一種低功耗配電終端的設計方案

沈劍韜，劉 偉，劉 毅

（上海置信智能電氣有限公司，上海200050）

隨著配電網設備的一二次融合進程逐步推進，一二次融合型柱上斷路器等新型開關設備也逐步得到推廣[1-2]。但是一二次融合型柱上斷路器普遍采用電容分壓取電方式，導致取電的輸出功率有限[3]，因此也影響了配套的終端設備（FTU）的供電功率。目前各相關斷路器廠家產品電容取電功率最大約為25W，最小則為6W 左右。因此為后續配網一二次設備融合進程能夠繼續推進，降低配套FTU 的整機功耗以及提高取電功率必定會成為新的技術要求。

1 常規型FTU 功耗分析

目前，普遍掛網運行的FTU 仍屬于電磁式常規型，整個終端設備主要由核心單元、線損模塊、通訊模塊、電源管理模塊及后備電源五個模塊構成，而一二次融合型終端在各模塊構成上與常規型也是相同的。對某型號常規型FTU 樣機進行功耗測量分析，以交流220V 供電，后備電源為鉛酸電池。其整機系統供電原理圖如圖1 所示，T1、T2、T3為三個測試點，QF1～QF7 為各個空開，測試時將電壓、電流探頭置于測試點T1處，將AC220V 從測試點T1輸入，利用功率分析儀，分別測得總輸入功率Pin、核心單元功耗Ph、通訊模塊功耗Pt、線損模塊功耗Px、電源模塊充電功耗Pb以及電源模塊空載時功耗P0。然后將探頭移至測試點T2，再次測得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后將探頭移至測試點T3，再次測得電源模塊充電功耗Pb。

選取圖1 中T1、T2、T3三個測試點，對空開QF1～QF7（QF1、QF2 各控制一路交流電源輸入，實驗中令QF2 處于分狀態不變）進行分合操作，利用功耗測試儀可測得不同情況下的功耗值。記錄各次實驗數據，并可根據實驗數據計算出各模塊功耗數值，計算結果如圖2 所示。根據圖2 分析可知，在FTU 整機工作功耗中，電源模塊給蓄電池充電功耗占比最大，其次為核心單元，因此降低FTU 整機功耗應主要從這兩方面考慮。

2 低功耗終端核心單元設計

根據圖2 統計的實驗數據，核心單元占FTU 整機功耗的30%左右，其主要由主控、遙信、遙控、電源、采樣等幾部分路構成[4-5]，核心單元的功耗主要集中于主控板和電源轉換電路。電源電路為各元器件提供工作電壓，常規型FTU 核心單元采用24VDC 輸入，設計有24VDC/5VDC、5VDC/±5VDC、5VDC/3.3VDC 等多個電壓轉換電路。而低功耗設計方案可直接利用5VDC 供電，則可以消除24VDC/5VDC 電壓轉換過程中的功率損耗。以原有電路某24VDC/5VDC 轉換模塊為例，該模塊轉換效率約為80%，圖1 中在T2點測得模塊輸入電壓27V，輸入電流0.2A，則功率損耗約為1W。

圖1 常規型FTU 系統供電原理

圖2 常規型FTU 各模塊實際功耗

主控電路是核心單元的核心部分，主控MCU 芯片的選擇直接影響這部分電路的工作功耗，本設計方案主控MCU 選擇STM32F407ZGT6，并且根據芯片工作手冊，該芯片具有睡眠和待機兩種低功耗工作模式[6]，則可以在原有主程序中嵌入兩種低功耗工作模式。切換工作模式后，功耗會降低0.3W 左右。另外，通訊和線損模塊選用低功耗模塊，并且可集成于主控電路中，在降低功耗同時還可以簡化終端機箱布局，節省空間，通訊和線損模塊可降低功耗約1W。則整個低功耗FTU 核心單元的結構框圖如圖3 所示。

圖3 低功耗FTU 核心單元結構圖

3 低功耗終端電源模塊設計

電源模塊是FTU 整機系統供電的核心模塊，用于實現各種輸入電壓的管理和分配、輸出電壓給系統各模塊供電、蓄電池的充電及狀態監測等多種功能。根據以上分析可知，低功耗終端系統的取電方式與常規式不同，以ZW32 型某一二次融合型柱上斷路器為例，其電容取電電壓范圍為18V～54V，標準值約42V。同時，為增加終端的取電功率，可增加太陽能取電方式，設計太陽能電池板額定輸出電壓約36VDC，最大輸出功率80W，最大輸出電流約2.2A。

因此，在電源模塊設計方案中，須設計兩個輸入電壓通道，電容取電42VDC 和太陽能取電36VDC，并且兩個通道設計不同的電池充電電流，電容取電最大充電電流為0.2A，太陽能取電最大充電電流為2A，這樣在僅有電容取電情況下，電池充電功耗會有效降低。另外，電源模塊設計5VDC、24VDC 兩路電壓輸出，5VDC 給終端核心單元供電，同時再輸出24VDC 作為開關操作電壓和遙信遙控電壓。則設計低功耗FTU 電源模塊供電原理圖如圖4 所示，具體的實現途徑則需要通過電源模塊廠家在原有電源模塊設計方案基礎上改進。

圖4 低功耗FTU 電源模塊供電原理

而終端配套的蓄電池則選用磷酸鐵鋰電池，與常規型終端中普遍選用的鉛酸電池相比，鋰電池在環保性、安全性和使用壽命上具有更好的性能[7]，選用鋰電池輸出電壓和電池容量為24V/15Ah，短時輸出功率≥300W/15s。電源模塊的設計難點其主要體現在：（1）供電方式由原來的兩種變為三種，則模塊內部的供電邏輯會更復雜。（2）三種供電方式必須有無縫切換功能，當某一種或兩種供電方式失電時，剩余的供電方式要立即投入，確保系統正常供電運行。

4 結論

根據以上實驗和分析，原常規型FTU 核心單元加上通訊、線損模塊的直流功耗約為6.8W，而第2 部分提出的改進設計方案使這部分功耗降低約2W，低功耗終端的核心單元功耗約為4.8W。而根據第3 部分內容，僅有電容取電情況下最大充電功耗約為5.6W（浮充電壓28V，充電電流0.2A），則當斷路器電容取電功率大于5W 即可確保終端裝置正常運行（核心單元可以正常工作），大于11W 時則可以達到最大充電電流。由于太陽能取電的不穩定性，則在不考慮太陽能取電的前提條件下，對比不同的電容取電功率時終端工作情況，具體如表1 所示。

表1 不同電容取電功率時終端工作情況

綜合以上分析，本文所提出的低功耗FTU 設計方案可以配套電容取電功率在6W 以上的一二次深度融合型柱上斷路器工作，能夠滿足FTU 的低功耗運行要求，為未來配網一二次設備融合進程的繼續推進提供了一個參考方案。