金升陽電源模塊在配網自動化中的應用案例

摘要：

配網自動化是利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術，將配電網實時信息、離線信息、用戶信息、電網結構參數、地理信息進行集成，構成完整的自動化管理系統，實現配電系統正常運行及事故情況下的監測、保護、控制和配電管理。（1）配網自動化的發展離不開各行業的配合與協調。金升陽科技有限公司為助力配網自動化發展專門推出了專用的以高可靠性著稱的電源，提供可靠高效的電源解決方案。

1.引言

國家能源局發布《配電網建設改造行動計劃（2015—2020年》中明確提到：到2020年，中心城市（區）智能化建設和應用水平大幅提高，供電可靠率達到99.99%，用戶年均停電時間不超過1小時，供電質量達到國際先進水平。2015-2020年，配電網建設改造投資不低于2萬億元。（2）

目前，我國的電力用戶平均停電時間是400分鐘，而發達國家均在100分鐘以內，我國配網的可靠性和供電質量與國際先進水平之間仍存在很大的努力空間（如圖1）。目前影響我國配網自動化可靠性和供電質量的因素有哪些呢？從技術層面來看，無外乎兩個原因：硬件設備的可靠性、軟件上的配網信息和數據處理管理方式。

圖1 各國電力用戶平均停電時間（分鐘）

2. 系統組成及主要功能

配網自動化系統組成如下圖2所示。從設計的角度來說，主站層、子站層、通信層偏向于數據信息的軟件部分，該部分的設備一般作為數據信息的載體，設備的工作環境相對比較良好;終端層屬于硬件設備部分，與電網直接連接，多放置于戶外，供電情況和工作環境都十分惡劣。終端與電網連接，需要承受電網上的波動和干擾;終端連接開關閘門，在分閘和合閘的瞬間，對電壓的擾動非常大，甚至會把開關閘門的供電電壓拉低。

圖2 配網自動化系統組成框圖（圖片來自網絡）

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

為適應配網自動化的應用，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。真可謂是首當其沖，任重而道遠了。

表1　配網自動化遠方終端EMC要求

3.配網自動化中電源推薦應用方案

在配電終端中，DTU和FTU這兩類終端單元通常是帶開關閘門執行機構的，如圖4所示。因此必須考慮瞬態輸出功率。金升陽的MBP500-2A27D27充電電源正是為這樣的應用而設計，可以提供高達1080W（300mS）的瞬態輸出功率，確保開關閘門執行機構按照指定指令進行動作，并且電壓擾動非常小，不會因為開關閘門執行機構的動作而影響其他電路的工作。

從圖3可以看出，如果電源反應速度不夠快，無法及時調節，就會出現電壓跌落的現象。

圖3 開關閘門動作時，電壓擾動大（左圖）和電壓擾動?。ㄓ覉D）對比

黃色：輸出電壓波形。藍色：開關閘門啟動電流波形

圖4 DUT/FTU配電終端電源框圖

金升陽配網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電源進行隔離，避免共模浪涌從遙信端口對系統造成沖擊。該沖擊輕則引起系統死機重啟，嚴重時還會引起系統損壞。

當給運放供電需要正負電源時，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進行隔離，避免通信端口的干擾影響系統可靠性。

配網自動化系統設計要點解析：選用高隔離電源模塊、進行旁路處理。

由于終端面臨著嚴酷的EMC環境，系統存在多個地方接地，共模干擾對系統影響很大。對于電源的應用，首先，應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）或者在敏感端口進行旁路處理（如在單片機復位端口上加1nF電容旁路），以解決共模浪涌/脈沖群等共模類干擾對系統的影響，造成系統死機或者重啟。其次，應在敏感的信號輸入輸出端口進行旁路處理。

那么，通常如何進行敏感端口的旁路處理呢？以下舉一個簡單但非常經典的案例。如圖5所示：正常工作時，按照左圖進行設計，電路可以按照預定程序運行。當測試4KV脈沖群性能時，則容易出現三極管不受控、誤動作的情況。在系統中表現出來的現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，提高產品的一致性和可靠性。當然，這只是提供一種解決方法，實際上可以用優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，共模浪涌引起系統重啟等現象多有發生，只有恰當的電源選型加上優質的系統設計，才能實質性的提高配電終端的可靠性。

4.總結

在嚴酷的EMC和用電環境中，要保證配網自動化的可靠性和改善用戶的用電質量，對配電終端的電源可靠性要求是極高的，如EMC要求、輸出瞬態功率要求等。當然，這與系統的設計也是密不可分的，如果單純依靠電源來提高可靠性，是遠遠不夠的。金升陽不僅是在為配網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推而廣之，為配網自動化的發展鼎力相助。

具體產品參數請查閱技術手冊：URF2405LP-20WR3， URF2424P-6WR3， A0512D-2WR2 ， TD501D485H

參考文獻：

【1】DL/T814-2002《配電自動化系統功能規范》

【2】《配電網建設改造行動計劃（2015—2020年》