一种低功耗配电终端的设计方案

2022-01-14沈剑韬

科技创新与应用 2022年2期

沈剑韬，刘伟，刘毅

（上海置信智能电气有限公司，上海200050）

随着配电网设备的一二次融合进程逐步推进，一二次融合型柱上断路器等新型开关设备也逐步得到推广[1-2]。但是一二次融合型柱上断路器普遍采用电容分压取电方式，导致取电的输出功率有限[3]，因此也影响了配套的终端设备（FTU）的供电功率。目前各相关断路器厂家产品电容取电功率最大约为25W，最小则为6W 左右。因此为后续配网一二次设备融合进程能够继续推进，降低配套FTU 的整机功耗以及提高取电功率必定会成为新的技术要求。

1 常规型FTU 功耗分析

目前，普遍挂网运行的FTU 仍属于电磁式常规型，整个终端设备主要由核心单元、线损模块、通讯模块、电源管理模块及后备电源五个模块构成，而一二次融合型终端在各模块构成上与常规型也是相同的。对某型号常规型FTU 样机进行功耗测量分析，以交流220V 供电，后备电源为铅酸电池。其整机系统供电原理图如图1 所示，T1、T2、T3为三个测试点，QF1～QF7 为各个空开，测试时将电压、电流探头置于测试点T1处，将AC220V 从测试点T1输入，利用功率分析仪，分别测得总输入功率Pin、核心单元功耗Ph、通讯模块功耗Pt、线损模块功耗Px、电源模块充电功耗Pb以及电源模块空载时功耗P0。然后将探头移至测试点T2，再次测得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后将探头移至测试点T3，再次测得电源模块充电功耗Pb。

选取图1 中T1、T2、T3三个测试点，对空开QF1～QF7（QF1、QF2 各控制一路交流电源输入，实验中令QF2 处于分状态不变）进行分合操作，利用功耗测试仪可测得不同情况下的功耗值。记录各次实验数据，并可根据实验数据计算出各模块功耗数值，计算结果如图2 所示。根据图2 分析可知，在FTU 整机工作功耗中，电源模块给蓄电池充电功耗占比最大，其次为核心单元，因此降低FTU 整机功耗应主要从这两方面考虑。

2 低功耗终端核心单元设计

根据图2 统计的实验数据，核心单元占FTU 整机功耗的30%左右，其主要由主控、遥信、遥控、电源、采样等几部分路构成[4-5]，核心单元的功耗主要集中于主控板和电源转换电路。电源电路为各元器件提供工作电压，常规型FTU 核心单元采用24VDC 输入，设计有24VDC/5VDC、5VDC/±5VDC、5VDC/3.3VDC 等多个电压转换电路。而低功耗设计方案可直接利用5VDC 供电，则可以消除24VDC/5VDC 电压转换过程中的功率损耗。以原有电路某24VDC/5VDC 转换模块为例，该模块转换效率约为80%，图1 中在T2点测得模块输入电压27V，输入电流0.2A，则功率损耗约为1W。

图1 常规型FTU 系统供电原理

图2 常规型FTU 各模块实际功耗

主控电路是核心单元的核心部分，主控MCU 芯片的选择直接影响这部分电路的工作功耗，本设计方案主控MCU 选择STM32F407ZGT6，并且根据芯片工作手册，该芯片具有睡眠和待机两种低功耗工作模式[6]，则可以在原有主程序中嵌入两种低功耗工作模式。切换工作模式后，功耗会降低0.3W 左右。另外，通讯和线损模块选用低功耗模块，并且可集成于主控电路中，在降低功耗同时还可以简化终端机箱布局，节省空间，通讯和线损模块可降低功耗约1W。则整个低功耗FTU 核心单元的结构框图如图3 所示。

图3 低功耗FTU 核心单元结构图

3 低功耗终端电源模块设计

电源模块是FTU 整机系统供电的核心模块，用于实现各种输入电压的管理和分配、输出电压给系统各模块供电、蓄电池的充电及状态监测等多种功能。根据以上分析可知，低功耗终端系统的取电方式与常规式不同，以ZW32 型某一二次融合型柱上断路器为例，其电容取电电压范围为18V～54V，标准值约42V。同时，为增加终端的取电功率，可增加太阳能取电方式，设计太阳能电池板额定输出电压约36VDC，最大输出功率80W，最大输出电流约2.2A。

因此，在电源模块设计方案中，须设计两个输入电压通道，电容取电42VDC 和太阳能取电36VDC，并且两个通道设计不同的电池充电电流，电容取电最大充电电流为0.2A，太阳能取电最大充电电流为2A，这样在仅有电容取电情况下，电池充电功耗会有效降低。另外，电源模块设计5VDC、24VDC 两路电压输出，5VDC 给终端核心单元供电，同时再输出24VDC 作为开关操作电压和遥信遥控电压。则设计低功耗FTU 电源模块供电原理图如图4 所示，具体的实现途径则需要通过电源模块厂家在原有电源模块设计方案基础上改进。

图4 低功耗FTU 电源模块供电原理

而终端配套的蓄电池则选用磷酸铁锂电池，与常规型终端中普遍选用的铅酸电池相比，锂电池在环保性、安全性和使用寿命上具有更好的性能[7]，选用锂电池输出电压和电池容量为24V/15Ah，短时输出功率≥300W/15s。电源模块的设计难点其主要体现在：（1）供电方式由原来的两种变为三种，则模块内部的供电逻辑会更复杂。（2）三种供电方式必须有无缝切换功能，当某一种或两种供电方式失电时，剩余的供电方式要立即投入，确保系统正常供电运行。

4 结论

根据以上实验和分析，原常规型FTU 核心单元加上通讯、线损模块的直流功耗约为6.8W，而第2 部分提出的改进设计方案使这部分功耗降低约2W，低功耗终端的核心单元功耗约为4.8W。而根据第3 部分内容，仅有电容取电情况下最大充电功耗约为5.6W（浮充电压28V，充电电流0.2A），则当断路器电容取电功率大于5W 即可确保终端装置正常运行（核心单元可以正常工作），大于11W 时则可以达到最大充电电流。由于太阳能取电的不稳定性，则在不考虑太阳能取电的前提条件下，对比不同的电容取电功率时终端工作情况，具体如表1 所示。