應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)的電源管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

引言

電網(wǎng)的現(xiàn)代化建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)。采用現(xiàn)代控制和自動(dòng)化技術(shù)能夠顯著節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境，并通過(guò)改善人們的健康和安全來(lái)提高生活質(zhì)量。配電自動(dòng)化采用具有先進(jìn)控制和通信技術(shù)的數(shù)字傳感器和開關(guān)，實(shí)現(xiàn)功能自動(dòng)化，包括發(fā)電、開關(guān)控制、根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)、斷電/過(guò)壓/欠壓故障管理，以及功率因數(shù)修正。自動(dòng)化設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，以支持現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)決策，并將關(guān)鍵信息傳遞到電網(wǎng)控制中心。

能源自動(dòng)化(圖1)控制會(huì)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(wèn)題。本文探討了配電自動(dòng)化發(fā)展的大趨勢(shì)及其相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，涵蓋從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。然后通過(guò)幾個(gè)案例研究，介紹能源應(yīng)用中現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化的大趨勢(shì)

越來(lái)越多的能源運(yùn)營(yíng)商采用云技術(shù)遠(yuǎn)程管理能源配送，其軟件平臺(tái)提供性能監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、可視化、故障檢測(cè)和診斷，以及不同的能源管理組合。這些自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)變量并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)時(shí)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(fèi)政策。通過(guò)將設(shè)備數(shù)據(jù)與云端聯(lián)網(wǎng)，憑借先進(jìn)的人工智能(AI)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，確定所要采取的措施。高級(jí)配電自動(dòng)化(ADA)擴(kuò)展了配電等級(jí)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(jìn)行全面控制，并通過(guò)配電自動(dòng)化增強(qiáng)對(duì)配電設(shè)備的控制。配電自動(dòng)化能夠?qū)崿F(xiàn)更高可靠性、可服務(wù)性，改善預(yù)測(cè)性維護(hù)以及故障檢測(cè)、隔離，降低排放。

2   配電自動(dòng)化系統(tǒng)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)(圖2)包括不同的管理、控制和現(xiàn)場(chǎng)層。管理層從中心站點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而立即采取措施。控制層專門處理硬件設(shè)備的管理與控制。在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)信號(hào)，減少或避免斷電時(shí)間、熱運(yùn)行設(shè)備、斷路器跳閘以及電網(wǎng)閃爍。

圖2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)

3   技術(shù)推動(dòng)

配電自動(dòng)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(wú)線通信方案?jìng)鬏敂?shù)據(jù)。依托先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和控制管理。在現(xiàn)場(chǎng)層，通過(guò)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(jī)/運(yùn)動(dòng)控制器，或采用先進(jìn)的處理器和微控制器實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)。傳感器可以是數(shù)字或模擬式，用于測(cè)量溫度、濕度、振動(dòng)、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(guò)有線或無(wú)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(hào)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(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后正確驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單決策，無(wú)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(shí)間。

4 設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)械設(shè)備安全性和可靠性，減少停工時(shí)間。總之，電子單元所面臨的設(shè)計(jì)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(lái)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(jī)箱采用密封外殼，導(dǎo)致無(wú)法使用增強(qiáng)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(chǎng)的特點(diǎn)是采用24 V標(biāo)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(zhǎng)的歷史，并且仍然是當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而實(shí)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(duì)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(dá)60 V (IEC 61131-2、60664-1和61508 SIL標(biāo)準(zhǔn))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(yùn)動(dòng)控制、CNC和PLC要求的幾十安培不等。因此，對(duì)于控制系統(tǒng)，顯而易見(jiàn)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?yàn)楦咝阅芘潆娤到y(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(xiàng)

盡管24 V是許多應(yīng)用的標(biāo)稱電壓軌，對(duì)于配電系統(tǒng)，由于容限和異常瞬態(tài)電壓會(huì)疊加到最大工作電壓，必須謹(jǐn)慎考慮工作電壓范圍。當(dāng)今市場(chǎng)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(wú)法為大多數(shù)應(yīng)用提供可靠的設(shè)計(jì)裕量。許多標(biāo)準(zhǔn)要求60 V容限，大大降低了選擇余地。對(duì)于許多設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，選擇最高輸入為36 V的電源器件具有極大誘惑力。但是，對(duì)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(xiǎn)選擇。即使使用TVS二極管進(jìn)行浪涌保護(hù)，提供了一定的容限范圍，但仍然可能將設(shè)備暴露在過(guò)高電壓。除非您確定，并已經(jīng)針對(duì)長(zhǎng)電纜和PCB走線引起的每種可能的浪涌場(chǎng)景進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)并未作此要求。

5.2 減小方案尺寸

傳感器無(wú)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(lái)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(shí)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(duì)這種挑戰(zhàn)的簡(jiǎn)單方案。

●   現(xiàn)場(chǎng)傳感器應(yīng)用

整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略性布局中，用于監(jiān)測(cè)電流、電壓、功率和溫度的傳感器提供了諸多好處，可以識(shí)別故障位置以及產(chǎn)生故障的原因，從而更快地采取主動(dòng)措施來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)工作，避免計(jì)劃外停電。智能傳感器提供故障檢測(cè)、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(guò)檢測(cè)和報(bào)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(cè)到故障，3相繼電器等執(zhí)行器可自動(dòng)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(chǎng)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(jìn)而為ASIC/微控制器/FPGA、檢測(cè)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(wú)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(chǎng)環(huán)境可能極具挑戰(zhàn)性，長(zhǎng)電纜、強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的工作電壓。如上所述，對(duì)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(hù)/功能性)規(guī)范，能夠支持高達(dá)60 V電壓的隔離設(shè)備被認(rèn)為是可以安全接觸的。60 V以上的保護(hù)則通過(guò)增加專用的TVS (瞬態(tài)電壓抑制器)實(shí)現(xiàn)。

表1的“小尺寸”一欄給出了滿足構(gòu)建自動(dòng)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(wú)需保護(hù)(圖7中無(wú)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(jì)。

但是，如果出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾，則應(yīng)采取更嚴(yán)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(lái)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(dá)到VBR之前，TVS器件呈現(xiàn)為開路電路。在VBR工作點(diǎn)，TVS器件開始出現(xiàn)導(dǎo)通電流，同時(shí)其電壓略微上升到其最大箝位電壓VC，對(duì)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(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，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(shí)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(jìn)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(rèn)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(jì)。該電壓范圍內(nèi)需要保護(hù)電源電子負(fù)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(gè)或多個(gè)電路共用同一接地回路時(shí)很容易發(fā)生這種情況。接地環(huán)路產(chǎn)生的寄生電流會(huì)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(huì)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(jìn)設(shè)計(jì)，使其省去了用于輸出電壓反饋和調(diào)節(jié)的光耦。無(wú)光耦意味著更小的電路板空間和更高可靠性，因?yàn)橄斯逃械牡蚆TBF光耦。

圖10 無(wú)光耦反激控制器

5.3.3 保護(hù)電路

保護(hù)電路是當(dāng)今電子產(chǎn)品的無(wú)名英雄。無(wú)論何種應(yīng)用，從交流電源到數(shù)字負(fù)載整個(gè)供電鏈路中，都散布著不同尺寸和形狀的保險(xiǎn)絲、瞬態(tài)電壓抑制器。雖然IC內(nèi)部解決了諸如ESD保護(hù)和引腳間短路等常見(jiàn)問(wèn)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(chǔ)能電容引起的浪涌電流、斷電造成的反向電流、電感負(fù)載切換引起的過(guò)壓和欠壓等電氣應(yīng)力源會(huì)損壞昂貴的電子負(fù)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(chǔ)器。保護(hù)電路對(duì)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(wú)保護(hù)的CPU起火

保護(hù)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(guò)壓/欠壓、過(guò)流和反向電流。如果預(yù)期電壓浪涌超過(guò)保護(hù)電路的額定值，則需采用濾波器或TVS器件增加額外保護(hù)。

5.3.4 集成方案

圖12所示集成保護(hù)電路能夠處理過(guò)壓、欠壓、極性反接、限流、反向電流和短路保護(hù)，整合了電子保險(xiǎn)絲和浪涌抑制器的全部?jī)?yōu)勢(shì)。通過(guò)可配置引腳設(shè)置UVLO/OVLO、限流值、電壓及電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電流熱折返、熱關(guān)斷等特性，設(shè)計(jì)師很容易為其智能電網(wǎng)設(shè)備提供可靠保護(hù)，并通過(guò)相關(guān)規(guī)范測(cè)試。

圖12 單芯片IC集成完備保護(hù)功能

表1所示為支持配電自動(dòng)化的電源管理方案匯總。

表1 支持配電自動(dòng)化的電源管理方案

6   結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)前配電自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換大趨勢(shì)的發(fā)展，需要依賴新技術(shù)和新方案實(shí)現(xiàn)更高的能源利用率，改善系統(tǒng)可維護(hù)性、預(yù)測(cè)性維護(hù)、以及故障檢測(cè)、隔離，并降低排放。另一方面，新技術(shù)的普及帶來(lái)了提高能效、以及系統(tǒng)小型化和高可靠性設(shè)計(jì)等諸多方面的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)上述各項(xiàng)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(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這些電源管理方案克服了當(dāng)今配電自動(dòng)化系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）