鋰電池供電的便攜式配電網(wǎng)測試儀設(shè)計

馬 艷 ,吳 航 ,周 亞 ,蔣 偉 ,段守勝

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司滁州供電公司,安徽 滁州 239000;2.武漢凱默電氣有限公司,湖北 武漢 430223)

隨著我國新型智能電網(wǎng)建設(shè)和城市電網(wǎng)的不斷改造升級,在配電網(wǎng)中,配電自動化終端設(shè)備(FTU)越來越多的被安裝和使用[1]。FTU 作為配電自動化建設(shè)的重要組成部分,能完成配電線的運行檢測以及監(jiān)控功能,采集配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù),檢測、識別故障,并進(jìn)行處理和分析[2]。目前,FTU 的測試主要使用配電終端測試儀產(chǎn)生電壓、電流模擬量信號,來模擬現(xiàn)場故障狀態(tài),以檢測FTU 的性能。然而在安裝好FTU 后的大多數(shù)情況下,投運前的現(xiàn)場不具備供電條件,導(dǎo)致采用交流供電的配電終端測試儀無法使用,因此FTU的現(xiàn)場測試一直是困擾運行、維護(hù)人員的難題[3]。針對上述問題,研制了嵌入式處理系統(tǒng)(ARM)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)(DSP)和可編程邏輯器件(FPGA)相結(jié)合的硬件解決方案,使用裝置內(nèi)部鋰電池供電,輸出高精度的電壓電流,完成了低功耗高性能的便攜式配電網(wǎng)測試儀的設(shè)計,為無現(xiàn)場電源情況下的FTU 測試,提供了一種方便小巧功能齊全的測試裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)配電自動化終端設(shè)備(FTU)的現(xiàn)場測試要求,同時考慮到輸出3路電流需要較大功耗的問題,裝置設(shè)計輸出3路電壓信號、1路電流信號和2 路開入開出信號,可以進(jìn)行基于RS232、RS485和千兆LAN 網(wǎng)口的IEC 60870-5-101/104規(guī)約通信。裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個裝置分為數(shù)字部分和模擬部分。數(shù)字部分包括ARM、DSP、FPGA 和相關(guān)的按鍵及LVDS 液晶屏。模擬部分包括電壓功放直流電源、電壓功放、電流功放直流電源、電流功放、DA 模塊、AD 模塊、輔助直流電源模塊和電池管理模塊。

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)字部分設(shè)計

圖1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARM 子系統(tǒng)的功能定位為人機(jī)交互,ARM部分與FPGA 部分只通過一個千兆LAN 交互數(shù)據(jù),所有人機(jī)交互接口(LVDS液晶、按鍵、USB及WIFI 等)全部在ARM 部分。ARM 運行Linux,同時通過PCIE 擴(kuò)展一個千兆LAN 進(jìn)行MMS 口通信。根據(jù)上述功能需求,使用AM335X芯片,其基于ARM Cortex-A8內(nèi)核,主頻最高720 MHz,RAM 最大擴(kuò)展至512 M,Flash最大擴(kuò)展至64 G,同時支持3 個操作系統(tǒng)Linux、Android、Win CE,可以方便擴(kuò)展觸摸屏、CAN 總線、千兆網(wǎng)絡(luò)接口、高速USB、SD 卡、RS232/485串口等,在圖像、圖形處理、外設(shè)方面進(jìn)行了增強(qiáng)[4]。

FPGA 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個裝置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),以及AM335X 與DSP通信橋接,包括開入開出接口、千兆LAN、RS485及RS232、DA 模塊和AD 模塊等。根據(jù)上述功能需求,使用Spartan-6 芯片。Spartan-6是一款高容量的FPGA,采用45 nm 低功耗敷銅技術(shù),特別適合低成本低功耗設(shè)計。同時其內(nèi)部支持SDRAM 存儲器接口(DDR 接口)、強(qiáng)健的混合型時鐘管理模塊、優(yōu)化的高速串行收發(fā)器GTP Transceiver、PCIE 接口和先進(jìn)的系統(tǒng)級電源管理模式等。

DSP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的算法功能,包括IEC 60870-5-101/104 的數(shù)據(jù)編解碼、電壓電源功放DA 輸出值的計算和整體硬件功能的邏輯配合等。根據(jù)上述功能需求,使用TMS320C5505 芯片,這款芯片是低功耗的浮點數(shù)字信號處理器(DSP),可充分滿足高能效、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求。DSP部分的功能定位為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的算法功能,故設(shè)計時需要考慮到大量計算數(shù)據(jù)同時交互的情況,對于EMIF接口一個完整的讀寫周期包括數(shù)據(jù)的建立、選通和保持,發(fā)送或讀取一個數(shù)據(jù)需要占用幾個時鐘周期。在75 MHz的時鐘下,若設(shè)置一個讀操作為5個時鐘周期,則其異步傳輸速度為15 MHz,考慮到傳送的數(shù)據(jù)位寬為16 bit,理論傳輸速度為240 Mbit/s,可以滿足與FPGA 進(jìn)行高速的信息交互。

2.2 模擬部分設(shè)計

模擬部分整體的工作方式是DSP計算DA 輸出值,FPGA 等間隔輸出給DA 模塊,DA 模塊將數(shù)值變成模擬正弦信號。使用LTC2666芯片,這款芯片為16位同步8通道DA 芯片,輸出范圍為±10 V,其多功能SPI接口可在1.71～5.5 V 之間的任何邏輯電平下工作,便于連接低壓微控制器或FPGA。

AD 模塊的功能是采樣電壓功放和電流功放的輸出,從而判斷功放是否正常工作,進(jìn)行故障報警。使用ADI公司的AD7606芯片,這款芯片為16 位8 通道同步采樣AD 芯片,吞吐率為200 ks/s,支持±10 V 或±5 V 的雙極性信號輸入。在電力線路測量和保護(hù)系統(tǒng)中,經(jīng)常需要對多相電流和電壓通道進(jìn)行同步采樣,AD7606是電力系統(tǒng)中最常用的AD 采樣芯片。

電壓功放直流電源的功能是將鋰電池電壓(18～28 V)轉(zhuǎn)換為電壓功放的高壓直流電源(±220 V/0.1 A)。使用隔離DC/DC升壓模塊,此模塊體積小、效率高、性能可靠。

電壓功放模塊的功能是將DA 模塊輸出的正弦波信號轉(zhuǎn)換為高壓輸出(單相最大交流150 V)。基于體積的考慮,使用集成高壓功率放大芯片PA85,其可以承受±225 V 的雙極性工作電壓,最大輸出電流為0.2 A,最大壓擺率為1 kV/μs,可串聯(lián)電阻電容用于電路的相位補(bǔ)償[5]。

電流功放直流電源的功能是將鋰電池電壓(18～28 V)轉(zhuǎn)換為電流功放的低壓直流電源(±8 V/15 A)。使用隔離DC/DC降壓模塊,此模塊體積小、效率高、性能可靠。

電流功放模塊的功能是將DA 模塊輸出的正弦波信號轉(zhuǎn)換為同比例大電流輸出(單相最大交流10 A)。使用集成大電流功率放大芯片OPA549,其可提供連續(xù)輸出8 A 電流,峰值電流可達(dá)10 A,同時其可以承受±60 V 的雙極性工作電壓,輸出電壓壓擺率為9 V/μs,有過熱關(guān)閉、電流極限可調(diào)等功能[6]。項目中采用了2個輸出并聯(lián)的方式實現(xiàn)最大交流10 A。差分放大電路將采樣電流反饋到輸入級,實現(xiàn)整個電路的負(fù)反饋,從而實現(xiàn)電壓/電路變換,使輸出電流與輸入電壓成比例關(guān)系。

3 電池設(shè)計

3.1 持續(xù)輸出功率

裝置持續(xù)輸出功率(P bat)是裝置的電流功放長時間輸出5 A,電壓功放對外輸出50 mA,48 V外部輔助直流輸出0.5 A,主控電路和其他功能電路正常工作(功耗約8 W)。預(yù)估裝置所使用DC/DC模塊平均效率(η)在0.8左右,則有內(nèi)部電池持續(xù)輸出功率為100 W 左右。

3.2 峰值輸出功率

裝置峰值功率(Pmax)是裝置的電流功放短時間(10 s)輸出10 A 用于模擬單相接地故障,其余部分輸出功率與持續(xù)輸出是相同,則有內(nèi)部電池峰值輸出功率為150 W 左右。

3.3 電池電芯設(shè)計

根據(jù)常用的單節(jié)18650鋰電池電芯參數(shù),單節(jié)電壓為3.6 V,單節(jié)容量為12.06 Wh(3 350 mAh),電芯尺寸為18 mm×65 mm。由于目前多數(shù)DC/DC 電源模塊的輸入額定電壓為24 V 左右,所以采用6 節(jié)電芯串聯(lián)的方式(3.6 V×6=21.6 V)。從整體電池體積和重量考慮,設(shè)計使用12節(jié)電芯,即6 串2 并方式,內(nèi)置電池總?cè)萘?Sbat)為144.72 Wh(21.6 V/6 700 mAh)。

此時,裝置在持續(xù)輸出時,工作時間T 為

同時,裝置在峰值輸出,且電池電量快耗盡時,電池輸出電壓最低(Umin,放電截止電壓),約為18 V 左右,故有電池峰值輸出電流(Imax)為

保留一定裕量,設(shè)置最大放電電流為10 A,過電流放電保護(hù)為12 A,裝置內(nèi)部鋰電池電芯參數(shù)如表1所示。

4 界面設(shè)計

裝置界面程序運行在ARM 中,故使用常用的嵌入式Linux GUI開發(fā)工具Qt。Qt是完整的跨平臺軟件開發(fā)框架,實現(xiàn)了一套代碼可以在多種操作系統(tǒng)和平臺上部署,從臺式機(jī)、嵌入式系統(tǒng)到可穿戴設(shè)備,有利于提高代碼的利用率和實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)[7]。如圖2 所示,根據(jù)配網(wǎng)產(chǎn)品測試規(guī)范要求,結(jié)合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60870-5-101/104通信規(guī)約,設(shè)計了基礎(chǔ)的電壓電流和三遙測試功能(遙控測試、遙信測試和遙測測試),同時針對FTU 上的斷路器設(shè)計了斷路器模擬、保護(hù)邏輯和狀態(tài)序列等功能,結(jié)合高精度時鐘,設(shè)計了故障回放、自守時和綜合測試等功能。

表1 裝置內(nèi)部鋰電池電芯參數(shù)

圖2 裝置的主要功能界面

5 裝置的測試

5.1 電壓電流輸出測試

在實驗室內(nèi)使用本裝置分別輸出電壓和電流,使用6位半數(shù)字萬用表DM4040進(jìn)行測試,結(jié)果如表2所示,同時使用數(shù)字示波器MSO2024B觀察波形,結(jié)果如圖3所示,可以看出電壓電流精度在0.2%以內(nèi),同時波形平滑無失真。

5.2 整體功能測試

在實驗室內(nèi)使用本裝置對PDZ810-FTU 智能配電終端進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖4所示。本裝置輸出3路100 V 電壓和1路1 A 電流,智能配電終端對其進(jìn)行采樣測量,測量結(jié)果通過104規(guī)約傳送給本裝置,然后本裝置將遙測量解碼顯示,裝置整體功能工作正常。

表2 電壓電流功放輸出精度

圖3 裝置的120 V 電壓輸出波形

6 結(jié)束語

配電網(wǎng)不斷建設(shè)和改造,對相應(yīng)的測試技術(shù)提出了更新、更高的要求。本測試裝置采用異構(gòu)多核心架構(gòu)(ARM、DSP、FPGA),支持豐富的多種類規(guī)約測試接口,同時具備高采樣率的多路電壓、電流輸出能力,采用高密度大容量電池續(xù)航,以滿足戶外的輕便、交互、供電、便捷、續(xù)航等需求,提升了戶外配電測試自動化程度及便捷性。同時由于功耗、體積和重量的限制,本測試裝置在工作時間和電流輸出能力方面還需進(jìn)一步完善,以更好地滿足現(xiàn)場測試的需求。