低功耗配電終端設計方案

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摘要：目前，一二次深度融合型柱上斷路器采用的電容取電方式的取電功率有限，因此降低其配套饋線終端（FeederTer－minalUnit，FTU）的工作功耗成為一二次設備融合迫切需要解決的問題。為分析和解決上述問題，文章首先對目前常規型FTU的功耗進行測量分析，計算出各模塊的實際功耗占比，分析結果表明電源模塊和核心單元占據了終端的大部分功耗。然后從電源模塊和核心單元兩方面對原常規型FTU的設計方案進行改進，進而提出一種低功耗FTU的設計方案，并且經過理論分析認為該設計方案的工作功耗可以滿足一二次深度融合型FTU的運行條件。

關鍵詞：饋線終端；柱上斷路器；一二次設備融合；低功耗；鋰電池

隨著配電網設備的一二次融合進程逐步推進，一二次融合型柱上斷路器等新型開關設備也逐步得到推廣[1-2]。但是一二次融合型柱上斷路器普遍采用電容分壓取電方式，導致取電的輸出功率有限[3]，因此也影響了配套的終端設備（FTU）的供電功率。目前各相關斷路器廠家產品電容取電功率最大約為25W，最小則為6W左右。因此為后續配網一二次設備融合進程能夠繼續推進，降低配套FTU的整機功耗以及提高取電功率必定會成為新的技術要求。

1常規型FTU功耗分析

目前，普遍掛網運行的FTU仍屬于電磁式常規型，整個終端設備主要由核心單元、線損模塊、通訊模塊、電源管理模塊及后備電源五個模塊構成，而一二次融合型終端在各模塊構成上與常規型也是相同的。對某型號常規型FTU樣機進行功耗測量分析，以交流220V供電，后備電源為鉛酸電池。其整機系統供電原理圖如圖1所示，T1、T2、T3為三個測試點，QF1～QF7為各個空開，測試時將電壓、電流探頭置于測試點T1處，將AC220V從測試點T1輸入，利用功率分析儀，分別測得總輸入功率Pin、核心單元功耗Ph、通訊模塊功耗Pt、線損模塊功耗Px、電源模塊充電功耗Pb以及電源模塊空載時功耗P0。然后將探頭移至測試點T2，再次測得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后將探頭移至測試點T3，再次測得電源模塊充電功耗Pb。選取圖1中T1、T2、T3三個測試點，對空開QF1～QF7（QF1、QF2各控制一路交流電源輸入，實驗中令QF2處于分狀態不變）進行分合操作，利用功耗測試儀可測得不同情況下的功耗值。記錄各次實驗數據，并可根據實驗數據計算出各模塊功耗數值，計算結果如圖2所示。根據圖2分析可知，在FTU整機工作功耗中，電源模塊給蓄電池充電功耗占比最大，其次為核心單元，因此降低FTU整機功耗應主要從這兩方面考慮。

2低功耗終端核心單元設計

根據圖2統計的實驗數據，核心單元占FTU整機功耗的30%左右，其主要由主控、遙信、遙控、電源、采樣等幾部分路構成[4-5]，核心單元的功耗主要集中于主控板和電源轉換電路。電源電路為各元器件提供工作電壓，常規型FTU核心單元采用24VDC輸入，設計有24VDC/5VDC、5VDC/±5VDC、5VDC/3.3VDC等多個電壓轉換電路。而低功耗設計方案可直接利用5VDC供電，則可以消除24VDC/5VDC電壓轉換過程中的功率損耗。以原有電路某24VDC/5VDC轉換模塊為例，該模塊轉換效率約為80%，圖1中在T2點測得模塊輸入電壓27V，輸入電流0.2A，則功率損耗約為1W。主控電路是核心單元的核心部分，主控MCU芯片的選擇直接影響這部分電路的工作功耗，本設計方案主控MCU選擇STM32F407ZGT6，并且根據芯片工作手冊，該芯片具有睡眠和待機兩種低功耗工作模式[6]，則可以在原有主程序中嵌入兩種低功耗工作模式。切換工作模式后，功耗會降低0.3W左右。另外，通訊和線損模塊選用低功耗模塊，并且可集成于主控電路中，在降低功耗同時還可以簡化終端機箱布局，節省空間，通訊和線損模塊可降低功耗約1W。則整個低功耗FTU核心單元的結構框圖如圖3所示。

3低功耗終端電源模塊設計

電源模塊是FTU整機系統供電的核心模塊，用于實現各種輸入電壓的管理和分配、輸出電壓給系統各模塊供電、蓄電池的充電及狀態監測等多種功能。根據以上分析可知，低功耗終端系統的取電方式與常規式不同，以ZW32型某一二次融合型柱上斷路器為例，其電容取電電壓范圍為18V～54V，標準值約42V。同時，為增加終端的取電功率，可增加太陽能取電方式，設計太陽能電池板額定輸出電壓約36VDC，最大輸出功率80W，最大輸出電流約2.2A。因此，在電源模塊設計方案中，須設計兩個輸入電壓通道，電容取電42VDC和太陽能取電36VDC，并且兩個通道設計不同的電池充電電流，電容取電最大充電電流為0.2A，太陽能取電最大充電電流為2A，這樣在僅有電容取電情況下，電池充電功耗會有效降低。另外，電源模塊設計5VDC、24VDC兩路電壓輸出，5VDC給終端核心單元供電，同時再輸出24VDC作為開關操作電壓和遙信遙控電壓。則設計低功耗FTU電源模塊供電原理圖如圖4所示，具體的實現途徑則需要通過電源模塊廠家在原有電源模塊設計方案基礎上改進。而終端配套的蓄電池則選用磷酸鐵鋰電池，與常規型終端中普遍選用的鉛酸電池相比，鋰電池在環保性、安全性和使用壽命上具有更好的性能[7]，選用鋰電池輸出電壓和電池容量為24V/15Ah，短時輸出功率≥300W/15s。電源模塊的設計難點其主要體現在：（1）供電方式由原來的兩種變為三種，則模塊內部的供電邏輯會更復雜。（2）三種供電方式必須有無縫切換功能，當某一種或兩種供電方式失電時，剩余的供電方式要立即投入，確保系統正常供電運行。

4結論

根據以上實驗和分析，原常規型FTU核心單元加上通訊、線損模塊的直流功耗約為6.8W，而第2部分提出的改進設計方案使這部分功耗降低約2W，低功耗終端的核心單元功耗約為4.8W。而根據第3部分內容，僅有電容取電情況下最大充電功耗約為5.6W（浮充電壓28V，充電電流0.2A），則當斷路器電容取電功率大于5W即可確保終端裝置正常運行（核心單元可以正常工作），大于11W時則可以達到最大充電電流。由于太陽能取電的不穩定性，則在不考慮太陽能取電的前提條件下，對比不同的電容取電功率時終端工作情況，具體如表1所示。綜合以上分析，本文所提出的低功耗FTU設計方案可以配套電容取電功率在6W以上的一二次深度融合型柱上斷路器工作，能夠滿足FTU的低功耗運行要求，為未來配網一二次設備融合進程的繼續推進提供了一個參考方案。

參考文獻：

[1]鄧吉祥.配電一二次融合成套設備FTU設計方案[J].通信電源技術，2018，35（11）：201-203+207.

[2]李澍森，孫志英.12kV配電柱上開關一二次融合關鍵技術之交流電壓傳感器[J].高電壓技術，2019，45（9）：2818-2826.

[3]董昱廷，曹新慧，李忠政，等.高壓電容取電技術的研究與設計[J].自動化與儀表，2020，35（3）：5-8+26.

[4]張志浩.智能配電網自動化遠方終端FTU設計與實現[D].濟南：山東大學，2016.

[5]趙海波，甄巖，王立城.基于海燕610微處理器的FTU設計與實現[J].供用電，2019，36（6）：2-4+15.

[6]楊懿，周高興，宋立丹.基于STM32的實時監控車載數據平臺設計[J].電子測試，2020（21）：13-15+22.

[7]陳旭海，陳佳橋，葉春，等.基于ANN鋰電池混合儲能系統容量優化配置[J].供用電，2019，36（10）：80-86.

作者：沈劍韜 劉偉 劉毅 單位：上海置信智能電氣有限公司