拓扑识别特征电流发射电路研究

邹其峰 吴有超 黄 亮 唐玉建

北京智芯微电子科技有限公司

0 引言

在能源互联网和智能电网重点建设大背景下，提高电力企业对信息的获取与处理能力，促进电网管理，促进信息间的互动，已经成为未来电网建设的趋势。低压配电用电环节是电网极为重要的一个环节，也是目前电力公司比较薄弱的环节[1]，其中面临的一个主要问题就是户变关系的准确识别。

户变关系识别的准确性在整个电力营销业务中非常重要，它既是每个台区配电服务的基础，也是规划配电方案和计算台区线路损耗的依据，同时更是台区优化用电质量的重要参考。现实中，因配网建设发展造成的频繁变动（如增容、布点、割接、迁建等）、用电负荷数量增多、负荷位置变化等原因，使得用电负荷台区户变关系出现变更，造成户对线不对变等问题。加之受线路交叉、地埋线路等条件限制，用电负荷表计与变压器的隶属对应关系很难及时更新，直接影响供电公司基础数据的精准性。不准确的户变关系主要有以下几点不利影响：1)配电台区线路损耗分析数据有误差；2)影响新增负荷配电规划，产生负载不均衡等问题；3)影响远程业务开展。这些问题妨碍了基础电力业务的开展，同时也影响了电力公司的精细化管理。

低压配电台区拓扑识别的主要作用就是明确各个台区中用电负荷与本台区供电变压器之间的供电归属关系，即解决台区户变关系识别问题。目前，电力基层进行户变关系识别主要以人工为主，存在如下两类问题[2-3]：1)需人到现场挨个表箱进行核查，费时费力且效率低下。2）采用瞬间停电法进行核查，对表计的质量、停送电间隔、现场用户服务等要求较高，同时该方法对供电质量影响较大，存在用户投诉和损坏用户家用电器的风险[4]。通过特征电流发射电路实现拓扑识别的方法可以很好地解决上述问题。

1 基本原理

整个拓扑识别过程中有四个参与者，即主站、带交采功能的终端装置、智能电表以及特征电流发射电路。其中特征电流发射电路以模组形式安装于智能电表中，电表负责给特征电流发射模组提供电源及控制信号。整个拓扑识别流程如下：当主站收到进行拓扑识别指令后，主站给安装有特征电流发射模组的智能电表发送命令。智能电表接收指令并启动特征电流发射模组。模组启动后，会在火零线之间产生一定的特征电流，该电流符合相应的频域规律。在线路的相应位置有带交采功能的终端设备，这些终端设备会对线路上的电流信号进行实时的采样分析，记录并上传识别到的特征电流的时间参数。最后主站通过对所有时间参数进行对比分析，实现整个台区的拓扑识别工作。

2 恒阻特征电流发射电路

当实际应用时，如果对电表内置的特征电流发射电路没有空间要求限制，可以采用恒阻特性的特征电流发射电路。电路结构如图1所示。

图1 发射电路的电路结构

整个发射电路由四个部分组成，分别是强电主回路、弱电控制、MOS 驱动以及驱动供电。电路产生的特征电流主要有两个指标，一是电流幅值需要达到规定值，二是电流在频域中符合一定规律。对于第一个指标，主要由强电主回路决定，通过设置主回路中的电阻参数产生符合规定幅值的电流。电流幅值不能太小，如果太小，产生的特征电流可能无法被终端设备检测到；同时幅值也不能太大，如果太大，电路产生的功耗过高造成电能浪费。综合考虑，本电路设计中要求产生特征电流的峰值为450mA。对于第二个指标，主要由弱电控制决定。电路的弱电控制信号来自智能电表的MCU 芯片。当电表收到主站开始拓扑识别的指令后，会对弱电控制电路输出特定的PWM 信号，该PWM 信号通过弱电控制电路控制MOS 驱动，进而控制MOS 管的通断，从而令强电主回路产生的电流具备一定的频域特征。MOS 驱动电路主要用于给强电主回路中的MOS 提供栅极驱动电压。驱动供电电路主要为驱动提供一个稳定的直流电压。

发射电路详细电路图如图2所示。强电主回路使用大功率插件电阻串联产生峰值为450mA 的特征电流。MOS 管与主回路串联，同时并上保护MOS 管的RC 吸收回路。MOS 驱动采用经典的推挽驱动电路。当需要MOS 导通时，驱动供电电路为驱动供电，通过Q2、R6 路径给MOS 提供栅极驱动电压；当需要MOS 关断时，驱动供电电路停止供电，同时 MOS 通过 R5、D5、Q3 路径放电。驱动供电电路通过并联稳压为MOS 驱动电路提供稳定的12V 直流电源。弱电控制与MOS 驱动通过光耦连接，在进行控制信号传输的同时实现强弱电隔离。

恒阻特征电流发射电路实物测试板如图3 所示，图4为特征电流波形。经实际测试，电路能够产生符合幅值、频率要求的特征电流。

3 恒流特征电流发射电路

图2 发射电路原理图

图3 测试板实物

图4 特征电流波形

当实际应用时，有时候表内并没有太大的空间留给特征电流发射模组，甚至一些情况下发射电路需要集成到电表内其他单元的电路板上。为了减小发射电路的体积，可以采用恒流特性的特征电流发射电路。

在恒阻电路中，占用空间最大的就是主回路中的直插大功率电阻。可以通过使用贴片电阻的方法来缩小电路体积。因为特征电流的峰值已经确定为450 mA，所以整个主回路功耗一定。恒阻回路中基本上所有的电压是由电阻承受的，MOS 管在回路中相当于一个开关，基本不分压，因此全部功耗都在电阻上。单个贴片电阻所能承受的功率有限，一般最大为3 W，如果还是用电阻承担整个功耗会造成电阻损坏。通过研究，可利用MOS 承压的方式解决这个问题。MOS 有三个工作区，分别是截止区、可变电阻区、恒流区。当MOS 处于恒流区时，导通状态下相当于是一个阻值较大的电阻，可以承受一部分功率。因此，让MOS 导通时工作在恒流区可以降低电阻承受的功率，缩小电路体积。由于MOS 工作在恒流区时流过的电流恒定，所以，以该思路设计的电路叫作恒流特性的特征电流发射电路。

在实际电路设计过程中，通过设置合适的栅源电压来使MOS 管工作在恒流区。本文使用的MOS管是一款耐压900 V、电流5.4 A、极限功率160 W的大功率MOS 管。其输出特性曲线如图5所示，从图中大致可以推算出流过峰值电流为450 mA 时其栅源电压大约在5 V。通过对电路参数进行调试验证，最终使MOS 工作在恒流区。

图5 MOS 管输出特性曲线

图6 是恒流发射电路原理图，弱电控制和MOS驱动与恒阻电路一致，对强电主回路以及驱动供电电路进行了调整。强电主回路中，主要调整了电阻的位置及阻值。因为MOS 承压时会使得MOS 的温度上升，因此需要对整个回路的功率作出合理分配，使得MOS 在分担功耗的同时不至于温度过高。驱动供电电路中，去掉了整流部分，直接从主回路整流桥后侧取电，进一步缩小了电路面积。

图6 恒流发射电路原理图

恒流特征电流发射电路实物测试板如图7 所示，图8为特征电流波形。经实际测试，电路能够产

图7 测试板实物

本文针对拓扑识别设计了两种特征电流发射电路。恒阻发射电路用于无空间限制条件下，恒流发射电路用于限制空间条件下。两者都能产生符合要求的特征电流，完成拓扑识别任务。对于恒流电路，如果特征电流发射频率过高，还可采用PCB板开窗、加散热片等方式进一步降低MOS 温度。利用特征电流发射电路来进行户变关系识别，可以有效地提高识别效率，降低投入成本。生符合幅值、频率要求的特征电流。同时对MOS进行了单独的温度测试，20 次实际工作条件测试下，MOS 升温低于60 k，符合实际应用的要求。

4 结束语

图8 特征电流波形