电源模块在配电自动化终端中的应用

引言

配电终端设备的可靠性和自动化程度，直接影响到整个配电自动化系统的可靠性和自动化水平。由于配电终端设备一般安装于户外或比较偏僻的地方，不可能有直流电源提供，因此，配电网终端设备的直流供电方式成为各配网自动化改造中必须要研究和解决的重要问题。

配电自动化系统非常复杂，配电网设备数量庞大，种类繁多。为了保证配电自动化系统终端设备良好的工作状态，终端设备配备高稳定性、高可靠性的电源模块十分重要。根据配电自动化系统终端设备的要求，结合一次设备的特点，研究适用于配电网终端设备的电源模块具有重要意义。

1 配电自动化终端对电源模块的特殊要求

由于配电网终端设备一般安装于户外或比较偏僻的地方，并且要求电源系统同时提供一次供电和二次供电，对于配电网设备电源系统应提出一些特殊要求。

1.1 环境要求

由于配电网终端设备安装在户外，要经受户外环境及其环境变化的考验，对于配电网终端电源所用的元器件，应满足环境条件，才能保证其正常工作。

1.2 电气性能要求

对配电网终端设备电源系统电气性能的要求，与继电保护装置电源的要求基本相同，但要同时满足一次和二次设备供电电源的要求，主要应考虑电源输入端与输出端之间的绝缘电阻和介电强度。

1.3 不间断供电要求

对于配网终端设备，一般要求在交流消失后仍可工作较长的一段时间，因此要求配网设备电源系统具有不问断供电的功能，这就要求电源系统应具有储能元件，同时还应具备对上述储能元件的管理功能。实现该要求的设计等同于通用的UPS工作原理，本文对此不做讨论。

1.4 输入要求

安装于户外的配电网终端设备不会配置专用变压器，也不会有单独的交流供电，唯一有效的办法是从电网上直接取得输入供电。因此要求配电网设备电源系统具有较宽的输入电源范围和较强的电网适应性，同时还要满足电网的电压等级要求。

1.5 输出要求

由于配电网设备电源系统的供电对象既有二次设备也有一次设备，其输出必须满足这两方面的要求。对于二次设备，输出电压一般为5，15，24 V;对于一次设备则相对差别较大，如24 V储能操作机构、110 V永磁操作机构、交流操作机构等，要求配网设备电源系统应可以根据需要输出满足要求的直流电。

配电网设备作为负载，除了正常的平稳工作状态之外，经常会进行瞬变动作，如合闸、分闸等，这就要求配电网设备电源能够承受负载的动态变化。

2 配电网设备电源的设计要点

由于配电网终端设备电源具有特殊性，在设计中必须考虑相应的对策，以满足特殊性要求。

2.1 器件选择

器件对于工作环境的要求较高，在设计中，应选取能够满足环境要求和性能要求的电子元器件。对元器件的使用温度、湿度等限制条件要格外注意，对器件的耐压、电流等电气参数要做降额处理，留出足够的余量。

2.2 电源封装形式

普通的开板式开关电源无法完全满足工作环境的要求，即使部分开板式开关电源产品可以满足这一要求，但其工作寿命又会明显缩短。采用模块电源的封装形式代替开板形式，可以有效地解决这个问题。

模块电源采用了密闭金属外壳、整体灌封的生产工艺，使其工作环境的温度范围、适应环境温度变化的能力、防潮、防湿、抗干扰、抗震、散热性等都有了很大程度的提高，可以完全满足配电网终端设备电源对于工作环境的要求。

2.3 输入端与输出端之间的电气隔离

由于配电网终端设备电源采取直接与电网相连的工作方式，所以要保证该类电源的输入端与输出端之间的隔离。如果不采取隔离方式，与输入端连接的设备故障可能通过电源传输到与输出端连接的设备上，导致与电源输出端连接的设备受到损害，所以该类电源的设计必须使用隔离方式。

与普通隔离方式的开关电源相比，隔离方式没有什么区别，是在功率传输回路使用变压器，控制反馈回路使用光电耦合器，输入端与输出端的地线分开后用隔离电容连接，实现输入端与输出端之间的隔离。而不同点在于，配电网终端设备电源所要求的绝缘电阻更大，要求的介电强度更强，这就要求在设计中，必须在电路板上留出更大的安全距离;在变压器骨架带引脚两端先绕绝缘介质，再绕漆包线，从而保证漆包线与变压器骨架引脚之间的安全距离;另外选择光电耦合器和隔离电容时，要保证器件的耐压强度满足该类电源耐压强度的要求。电源的实际耐压是由电路板、变压器、光电耦合器和隔离电容共同决定的。

2.4 工作方式设计

由于配电网设备电源系统要求具有不问断供电的功能，该系统应具有储能元件。当前一般选用蓄电池作为交流断电后的供电电源，但是电池本身又要求必须满足其对于充放电曲线需求和对电池的具体管理功能，因此在设计时要求UPS具有智能化工作方式，以满足不同电池及设备的需求。该工作方式一般使用数字信号处理器或单片机实现，本文对该类电源的智能化实现不做讨论。

配电网设备电源工作方式如图1所示。

其中，核心部件为变换器，也就是本文讨论的重点。为了满足配电网设备电源的各种特殊要求，将该变换器设计为模块电源，采用金属外壳封装，抗干扰和电网适应能力强。根据要求变换器的工作状态大致可分为2种：一是电网直接为变换器提供交流输入，变换器实现AC/DC功能，将交流转变为直流后，给配电网设备供电，同时对电池进行充电或维护;二是电网供电出现问题，电池为变换器提供直流输入，变换器实现DC/DC功能，将电池直流转变为所需要的直流后，给配电网设备供电。

2.5 输入特性设计

特殊的工作方式决定了变换器要同时具有AC/DC和DC/DC的双重功能。电网作为输入供电时，变换器工作在AC/DC模式;电网故障，电池作为输入供电时，变换器工作在DC/DC模式。所以要在变换器内部并联输入端需要的2种输入模式，结构如图2所示。

无论是电网供电模式，还是电池供电模式，输入电压都会有一定范围的波动，电源本身必须在这种波动范围内正常工作。

2.6 输出特性设计

为每一个需要供电的配电网设备部件都单独配备电源是不现实的。所以在同一时间，一个模块电源要为多个配电网设备(一次和二次用电设备)供电，这就要求电源要具有多路输出，且各路之间是非均载状态。在设计反馈稳压电路时，不能使各路的输出信号都处于反馈环内，而只能采用稳一个主路，耦合多条副路的方式。

所谓稳一个主路，耦合多条副路，就是将多路输出中的一路进行输出采样，作为系统的反馈信号;而其他副路输出则不在反馈环内，通过变压器磁通耦合主路，达到稳压的目的。在这种稳压方式下，主路输出电压精度一定能满足设备要求，而各个副路的输出电压精度取决于与主路耦合的紧密程度。

为了使副路输出电压达到预期的精度，要适当调整变压器上各个绕组之间的包绕方式，从而调节耦合的紧密程度。绕组之间耦合的紧密程度，从输出电压的纹波噪声中可以观察出来，与主路绕组耦合紧密的绕组，对应输出电压的纹波噪声相对要小一些，相反，与主路绕组耦合松的绕组，对应输出电压的纹波噪声相对要大一些。绕组之间的包绕方式大致分为简单分布、三明治分布、交错分布和混合分布，不同方式各有利弊，具体采用哪种包绕方式，取决于实际设计需要。配电网设备的瞬变动作会对电源系统本身造成冲击，这就要求配电网设备电源能够承受负载的动态变化。

3 设计举例

根据上述配电网设备对电源的特殊要求，设计了一款环境适应能力强、高隔离耐压、双供电模式、输入电压范围宽、3路输出(+15 V，±24 V)且动态性能好的电源。

该电源输入和输出端之间能够承受3 500 V、5O Hz的交流电，漏电流小于等于5 mA，绝缘阻抗大于等于100 MΩ，1 min不击穿;采用交流供电或直流供电或交直流同时供电的方式作为输入;输入交流电压围绕中心值220 V上下浮动，范围可达165～265 V;3路输出采用稳主路、耦合副路的稳压方式，可使主路输出的精度达到±1% ，副路输出电压精度达到±3%。

经实验测试，220 V交流输入，3路满载时，输出电压的纹波噪声如图3所示。

在实际设计中，3路输出绕组在变压器中的绕制顺序依次为主路、第一副路、第二副路。此种绕制方式中，第一副路与主路的耦合程度要比第二副路与主路的耦合程度紧密，从而造成第一副路的电压精度高于第二副路，并且第一副路的纹波噪声小于第二副路。

动态响应是判定电源系统稳定性和动态恢复能力的重要指标。当电源所带负载发生突变时，电源输出电压会出现瞬间过冲，经过一段恢复时间后，再回到正常的输出状态，可以通过过冲幅度和恢复时间来判定系统的稳定程度和动态恢复能力。理论上，过冲幅度和恢复时间受电流阶跃量、电流变化率和允许变化量的影响。

在实际中，电源输出回路或测试连接回路必然存在一定电感，而电流变化率与电感的乘积将产生一定的感应电动势，因此电流阶跃并不是理想的，总是存在一定的斜率，如果不规定电流变化率，测量结果就没有任何意义了，本设计中动态测试电流变化率为1 A/μs。

使用电子控制的跳变负载，对所设计的电源进行负载动态跳变测试。交流220 V输入，副路满载，主路负载跳变范围为满载的50% 一75% ～50% ，输出电压波形如图4所示。

示波器2通道为电子负载跳变信号波形，示波器1通道为电源输出电压波形。从图4中可以看出，动态过冲为176 mV(峰峰值的一半)，动态恢复时间为200μs，动态过冲幅度为输出电压的1.17% ，能够满足配电网设备对电源的动态要求。

4 结束语

本文从配电网设备电源实际使用情况出发，介绍了配电网设备电源的特殊性;通过深入研究和分析该类电源模块的实际使用情况，总结了设计中应注意的几个要点和这些要点对该类电源模块的重要性;设计制作了样机，对样机进行了有针对性的测试，测试结果表明了设计的可行性。