智能電源轉換控制設備的設計

唐肖軍，唐建業

（浙江嘉科電子有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引 言

隨著硬件技術的發展和生產力的進步，智能電源的應用逐漸廣泛。智能電源的控制理論是智能電源體系應用的重點內容，也是智能電源設備應用的核心基礎?？刂乒ぞ吆涂刂苹A原理一直是控制行業研發與應用的熱點[1]，二者如何通過合適的載體銜接起來，是電源市場創新的關鍵點。為保障系統正常運行，轉換控制設備需在高功率、高密度以及大范圍的環境溫度內穩定運行。此外，需要通過網絡化的智能監控管理實現全數字化控制，從而實現安全穩定運行和節能環保的目標[2]。

1 設備原理及方案

饋線終端設備（Feed Terminal Unite，FTU）作為智能電源控制與轉換的重要組成部分，能夠實時監控輸電線路中的供電情況，實現自動化控制。它的安全性能直接決定著智能電源運行的穩定性。供電的高質量發展對設備運行穩定性的提高具有重要意義[3]。本文設計的FTU智能電源轉換控制設備主要包括用電模塊和穩壓模塊。其中，穩壓模塊根據實測結果將輸電電壓穩定在所需要的穩定值區間內，從而達到穩定輸出電流的目的[4]。

1.1 設備要求

控制設備的穩定性和可靠性對設備運行至關重要。不同環境對控制設備的要求不同，如安裝于戶外惡劣環境中的設備，其元器件的保障要求極高。元器件之間的通信協議和耦合性能也是設備設計要求的重點內容。不同組件之間的耦合性能直接影響軟件的整體運行水平，需要反復測試，以保證元器件的穩定性。

1.1.1 冗余供電要求

為滿足FTU的監測需求，設備在主路失電的情況下需要能夠在短時間內穩定工作，從而實現對設備的冗余供電。因此，電源設備應具備能夠熱備份的備用電源，以實現主備供電的功能。

1.1.2 輸入要求

FTU設備在戶外安裝過程中會有不便，且一般不會備用專業變壓器。因此，安裝過程中需要從配電網上直接獲取輸入性電源來滿足需求。這就要求FTU設備具備高壓電源取電性能。

1.2 設備方案

結合數字電源技術和先進控制技術，依據實際的功能需求，本文提出了智能電源控制設備方案。

（1）主路模塊。根據設備對電壓的基本需求，主路模塊需將AC 220 V電壓轉換成直流電壓。不僅能夠有效通過主路電壓對FTU進行供電，還能實現雙向的供電和取電。

（2）冗余模塊。它作為設備的備用電源進行熱備份供電。當設備內有取電需求時，冗余模塊能夠及時對設備進行供電，從而滿足功能性需求。

（3）超級電容器組。通過超級電容為電容器組進行平穩放電，應盡可能地提升超級電容器組的能源有效利用率，從而為FTU提供有效的穩定電源。

（4）穩壓模塊。對穩壓模塊進行有效的智能化控制，保證電容器組運行穩定。當發生突發情況時，通過穩壓模塊的元器件可進行有效承壓，從而保證整個設備運行的安全。需要說明的是，穩壓模塊的性能受整個設備綜合運行水平的影響。

（5）數字控制器。通過二極管實現設備的穩定切換。電路設備進行優化控制時，由主路模塊將智能電源轉換成直流電源，分別向主電路和輔助電路輸出電流。失電情況下，由冗余模塊對設備進行供電。

2 設備硬件設計

2.1 直流輸出

設備采用13路輸出。其中，4路輸出為AC 220 V，輸出電壓范圍為AC （220±10%）V；9路為DC+28 V和備份DC +24 V雙輸出，輸出電壓精度≤3%。

2.2 內置芯片架構

電源設備的主控芯片是在ARM的基礎架構上進行設計的，所以嵌入式環境能夠有效適用本設備的開發工作。電源設備匯編語言的開發環境選用MDK集成開發環境，能夠最大限度地支持軟件的仿真情況，進而完整地展現整個設備的綜合運行工況。同時，它支持JTAG設備的硬件仿真形式，并具有強大的編譯功能。開發環境能夠支持代碼的生成和各類調試器的綜合調節，在指令模擬中能夠通過KEIL集成好開發環境，實現軟件開發操作界面和軟件編譯的同時運行，同時實現擁有代碼生成接口和語法敏感性接口的編譯功能。

2.3 硬件與外形設計

2.3.1 外形尺寸要求

電源轉換控制設備結構的前后面板示意圖，分別如圖1和圖2所示。由圖可知，它的外形尺寸中，寬為482.6 mm，高為3U（132.5mm）。

2.3.2 網絡接口參數

電源轉換控制設備內置10/100 M自適應以太網接口，通過網絡服務器與上位機進行通信。它的網絡接口參數如表1所示。

表1 網絡接口參數表

圖1 前面板示意圖

圖2 后面板示意圖

一路單相AC 220 V/50 Hz交流輸入電源轉換控制設備，通過交流電磁兼容濾波器給內部輔助電源和電源轉換控制設備隔離模塊供電。輔助電源輸出12 V給主控單元電路、顯示觸摸屏和風機供電。主控單元電路可以通過網絡接口由上位機遙控控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的輸出，也可以通過本地面板開關控制4路AC 220 V和9路DC 28 V/DC 24 V的輸出。用戶可以通過顯示觸摸屏切換遙控和本地功能，可自行修改網絡IP地址。此外，顯示觸摸屏還可以顯示當前各路輸出的狀態信息。電源轉換控制設備通過電壓和電流檢測控制電路，實時采集輸出電壓和電流的信息，一旦出現異常，立刻關閉輸出并顯示保護狀態。主控單元電路和電壓電流檢測控制電路通過串口總線通信，將輸出電壓、電流以及電源內部溫度信息傳給主控單元電路進行匯總，并通過網絡傳遞到上位機，從而方便用戶實時監測電源的運行狀態。

2.4 設備控制電路

設備控制電路采用了具備電流電壓采集功能的控制器芯片。通過單片機輸出一個高低電平來控制（開通或者關斷）光耦，從而達到控制輸出的目的。直流輸出控制電路如圖3所示。

圖3 控制電路圖

3 控制設備的控制策略

設備運行中主要采用分階段的啟?？刂苼磉M行綜合控制。啟停控制功能可以對設備的運行狀態和形式進行有效的互補，不僅可以有效解決設備運行過程中對元器件產生的沖擊，也在一定程度上減少了對設備的損害。

4 功能介紹

轉換控制設備的功能需求主要建立在智能電源的基本需求上，滿足放電的需求，從忽略對象性能退化的控制調節向考慮對象性能退化的控制調節轉變。電源轉換技術的本質是對控制設備的健康狀態管理進行整體性指導，從而預測管理對象全生命周期內的故障/損傷與維護維修。該設備將傳感器、算法、故障模式、故障癥兆、診斷結果及維修任務等元素進行有機組合，形成了一種新的隨機應對控制設備。設備軟件采用ST公司開發的底層平臺，可應用于嵌入式設備和離線設備。

5 結 論

根據設計要求設計了轉換電源的控制設備，且基于超級電容器的儲能FTU智能電源，根據設備形式介紹了相應的組成結構、工作原理、各個功能塊的基本組成部分以及軟硬件之間能夠實現的功能。具體地，基于終端設備的電源需求，提出了超級電容的轉換控制設備設計內容的具體實施方案。數據控制模塊體系通過各類穩壓電氣結構策劃數控原理和拓撲結構，能夠有效提升數據的穩定性。根據數據模塊的穩定策略，基本驗證了電源的實際充放電過程，也充分驗證了硬件設計和軟件控制策略的重要性和正確性。實際的測控結果顯示，設計的設備可以實現數據的精準測量。