電子式互感器工作電源及喚醒機(jī)制的實現(xiàn)

季龍三，侯鐵信，卜正良，舒乃秋，康 兵

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663；2.武漢國測科技股份有限公司，湖北 武漢 430000；3.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著我國超、特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，新一代電力網(wǎng)絡(luò)——堅強(qiáng)的智能電網(wǎng)已經(jīng)初步形成，這標(biāo)志著我國電網(wǎng)發(fā)展將朝著信息化、數(shù)字化、自動化、集成化方向前進(jìn)。新型的電子式互感器具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、體積小、測量范圍大、抗電磁干擾性強(qiáng)等優(yōu)點，適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，符合智能配網(wǎng)一體化概念。本文通過對基于電子式互感器技術(shù)的集數(shù)據(jù)采集與合并配電網(wǎng)一體化裝置的介紹，闡述一種新型高壓供能方式以彌補現(xiàn)存取能方式的缺陷，提高設(shè)備取能模塊的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 裝置整體方案

裝置分為低壓與高壓兩部分，高壓部分主要完成實時運行電氣量檢測、電氣信號數(shù)據(jù)整合、操作控制命令執(zhí)行功能，低壓部分主要實現(xiàn)保護(hù)、測控和計量數(shù)據(jù)顯示與遠(yuǎn)傳等功能。

低壓側(cè)設(shè)計部分主要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)控、測量、控制與保護(hù)等功能。由于設(shè)計方案是以配網(wǎng)自動化概念為核心，在數(shù)據(jù)傳輸、站內(nèi)通信、遠(yuǎn)程控制時采用國際電工委員會制定的IEC61850統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，解決了設(shè)備之間的互操作性和無縫集成等問題，使通信可靠性得到提高。

高壓部分包含了電壓／電流傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、取能模塊與合并單元。電壓／電流傳感模塊選用有源式電子式互感器作為傳感頭來檢測線路電氣量，采集所得的模擬信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行調(diào)理、量化，再根據(jù)IEC60044協(xié)議通過Manchester編碼與光電轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與合并單元之間的光通信。三相所有保護(hù)和計量的測量信號均匯總到B相內(nèi)的合并單元后，合并單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換處理并打包成標(biāo)準(zhǔn)IEC61850 9-1或IEC61850 9-2格式的報文，最后發(fā)送給低壓側(cè)的智能保護(hù)單元或測控單元。同時合并單元還通過光纖同步信號完成對其他相上的高壓電位計量、保護(hù)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行采樣的同步控制。同時，為保障高壓側(cè)有源設(shè)備的正常工作，需設(shè)計相應(yīng)的取能模塊來解決一體化裝置高壓側(cè)供電問題。因此，設(shè)計合理、科學(xué)的工作電源模塊成為一體化設(shè)備研究中的難點和關(guān)鍵技術(shù)。智能集成終端原理圖如圖1所示。

圖1 智能集成終端原理圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent integrated terminal

2 高壓懸浮取能

2.1 現(xiàn)有取能方案

傳統(tǒng)的高壓供能方式有電流互感器（TA）供能、激光供能與太陽能供能。

利用TA從輸電線上取能的基本工作原理是利用特制TA從母線上感應(yīng)電壓，通過整流、濾波、穩(wěn)壓等后續(xù)電路處理后，給高壓側(cè)電子電路提供所需的電源。在設(shè)計鐵芯線圈感應(yīng)交流電能為二次側(cè)供能時，應(yīng)使其盡量工作在飽和段，這樣即使感應(yīng)電壓的瞬時峰值會隨一次導(dǎo)線電流的增加而增加，感應(yīng)電壓的平均值也不會變化[1]。但這樣的設(shè)計方案也使得TA取能存在2個比較明顯的問題。

a.存在供電死區(qū)。當(dāng)母線電流較低時，由于電磁式TA自身缺陷，感應(yīng)電流動態(tài)范圍小，難以為高壓側(cè)電路提供穩(wěn)定電壓。

b.由于鐵芯過早達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著母線電流增大，鐵芯熱耗變得嚴(yán)重，供電電源如何降低熱耗、增加設(shè)備使用壽命成為一個關(guān)鍵問題[2]。

激光供能通過光纖將激光二極管發(fā)出的光能從低壓側(cè)傳送到高壓側(cè)，由光電轉(zhuǎn)換器件將光能量轉(zhuǎn)換為電能量，再經(jīng)過DC-DC變換后提供穩(wěn)定的電源輸出。因此，激光功能不存在電能死區(qū)問題，而且所得電源比較穩(wěn)定且紋波小、噪聲低，不易受到外界干擾。但激光供能也存在自身缺點，由于激光輸出功率、光電池轉(zhuǎn)換效率低，該方法提供的能量有限，而高功率半導(dǎo)體激光器的光源壽命較短、價格昂貴，是目前阻礙該供電方式實用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素[3]。

太陽能作為分布式發(fā)電，相比其他供能方式，其穩(wěn)定性較差。而且太陽能電池板需置于室外，受環(huán)境影響較大，很難滿足國家相關(guān)文件的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 新型電容分壓懸浮取能

利用電容式電壓互感器進(jìn)行高壓懸浮取能[4]，其原理如圖2所示。

圖2 高壓懸浮取能原理圖Fig.2 Schematic diagram of suspended power supply at high-voltage side

高壓取能在取能方式上可分為單邊取能和雙邊取能。如果選擇兩相線電壓作為取能電源，實現(xiàn)單邊供電相間（例如AB相）取能，則在A相或B相失壓時，取能中斷，電路板因失去工作電源而停止工作。如果選擇雙邊供能，可有效降低電壓死區(qū)范圍，下面以AB相間與CD相間進(jìn)行雙邊取能為例進(jìn)行說明。

當(dāng)A相失壓時，電容C1一端接于合并單元取能模塊，另一端接于B相線路，當(dāng)合并單元取能模塊電阻視為理想無窮大時，C1兩端形成等勢位，電路板可以通過BC兩相之間的線電壓進(jìn)行懸浮取能。由于AB相間與CB相間的電容分壓比相同，則合并單元取能模塊兩端的電壓UED、B相電源與點D之間的電壓UBD的幅值相等，UBD相位超前UED60°。根據(jù)圖3可知，當(dāng)C相失壓時，UED變化為UEB，其幅值不變，UEB相位滯后UED60°。當(dāng)B相失壓時，原有的跨AB、CB相間的2組取能電容分壓器變成了1組電容分壓器，可等效為合并單元取能模塊直接利用AC線電壓進(jìn)行分壓取能，且由圖3可知，合并單元取能模塊兩端電壓由UED變?yōu)閁E2C，其幅值不變，相位變化超前180°。此種設(shè)計保證了一體化設(shè)備核心模塊合并單元能在全相、非全相運行時可靠工作。

圖3 高壓取能相量圖Fig.3 Phasor diagram of power supply at high-voltage side

3 工作電源設(shè)計

高壓側(cè)電路是利用電容分壓器進(jìn)行高壓懸浮取能，因此其工作電源設(shè)計較低壓側(cè)工作電源存在更多的問題，其中最主要的是工作電源負(fù)荷變化對取能功率的波動影響和工作電源模塊的過電壓保護(hù)技術(shù)。工作電源原理設(shè)計如圖4所示。

圖4 工作電源Fig.4 Schematic diagram of power supply

理想情況下，設(shè)計通過電容C1、C2分壓獲取100 V低電壓為負(fù)荷供電，因此需要解決由于電源模塊負(fù)荷變化對前端取能造成波動影響的問題，設(shè)計中利用電容式電壓互感器原理，在電容C2后端串聯(lián)補償電抗器L1，使其與C1、C2發(fā)生諧振，消除負(fù)荷波動影響。分壓原理圖如圖5所示。r1、r2分別為C1、C2的等效串聯(lián)電阻，其值相對較小，可忽略不計。ZL為負(fù)荷等效阻抗；L1為串聯(lián)電感。根據(jù)戴維南定律可得負(fù)載阻抗上的分壓為：

圖5 電容分壓器電路圖Fig.5 Circuit of capacitive voltage divider

由于高壓線路雷擊事故和一些空載變壓器的投切操作，會對線路產(chǎn)生雷擊過電壓和操作過電壓，因此在高壓工作電源的設(shè)計上，需添置過電壓保護(hù)元器件。如圖4所示，選擇氣體放電管、壓敏電阻（RV1、RV2）和瞬態(tài)抑制二極管（VD1）三者相互配合來防止過電壓。3種防雷元器件中，氣體放電管屬于開關(guān)型元器件，三者的性能比較如表1所示。

表1 防雷元器件性能差異Tab.1 Comparison of performance among different anti-lightning components

因此將瞬態(tài)抑制二極管作為第3級保護(hù)，壓敏電阻RV2作為第2級保護(hù)，氣體放電管作為第1級保護(hù)。由于瞬態(tài)抑制二極管和壓敏電阻響應(yīng)時間快、流通量小，為防止耐流能力較低的瞬態(tài)抑制二極管和壓敏電阻單獨承擔(dān)巨大的沖擊能量而損壞，將在瞬態(tài)抑制二極管、壓敏電壓RV2、氣體放電管之間添加隔離單元，使3個保護(hù)元器件按順序放電、導(dǎo)通。隔離單元可為電阻、電容、電感或它們的組合網(wǎng)絡(luò)，圖4中將AC／DC轉(zhuǎn)換模塊和線繞電阻R1作為三者之間的隔離單元。同時，壓敏電阻RV2前端串聯(lián)線繞電阻R1可在RV2短路失效時將短路電路斷開。最后，由于壓敏電阻寄生電容較大，在正常工作時會產(chǎn)生一定的漏電流，當(dāng)反復(fù)導(dǎo)通幾次后，漏電流增大會致使壓敏電阻爆炸造成短路失效；而氣體放電管寄生電容小，但自身確存在續(xù)流問題。因此，通過氣體放電管與壓敏電壓RV1串聯(lián)設(shè)計，同時解決了壓敏電阻漏電流過大和氣體放電管續(xù)流問題。

4 電源管理模塊

4.1 電源管理模塊設(shè)計原理

為解決斷電或其他事故引起的電壓消失致使取能中斷、高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集模塊無法正常工作的問題，添加一套儲能元件作為后備電源，當(dāng)取能中斷時，由后備儲能電源為高壓側(cè)電路板供電。電源管理模塊正是通過對線路取能與后備電源的管理控制，來實現(xiàn)線路取能與后備電源之間相互配合工作，為高壓側(cè)有源設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠電源，滿足各項指標(biāo)要求。其基本原理如圖6所示。

圖6 電源管理原理圖Fig.6 Schematic diagram of power supply management

儲能元件由超級電容Cs和超能電池（將在4.3節(jié)分析）兩部分組成。超級電容作為主要儲能元件，放置在高壓側(cè)，通過AC／DC轉(zhuǎn)換裝置與電容分壓器中的低壓電容進(jìn)行并聯(lián)取能。當(dāng)線路正常運行時，電路利用電容分壓懸浮取電，不僅為數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行供電，同時也為超級電容進(jìn)行充電。超能電池作為后備儲能元件，其作用是當(dāng)超級電容能量耗盡時，為高壓側(cè)電路板供電。

將2個二極管并聯(lián)作為電源切換電路設(shè)計，通過電容分壓、AC／DC轉(zhuǎn)換后，設(shè)計取能電壓為5 V，可將電池電壓設(shè)計為3.6 V。當(dāng)取能回路正常工作時，由于取能電壓高于電池電壓，則二極管2處于優(yōu)先導(dǎo)通狀態(tài)，由取能電源供電；當(dāng)電容分壓器失壓，懸浮取能中斷后，取能電壓達(dá)不到電路最低工作電壓，則二極管1優(yōu)先導(dǎo)通，由電池電源供電。

智能控制模塊控制電源切換電路與微控制單元（MCU）之間的開關(guān)，電源開關(guān)主要實現(xiàn)電路板喚醒狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，電路板處于正常工作喚醒狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，電路板處于休眠狀態(tài)，此時備用電源只為智能控制模塊供電，使得電路板可隨時喚醒?？刂崎_關(guān)可選用模擬電子開關(guān)，由于模擬電子開關(guān)是利用二極管飽和導(dǎo)通原理，因此需要考慮二極管飽和壓降帶來的影響?？刂颇K通過一次能量喚醒與二次信號喚醒來閉合處于斷開狀態(tài)的開關(guān)，此方案不僅可根據(jù)需要提前為電路板供電，也可由電容分壓器電壓信號來實現(xiàn)控制模塊自動喚醒，提高電路板正常工作冗余度，從而實現(xiàn)MCU智能供電方式。

4.2 喚醒機(jī)制邏輯設(shè)計

國家電網(wǎng)《智能變電站測控單元技術(shù)規(guī)范》4.1.1條提出，測控裝置應(yīng)具備高可靠性，裝置GOOSE信息處理時延應(yīng)小于1ms。首次合閘前由于一體化裝置處于休眠狀態(tài)，一次電壓取能方案需要對采集電能進(jìn)行整流處理，供電電能由于整流原理將造成前半周期波頭丟失無法供能，會出現(xiàn)供能延遲現(xiàn)象，無法滿足《智能變電站測控單元技術(shù)規(guī)范》對信息傳輸延時要求。因此，需要為一體化裝置設(shè)計二次喚醒信號接口，在首次合閘前，通過取得測控保護(hù)單元的喚醒信號來提前啟動后備電源使一體化裝置帶電，此時就可實現(xiàn)合閘后零秒傳輸延時。

線路工作狀態(tài)與智能控制模塊工作狀態(tài)關(guān)系如下。

a.當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時，智能控制模塊斷開開關(guān)啟動休眠機(jī)制，使高壓電路板處于最低功耗狀態(tài)，避免過早消耗超級電容與超能電池能量。

b.當(dāng)線路正常狀態(tài)運行時，超級電容處于充電狀態(tài)，由高壓側(cè)懸浮電壓取能供電。

c.當(dāng)線路出現(xiàn)事故失壓時，高壓電路板無法進(jìn)行懸浮取能，則由后備電源供電，使其延時工作10～20 s，提供足夠的保護(hù)反應(yīng)時間和重合閘時間；若在10～20s內(nèi)線電壓仍然未恢復(fù)，則控制芯片進(jìn)入休眠模式，由后備電源提供μA級電流維持。

d.當(dāng)線路檢修后再次準(zhǔn)備投運時，可以由二次信號喚醒機(jī)制啟動控制開關(guān)，使后備電源提前3～5 s為設(shè)備供電，避免出現(xiàn)保護(hù)盲區(qū)。同時為防止線路首次合閘時再次出現(xiàn)線路失壓造成取能中斷，需考慮狀態(tài) c，備用電源增加 10～25 s工作時間，共計 15～25 s。

控制模塊可通過邏輯門電路設(shè)計，選擇低電平為有效電平。由于一次能量喚醒為連續(xù)信號，則當(dāng)開關(guān)控制模塊接受一次能量喚醒低電平信號時，開關(guān)為閉合狀態(tài)。當(dāng)電容分壓器失壓時，一次能量喚醒信號從低電平轉(zhuǎn)換為高電平，控制模塊為開關(guān)提供10～20 s延時，由后備電源供電，若此期間控制模塊始終無法再次獲得一次能量喚醒低電平信號，則開關(guān)斷開，電路板啟動休眠機(jī)制，等待二次信號喚醒。

二次信號喚醒來源于二次側(cè)保護(hù)測控裝置，此信號使開關(guān)閉合并延時15～25 s。若此期間無法獲得一次能量信號，則開關(guān)斷開。

此套設(shè)計最大特點在于減小啟動電流和啟動時間，增加母線動態(tài)范圍，并消除首次合閘帶點到電源正常啟動的時間延遲，避免傳感器丟失合閘瞬間的暫態(tài)波頭。

4.3 備用電源的選型及其容量設(shè)計

4.3.1 備用電源選型設(shè)計

目前市場上有多種儲能元件可應(yīng)用于集成電路，主要考慮的儲能元件有一次電池與可再充儲能元件靜電電容、超級電容、二次電池。各種儲能元件由于自身實現(xiàn)原理不同造成性能差異的不同（如表2所示），因此適用環(huán)境也不盡相同[3]。

在備用電源的選擇上，必須考慮備用電源的工作特點和性能要求。由于備用電源是在裝置無法正常取能時和裝置處于休眠狀態(tài)時為裝置提供待機(jī)能量，其電源首先必須具備一定的功率密度，保證所提供的功率水平滿足電路板正常工作要求。同時，備用電源也應(yīng)具備一定的能量密度，需為電路板提供長時間的休眠待機(jī)電能。另外，由于備用電源是密封于裝置內(nèi)部置于線路高壓側(cè)，不能取出更換或維護(hù)，因此需具有使用壽命長、工作溫度范圍寬的特點。最后，備用電源的充放電性能要好，需具備穩(wěn)定、安全、可靠性強(qiáng)的特點。

表2 各儲能元件特性比較Tab.2 Comparison of performance among energy storage components

鑒于以上分析和各儲能元件的性能差異，單一的儲能元件很難滿足其要求。因此，本文選擇超級電容與一次電池復(fù)合電源方案，使各儲能元件相互配合滿足要求。

4.3.2 超級電容誤差分析

對超級電容進(jìn)行誤差分析，結(jié)論如下。

a.當(dāng)多個超級電容串聯(lián)設(shè)計時，由于各個電容工藝水平不一致，即使每個超級電容額定容量相同，也會存在容量偏差問題，最嚴(yán)重時可使超級電容組儲能能力下降27%。如果經(jīng)過電壓均衡處理，可以將原儲能能力提高10%，但由于其控制復(fù)雜、成本昂貴、技術(shù)不成熟，采用額外增加電容來提高儲能能力比較實際[6]。

b.由于超級電容工作原理，超級電容能實現(xiàn)快速充電模式，充電時間為1～30s。但隨著充電電流的增加，受超級電容等效串聯(lián)電阻的影響，端電壓的突變幅度增加，有效儲能降低，并且電容容量降低。

c.由于超級電容中存在并聯(lián)等效電阻，因此超級電容自身存在漏電流，使其儲存電能過早消耗。

d.超級電容端電壓波動嚴(yán)重，當(dāng)超級電容釋放50%的儲能能量時，端電壓下降到初始電壓的70%。

4.3.3 超級電容最長工作時間

超級電容工作于線路出現(xiàn)故障且繼保裝置仍需正常工作的情況下。在計算最長工作時間時，需要考慮保護(hù)動作時間、斷路器動作時間和重合閘動作時限問題。在相間三段式電流保護(hù)中，需要考慮其限時電流速斷保護(hù)和定時限過電流保護(hù)。限時電流速斷保護(hù)的最大時限是當(dāng)校驗靈敏系數(shù)不能滿足要求時，需考慮進(jìn)一步延伸限時電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，使之與下一條線路的限時電流速斷相配合，動作時限t″2=t″1+Δt，約為2 s，t″1為本線路電流保護(hù)的整定時間，t″2為下一條線路電流保護(hù)的整定時間，Δt通常為0.5 s。定時限過流保護(hù)的最大整定時限也約為2 s。非故障狀態(tài)時，斷路器跳閘滅弧時間為50 ms，故障狀態(tài)斷路器跳閘滅弧時間約為200～300 ms?？紤]一定冗余度后，設(shè)保護(hù)時間與斷路器動作時間之和tp=3 s。由于斷路器跳閘后進(jìn)行一次重合閘，需經(jīng)過一段滅弧時間和絕緣材料恢復(fù)時間，根據(jù)我國一些電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，如果第1次重合閘恢復(fù)及動作時間整定為0.3～0.5 s，一次重合閘成功率較低，而采用1 s左右的重合閘恢復(fù)及動作時間則較為合適；當(dāng)斷路器進(jìn)行二次重合閘時，則需增加重合閘恢復(fù)時間，將第2次重合閘恢復(fù)及動作時間整定為5 s左右的時間較為合適。

同時，當(dāng)線路檢修時，備用電源需為設(shè)備提供待機(jī)電流，其待機(jī)時間設(shè)置為Tb=24 h。

最后，考慮斷路器首次合閘前設(shè)備需提前帶電，因此備用電源最長提前工作時間為T0=5 s。

備用電源工作時間分布圖見圖7，其中，Ta=15 s，為線路失壓到斷路器最終跳閘時間；Tb=24 h，為線路檢修時間；Tc=15 s，為斷路器首次合閘到最終跳閘時間；T0=5 s，為備用電源提前喚醒時間；T1為一次重合閘時間，T2為二次重合閘時間；I1為高壓側(cè)電路板工作電流；I2為高壓側(cè)電路板休眠待機(jī)電流。

4.3.4 超級電容容量計算

由圖7可知，備用電源工作最長時間由Ta、Tb、Tc和 T0組成。 Ta、Tc、T0為設(shè)備處于工作狀態(tài)時間，此時設(shè)備功率消耗為P1，備用電源提供正常工作電流。Tb為設(shè)備處于休眠狀態(tài)時間，此時設(shè)備功率消耗為P2，備用電源提供待機(jī)電流。則超級電容保持期間所需要的總能量為：

超級電容提供的最大能量為：

其中，Uw為設(shè)備正常工作電壓（單位為V）；Umin為設(shè)備截止工作電壓（單位為V）。

由 Ek≤Ed得：

其中，C為超級電容的標(biāo)稱容量，單位為F。

超級電容器單元的額定電壓范圍為2.5～2.7 V，因此單一的超級電容無法滿足高壓側(cè)電路板額定電壓要求，需將多個超級電容進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計。當(dāng)超級電容串聯(lián)設(shè)計時，根據(jù)4.3.2節(jié)的分析，采用補償超級電容容量方法來解決超級電容組容量偏差帶來的問題。當(dāng)需要容量為C、額定電壓為U的超級電容組時，理論上選取2個額定容量2C、額定電壓為0.5U的超級電容進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計，考慮到電容器-20%的容量偏差，實際應(yīng)選取2個額定容量為2.5C、額定電壓為0.5U的超級電容來組成超級電容器。最后，考慮超級電容端電壓波動影響，需要設(shè)計DC-DC放電回路來提高超級電容利用效率。

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型的高壓取能方案，通過設(shè)計雙邊取能模式提高高壓懸浮取能可靠性；通過設(shè)計簡化電容式電壓互感器提高高壓取能電能質(zhì)量和設(shè)計應(yīng)用于高壓側(cè)的工作電源電路來提高工作電源可靠性；通過設(shè)計電源管理模塊來實現(xiàn)高壓取能與備用電源相互配合，消除取能死區(qū)與取能延遲問題。最后根據(jù)有源設(shè)備功耗大小與備用電源工作最大時間與工作環(huán)境，來設(shè)計科學(xué)合理的備用電源選型方案。