应对智能电网的电源管理设计挑战

引言

电网的现代化建设正在稳步推进。采用现代控制和自动化技术能够显著节省能源、保护环境，并通过改善人们的健康和安全来提高生活质量。配电自动化采用具有先进控制和通信技术的数字传感器和开关，实现功能自动化，包括发电、开关控制、根据负载变化实时调节、监测、断电/过压/欠压故障管理，以及功率因数修正。自动化设计改善了这些关键配电功能的速度、成本和精度，提高可靠性并降低用户成本。这就要求对现场设备进行控制，以支持现场的自动决策，并将关键信息传递到电网控制中心。

能源自动化(图1)控制会产生能源效率、方案尺寸、系统安全以及所用电子产品的可靠性等问题。本文探讨了配电自动化发展的大趋势及其相关的系统设计挑战，涵盖从网络协议到硬件设计环节。然后通过几个案例研究，介绍能源应用中现场设备的电源管理新方案。

图1 变电站电气开关设备

1   配电自动化的大趋势

越来越多的能源运营商采用云技术远程管理能源配送，其软件平台提供性能监测、数据分析、可视化、故障检测和诊断，以及不同的能源管理组合。这些自动化系统能够实时监测多个变量并对数据进行分析，从而实时调节系统，提供能源管理，并要求符合政府法规和税费政策。通过将设备数据与云端联网，凭借先进的人工智能(AI)技术进行实时分析，确定所要采取的措施。高级配电自动化(ADA)扩展了配电等级及其他领域的电网智能控制。拥有监控和数据采集(SCADA)系统的电力公司能够对输电设备进行全面控制，并通过配电自动化增强对配电设备的控制。配电自动化能够实现更高可靠性、可服务性，改善预测性维护以及故障检测、隔离，降低排放。

2   配电自动化系统

配电自动化系统(图2)包括不同的管理、控制和现场层。管理层从中心站点操作和控制配电，根据需要记录并优化数据。能够实时发现问题，从而立即采取措施。控制层专门处理硬件设备的管理与控制。在现场层，智能传感器和执行器收集数据并执行相应操作。配电系统嵌入的传感器和控制单元用于发出监测信号，减少或避免断电时间、热运行设备、断路器跳闸以及电网闪烁。

图2 配电自动化系统

3   技术推动

配电自动化(DA)系统根据具体的通信网络采用各种有线和无线通信方案传输数据。依托先进的硬件和软件技术实现系统的智能化、网络化和控制管理。在现场层，通过控制器、传感器、I/O和执行器展现这些新技术。控制单元包括可编程逻辑控制器(PLC)、电机/运动控制器，或采用先进的处理器和微控制器实现分布式控制系统(DCS)设计。传感器可以是数字或模拟式，用于测量温度、湿度、振动、开路和短路等条件。执行器则控制能源分配、温度、湿度及其他参数。传感器和执行器通过有线或无线网关与控制中心通信。它们由电池或直流电压供电，典型工作电压为5~24 V范围。图3所示为变电站配电盘及其开关、信号灯、传感器和仪表。

图3 带开关和传感器的变电站

控制器接收来自现场传感器的输入，对其进行数据处理，然后正确驱动执行器。当今的传感器和执行器都配备内部处理器，能够在本地制定简单决策，无需提交到控制器，从而改善数据吞吐率和系统响应时间。

4 设计挑战

智能、互联设备的激增为系统硬件提出了新要求：缩小元件尺寸，以便在相同甚至更小的机柜内安装额外的电子设备；提高能源效率，能够工作在相同或更低的热预算条件；提高电子/机械设备安全性和可靠性，减少停工时间。总之，电子单元所面临的设计挑战包括如下：

1)提高能源效率

2)减小方案尺寸

3)提高安全性和可靠性

5 解决方案

5.1 提高能源效率

小型化使得PCB尺寸越来越小，也为散热提出了更大挑战。由于电路板空间非常有限，限制了一些散热手段，例如散热器的使用。为防止灰尘和污染物，机箱采用密封外壳，导致无法使用增强空气流通的风扇。因此，极高效率的电源方案就至关重要，并且要求比以往产品提供更大功率、占用更小面积。

有线网络配电现场的特点是采用24 V标称电压的直流电源总线，这在传统的模拟继电器网络中有很长的历史，并且仍然是当前的行业标准。而实际应用中，一些非关键设备需要承受的最大工作电压为36 V至40 V；对于关键设备，例如控制器、执行器和安全模块，则必须支持高达60 V (IEC 61131-2、60664-1和61508 SIL标准)的电压。设备要求的主流输出电压为3.3 V和5 V，电流从小型传感器需要的10 mA到运动控制、CNC和PLC要求的几十安培不等。因此，对于控制系统，显而易见的选择就是降压(buck)型稳压器(图4)。

图4 全集成同步整流降压型转换器

在表1的“能源效率”一栏，给出了能够为高性能配电系统提供的高效率降压转换器。

关于最大输入电压的注意事项

尽管24 V是许多应用的标称电压轨，对于配电系统，由于容限和异常瞬态电压会叠加到最大工作电压，必须谨慎考虑工作电压范围。当今市场上供选择的电源管理方案有28 V、36 V、42 V或60 V输入。由于28 V的裕量只有4 V，太接近24 V，无法为大多数应用提供可靠的设计裕量。许多标准要求60 V容限，大大降低了选择余地。对于许多设计师来说，选择最高输入为36 V的电源器件具有极大诱惑力。但是，对于工作在24 V电压轨的传感器和编码器，使用36 V输入是一种高风险选择。即使使用TVS二极管进行浪涌保护，提供了一定的容限范围，但仍然可能将设备暴露在过高电压。除非您确定，并已经针对长电缆和PCB走线引起的每种可能的浪涌场景进行了建模，否则建议使用42 V或60 V最大工作电压的器件，即使标准并未作此要求。

5.2 减小方案尺寸

传感器无处不在在控制环节。随着系统复杂程度的提高、尺寸的减小，传感器变得越来越复杂，要求板载电源的供电效率更高且发热最小。在高压环境下如何安全地为微型传感器提供低压电源，同时最大程度地减小方案尺寸、提高效率？我们将在这一章节介绍典型的传感器架构，并提出应对这种挑战的简单方案。

●   现场传感器应用

整个配电网络的战略性布局中，用于监测电流、电压、功率和温度的传感器提供了诸多好处，可以识别故障位置以及产生故障的原因，从而更快地采取主动措施来恢复系统工作，避免计划外停电。智能传感器提供故障检测、捕获关键的电能质量数据，用于日常电网管理，并且通过检测和报告逆向输电支持可再生能源整合。图5所示示例中，一旦检测到故障，3相继电器等执行器可自动切断电力线。

图5 2.5 MW 3相继电器

●   传感器系统

传感器可能位于现场的任何位置。传感器“盒”包括前端收发器，用于处理数据并将电源传送给降压型调节器，进而为ASIC/微控制器/FPGA、检测元件、通信器件提供正确的电压。智能电网传感器或空中电力线传感器采用无线或电力线通信。图6所示为3相电力线中的空中传感器。

图6 智能电网空中传感器

●   安全的低压工作

大多数传感器由24 V直流电源供电。然而现场环境可能极具挑战性，长电缆、强电磁干扰容易产生瞬态高压。所以，传感器内的降压转换器必须能够承受42 V，甚至60 V瞬态电压，远远高于传感器的工作电压。如上所述，对于24 V电压轨，最好使用最大工作电压为42 V的器件。根据SELV/PELV/FELV (超低压安全/保护/功能性)规范，能够支持高达60 V电压的隔离设备被认为是可以安全接触的。60 V以上的保护则通过增加专用的TVS (瞬态电压抑制器)实现。

表1的“小尺寸”一栏给出了满足构建自动化传感器要求的电源方案。

5.3 提高安全性和可靠性

5.3.1降压转换器与TVS的配合

典型传感器系统的电源路径如图7所示。

图7 传感器电源系统

如果24 V总线是干净的或者电噪声水平低于前端开关稳压器的工作电压，则无需保护(图7中无TVS)，典型最大输入电压为36 V或42 V的降压转换器就足以满足该传感器设计。

但是，如果出现强电磁干扰，则应采取更严格的措施。

典型传感器的电源管理方案采用瞬态电压抑制器(TVS)来限制前端降压转换器的输入电压(VCC)。相关的输入电流峰值由电阻RP限制，RP是电压瞬态源(VBUS)和传感器之间的寄生或物理元件。

我们以LitteIfuseTM目录为例，探讨如何选择TVS。TVS的通用特性如图8所示。

图8 TVS V-I特性曲线

在TVS电压达到VBR之前，TVS器件呈现为开路电路。在VBR工作点，TVS器件开始出现导通电流，同时其电压略微上升到其最大箝位电压VC，对应于所允许的最大峰值脉冲电流IPP。VC x IPP乘积是TVS能够处理的最大峰值功率(该TVS系列为400 W)。

为了实现有效保护，TVS VBR必须高于VCC(MAX)，而VC必须低于开关稳压器输入允许的击穿电压。

我们的VBUS电源为24 V +25%、-20%，最大30 V (VBUS(MAX))。

理想情况下，可以使用额定值为60 V的降压转换器，最小VBR为33 V的SMAJ33A (箝位电压VC为53.3 V，恰好低于60 V)。这样得到的工作裕量为比(VBUS(MAX))高3 V，比60 V低6.7 V (图9)。

图9 理想TVS选择

降压转换器必须承受24VDC和至少53.3 V瞬态电压这一事实将大部分降压转换器挡在门外。

表1的“安全性和可靠性”一栏给出了额定值为60 V的降压转换器。

5.3.2 隔离方案

大多数应用中依然采用隔离型DC-DC电源调节器。尽管隔离方案比非隔离型方案更复杂，但仍然要求其占用较小空间且具有高效率。本案例研究中，我们讨论在低压电源转换系统中进行隔离的原因。

根据SELV/FELV规范，低于60 V的输入电压被认为是可以安全接触的，但出于功能安全性和可靠性考虑，在该工作范围内仍然普遍要求隔离设计。该电压范围内需要保护电源电子负载(通常是专用或非常昂贵的微控制器)，这些器件一旦意外暴露到高压环境很容易毁坏。

隔离也能防止较大的地环路电流，特别是当两个或多个电路共用同一接地回路时很容易发生这种情况。接地环路产生的寄生电流会影响输出电压调节，甚至引发电线的电化腐蚀，这种现象会降低设备可靠性。

图10所示隔离电源方案采用峰值限流模式、固定频率开关控制器，为工作在非连续传导模式(DCM)的隔离反激结构。器件采用先进设计，使其省去了用于输出电压反馈和调节的光耦。无光耦意味着更小的电路板空间和更高可靠性，因为消除了固有的低MTBF光耦。

图10 无光耦反激控制器

5.3.3 保护电路

保护电路是当今电子产品的无名英雄。无论何种应用，从交流电源到数字负载整个供电链路中，都散布着不同尺寸和形状的保险丝、瞬态电压抑制器。虽然IC内部解决了诸如ESD保护和引脚间短路等常见问题，但为了安全性和可靠性，还需要考虑其他因素。在电气路径中，储能电容引起的浪涌电流、断电造成的反向电流、电感负载切换引起的过压和欠压等电气应力源会损坏昂贵的电子负载，比如采用脆弱的亚微米、低压技术制造的微处理器和存储器。保护电路对于处理此类潜在的灾难性事件是必不可少的(图11)。

图11 无保护的CPU起火

保护电路必须能够处理额定电压和电流限制范围内的故障条件，例如过压/欠压、过流和反向电流。如果预期电压浪涌超过保护电路的额定值，则需采用滤波器或TVS器件增加额外保护。

5.3.4 集成方案

图12所示集成保护电路能够处理过压、欠压、极性反接、限流、反向电流和短路保护，整合了电子保险丝和浪涌抑制器的全部优势。通过可配置引脚设置UVLO/OVLO、限流值、电压及电流实时监测、电流热折返、热关断等特性，设计师很容易为其智能电网设备提供可靠保护，并通过相关规范测试。

图12 单芯片IC集成完备保护功能

表1所示为支持配电自动化的电源管理方案汇总。

表1 支持配电自动化的电源管理方案

6   结语

随着当前配电自动化和数据交换大趋势的发展，需要依赖新技术和新方案实现更高的能源利用率，改善系统可维护性、预测性维护、以及故障检测、隔离，并降低排放。另一方面，新技术的普及带来了提高能效、以及系统小型化和高可靠性设计等诸多方面的挑战。本文针对上述各项挑战介绍了更高效的电源管理方案，以及如何改善配电自动化系统的设计。这些电源管理方案克服了当今配电自动化系统所面临的关键挑战。

（注：本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2021年第1期。）