引言

配電自動(dòng)化站所終端(簡稱DTU)、饋線終端(簡稱FTU)和配變終端(簡稱TTU)的運(yùn)行可靠性直接影響到配電自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，終端配套供電電源異常是導(dǎo)致現(xiàn)場終端損壞或出現(xiàn)故障的主要原因之一。因此，我們必須充分了解和高度重視終端配套供電電源，有必要對(duì)終端供電電源的現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載特性、相關(guān)要求和配套方案進(jìn)行一下分析總結(jié)，以期能指導(dǎo)我們正確設(shè)計(jì)和合理選用終端供電電源，確保終端供電電源的穩(wěn)定可靠性。

一、終端及配套供電電源運(yùn)行環(huán)境和注意事項(xiàng)

1.自然環(huán)境

一般地，終端和配套供電電源必須能適應(yīng)如下環(huán)境要求：工作溫度：-40～+70℃，相對(duì)濕度：10～100%，使用場所：室內(nèi)、遮蔽場所或戶外。

在戶外使用時(shí)，供電電源務(wù)必要考慮防塵、防潮、防振和防硫化。

2.用電環(huán)境

DTU和FTU使用220V工頻單相交流電供電，組屏式DTU可以采用站內(nèi)直流屏供電，為確保供電的有效性，DTU和FTU一般采用雙路供電的方式。單相交流電一般取自高壓開關(guān)兩側(cè)PT輸出的AC220V，兩路交流電源經(jīng)過雙輸入切換器可切換輸出一路AC220V供終端使用。TTU 采用低壓220V/380V三相四線制供電方式，可以缺相運(yùn)行。

一般電壓容差為-20%～+20%。針對(duì)TTU的配套供電電源必須考慮比較寬的電壓范圍，一般電壓容差在-30%～+30%比較好。由于TTU用在配電變壓器旁，因此，要特別注意配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生的暫時(shí)過電壓對(duì)供電電源造成的損害。

雷擊和各種原因造成的浪涌干擾，有可能損壞終端電源;電網(wǎng)上的操作過電壓也可能會(huì)出現(xiàn)在供電PT的輸出端，因此，供電電源和終端的輸入端必須具有有效的抗雷擊浪涌和操作過電壓的措施。

二、配套供電電源的負(fù)載特點(diǎn)和注意事項(xiàng)

1.DTU和FTU配套供電電源的負(fù)載特點(diǎn)及注意事項(xiàng)

a)DTU或FTU核心單元：一般由數(shù)字電路和模擬電路組成，負(fù)載大小比較穩(wěn)定，對(duì)供電電源的穩(wěn)定性影響很小。

b)通訊單元：一般由數(shù)字電路和模擬電路組成，負(fù)載大小相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)供電電源的穩(wěn)定性影響較小。

c)后備電源單元：由免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池或超級(jí)電容組成，少數(shù)方案也用到磷酸亞鐵鋰蓄電池，負(fù)載大小隨著電池或電容的容量、壽命的變化而變化較大。一定額定容量的電池或電容，合理選擇充電曲線，對(duì)于保證電池或電容的有效壽命至關(guān)重要，針對(duì)不同的充電曲線，電池或電容的充電電流會(huì)不同，表現(xiàn)出來的負(fù)載大小就不同，因此配套供電電源的充放電管理設(shè)計(jì)必須保證與后備電池或電容的配合性，這是選擇配套供電電源的一個(gè)很關(guān)鍵的因素。鉛酸電池因?yàn)榇嬖谧苑烹姾外g化現(xiàn)象，所以必須定期有意識(shí)地進(jìn)行充放電和活化管理，供電電源必須具備此項(xiàng)功能。另外，超級(jí)電容的容性負(fù)載特性是供電電源設(shè)計(jì)和選擇時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)因素。

d)“三遙”DTU和FTU、以及“二遙”動(dòng)作型DTU和FTU高壓開關(guān)操作單元：

目前，與高壓開關(guān)配套的操作機(jī)構(gòu)有電磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操作機(jī)構(gòu)和永磁操作機(jī)構(gòu)。對(duì)于需要終端提供操作電源的場所，配套供電電源必須針對(duì)不同的操作機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的操作電源。

電磁操作機(jī)構(gòu)因操作合閘電流很大，有的機(jī)構(gòu)在AC220V供電的情況下，瞬態(tài)電流可以達(dá)到一百多安培，一般用專門的合閘母線來給它供電，因此，我們主要關(guān)心后二種機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性。

彈簧操作機(jī)構(gòu)電氣部分主要由分閘線圈、合閘線圈和儲(chǔ)能電機(jī)組成，是典型的電感性負(fù)載。機(jī)構(gòu)的分、合閘時(shí)間一般不會(huì)超過三個(gè)周波的時(shí)間，但分、合閘功率很大，對(duì)于不同配置的機(jī)構(gòu)，分合閘功率可以從接近300W 到接近800W不等。儲(chǔ)能電機(jī)的額定功率常選用40W和70W的，也有用一百多瓦到二百多瓦的，一般儲(chǔ)能電機(jī)工作時(shí)間在幾秒或十幾秒，電機(jī)后面帶著儲(chǔ)能彈簧，在通電瞬間需要的工作電流比較大。顯然，這部分單元的負(fù)載特點(diǎn)就是不工作時(shí)電流輸出為零，工作時(shí)瞬時(shí)功率很大。另外，一般彈簧操作機(jī)構(gòu)的分閘線圈正常工作電壓范圍為65%～120%額定工作電壓，合閘線圈正常工作電壓范圍為80%～110%額定工作電壓(直流)、85%～110%額定工作電壓(交流)，儲(chǔ)能電機(jī)的正常工作電壓范圍為85%～110%額定工作電壓。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)和選擇供電電源和后備電源時(shí)，必須考慮四點(diǎn)重要的因素：一是供電電源功率容量是否足夠?二是在瞬態(tài)大功率輸出的情況下的供電電源工作穩(wěn)定性和可靠性，三是后備電池或電容的容量或者儲(chǔ)存的能量是否足夠?四是供電電源的充放電管理部分必須有后備電源欠壓保護(hù)功能。

永磁操作機(jī)構(gòu)的電氣部分就是一個(gè)線圈和永磁體。正常情況下電磁線圈不帶電，當(dāng)開關(guān)要分閘或合閘時(shí)，通過改變線圈的極性利用磁力相吸或排斥的原理，驅(qū)動(dòng)分閘或合閘，操作時(shí)間一般≥60ms，操作電流≥40A。雖然操作電流不小，但高壓開關(guān)是通過一個(gè)高壓超級(jí)電容來“儲(chǔ)能”，動(dòng)作時(shí)通過電容放電來提供大電流，所以，此類情況下供電電源的負(fù)載主要就是超級(jí)電容，是容性負(fù)載，容性負(fù)載的充電電流必須合理地設(shè)計(jì)，避免供電電源失控。

2.TTU配套供電電源的負(fù)載特點(diǎn)及注意事項(xiàng)

TTU在不進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊時(shí)，本身功耗只有幾瓦，通過通訊模塊跟主站通訊時(shí)瞬時(shí)功率會(huì)超過十瓦，但持續(xù)時(shí)間很短，所以總的功耗不大，對(duì)電源的要求主要考慮瞬時(shí)功率和瞬時(shí)加載時(shí)的工作穩(wěn)定性。

三、針對(duì)二種常見操作機(jī)構(gòu)的電源實(shí)施方案

①DC24V、DC48V、DC220V彈簧操作機(jī)構(gòu)電源實(shí)施方案

②永磁操作機(jī)構(gòu)電源實(shí)施方案

方案1：

方案2：

方案3：

四、針對(duì)DTU和FTU配套供電電源和后備電源的相關(guān)要求

1.功率要求

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求主電源供電和后備電源都應(yīng)獨(dú)立滿足終端、通信設(shè)備正常運(yùn)行及對(duì)開關(guān)的正常操作，因此，相關(guān)配套供電電源和后備電源的額定功率和瞬時(shí)功率必須能滿足現(xiàn)場運(yùn)行的要求。

2.電磁兼容性要求

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求配電終端能滿足電磁兼容的要求，配套供電電源作為一個(gè)重要部件，也必須要求單獨(dú)滿足部分電磁兼容要求，同時(shí)必須配合終端整機(jī)滿足所有有關(guān)電磁兼容要求。當(dāng)然，所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)終端電磁兼容性的抗干擾方面提出了要求，而沒有對(duì)設(shè)備本身產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾(EMI水平)提出要求，顯然，終端在這方面有待提高的地方，作為供電電源有必要盡量控制EMI水平，這將是一個(gè)發(fā)展趨勢。

3.靜態(tài)功耗要求

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)終端的靜態(tài)功耗提出了一定的要求，但國網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)因考慮了當(dāng)時(shí)有關(guān)的實(shí)際狀況，對(duì)靜態(tài)功耗指標(biāo)的要求比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有一定的放寬。實(shí)際上，靜態(tài)功耗指標(biāo)除了與終端核心單元的功耗有關(guān)外，與配套供電電源的功耗指標(biāo)也有很大關(guān)系，因此，為了節(jié)能，必須盡量降低供電電源的靜態(tài)功耗。通過一定技術(shù)的應(yīng)用和精心設(shè)計(jì)，終端靜態(tài)功耗指標(biāo)有望或能夠達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.可靠性要求

終端直接檢測和控制一次高壓開關(guān)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠是首要的任務(wù)，終端的任何故障或損害，輕則影響電網(wǎng)配電質(zhì)量，重則導(dǎo)致大面積的停電，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備損壞。配套供電電源的可靠性相當(dāng)重要，為了確保供電電源工作的可靠性，必須做到以下幾點(diǎn)：

a)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)掌握的基礎(chǔ)上，充分了解和認(rèn)識(shí)配套供電電源的實(shí)際工作環(huán)境和負(fù)載特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)計(jì)電源方案，利用穩(wěn)健成熟的技術(shù)滿足設(shè)計(jì)需要。

b)所用器件必須至少符合工業(yè)品的要求，關(guān)鍵器件可以選擇準(zhǔn)軍品。電解電容的壽命對(duì)電源的可靠性和壽命影響很大，必須選用長壽命的高品質(zhì)的電解電容。電源的溫升直接影響電解電容的壽命，低功耗、高效率的設(shè)計(jì)指標(biāo)相當(dāng)重要，必須把電源的熱設(shè)計(jì)放在重要的位置。

c) 供電電源自身的保護(hù)要做到力求全面，除了能抗有關(guān)電磁干擾外，電源必須具備輸出過流和短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、電池反接保護(hù)、電池放電短路保護(hù)、超級(jí)電容放電短路保護(hù)，還可以考慮過熱保護(hù)。

d)為了在遠(yuǎn)端能監(jiān)控配套供電電源和后備電源的狀態(tài)，配套供電電源必須具備遠(yuǎn)端啟動(dòng)和停止電池活化功能、遙控電池停止工作功能，同時(shí)，還能提供工作電源失電、蓄電池欠壓、活化狀態(tài)和電源故障等信息。通過有效的監(jiān)控確?？刂频臅r(shí)效性，提高工作的可靠性。

5.絕緣安全要求：供電電源要滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的絕緣電阻、工頻耐壓和沖擊耐壓要求。

五、DTU和FTU智能電源的展望

通過以上的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，DTU和FTU配套供電電源是一套復(fù)雜的系統(tǒng)。通過電子技術(shù)的運(yùn)用，基本上實(shí)現(xiàn)了上面的目標(biāo)。但是，我們回過頭來看看，雖然為了延長壽命后備電源使用了超級(jí)電容，但超級(jí)電容的實(shí)際壽命與理論壽命還有很大的差距，同時(shí)，低壓超級(jí)電容的使用必然伴隨著充放電的管理，因此整套電容裝置的價(jià)格是相當(dāng)高的，大量的器件的使用也降低了整套電容裝置的可靠性。自然，在目前階段鉛酸蓄電池還不得不大量使用，而影響鉛酸電池壽命的一個(gè)很重要的因素就是不合理的充電造成的，環(huán)境溫度、電池電壓和容量都會(huì)影響充電電流大小和充電曲線的合理性。鋰電池雖然具有功率密度大、無記憶、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但它的充放電特性受溫度影響大，因此，如何保持鋰電池用電溫度環(huán)境在一個(gè)理想的范圍內(nèi)，有必要采取一些附加技術(shù)。操作機(jī)構(gòu)在分合閘過程中會(huì)導(dǎo)致供電電源負(fù)載變化大，特別是操作機(jī)構(gòu)的故障會(huì)引起操作電源輸出電流很大，電源雖有保護(hù)功能，但也有失控的風(fēng)險(xiǎn)，如何規(guī)避諸如此類的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)工作必須做到更細(xì)。顯然，如能把電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)運(yùn)用到配套供電電源中，設(shè)計(jì)出智能電源與終端核心單元有機(jī)配合，解決類似上述一系列問題，使控制更有效、更及時(shí)，各方面的優(yōu)勢發(fā)揮得更好，工作更穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)是我們努力的方向。