关于10 kV户外柱上智能设备电源系统的研究

郭丽慧

摘 要：10 kV户外柱上智能设备的电源不仅会受到取电方式、质量、空间体积和周边环境的影响，还会受到电源系统自身固有缺陷的影响，导致电源系统故障的发生。如果电源系统的故障不能及时排除，就有可能会导致整个供电系统的故障，进而严重影响供电的安全性和可靠性。因此，对10 kV户外柱上智能设备电源系统的设计进行探讨是十分必要的。

关键词：10 kV户外柱；智能设备；电源系统；电容器

中图分类号：TM762.1 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）11-0037-02

随着经济的快速发展，我国的电力行业得到了前所未有的发展。随着电网的不断改造，越来越多的智能设备被广泛地应用在10 kV架空线路上。其中，户外柱上的智能设备已经成了10 kV配电网实现智能化、自动化的重要设备之一。由于电源系统的性能直接影响着智能设备的运行状况，因此电源系统的设计至关重要。

1 10 kV户外柱上常见的电源系统

1.1 超级电容器-铝电解电容器电源系统

超级电容器-铝电解电容器电源系统采用的是超级电容器和铝电解电容器相组合的方式，超级电容器具备在较低温度下运行的能力，即使在-40 ℃的低温环境中，电容的损失量也小于28%.超级电容器的循环使用寿命通常可达到十几万次以上，这有效地解决了户外柱上电源系统在复杂环境中运行寿命短的缺陷。但是，由于超级电容器的能量密度相对较小，因此它的使用会增加供电系统的成本投入。另外，超级电容器的大体积和质量上的缺陷严重影响了电源系统的防护等级和外形结构的设计。由于这两种电容器同时存在，因此该电源系统的电源管理电路和充电电路的设计会更加复杂。

1.2 蓄电池-铝电解电容器电源系统

蓄电池-铝电解电容器电源系统采用了蓄电池和超级电容器组合的方式，通过电解电容器瞬间放电分闸开关，并由蓄电池维持交流失电时电容器的充电，保证了智能设备的正常运行。但是，如果蓄电池处于恶劣的环境条件中，电容器容量的损失就会比较大，甚至会导致蓄电池无法维持智能设备的正常运行，降低了智能设备的使用性能。

1.3 无后备电源系统

无后备电源系统利用电压时间型开关能够实现停电分闸和来电合闸等操作，因此不必考虑后备电源系统，这是相对于传统电源系统的主流设计思路。目前，许多智能电源设备的电源系统设计厂家将组合式设计和模块化设计应用到了电源系统的设计中，显著地增加了电源系统的电压型故障处理能力和电流型通信管理能力。运用电流型终端和电压型终端整合在一起的设计理念，实现了电源系统的自动化和集成化，因此，无后备电源系统的智能设备终究会被时代所淘汰。

2 嵌入式-微处理器电源系统的设计

2.1 设计要求

嵌入式-微处理器电源系统以DC/DC变换电路、电池充电放电模块、电池组和适配器等为功能模块，以微控制器为控制和检测的核心。由于不同应用领域中智能设备的电源系统的功能和结构不同，因此其对电源系统的功能和结构的要求也不尽相同。10 kV户外柱智能设备电源系统的设计要求为使用寿命长、能耗低、电源系统自身的转换效率高、功率和电压可靠性高等。

2.2 设计思路

嵌入式-微处理器电源系统的总体设计思路为：①微控制器是数据控制和处理的核心。一方面根据状态参数的实际状况实现对驱动大功率的开关，另一方面通过监控电源系统的状态和性能指标控制整个电源系统的电源供给。②电池组的温度、电流、电压等信息通过温度测量电路、电流采样和电压采样进入微控制器。③通过外部适配器的运作保证智能设备电池的正常充电。④电源系统的RS-232接口能够将电源状态接入嵌入式主板，并进行显示。且微控制器通过主板的ATX电源接口和I/O口进行交互，保证了电源系统的ATX电源功能，实现了PW-OK信号和PS-ON信号的功能模块。下面将重点介绍该电源系统的DC/DC变换电路和电池组的设计。

2.2.1 1DC/DC变换电路的设计

传统的智能设备的电源系统通常采用的是一步式的电源转化，这并不能满足低压大工作电流的要求；而嵌入式-微处理器电源系统中DC/DC变换电路的二步式变换设计，则有效地解决了该问题。例如，某嵌入式-微处理器的电源系统设计采用的是LTC3780芯片和LTC1628芯片，这两个芯片为电源系统内部的各个功能模块提供了相对稳定的电源。其中，LTC3780是一款性能较高的升压-降压开关型稳压器，当输入等于、低于、高于输出电压时，其都能保证电源系统处于正常的运行状况。将LTC3780芯片作为核心控制芯片，其恒定频率电流模式架构为电源系统提供了400 Hz的可锁相频率，并且通过无缝切换Buck-Boost开关模式，可在输入和输出电压范围内实现不同工作模式之间的无缝切换，有效地提高了降压和升压的效率，进而显著地提高了该电源系统的稳定性。LTC1628芯片是具有较高性能的降压式双开关稳压控制装置，该控制器通过输出级异相工作，能够最大限度地降低输入电容器的ESR（即等效串联电阻）产生的噪声、功效和控制器的RUN/SS引脚提供的软启动，并能在选定时实现短路停机。

2.2.2 电池组的设计

嵌入式-微处理器电源系统是基于RISC结构的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，因此，在进行电池组的设计时，应该选择合适的电池组。目前采用的电池具有废弃后难处理、充放电寿命短、能量密度低等缺点，其势必会随着时代的发展逐渐地被淘汰。近年来，锂离子电池由于具有自放电率低、循环使用寿命长、无记忆效应、能量密度高、体积小和重量轻等方面的优点，因此被广泛地应用在10 kV户外柱智能设备的电源系统中，例如，三洋柱状18650型锂电池利用了4串联4并联的组合方式，使该锂电池组具备了125 WH的能量，单节电池的容量也达到了2.1 Ah，这使其不仅具备了很强的续航能力，而且还显著地增加了电池组的使用寿命。

电池组的充电电路的设计思路为：蓄电池和充电电路相连接，能够随时对电池组进行充电，充电的过程从大电流恒流充电状态开始，充电器输出恒定的充电电流，并能够实时地检测电气两端的电压状况；当电池组的电压达到额定电压后，立即停止充电，然后在该状态下，保证电池组能够输出恒定的电压；通过GPS观测手段，能够实现对电池组运行状况的实时监测。当电池组的电量低于某个设定值时，该电源系统能够发出相应的警报，并切断电路，实现对电池组的状态监测，以减小电源损耗，延长电池组的使用寿命。

3 结束语

上文分析了10 kV户外柱上常见智能设备的电源系统，然后分析了一种新型的电源系统——嵌入式-微处理器的电源系统，并探析了该电源系统的设计方案，以供相关人员参考。

参考文献

[1]狄东晗，张维，李保勇，等.10 kV户外柱上智能设备电源系统的研究与开发[J].广东电力，2013（06）.

〔编辑：王霞〕