關于10 kV戶外柱上智能設備電源系統的研究

郭麗慧

摘 要：10 kV戶外柱上智能設備的電源不僅會受到取電方式、質量、空間體積和周邊環境的影響，還會受到電源系統自身固有缺陷的影響，導致電源系統故障的發生。如果電源系統的故障不能及時排除，就有可能會導致整個供電系統的故障，進而嚴重影響供電的安全性和可靠性。因此，對10 kV戶外柱上智能設備電源系統的設計進行探討是十分必要的。

關鍵詞：10 kV戶外柱；智能設備；電源系統；電容器

中圖分類號：TM762.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0037-02

隨著經濟的快速發展，我國的電力行業得到了前所未有的發展。隨著電網的不斷改造，越來越多的智能設備被廣泛地應用在10 kV架空線路上。其中，戶外柱上的智能設備已經成了10 kV配電網實現智能化、自動化的重要設備之一。由于電源系統的性能直接影響著智能設備的運行狀況，因此電源系統的設計至關重要。

1 10 kV戶外柱上常見的電源系統

1.1 超級電容器-鋁電解電容器電源系統

超級電容器-鋁電解電容器電源系統采用的是超級電容器和鋁電解電容器相組合的方式，超級電容器具備在較低溫度下運行的能力，即使在-40 ℃的低溫環境中，電容的損失量也小于28%.超級電容器的循環使用壽命通常可達到十幾萬次以上，這有效地解決了戶外柱上電源系統在復雜環境中運行壽命短的缺陷。但是，由于超級電容器的能量密度相對較小，因此它的使用會增加供電系統的成本投入。另外，超級電容器的大體積和質量上的缺陷嚴重影響了電源系統的防護等級和外形結構的設計。由于這兩種電容器同時存在，因此該電源系統的電源管理電路和充電電路的設計會更加復雜。

1.2 蓄電池-鋁電解電容器電源系統

蓄電池-鋁電解電容器電源系統采用了蓄電池和超級電容器組合的方式，通過電解電容器瞬間放電分閘開關，并由蓄電池維持交流失電時電容器的充電，保證了智能設備的正常運行。但是，如果蓄電池處于惡劣的環境條件中，電容器容量的損失就會比較大，甚至會導致蓄電池無法維持智能設備的正常運行，降低了智能設備的使用性能。

1.3 無后備電源系統

無后備電源系統利用電壓時間型開關能夠實現停電分閘和來電合閘等操作，因此不必考慮后備電源系統，這是相對于傳統電源系統的主流設計思路。目前，許多智能電源設備的電源系統設計廠家將組合式設計和模塊化設計應用到了電源系統的設計中，顯著地增加了電源系統的電壓型故障處理能力和電流型通信管理能力。運用電流型終端和電壓型終端整合在一起的設計理念，實現了電源系統的自動化和集成化，因此，無后備電源系統的智能設備終究會被時代所淘汰。

2 嵌入式-微處理器電源系統的設計

2.1 設計要求

嵌入式-微處理器電源系統以DC/DC變換電路、電池充電放電模塊、電池組和適配器等為功能模塊，以微控制器為控制和檢測的核心。由于不同應用領域中智能設備的電源系統的功能和結構不同，因此其對電源系統的功能和結構的要求也不盡相同。10 kV戶外柱智能設備電源系統的設計要求為使用壽命長、能耗低、電源系統自身的轉換效率高、功率和電壓可靠性高等。

2.2 設計思路

嵌入式-微處理器電源系統的總體設計思路為：①微控制器是數據控制和處理的核心。一方面根據狀態參數的實際狀況實現對驅動大功率的開關，另一方面通過監控電源系統的狀態和性能指標控制整個電源系統的電源供給。②電池組的溫度、電流、電壓等信息通過溫度測量電路、電流采樣和電壓采樣進入微控制器。③通過外部適配器的運作保證智能設備電池的正常充電。④電源系統的RS-232接口能夠將電源狀態接入嵌入式主板，并進行顯示。且微控制器通過主板的ATX電源接口和I/O口進行交互，保證了電源系統的ATX電源功能，實現了PW-OK信號和PS-ON信號的功能模塊。下面將重點介紹該電源系統的DC/DC變換電路和電池組的設計。

2.2.1 1DC/DC變換電路的設計

傳統的智能設備的電源系統通常采用的是一步式的電源轉化，這并不能滿足低壓大工作電流的要求；而嵌入式-微處理器電源系統中DC/DC變換電路的二步式變換設計，則有效地解決了該問題。例如，某嵌入式-微處理器的電源系統設計采用的是LTC3780芯片和LTC1628芯片，這兩個芯片為電源系統內部的各個功能模塊提供了相對穩定的電源。其中，LTC3780是一款性能較高的升壓-降壓開關型穩壓器，當輸入等于、低于、高于輸出電壓時，其都能保證電源系統處于正常的運行狀況。將LTC3780芯片作為核心控制芯片，其恒定頻率電流模式架構為電源系統提供了400 Hz的可鎖相頻率，并且通過無縫切換Buck-Boost開關模式，可在輸入和輸出電壓范圍內實現不同工作模式之間的無縫切換，有效地提高了降壓和升壓的效率，進而顯著地提高了該電源系統的穩定性。LTC1628芯片是具有較高性能的降壓式雙開關穩壓控制裝置，該控制器通過輸出級異相工作，能夠最大限度地降低輸入電容器的ESR（即等效串聯電阻）產生的噪聲、功效和控制器的RUN/SS引腳提供的軟啟動，并能在選定時實現短路停機。

2.2.2 電池組的設計

嵌入式-微處理器電源系統是基于RISC結構的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，因此，在進行電池組的設計時，應該選擇合適的電池組。目前采用的電池具有廢棄后難處理、充放電壽命短、能量密度低等缺點，其勢必會隨著時代的發展逐漸地被淘汰。近年來，鋰離子電池由于具有自放電率低、循環使用壽命長、無記憶效應、能量密度高、體積小和重量輕等方面的優點，因此被廣泛地應用在10 kV戶外柱智能設備的電源系統中，例如，三洋柱狀18650型鋰電池利用了4串聯4并聯的組合方式，使該鋰電池組具備了125 WH的能量，單節電池的容量也達到了2.1 Ah，這使其不僅具備了很強的續航能力，而且還顯著地增加了電池組的使用壽命。

電池組的充電電路的設計思路為：蓄電池和充電電路相連接，能夠隨時對電池組進行充電，充電的過程從大電流恒流充電狀態開始，充電器輸出恒定的充電電流，并能夠實時地檢測電氣兩端的電壓狀況；當電池組的電壓達到額定電壓后，立即停止充電，然后在該狀態下，保證電池組能夠輸出恒定的電壓；通過GPS觀測手段，能夠實現對電池組運行狀況的實時監測。當電池組的電量低于某個設定值時，該電源系統能夠發出相應的警報，并切斷電路，實現對電池組的狀態監測，以減小電源損耗，延長電池組的使用壽命。

3 結束語

上文分析了10 kV戶外柱上常見智能設備的電源系統，然后分析了一種新型的電源系統——嵌入式-微處理器的電源系統，并探析了該電源系統的設計方案，以供相關人員參考。

參考文獻

[1]狄東晗，張維，李保勇，等.10 kV戶外柱上智能設備電源系統的研究與開發[J].廣東電力，2013（06）.

〔編輯：王霞〕