程瑛穎，杜 杰，肖 冀，侯興哲，周 峰

(國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123)

用于高壓電能表的新型電源管理單元設(shè)計(jì)

程瑛穎，杜 杰，肖 冀，侯興哲，周 峰

(國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123)

新型高壓電能表具有計(jì)量精度高、低功耗、信息化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，獲得了越來越多的應(yīng)用;論文對新型電能表計(jì)量裝置的供電需求進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一基于感應(yīng)電流取能的新型電源管理單元，在穩(wěn)壓器輸入端增加了電能智能存儲功能，確保在極端工作條件下，電能表仍具有計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲、無線抄收等功能，避免了因利用該技術(shù)出現(xiàn)斷電及斷電重啟時刻導(dǎo)致的計(jì)量損失;測試結(jié)果表明，電源管理單元能夠確保電能表在極端情況下穩(wěn)定工作4.5小時。

感應(yīng)取能；高壓電能表；電源管理單元；自供電

0 引言

電能計(jì)量裝置是發(fā)、供、用電三方用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，在電網(wǎng)中應(yīng)用量大、地位重要，對其安全性、可靠性、準(zhǔn)確性等都有很高的要求。傳統(tǒng)的電力計(jì)量裝置主要利用電壓互感器、電流互感器和電表等多個分離部件共同組合在一起，存在功耗大、誤差大、原材料浪費(fèi)、容易被竊電等問題[1-2]。隨著先進(jìn)傳感測量、通信、信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，新型傳感器式高壓電能表被提了出來。此類裝置計(jì)量回路一般懸浮在高壓側(cè)，從根本上杜絕了低壓側(cè)竊電行為，為與常規(guī)低壓回路的電能表區(qū)分，本文將傳感器式高壓電能表簡稱為高壓電能表[3]。高壓電能表大多基于微控制器實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，同時具有數(shù)據(jù)顯示、傳輸?shù)裙δ?，智能化程度高、?jì)量誤差小。在高壓等電位工作狀態(tài)下，電能表中微控制器及相關(guān)集成芯片如何獲得供電電源，是電能表能夠穩(wěn)定工作的基本保障。目前針對高壓等電位下芯片的工作電源獲取，主要有如下幾種方式[3-4]。

首先是太陽能電池供電，該技術(shù)方案成熟、清潔無污染、可再生，符合智能電網(wǎng)的要求。但太陽能電池板裝備沉重，容易受光照、環(huán)境溫度、晝夜、灰塵等因素影響，發(fā)電功率的不確定性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。其次是激光供能，該技術(shù)通過在位于地電位上的大功率激光器產(chǎn)生光能，再通過傳能光纖傳輸?shù)礁邏簠^(qū)，然后通過光功率轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成電能。該方式的突出優(yōu)點(diǎn)是電源能量供給穩(wěn)定，不受電磁干擾和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響；缺點(diǎn)是光功率轉(zhuǎn)換效率低、大功率激光器壽命低、設(shè)備費(fèi)用昂貴等。第三是電容分壓器取能，這是目前應(yīng)用較為廣泛和穩(wěn)妥的供電方案。在高壓電能表的供能要求中，其可以采用“相電壓”來分得高壓等電位工作電源。該技術(shù)具有寬電壓適應(yīng)范圍，在額定電壓的50%～200%范圍內(nèi)，均能長期穩(wěn)定工作，同時裝備輕便、高效。最后是感應(yīng)電流取能，該技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛、優(yōu)點(diǎn)較多的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，有效地利用了高壓電線周圍存在的交變磁場，通過電磁感應(yīng)原理獲取電能，然后經(jīng)整流、濾波等后續(xù)處理，將穩(wěn)定直流電提供給計(jì)量裝置各功能模塊。該方案合理利用了可利用資源，節(jié)能環(huán)保、體積小、成本低、使用安全方便。

在高壓電能表供電需求中，利用感應(yīng)電流取能技術(shù)還存在一些技術(shù)問題：1)大電流能量泄放保護(hù)，如何設(shè)計(jì)保護(hù)電路及互感器是一大難點(diǎn)；2)當(dāng)母線電流接近空載時，如何保證電源的穩(wěn)定供應(yīng)，恢復(fù)通電時如何保證電能表立即開始計(jì)量等。本文將采用感應(yīng)電流取能技術(shù)為高壓電能表供電，在分析現(xiàn)有電能表功耗的基礎(chǔ)上，針對上述兩個問題設(shè)計(jì)了一新型電源管理單元，使感應(yīng)電流取能技術(shù)更加實(shí)用化。

1 高壓電能表功耗分析

電能表是電能計(jì)量裝置，但其本身也是電能的消耗者。目前我國在線使用的各類電能表約有數(shù)億只，自身功耗差別較大。根據(jù)文獻(xiàn)[5]給出的數(shù)據(jù)，現(xiàn)將各類電能表自身功耗情況介紹如下：

1)感應(yīng)式電能表，市場占有率約在15%～20%之間，自身功耗在1.7 W左右；

2)電子式電能表，市場占有率約在50%以上，功耗約在1W到1.5 W之間；

3)智能電能表，市場占有率約在20%～30%之間，自身功耗分散性很大，最少功耗為0.2 W，最大功耗為1.4 W，大部分在1.1 W左右。

本文所述的電能表采用微控制器實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，其功耗近似等于智能電能表的功耗。根據(jù)國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW-364-2009和Q/GDW-362-2009，智能電表的功率消耗應(yīng)不大于1.5 W。結(jié)合文獻(xiàn)[5]調(diào)研的數(shù)據(jù)，可見國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大功耗雖然有其合理性，但仍存在標(biāo)準(zhǔn)過低的問題。各廠家為了提高產(chǎn)品競爭力，一定會盡力降低電能表自身功耗。結(jié)合上述分析，本文所設(shè)計(jì)的電源管理單元，其額度輸出功率定假設(shè)為1 W，可以滿足大多數(shù)高質(zhì)量電能表的正常供電需求；另外本文還默認(rèn)當(dāng)母線突然斷電或停電檢修時，電能表會通過智能判斷自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，輸出功率設(shè)定為0.5 W。

2 電源管理單元

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

由于母線電流存在電流起伏范圍大、不穩(wěn)定等因素，感應(yīng)線圈兩端的電壓及輸出功率也很不穩(wěn)定。如何設(shè)計(jì)優(yōu)化得到最簡單、可靠的電源管理電路，將不穩(wěn)定的輸入電壓源進(jìn)行有效管理，進(jìn)而輸出穩(wěn)定可靠的直流供電電壓，一直是近些年來眾多技術(shù)人員的努力方向[6]。

圖1 利用感應(yīng)電流取能的電源管理單元結(jié)構(gòu)及原理圖

圖1所示為針對高壓電能表的供電需求設(shè)計(jì)的基于感應(yīng)電流取能電源管理單元原理圖，其中感應(yīng)取能裝置為電源管理單元的能量源；整流模塊則將感應(yīng)得到的交流電轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路所需的直流電并存儲于儲能電容之中；電壓滯回比較器模塊通過設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)智能控制穩(wěn)壓器輸入端的通斷，確保后續(xù)電路能夠穩(wěn)定工作；穩(wěn)壓器則負(fù)責(zé)直接為被供電電路即高壓電能表模塊提供標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定直流電壓。

當(dāng)母線電流為10 A時，感應(yīng)取能線圈的最大輸出功率應(yīng)大于1 W。線圈輸出的交流電V感應(yīng)首先通過全橋整流電路轉(zhuǎn)換成直流電并存儲于儲能電容C儲能中，在C儲能和穩(wěn)壓器輸入端之間增加電能智能存儲模塊，用于控制儲能電容與穩(wěn)壓器輸入端之間的連接與否，確保穩(wěn)壓器芯片能夠穩(wěn)定工作，進(jìn)而保證輸電母線在一定時間內(nèi)恢復(fù)通電時，電能表能夠立即開始電能計(jì)量。

圖2 儲能電容輸出通斷示意圖

圖2所示為儲能電容與穩(wěn)壓器輸入端之間的通斷示意圖，該功能通過滯回電壓比較器實(shí)現(xiàn)。在初始階段，C儲能兩端的電壓必須達(dá)到電壓V2時才提供輸出。此時如果取能線圈的輸出功率大于電能表消耗功率，儲能電壓V儲能會繼續(xù)上升，但不超過所設(shè)計(jì)的保護(hù)電壓；若取能線圈無輸出功率或小于消耗功率，儲能電壓V儲能會下降，但穩(wěn)壓器仍能繼續(xù)工作，直至電壓下降至V1。因此儲能電容中至少能存儲Emin的電量，如式(1)所示。通過該式可以看出，要想增大存儲電量，可以通過提高電容容量C儲能及電壓V2實(shí)現(xiàn)。

2.2 電源管理單元的電路實(shí)現(xiàn)

由于取能線圈輸出為交流電，因此要先通過橋式整理電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)而存儲于圖3所示的儲能電容中。整流橋輸入端雙向穩(wěn)壓管及輸出端36 V單向穩(wěn)壓管主要用于大電流能量泄放保護(hù)以及后續(xù)芯片保護(hù)。儲能電容選擇額定電壓2.7 V，容量500 F的10個超級法拉電容串聯(lián)而成，該方案提升了存儲電壓，相比并聯(lián)電容組理論存儲能量提高了10倍。超級法拉電容的體積與1號電池(35×60 mm)相近，這在高壓電能表的裝置設(shè)計(jì)中是可以接受的。

圖3 整流部分電路圖

為使DC/DC電源穩(wěn)壓器芯片能夠正常工作，同時當(dāng)輸電線路恢復(fù)供電時，電能表能夠立即開始計(jì)量，用于決定儲能電容與穩(wěn)壓器輸入端之間的電壓滯回比較器必不可少。圖4所示為該部分功能電路原理示意圖。其中參考電壓VR(+5 V)由芯片LTC3330提供，VR同時還作為比較器芯片LT1716的電源電壓?？紤]到LT1716芯片本身的電源電壓功耗較低，參考電壓的輸入源為取能線圈中另一抽頭小線圈提供，此部分設(shè)計(jì)LTC3330芯片手冊中提供了較為完整的參考電路[7]。

滯回比較器中，電阻R2的阻值為330K，R3的阻值為1M，兩電阻值均偏大，有利于降低儲能電容在該支路的功耗。同時電阻R3的阻值是R2的3.03倍，因此滯回比較器中V1為5 V，V2為20.15 V。結(jié)合公式(1)可以計(jì)算電源管理電路開始工作時，存儲電容中至少存儲了9525.6 J的電量可供后續(xù)電路消耗，不考慮穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率，假設(shè)電能表功率為0.5 W，理論計(jì)算穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定工作5.3小時。

圖4 滯回比較器部分電路圖

電源管理單元中穩(wěn)壓器芯片選擇LT3971，該芯片能夠提供+5 V的直流穩(wěn)定電壓，輸出電流最大為1.2 A，滿足電能表的電源供電需求。圖5所示為該部分電路原理圖，電路設(shè)計(jì)簡單，輸出電壓穩(wěn)定。

圖5 穩(wěn)壓器部分電路圖

3 電源管理單元功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)采用220 V的交流電源外接變阻器(10～100 Ω)模擬輸電線電流?？紤]到穩(wěn)壓器輸出端為直流電壓，因此選擇阻值為50 Ω的純電阻用于模擬電能表功耗。

圖6 電源管理單元存儲電壓及供電電壓波形圖

圖6所示為電源管理單元輸入輸出端電壓波形圖。首先將通有電流的輸電線置于取能線圈中，由于電路中設(shè)計(jì)了電壓滯回比較器來控制輸入端通斷，此時穩(wěn)壓器不工作，取能線圈獲得的電能被完全存儲于超級電容中，儲能電壓從0開始升高，直至20.15 V。此時電壓滯回比較器輸出高電平，控制輸入端開關(guān)M2(圖4所示)閉合，穩(wěn)壓器開始工作，輸出穩(wěn)定的直流電壓V供電。此時斷開輸電線電流，測電源管理單元實(shí)際工作時長。

利用實(shí)時控制系統(tǒng)dSPACE(DS1103)結(jié)合Matlab軟件測儲能及供電電壓，采樣率為100 Hz。但實(shí)際存儲數(shù)據(jù)時，為壓縮數(shù)據(jù)量，軟件自動對100個點(diǎn)求平均再存儲，故實(shí)際采樣率為1 Hz，即每秒得到1個電壓值，最終電壓波形曲線如圖6所示。從圖中曲線可以看出，當(dāng)儲能電壓V儲能低至4.93 V時，電壓滯回比較器輸出跳變?yōu)榈碗娖?，輸入端開關(guān)M2斷開，穩(wěn)壓器不再工作。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀看出，當(dāng)輸電線斷電時，電源管理單元至少還能穩(wěn)定工作約4.5小時，該值比理論計(jì)算的5.3小時要短，主要原因是理論計(jì)算時并沒有考慮穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率及電壓滯回比較器輸入端的功耗。

4 結(jié)論

本文首先分析了新型高壓電能表的功耗需求，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套基于感應(yīng)電流取能的電源管理單元，包括整流、限流保護(hù)、欠流保護(hù)、DC/DC穩(wěn)壓等功能。最后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試了電源管理單元工作的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，若輸電母線無電流通過，存儲的電能可以保證電能表穩(wěn)定工作4.5小時，確保母線在該時間段內(nèi)恢復(fù)通電時，計(jì)量裝置能立即開始電能計(jì)量同時不丟失存儲數(shù)據(jù)。另外，該電源管理單元沒有采用普通的電池存儲技術(shù)，符合當(dāng)今綠色發(fā)展的價值觀，具有較高的應(yīng)用前景。

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Design of a New Power Management Unit Used for High Voltage Watt-hour Meters

Chen Yingying, Du Jie, Xiao Ji, Hou Xingzhe, Zhou Feng

(Electric Power Research Institute, Chongqing Electric Power Company, Chongqing 401123,China)

New high voltage watt-hour meters have the advantages of high precision measurement, low power consumption, informationization, intelligence, etc. which are selected in more and more applications. This paper researched on the power supply of the new metering devices, designed a new power management unit based on induction current energy harvesting. The unit introduced a smart electrical energy storage function between the voltage regulator and the energy harvesting coil, made sure the metering devices can operate stably, avoided the metering losses due to the power off of the metering devices. The experimental results showed that the storage electrical energy could supply for 4.5 hours without the energy harvesting.

induction energy harvesting; high voltage watt-hour meter; power management unit; self-powered

2016-08-10；

2016-09-06。

程瑛穎(1976-)，女，四川人，高級工程師，主要從事電能計(jì)量裝置的技術(shù)研發(fā)及項(xiàng)目管理方向的研究。

杜 杰(1987-)，女，陜西人，工程師，主要從事電能計(jì)量及獨(dú)立裝置電源管理技術(shù)的研發(fā)的方向的研究。

1671-4598(2017)01-0236-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.065

TM91;TM835

A