要求。

5.2 減小方案尺寸

傳感器無處不在在控制環(huán)節(jié)。隨著系統復雜程度的提高、尺寸的減小，傳感器變得越來越復雜，要求板載電源的供電效率更高且發(fā)熱最小。在高壓環(huán)境下如何安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時最大程度地減小方案尺寸、提高效率？我們將在這一章節(jié)介紹典型的傳感器架構，并提出應對這種挑戰(zhàn)的簡單方案。

●   現場傳感器應用

整個配電網絡的戰(zhàn)略性布局中，用于監(jiān)測電流、電壓、功率和溫度的傳感器提供了諸多好處，可以識別故障位置以及產生故障的原因，從而更快地采取主動措施來恢復系統工作，避免計劃外停電。智能傳感器提供故障檢測、捕獲關鍵的電能質量數據，用于日常電網管理，并且通過檢測和報告逆向輸電支持可再生能源整合。圖5所示示例中，一旦檢測到故障，3相繼電器等執(zhí)行器可自動切斷電力線。

圖5 2.5 MW 3相繼電器

●   傳感器系統

傳感器可能位于現場的任何位置。傳感器“盒”包括前端收發(fā)器，用于處理數據并將電源傳送給降壓型調節(jié)器，進而為ASIC/微控制器/FPGA、檢測元件、通信器件提供正確的電壓。智能電網傳感器或空中電力線傳感器采用無線或電力線通信。圖6所示為3相電力線中的空中傳感器。

圖6 智能電網空中傳感器

●   安全的低壓工作

大多數傳感器由24 V直流電源供電。然而現場環(huán)境可能極具挑戰(zhàn)性，長電纜、強電磁干擾容易產生瞬態(tài)高壓。所以，傳感器內的降壓轉換器必須能夠承受42 V，甚至60 V瞬態(tài)電壓，遠遠高于傳感器的工作電壓。如上所述，對于24 V電壓軌，最好使用最大工作電壓為42 V的器件。根據SELV/PELV/FELV (超低壓安全/保護/功能性)規(guī)范，能夠支持高達60 V電壓的隔離設備被認為是可以安全接觸的。60 V以上的保護則通過增加專用的TVS (瞬態(tài)電壓抑制器)實現。

表1的“小尺寸”一欄給出了滿足構建自動化傳感器要求的電源方案。

5.3 提高安全性和可靠性

5.3.1降壓轉換器與TVS的配合

典型傳感器系統的電源路徑如圖7所示。

圖7 傳感器電源系統

如果24 V總線是干凈的或者電噪聲水平低于前端開關穩(wěn)壓器的工作電壓，則無需保護(圖7中無TVS)，典型最大輸入電壓為36 V或42 V的降壓轉換器就足以滿足該傳感器設計。

但是，如果出現強電磁干擾，則應采取更嚴格的措施。

典型傳感器的電源管理方案采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)來限制前端降壓轉換器的輸入電壓(VCC)。相關的輸入電流峰值由電阻RP限制，RP是電壓瞬態(tài)源(VBUS)和傳感器之間的寄生或物理元件。

我們以LitteIfuseTM目錄為例，探討如何選擇TVS。TVS的通用特性如圖8所示。

圖8 TVS V-I特性曲線

在TVS電壓達到VBR之前，TVS器件呈現為開路電路。在VBR工作點，TVS器件開始出現導通電流，同時其電壓略微上升到其最大箝位電壓VC，對應于所允許的最大峰值脈沖電流IPP。VC x IPP乘積是TVS能夠處理的最大峰值功率(該TVS系列為400 W)。

為了實現有效保護，TVS VBR必須高于VCC(MAX)，而VC必須低于開關穩(wěn)壓器輸入允許的擊穿電壓。

我們的VBUS電源為24 V +25%、-20%，最大30 V (VBUS(MAX))。

理想情況下，可以使用額定值為60 V的降壓轉換器，最小VBR為33 V的SMAJ33A (箝位電壓VC為53.3 V，恰好低于60 V)。這樣得到的工作裕量為比(VBUS(MAX))高3 V，比60 V低6.7 V (圖9)。

圖9 理想TVS選擇

降壓轉換器必須承受24VDC和至少53.3 V瞬態(tài)電壓這一事實將大部分降壓轉換器擋在門外。

表1的“安全性和可靠性”一欄給出了額定值為60 V的降壓轉換器。

5.3.2 隔離方案

大多數應用中依然采用隔離型DC-DC電源調節(jié)器。盡管隔離方案比非隔離型方案更復雜，但仍然要求其占用較小空間且具有高效率。本案例研究中，我們討論在低壓電源轉換系統中進行隔離的原因。

根據SELV/FELV規(guī)范，低于60 V的輸入電壓被認為是可以安全接觸的，但出于功能安全性和可靠性考慮，在該工作范圍內仍然普遍要求隔離設計。該電壓范圍內需要保護電源電子負載(通常是專用或非常昂貴的微控制器)，這些器件一旦意外暴露到高壓環(huán)境很容易毀壞。

隔離也能防止較大的地環(huán)路電流，特別是當兩個或多個電路共用同一接地回路時很容易發(fā)生這種情況。接地環(huán)路產生的寄生電流會影響輸出電壓調節(jié)，甚至引發(fā)電線的電化腐蝕，這種現象會降低設備可靠性。

圖10所示隔離電源方案采用峰值限流模式、固定頻率開關控制器，為工作在非連續(xù)傳導模式(DCM)的隔離反激結構。器件采用先進設計，使其省去了用于輸出電壓反饋和調節(jié)的光耦。無光耦意味著更小的電路板空間和更高可靠性，因為消除了固有的低MTBF光耦。

圖10 無光耦反激控制器

5.3.3 保護電路

保護電路是當今電子產品的無名英雄。無論何種應用，從交流電源到數字負載整個供電鏈路中，都散布著不同尺寸和形狀的保險絲、瞬態(tài)電壓抑制器。雖然IC內部解決了諸如ESD保護和引腳間短路等常見問題，但為了安全性和可靠性，還需要考慮其他因素。在電氣路徑中，儲能電容引起的浪涌電流、斷電造成的反向電流、電感負載切換引起的過壓和欠壓等電氣應力源會損壞昂貴的電子負載，比如采用脆弱的亞微米、低壓技術制造的微處理器和存儲器。保護電路對于處理此類潛在的災難性事件是必不可少的(圖11)。

圖11 無保護的CPU起火

保護電路必須能夠處理額定電壓和電流限制范圍內的故障條件，例如過壓/欠壓、過流和反向電流。如果預期電壓浪涌超過保護電路的額定值，則需采用濾波器或TVS器件增加額外保護。

5.3.4 集成方案

圖12所示集成保護電路能夠處理過壓、欠壓、極性反接、限流、反向電流和短路保護，整合了電子保險絲和浪涌抑制器的全部優(yōu)勢。通過可配置引腳設置UVLO/OVLO、限流值、電壓及電流實時監(jiān)測、電流熱折返、熱關斷等特性，設計師很容易為其智能電網設備提供可靠保護，并通過相關規(guī)范測試。

圖12 單芯片IC集成完備保護功能

表1所示為支持配電自動化的電源管理方案匯總。

表1 支持配電自動化的電源管理方案

6   結語

隨著當前配電自動化和數據交換大趨勢的發(fā)展，需要依賴新技術和新方案實現更高的能源利用率，改善系統可維護性、預測性維護、以及故障檢測、隔離，并降低排放。另一方面，新技術的普及帶來了提高能效、以及系統小型化和高可靠性設計等諸多方面的挑戰(zhàn)。本文針對上述各項挑戰(zhàn)介紹了更高效的電源管理方案，以及如何改善配電自動化系統的設計。這些電源管理方案克服了當今配電自動化系統所面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2021年第1期。）