應(yīng)對智能電網(wǎng)的電源管理設(shè)計挑戰(zhàn)

引言

電網(wǎng)的現(xiàn)代化建設(shè)正在穩(wěn)步推進。采用現(xiàn)代控制和自動化技術(shù)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(zhì)量。配電自動化采用具有先進控制和通信技術(shù)的數(shù)字傳感器和開關(guān)，實現(xiàn)功能自動化，包括發(fā)電、開關(guān)控制、根據(jù)負載變化實時調(diào)節(jié)、監(jiān)測、斷電/過壓/欠壓故障管理，以及功率因數(shù)修正。自動化設(shè)計改善了這些關(guān)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(xiàn)場設(shè)備進行控制，以支持現(xiàn)場的自動決策，并將關(guān)鍵信息傳遞到電網(wǎng)控制中心。

能源自動化(圖1)控制會產(chǎn)生能源效率、方案尺寸、系統(tǒng)安全以及所用電子產(chǎn)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(guān)的系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)，涵蓋從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到硬件設(shè)計環(huán)節(jié)。然后通過幾個案例研究，介紹能源應(yīng)用中現(xiàn)場設(shè)備的電源管理新方案。

圖1 變電站電氣開關(guān)設(shè)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(shù)遠程管理能源配送，其軟件平臺提供性能監(jiān)測、數(shù)據(jù)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(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測多個變量并對數(shù)據(jù)進行分析，從而實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(shè)備數(shù)據(jù)與云端聯(lián)網(wǎng)，憑借先進的人工智能(AI)技術(shù)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(lǐng)域的電網(wǎng)智能控制。擁有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)的電力公司能夠?qū)旊娫O(shè)備進行全面控制，并通過配電自動化增強對配電設(shè)備的控制。配電自動化能夠?qū)崿F(xiàn)更高可靠性、可服務(wù)性，改善預(yù)測性維護以及故障檢測、隔離，降低排放。

2   配電自動化系統(tǒng)

配電自動化系統(tǒng)(圖2)包括不同的管理、控制和現(xiàn)場層。管理層從中心站點操作和控制配電，根據(jù)需要記錄并優(yōu)化數(shù)據(jù)。能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)問題，從而立即采取措施?？刂茖訉ｉT處理硬件設(shè)備的管理與控制。在現(xiàn)場層，智能傳感器和執(zhí)行器收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)操作。配電系統(tǒng)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(shè)備、斷路器跳閘以及電網(wǎng)閃爍。

圖2 配電自動化系統(tǒng)

3   技術(shù)推動

配電自動化(DA)系統(tǒng)根據(jù)具體的通信網(wǎng)絡(luò)采用各種有線和無線通信方案傳輸數(shù)據(jù)。依托先進的硬件和軟件技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和控制管理。在現(xiàn)場層，通過控制器、傳感器、I/O和執(zhí)行器展現(xiàn)這些新技術(shù)。控制單元包括可編程邏輯控制器(PLC)、電機/運動控制器，或采用先進的處理器和微控制器實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計。傳感器可以是數(shù)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(shù)。傳感器和執(zhí)行器通過有線或無線網(wǎng)關(guān)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(guān)、信號燈、傳感器和儀表。

圖3 帶開關(guān)和傳感器的變電站

控制器接收來自現(xiàn)場傳感器的輸入，對其進行數(shù)據(jù)處理，然后正確驅(qū)動執(zhí)行器。當(dāng)今的傳感器和執(zhí)行器都配備內(nèi)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(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)響應(yīng)時間。

4 設(shè)計挑戰(zhàn)

智能、互聯(lián)設(shè)備的激增為系統(tǒng)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(nèi)安裝額外的電子設(shè)備；提高能源效率，能夠工作在相同或更低的熱預(yù)算條件；提高電子/機械設(shè)備安全性和可靠性，減少停工時間?？傊娮訂卧媾R的設(shè)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(dǎo)致無法使用增強空氣流通的風(fēng)扇。因此，極高效率的電源方案就至關(guān)重要，并且要求比以往產(chǎn)品提供更大功率、占用更小面積。

有線網(wǎng)絡(luò)配電現(xiàn)場的特點是采用24 V標稱電壓的直流電源總線，這在傳統(tǒng)的模擬繼電器網(wǎng)絡(luò)中有很長的歷史，并且仍然是當(dāng)前的行業(yè)標準。而實際應(yīng)用中，一些非關(guān)鍵設(shè)備需要承受的最大工作電壓為36 V至40 V；對于關(guān)鍵設(shè)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(shè)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(tǒng)，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(zhuǎn)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(tǒng)提供的高效率降壓轉(zhuǎn)換器。

關(guān)于最大輸入電壓的注意事項

盡管24 V是許多應(yīng)用的標稱電壓軌，對于配電系統(tǒng)，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(dāng)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(shù)應(yīng)用提供可靠的設(shè)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(shè)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(fēng)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(shè)備暴露在過高電壓。除非您確定，并已經(jīng)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(tǒng)復(fù)雜程度的提高、尺寸的減小，傳感器變得越來越復(fù)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(gòu)，并提出應(yīng)對這種挑戰(zhàn)的簡單方案。

●   現(xiàn)場傳感器應(yīng)用

整個配電網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生故障的原因，從而更快地采取主動措施來恢復(fù)系統(tǒng)工作，避免計劃外停電。智能傳感器提供故障檢測、捕獲關(guān)鍵的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，用于日常電網(wǎng)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(tǒng)

傳感器可能位于現(xiàn)場的任何位置。傳感器“盒”包括前端收發(fā)器，用于處理數(shù)據(jù)并將電源傳送給降壓型調(diào)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(wǎng)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(wǎng)空中傳感器

●   安全的低壓工作

大多數(shù)傳感器由24 V直流電源供電。然而現(xiàn)場環(huán)境可能極具挑戰(zhàn)性，長電纜、強電磁干擾容易產(chǎn)生瞬態(tài)高壓。所以，傳感器內(nèi)的降壓轉(zhuǎn)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(jù)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(shè)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(xiàn)。

表1的“小尺寸”一欄給出了滿足構(gòu)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(zhuǎn)換器與TVS的配合

典型傳感器系統(tǒng)的電源路徑如圖7所示。

圖7 傳感器電源系統(tǒng)

如果24 V總線是干凈的或者電噪聲水平低于前端開關(guān)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(zhuǎn)換器就足以滿足該傳感器設(shè)計。

但是，如果出現(xiàn)強電磁干擾，則應(yīng)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(zhuǎn)換器的輸入電壓(VCC)。相關(guān)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(xiàn)為開路電路。在VBR工作點，TVS器件開始出現(xiàn)導(dǎo)通電流，同時其電壓略微上升到其最大箝位電壓VC，對應(yīng)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(xiàn)有效保護，TVS VBR必須高于VCC(MAX)，而VC必須低于開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。

5.3.2 隔離方案

大多數(shù)應(yīng)用中依然采用隔離型DC-DC電源調(diào)節(jié)器。盡管隔離方案比非隔離型方案更復(fù)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(zhuǎn)換系統(tǒng)中進行隔離的原因。

根據(jù)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(nèi)仍然普遍要求隔離設(shè)計。該電壓范圍內(nèi)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(dāng)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(chǎn)生的寄生電流會影響輸出電壓調(diào)節(jié)，甚至引發(fā)電線的電化腐蝕，這種現(xiàn)象會降低設(shè)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(guān)控制器，為工作在非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)的隔離反激結(jié)構(gòu)。器件采用先進設(shè)計，使其省去了用于輸出電壓反饋和調(diào)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(dāng)今電子產(chǎn)品的無名英雄。無論何種應(yīng)用，從交流電源到數(shù)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(nèi)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(yīng)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(shù)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(zāi)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(nèi)的故障條件，例如過壓/欠壓、過流和反向電流。如果預(yù)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(shè)置UVLO/OVLO、限流值、電壓及電流實時監(jiān)測、電流熱折返、熱關(guān)斷等特性，設(shè)計師很容易為其智能電網(wǎng)設(shè)備提供可靠保護，并通過相關(guān)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(jié)語

隨著當(dāng)前配電自動化和數(shù)據(jù)交換大趨勢的發(fā)展，需要依賴新技術(shù)和新方案實現(xiàn)更高的能源利用率，改善系統(tǒng)可維護性、預(yù)測性維護、以及故障檢測、隔離，并降低排放。另一方面，新技術(shù)的普及帶來了提高能效、以及系統(tǒng)小型化和高可靠性設(shè)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(tǒng)的設(shè)計。這些電源管理方案克服了當(dāng)今配電自動化系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）