拓撲識別特征電流發射電路研究

鄒其峰 吳有超 黃 亮 唐玉建

北京智芯微電子科技有限公司

0 引言

在能源互聯網和智能電網重點建設大背景下，提高電力企業對信息的獲取與處理能力，促進電網管理，促進信息間的互動，已經成為未來電網建設的趨勢。低壓配電用電環節是電網極為重要的一個環節，也是目前電力公司比較薄弱的環節[1]，其中面臨的一個主要問題就是戶變關系的準確識別。

戶變關系識別的準確性在整個電力營銷業務中非常重要，它既是每個臺區配電服務的基礎，也是規劃配電方案和計算臺區線路損耗的依據，同時更是臺區優化用電質量的重要參考。現實中，因配網建設發展造成的頻繁變動（如增容、布點、割接、遷建等）、用電負荷數量增多、負荷位置變化等原因，使得用電負荷臺區戶變關系出現變更，造成戶對線不對變等問題。加之受線路交叉、地埋線路等條件限制，用電負荷表計與變壓器的隸屬對應關系很難及時更新，直接影響供電公司基礎數據的精準性。不準確的戶變關系主要有以下幾點不利影響：1)配電臺區線路損耗分析數據有誤差；2)影響新增負荷配電規劃，產生負載不均衡等問題；3)影響遠程業務開展。這些問題妨礙了基礎電力業務的開展，同時也影響了電力公司的精細化管理。

低壓配電臺區拓撲識別的主要作用就是明確各個臺區中用電負荷與本臺區供電變壓器之間的供電歸屬關系，即解決臺區戶變關系識別問題。目前，電力基層進行戶變關系識別主要以人工為主，存在如下兩類問題[2-3]：1)需人到現場挨個表箱進行核查，費時費力且效率低下。2）采用瞬間停電法進行核查，對表計的質量、停送電間隔、現場用戶服務等要求較高，同時該方法對供電質量影響較大，存在用戶投訴和損壞用戶家用電器的風險[4]。通過特征電流發射電路實現拓撲識別的方法可以很好地解決上述問題。

1 基本原理

整個拓撲識別過程中有四個參與者，即主站、帶交采功能的終端裝置、智能電表以及特征電流發射電路。其中特征電流發射電路以模組形式安裝于智能電表中，電表負責給特征電流發射模組提供電源及控制信號。整個拓撲識別流程如下：當主站收到進行拓撲識別指令后，主站給安裝有特征電流發射模組的智能電表發送命令。智能電表接收指令并啟動特征電流發射模組。模組啟動后，會在火零線之間產生一定的特征電流，該電流符合相應的頻域規律。在線路的相應位置有帶交采功能的終端設備，這些終端設備會對線路上的電流信號進行實時的采樣分析，記錄并上傳識別到的特征電流的時間參數。最后主站通過對所有時間參數進行對比分析，實現整個臺區的拓撲識別工作。

2 恒阻特征電流發射電路

當實際應用時，如果對電表內置的特征電流發射電路沒有空間要求限制，可以采用恒阻特性的特征電流發射電路。電路結構如圖1所示。

圖1 發射電路的電路結構

整個發射電路由四個部分組成，分別是強電主回路、弱電控制、MOS 驅動以及驅動供電。電路產生的特征電流主要有兩個指標，一是電流幅值需要達到規定值，二是電流在頻域中符合一定規律。對于第一個指標，主要由強電主回路決定，通過設置主回路中的電阻參數產生符合規定幅值的電流。電流幅值不能太小，如果太小，產生的特征電流可能無法被終端設備檢測到；同時幅值也不能太大，如果太大，電路產生的功耗過高造成電能浪費。綜合考慮，本電路設計中要求產生特征電流的峰值為450mA。對于第二個指標，主要由弱電控制決定。電路的弱電控制信號來自智能電表的MCU 芯片。當電表收到主站開始拓撲識別的指令后，會對弱電控制電路輸出特定的PWM 信號，該PWM 信號通過弱電控制電路控制MOS 驅動，進而控制MOS 管的通斷，從而令強電主回路產生的電流具備一定的頻域特征。MOS 驅動電路主要用于給強電主回路中的MOS 提供柵極驅動電壓。驅動供電電路主要為驅動提供一個穩定的直流電壓。

發射電路詳細電路圖如圖2所示。強電主回路使用大功率插件電阻串聯產生峰值為450mA 的特征電流。MOS 管與主回路串聯，同時并上保護MOS 管的RC 吸收回路。MOS 驅動采用經典的推挽驅動電路。當需要MOS 導通時，驅動供電電路為驅動供電，通過Q2、R6 路徑給MOS 提供柵極驅動電壓；當需要MOS 關斷時，驅動供電電路停止供電，同時 MOS 通過 R5、D5、Q3 路徑放電。驅動供電電路通過并聯穩壓為MOS 驅動電路提供穩定的12V 直流電源。弱電控制與MOS 驅動通過光耦連接，在進行控制信號傳輸的同時實現強弱電隔離。

恒阻特征電流發射電路實物測試板如圖3 所示，圖4為特征電流波形。經實際測試，電路能夠產生符合幅值、頻率要求的特征電流。

3 恒流特征電流發射電路

圖2 發射電路原理圖

圖3 測試板實物

圖4 特征電流波形

當實際應用時，有時候表內并沒有太大的空間留給特征電流發射模組，甚至一些情況下發射電路需要集成到電表內其他單元的電路板上。為了減小發射電路的體積，可以采用恒流特性的特征電流發射電路。

在恒阻電路中，占用空間最大的就是主回路中的直插大功率電阻。可以通過使用貼片電阻的方法來縮小電路體積。因為特征電流的峰值已經確定為450 mA，所以整個主回路功耗一定。恒阻回路中基本上所有的電壓是由電阻承受的，MOS 管在回路中相當于一個開關，基本不分壓，因此全部功耗都在電阻上。單個貼片電阻所能承受的功率有限，一般最大為3 W，如果還是用電阻承擔整個功耗會造成電阻損壞。通過研究，可利用MOS 承壓的方式解決這個問題。MOS 有三個工作區，分別是截止區、可變電阻區、恒流區。當MOS 處于恒流區時，導通狀態下相當于是一個阻值較大的電阻，可以承受一部分功率。因此，讓MOS 導通時工作在恒流區可以降低電阻承受的功率，縮小電路體積。由于MOS 工作在恒流區時流過的電流恒定，所以，以該思路設計的電路叫作恒流特性的特征電流發射電路。

在實際電路設計過程中，通過設置合適的柵源電壓來使MOS 管工作在恒流區。本文使用的MOS管是一款耐壓900 V、電流5.4 A、極限功率160 W的大功率MOS 管。其輸出特性曲線如圖5所示，從圖中大致可以推算出流過峰值電流為450 mA 時其柵源電壓大約在5 V。通過對電路參數進行調試驗證，最終使MOS 工作在恒流區。

圖5 MOS 管輸出特性曲線

圖6 是恒流發射電路原理圖，弱電控制和MOS驅動與恒阻電路一致，對強電主回路以及驅動供電電路進行了調整。強電主回路中，主要調整了電阻的位置及阻值。因為MOS 承壓時會使得MOS 的溫度上升，因此需要對整個回路的功率作出合理分配，使得MOS 在分擔功耗的同時不至于溫度過高。驅動供電電路中，去掉了整流部分，直接從主回路整流橋后側取電，進一步縮小了電路面積。

圖6 恒流發射電路原理圖

恒流特征電流發射電路實物測試板如圖7 所示，圖8為特征電流波形。經實際測試，電路能夠產

圖7 測試板實物

本文針對拓撲識別設計了兩種特征電流發射電路。恒阻發射電路用于無空間限制條件下，恒流發射電路用于限制空間條件下。兩者都能產生符合要求的特征電流，完成拓撲識別任務。對于恒流電路，如果特征電流發射頻率過高，還可采用PCB板開窗、加散熱片等方式進一步降低MOS 溫度。利用特征電流發射電路來進行戶變關系識別，可以有效地提高識別效率，降低投入成本。生符合幅值、頻率要求的特征電流。同時對MOS進行了單獨的溫度測試，20 次實際工作條件測試下，MOS 升溫低于60 k，符合實際應用的要求。

4 結束語

圖8 特征電流波形