浅议配电自动化终端配套供电电源

 引言

配电自动化站所终端(简称DTU)、馈线终端(简称FTU)和配变终端(简称TTU)的运行可靠性直接影响到配电自动化系统的运行可靠性。从以往的经验来看，终端配套供电电源异常是导致现场终端损坏或出现故障的主要原因之一。因此，我们必须充分了解和高度重视终端配套供电电源，有必要对终端供电电源的现场运行环境、负载特性、相关要求和配套方案进行一下分析总结，以期能指导我们正确设计和合理选用终端供电电源，确保终端供电电源的稳定可靠性。

一、终端及配套供电电源运行环境和注意事项

1.自然环境

一般地，终端和配套供电电源必须能适应如下环境要求：工作温度：-40～+70℃，相对湿度：10～100%，使用场所：室内、遮蔽场所或户外。

在户外使用时，供电电源务必要考虑防尘、防潮、防振和防硫化。

2.用电环境

DTU和FTU使用220V工频单相交流电供电，组屏式DTU可以采用站内直流屏供电，为确保供电的有效性，DTU和FTU一般采用双路供电的方式。单相交流电一般取自高压开关两侧PT输出的AC220V，两路交流电源经过双输入切换器可切换输出一路AC220V供终端使用。TTU 采用低压220V/380V三相四线制供电方式，可以缺相运行。

一般电压容差为-20%～+20%。针对TTU的配套供电电源必须考虑比较宽的电压范围，一般电压容差在-30%～+30%比较好。由于TTU用在配电变压器旁，因此，要特别注意配电变压器非全相空载投入产生的暂时过电压对供电电源造成的损害。

雷击和各种原因造成的浪涌干扰，有可能损坏终端电源;电网上的操作过电压也可能会出现在供电PT的输出端，因此，供电电源和终端的输入端必须具有有效的抗雷击浪涌和操作过电压的措施。

二、配套供电电源的负载特点和注意事项

1.DTU和FTU配套供电电源的负载特点及注意事项

a)DTU或FTU核心单元：一般由数字电路和模拟电路组成，负载大小比较稳定，对供电电源的稳定性影响很小。

b)通讯单元：一般由数字电路和模拟电路组成，负载大小相对稳定，对供电电源的稳定性影响较小。

c)后备电源单元：由免维护阀控铅酸蓄电池或超级电容组成，少数方案也用到磷酸亚铁锂蓄电池，负载大小随着电池或电容的容量、寿命的变化而变化较大。一定额定容量的电池或电容，合理选择充电曲线，对于保证电池或电容的有效寿命至关重要，针对不同的充电曲线，电池或电容的充电电流会不同，表现出来的负载大小就不同，因此配套供电电源的充放电管理设计必须保证与后备电池或电容的配合性，这是选择配套供电电源的一个很关键的因素。铅酸电池因为存在自放电和钝化现象，所以必须定期有意识地进行充放电和活化管理，供电电源必须具备此项功能。另外，超级电容的容性负载特性是供电电源设计和选择时需要关注的一个因素。

d)“三遥”DTU和FTU、以及“二遥”动作型DTU和FTU高压开关操作单元：

目前，与高压开关配套的操作机构有电磁操作机构、弹簧操作机构和永磁操作机构。对于需要终端提供操作电源的场所，配套供电电源必须针对不同的操作机构提供相应的操作电源。

电磁操作机构因操作合闸电流很大，有的机构在AC220V供电的情况下，瞬态电流可以达到一百多安培，一般用专门的合闸母线来给它供电，因此，我们主要关心后二种机构的负载特性。

弹簧操作机构电气部分主要由分闸线圈、合闸线圈和储能电机组成，是典型的电感性负载。机构的分、合闸时间一般不会超过三个周波的时间，但分、合闸功率很大，对于不同配置的机构，分合闸功率可以从接近300W 到接近800W不等。储能电机的额定功率常选用40W和70W的，也有用一百多瓦到二百多瓦的，一般储能电机工作时间在几秒或十几秒，电机后面带着储能弹簧，在通电瞬间需要的工作电流比较大。显然，这部分单元的负载特点就是不工作时电流输出为零，工作时瞬时功率很大。另外，一般弹簧操作机构的分闸线圈正常工作电压范围为65%～120%额定工作电压，合闸线圈正常工作电压范围为80%～110%额定工作电压(直流)、85%～110%额定工作电压(交流)，储能电机的正常工作电压范围为85%～110%额定工作电压。因此，我们在设计和选择供电电源和后备电源时，必须考虑四点重要的因素：一是供电电源功率容量是否足够?二是在瞬态大功率输出的情况下的供电电源工作稳定性和可靠性，三是后备电池或电容的容量或者储存的能量是否足够?四是供电电源的充放电管理部分必须有后备电源欠压保护功能。

永磁操作机构的电气部分就是一个线圈和永磁体。正常情况下电磁线圈不带电，当开关要分闸或合闸时，通过改变线圈的极性利用磁力相吸或排斥的原理，驱动分闸或合闸，操作时间一般≥60ms，操作电流≥40A。虽然操作电流不小，但高压开关是通过一个高压超级电容来“储能”，动作时通过电容放电来提供大电流，所以，此类情况下供电电源的负载主要就是超级电容，是容性负载，容性负载的充电电流必须合理地设计，避免供电电源失控。

2.TTU配套供电电源的负载特点及注意事项

TTU在不进行远程通讯时，本身功耗只有几瓦，通过通讯模块跟主站通讯时瞬时功率会超过十瓦，但持续时间很短，所以总的功耗不大，对电源的要求主要考虑瞬时功率和瞬时加载时的工作稳定性。

三、针对二种常见操作机构的电源实施方案

①DC24V、DC48V、DC220V弹簧操作机构电源实施方案

②永磁操作机构电源实施方案

方案1：

方案2：

方案3：

四、针对DTU和FTU配套供电电源和后备电源的相关要求

1.功率要求

相关标准要求主电源供电和后备电源都应独立满足终端、通信设备正常运行及对开关的正常操作，因此，相关配套供电电源和后备电源的额定功率和瞬时功率必须能满足现场运行的要求。

2.电磁兼容性要求

相关标准要求配电终端能满足电磁兼容的要求，配套供电电源作为一个重要部件，也必须要求单独满足部分电磁兼容要求，同时必须配合终端整机满足所有有关电磁兼容要求。当然，所有相关标准只对终端电磁兼容性的抗干扰方面提出了要求，而没有对设备本身产生的传导和辐射干扰(EMI水平)提出要求，显然，终端在这方面有待提高的地方，作为供电电源有必要尽量控制EMI水平，这将是一个发展趋势。

3.静态功耗要求

行业标准对终端的静态功耗提出了一定的要求，但国网相关标准因考虑了当时有关的实际状况，对静态功耗指标的要求比行业标准有一定的放宽。实际上，静态功耗指标除了与终端核心单元的功耗有关外，与配套供电电源的功耗指标也有很大关系，因此，为了节能，必须尽量降低供电电源的静态功耗。通过一定技术的应用和精心设计，终端静态功耗指标有望或能够达到行业标准的要求。

4.可靠性要求

终端直接检测和控制一次高压开关，配电自动化系统工作的稳定可靠是首要的任务，终端的任何故障或损害，轻则影响电网配电质量，重则导致大面积的停电，造成重大经济损失和设备损坏。配套供电电源的可靠性相当重要，为了确保供电电源工作的可靠性，必须做到以下几点：

a)在行业标准掌握的基础上，充分了解和认识配套供电电源的实际工作环境和负载特点，科学设计电源方案，利用稳健成熟的技术满足设计需要。

b)所用器件必须至少符合工业品的要求，关键器件可以选择准军品。电解电容的寿命对电源的可靠性和寿命影响很大，必须选用长寿命的高品质的电解电容。电源的温升直接影响电解电容的寿命，低功耗、高效率的设计指标相当重要，必须把电源的热设计放在重要的位置。

c) 供电电源自身的保护要做到力求全面，除了能抗有关电磁干扰外，电源必须具备输出过流和短路保护、输出过压保护、电池反接保护、电池放电短路保护、超级电容放电短路保护，还可以考虑过热保护。

d)为了在远端能监控配套供电电源和后备电源的状态，配套供电电源必须具备远端启动和停止电池活化功能、遥控电池停止工作功能，同时，还能提供工作电源失电、蓄电池欠压、活化状态和电源故障等信息。通过有效的监控确保控制的时效性，提高工作的可靠性。

5.绝缘安全要求：供电电源要满足标准提出的绝缘电阻、工频耐压和冲击耐压要求。

五、DTU和FTU智能电源的展望

通过以上的分析，我们不难发现，DTU和FTU配套供电电源是一套复杂的系统。通过电子技术的运用，基本上实现了上面的目标。但是，我们回过头来看看，虽然为了延长寿命后备电源使用了超级电容，但超级电容的实际寿命与理论寿命还有很大的差距，同时，低压超级电容的使用必然伴随着充放电的管理，因此整套电容装置的价格是相当高的，大量的器件的使用也降低了整套电容装置的可靠性。自然，在目前阶段铅酸蓄电池还不得不大量使用，而影响铅酸电池寿命的一个很重要的因素就是不合理的充电造成的，环境温度、电池电压和容量都会影响充电电流大小和充电曲线的合理性。锂电池虽然具有功率密度大、无记忆、寿命长的优点，但它的充放电特性受温度影响大，因此，如何保持锂电池用电温度环境在一个理想的范围内，有必要采取一些附加技术。操作机构在分合闸过程中会导致供电电源负载变化大，特别是操作机构的故障会引起操作电源输出电流很大，电源虽有保护功能，但也有失控的风险，如何规避诸如此类的风险，保护工作必须做到更细。显然，如能把电子技术、计算机技术和通信技术运用到配套供电电源中，设计出智能电源与终端核心单元有机配合，解决类似上述一系列问题，使控制更有效、更及时，各方面的优势发挥得更好，工作更稳定，应当是我们努力的方向。