用于高压电能表的新型电源管理单元设计

程瑛颖，杜 杰，肖 冀，侯兴哲，周 峰

(国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123)

用于高压电能表的新型电源管理单元设计

程瑛颖，杜 杰，肖 冀，侯兴哲，周 峰

(国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123)

新型高压电能表具有计量精度高、低功耗、信息化、智能化等优点，获得了越来越多的应用;论文对新型电能表计量装置的供电需求进行了探讨，在此基础上设计了一基于感应电流取能的新型电源管理单元，在稳压器输入端增加了电能智能存储功能，确保在极端工作条件下，电能表仍具有计量、数据存储、无线抄收等功能，避免了因利用该技术出现断电及断电重启时刻导致的计量损失;测试结果表明，电源管理单元能够确保电能表在极端情况下稳定工作4.5小时。

感应取能；高压电能表；电源管理单元；自供电

0 引言

电能计量装置是发、供、用电三方用于贸易结算的计量器具，在电网中应用量大、地位重要，对其安全性、可靠性、准确性等都有很高的要求。传统的电力计量装置主要利用电压互感器、电流互感器和电表等多个分离部件共同组合在一起，存在功耗大、误差大、原材料浪费、容易被窃电等问题[1-2]。随着先进传感测量、通信、信息、计算机等技术的飞速发展，新型传感器式高压电能表被提了出来。此类装置计量回路一般悬浮在高压侧，从根本上杜绝了低压侧窃电行为，为与常规低压回路的电能表区分，本文将传感器式高压电能表简称为高压电能表[3]。高压电能表大多基于微控制器实现电能计量，同时具有数据显示、传输等功能，智能化程度高、计量误差小。在高压等电位工作状态下，电能表中微控制器及相关集成芯片如何获得供电电源，是电能表能够稳定工作的基本保障。目前针对高压等电位下芯片的工作电源获取，主要有如下几种方式[3-4]。

首先是太阳能电池供电，该技术方案成熟、清洁无污染、可再生，符合智能电网的要求。但太阳能电池板装备沉重，容易受光照、环境温度、昼夜、灰尘等因素影响，发电功率的不确定性限制了其大规模应用。其次是激光供能，该技术通过在位于地电位上的大功率激光器产生光能，再通过传能光纤传输到高压区，然后通过光功率转换模块转变成电能。该方式的突出优点是电源能量供给稳定，不受电磁干扰和电网运行状态的影响；缺点是光功率转换效率低、大功率激光器寿命低、设备费用昂贵等。第三是电容分压器取能，这是目前应用较为广泛和稳妥的供电方案。在高压电能表的供能要求中，其可以采用“相电压”来分得高压等电位工作电源。该技术具有宽电压适应范围，在额定电压的50%～200%范围内，均能长期稳定工作，同时装备轻便、高效。最后是感应电流取能，该技术是应用较为广泛、优点较多的一项先进技术，有效地利用了高压电线周围存在的交变磁场，通过电磁感应原理获取电能，然后经整流、滤波等后续处理，将稳定直流电提供给计量装置各功能模块。该方案合理利用了可利用资源，节能环保、体积小、成本低、使用安全方便。

在高压电能表供电需求中，利用感应电流取能技术还存在一些技术问题：1)大电流能量泄放保护，如何设计保护电路及互感器是一大难点；2)当母线电流接近空载时，如何保证电源的稳定供应，恢复通电时如何保证电能表立即开始计量等。本文将采用感应电流取能技术为高压电能表供电，在分析现有电能表功耗的基础上，针对上述两个问题设计了一新型电源管理单元，使感应电流取能技术更加实用化。

1 高压电能表功耗分析

电能表是电能计量装置，但其本身也是电能的消耗者。目前我国在线使用的各类电能表约有数亿只，自身功耗差别较大。根据文献[5]给出的数据，现将各类电能表自身功耗情况介绍如下：

1)感应式电能表，市场占有率约在15%～20%之间，自身功耗在1.7 W左右；

2)电子式电能表，市场占有率约在50%以上，功耗约在1W到1.5 W之间；

3)智能电能表，市场占有率约在20%～30%之间，自身功耗分散性很大，最少功耗为0.2 W，最大功耗为1.4 W，大部分在1.1 W左右。

本文所述的电能表采用微控制器实现电能计量，其功耗近似等于智能电能表的功耗。根据国网标准Q/GDW-364-2009和Q/GDW-362-2009，智能电表的功率消耗应不大于1.5 W。结合文献[5]调研的数据，可见国网标准规定的最大功耗虽然有其合理性，但仍存在标准过低的问题。各厂家为了提高产品竞争力，一定会尽力降低电能表自身功耗。结合上述分析，本文所设计的电源管理单元，其额度输出功率定假设为1 W，可以满足大多数高质量电能表的正常供电需求；另外本文还默认当母线突然断电或停电检修时，电能表会通过智能判断自动进入低功耗状态，输出功率设定为0.5 W。

2 电源管理单元

2.1 系统结构及原理图

由于母线电流存在电流起伏范围大、不稳定等因素，感应线圈两端的电压及输出功率也很不稳定。如何设计优化得到最简单、可靠的电源管理电路，将不稳定的输入电压源进行有效管理，进而输出稳定可靠的直流供电电压，一直是近些年来众多技术人员的努力方向[6]。

图1 利用感应电流取能的电源管理单元结构及原理图

图1所示为针对高压电能表的供电需求设计的基于感应电流取能电源管理单元原理图，其中感应取能装置为电源管理单元的能量源；整流模块则将感应得到的交流电转换为后续电路所需的直流电并存储于储能电容之中；电压滞回比较器模块通过设计相关参数智能控制稳压器输入端的通断，确保后续电路能够稳定工作；稳压器则负责直接为被供电电路即高压电能表模块提供标准稳定直流电压。

当母线电流为10 A时，感应取能线圈的最大输出功率应大于1 W。线圈输出的交流电V感应首先通过全桥整流电路转换成直流电并存储于储能电容C储能中，在C储能和稳压器输入端之间增加电能智能存储模块，用于控制储能电容与稳压器输入端之间的连接与否，确保稳压器芯片能够稳定工作，进而保证输电母线在一定时间内恢复通电时，电能表能够立即开始电能计量。

图2 储能电容输出通断示意图

图2所示为储能电容与稳压器输入端之间的通断示意图，该功能通过滞回电压比较器实现。在初始阶段，C储能两端的电压必须达到电压V2时才提供输出。此时如果取能线圈的输出功率大于电能表消耗功率，储能电压V储能会继续上升，但不超过所设计的保护电压；若取能线圈无输出功率或小于消耗功率，储能电压V储能会下降，但稳压器仍能继续工作，直至电压下降至V1。因此储能电容中至少能存储Emin的电量，如式(1)所示。通过该式可以看出，要想增大存储电量，可以通过提高电容容量C储能及电压V2实现。

2.2 电源管理单元的电路实现

由于取能线圈输出为交流电，因此要先通过桥式整理电路将交流电转换为直流电进而存储于图3所示的储能电容中。整流桥输入端双向稳压管及输出端36 V单向稳压管主要用于大电流能量泄放保护以及后续芯片保护。储能电容选择额定电压2.7 V，容量500 F的10个超级法拉电容串联而成，该方案提升了存储电压，相比并联电容组理论存储能量提高了10倍。超级法拉电容的体积与1号电池(35×60 mm)相近，这在高压电能表的装置设计中是可以接受的。

图3 整流部分电路图

为使DC/DC电源稳压器芯片能够正常工作，同时当输电线路恢复供电时，电能表能够立即开始计量，用于决定储能电容与稳压器输入端之间的电压滞回比较器必不可少。图4所示为该部分功能电路原理示意图。其中参考电压VR(+5 V)由芯片LTC3330提供，VR同时还作为比较器芯片LT1716的电源电压。考虑到LT1716芯片本身的电源电压功耗较低，参考电压的输入源为取能线圈中另一抽头小线圈提供，此部分设计LTC3330芯片手册中提供了较为完整的参考电路[7]。

滞回比较器中，电阻R2的阻值为330K，R3的阻值为1M，两电阻值均偏大，有利于降低储能电容在该支路的功耗。同时电阻R3的阻值是R2的3.03倍，因此滞回比较器中V1为5 V，V2为20.15 V。结合公式(1)可以计算电源管理电路开始工作时，存储电容中至少存储了9525.6 J的电量可供后续电路消耗，不考虑稳压器转换效率，假设电能表功率为0.5 W，理论计算稳压器可以稳定工作5.3小时。

图4 滞回比较器部分电路图

电源管理单元中稳压器芯片选择LT3971，该芯片能够提供+5 V的直流稳定电压，输出电流最大为1.2 A，满足电能表的电源供电需求。图5所示为该部分电路原理图，电路设计简单，输出电压稳定。

图5 稳压器部分电路图

3 电源管理单元功能验证

为验证上述设计，本实验采用220 V的交流电源外接变阻器(10～100 Ω)模拟输电线电流。考虑到稳压器输出端为直流电压，因此选择阻值为50 Ω的纯电阻用于模拟电能表功耗。

图6 电源管理单元存储电压及供电电压波形图

图6所示为电源管理单元输入输出端电压波形图。首先将通有电流的输电线置于取能线圈中，由于电路中设计了电压滞回比较器来控制输入端通断，此时稳压器不工作，取能线圈获得的电能被完全存储于超级电容中，储能电压从0开始升高，直至20.15 V。此时电压滞回比较器输出高电平，控制输入端开关M2(图4所示)闭合，稳压器开始工作，输出稳定的直流电压V供电。此时断开输电线电流，测电源管理单元实际工作时长。

利用实时控制系统dSPACE(DS1103)结合Matlab软件测储能及供电电压，采样率为100 Hz。但实际存储数据时，为压缩数据量，软件自动对100个点求平均再存储，故实际采样率为1 Hz，即每秒得到1个电压值，最终电压波形曲线如图6所示。从图中曲线可以看出，当储能电压V储能低至4.93 V时，电压滞回比较器输出跳变为低电平，输入端开关M2断开，稳压器不再工作。通过实验结果可直观看出，当输电线断电时，电源管理单元至少还能稳定工作约4.5小时，该值比理论计算的5.3小时要短，主要原因是理论计算时并没有考虑稳压器的转换效率及电压滞回比较器输入端的功耗。

4 结论

本文首先分析了新型高压电能表的功耗需求，在此基础上开发了一套基于感应电流取能的电源管理单元，包括整流、限流保护、欠流保护、DC/DC稳压等功能。最后在实验室环境下测试了电源管理单元工作的稳定性。实现结果表明，若输电母线无电流通过，存储的电能可以保证电能表稳定工作4.5小时，确保母线在该时间段内恢复通电时，计量装置能立即开始电能计量同时不丢失存储数据。另外，该电源管理单元没有采用普通的电池存储技术，符合当今绿色发展的价值观，具有较高的应用前景。

[1] 徐汉成. 电流互感器的误差对电能计量的影响分析[J]. 中国计量, 2009, (12): 87-88.

[2] 项 毅. 高耗能企业的电能计量与节能途径研究[D]. 杭州：浙江工业大学, 2009.

[3] 郭琳云. 一体化高压电能计量装置及其在智能配网中的应用[D]. 武汉：华中科技大学，2010.

[4] 宋 娇. 配电网智能设备取能电源设计[D]. 济南：济南大学, 2014.

[5] 冀 友, 汤元信, 公茂法, 等. 多用户智能电能表自身功耗及其功能特点[J]. 科技信息, 2014, (3): 66, 89.

[6] 秦 欢. 高压测量系统感应取能电源设计[J]. 现代电力, 2009，26(5): 32-36.

[7] Linear Technology, Inc. LTC3330 Manual [Z]. 2013.

Design of a New Power Management Unit Used for High Voltage Watt-hour Meters

Chen Yingying, Du Jie, Xiao Ji, Hou Xingzhe, Zhou Feng

(Electric Power Research Institute, Chongqing Electric Power Company, Chongqing 401123,China)

New high voltage watt-hour meters have the advantages of high precision measurement, low power consumption, informationization, intelligence, etc. which are selected in more and more applications. This paper researched on the power supply of the new metering devices, designed a new power management unit based on induction current energy harvesting. The unit introduced a smart electrical energy storage function between the voltage regulator and the energy harvesting coil, made sure the metering devices can operate stably, avoided the metering losses due to the power off of the metering devices. The experimental results showed that the storage electrical energy could supply for 4.5 hours without the energy harvesting.

induction energy harvesting; high voltage watt-hour meter; power management unit; self-powered

2016-08-10；

2016-09-06。

程瑛颖(1976-)，女，四川人，高级工程师，主要从事电能计量装置的技术研发及项目管理方向的研究。

杜 杰(1987-)，女，陕西人，工程师，主要从事电能计量及独立装置电源管理技术的研发的方向的研究。

1671-4598(2017)01-0236-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.065

TM91;TM835

A