智能电源转换控制设备的设计

唐肖军，唐建业

（浙江嘉科电子有限公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引 言

随着硬件技术的发展和生产力的进步，智能电源的应用逐渐广泛。智能电源的控制理论是智能电源体系应用的重点内容，也是智能电源设备应用的核心基础。控制工具和控制基础原理一直是控制行业研发与应用的热点[1]，二者如何通过合适的载体衔接起来，是电源市场创新的关键点。为保障系统正常运行，转换控制设备需在高功率、高密度以及大范围的环境温度内稳定运行。此外，需要通过网络化的智能监控管理实现全数字化控制，从而实现安全稳定运行和节能环保的目标[2]。

1 设备原理及方案

馈线终端设备（Feed Terminal Unite，FTU）作为智能电源控制与转换的重要组成部分，能够实时监控输电线路中的供电情况，实现自动化控制。它的安全性能直接决定着智能电源运行的稳定性。供电的高质量发展对设备运行稳定性的提高具有重要意义[3]。本文设计的FTU智能电源转换控制设备主要包括用电模块和稳压模块。其中，稳压模块根据实测结果将输电电压稳定在所需要的稳定值区间内，从而达到稳定输出电流的目的[4]。

1.1 设备要求

控制设备的稳定性和可靠性对设备运行至关重要。不同环境对控制设备的要求不同，如安装于户外恶劣环境中的设备，其元器件的保障要求极高。元器件之间的通信协议和耦合性能也是设备设计要求的重点内容。不同组件之间的耦合性能直接影响软件的整体运行水平，需要反复测试，以保证元器件的稳定性。

1.1.1 冗余供电要求

为满足FTU的监测需求，设备在主路失电的情况下需要能够在短时间内稳定工作，从而实现对设备的冗余供电。因此，电源设备应具备能够热备份的备用电源，以实现主备供电的功能。

1.1.2 输入要求

FTU设备在户外安装过程中会有不便，且一般不会备用专业变压器。因此，安装过程中需要从配电网上直接获取输入性电源来满足需求。这就要求FTU设备具备高压电源取电性能。

1.2 设备方案

结合数字电源技术和先进控制技术，依据实际的功能需求，本文提出了智能电源控制设备方案。

（1）主路模块。根据设备对电压的基本需求，主路模块需将AC 220 V电压转换成直流电压。不仅能够有效通过主路电压对FTU进行供电，还能实现双向的供电和取电。

（2）冗余模块。它作为设备的备用电源进行热备份供电。当设备内有取电需求时，冗余模块能够及时对设备进行供电，从而满足功能性需求。

（3）超级电容器组。通过超级电容为电容器组进行平稳放电，应尽可能地提升超级电容器组的能源有效利用率，从而为FTU提供有效的稳定电源。

（4）稳压模块。对稳压模块进行有效的智能化控制，保证电容器组运行稳定。当发生突发情况时，通过稳压模块的元器件可进行有效承压，从而保证整个设备运行的安全。需要说明的是，稳压模块的性能受整个设备综合运行水平的影响。

（5）数字控制器。通过二极管实现设备的稳定切换。电路设备进行优化控制时，由主路模块将智能电源转换成直流电源，分别向主电路和辅助电路输出电流。失电情况下，由冗余模块对设备进行供电。

2 设备硬件设计

2.1 直流输出

设备采用13路输出。其中，4路输出为AC 220 V，输出电压范围为AC （220±10%）V；9路为DC+28 V和备份DC +24 V双输出，输出电压精度≤3%。

2.2 内置芯片架构

电源设备的主控芯片是在ARM的基础架构上进行设计的，所以嵌入式环境能够有效适用本设备的开发工作。电源设备汇编语言的开发环境选用MDK集成开发环境，能够最大限度地支持软件的仿真情况，进而完整地展现整个设备的综合运行工况。同时，它支持JTAG设备的硬件仿真形式，并具有强大的编译功能。开发环境能够支持代码的生成和各类调试器的综合调节，在指令模拟中能够通过KEIL集成好开发环境，实现软件开发操作界面和软件编译的同时运行，同时实现拥有代码生成接口和语法敏感性接口的编译功能。

2.3 硬件与外形设计

2.3.1 外形尺寸要求

电源转换控制设备结构的前后面板示意图，分别如图1和图2所示。由图可知，它的外形尺寸中，宽为482.6 mm，高为3U（132.5mm）。

2.3.2 网络接口参数

电源转换控制设备内置10/100 M自适应以太网接口，通过网络服务器与上位机进行通信。它的网络接口参数如表1所示。

表1 网络接口参数表

图1 前面板示意图

图2 后面板示意图

一路单相AC 220 V/50 Hz交流输入电源转换控制设备，通过交流电磁兼容滤波器给内部辅助电源和电源转换控制设备隔离模块供电。辅助电源输出12 V给主控单元电路、显示触摸屏和风机供电。主控单元电路可以通过网络接口由上位机遥控控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的输出，也可以通过本地面板开关控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的输出。用户可以通过显示触摸屏切换遥控和本地功能，可自行修改网络IP地址。此外，显示触摸屏还可以显示当前各路输出的状态信息。电源转换控制设备通过电压和电流检测控制电路，实时采集输出电压和电流的信息，一旦出现异常，立刻关闭输出并显示保护状态。主控单元电路和电压电流检测控制电路通过串口总线通信，将输出电压、电流以及电源内部温度信息传给主控单元电路进行汇总，并通过网络传递到上位机，从而方便用户实时监测电源的运行状态。

2.4 设备控制电路

设备控制电路采用了具备电流电压采集功能的控制器芯片。通过单片机输出一个高低电平来控制（开通或者关断）光耦，从而达到控制输出的目的。直流输出控制电路如图3所示。

图3 控制电路图

3 控制设备的控制策略

设备运行中主要采用分阶段的启停控制来进行综合控制。启停控制功能可以对设备的运行状态和形式进行有效的互补，不仅可以有效解决设备运行过程中对元器件产生的冲击，也在一定程度上减少了对设备的损害。

4 功能介绍

转换控制设备的功能需求主要建立在智能电源的基本需求上，满足放电的需求，从忽略对象性能退化的控制调节向考虑对象性能退化的控制调节转变。电源转换技术的本质是对控制设备的健康状态管理进行整体性指导，从而预测管理对象全生命周期内的故障/损伤与维护维修。该设备将传感器、算法、故障模式、故障症兆、诊断结果及维修任务等元素进行有机组合，形成了一种新的随机应对控制设备。设备软件采用ST公司开发的底层平台，可应用于嵌入式设备和离线设备。

5 结 论

根据设计要求设计了转换电源的控制设备，且基于超级电容器的储能FTU智能电源，根据设备形式介绍了相应的组成结构、工作原理、各个功能块的基本组成部分以及软硬件之间能够实现的功能。具体地，基于终端设备的电源需求，提出了超级电容的转换控制设备设计内容的具体实施方案。数据控制模块体系通过各类稳压电气结构策划数控原理和拓扑结构，能够有效提升数据的稳定性。根据数据模块的稳定策略，基本验证了电源的实际充放电过程，也充分验证了硬件设计和软件控制策略的重要性和正确性。实际的测控结果显示，设计的设备可以实现数据的精准测量。