引言

配電終端設備的可靠性和自動化程度，直接影響到整個配電自動化系統的可靠性和自動化水平。由于配電終端設備一般安裝于戶外或比較偏僻的地方，不可能有直流電源提供，因此，配電網終端設備的直流供電方式成為各配網自動化改造中必須要研究和解決的重要問題。

配電自動化系統非常復雜，配電網設備數量龐大，種類繁多。為了保證配電自動化系統終端設備良好的工作狀態，終端設備配備高穩定性、高可靠性的電源模塊十分重要。根據配電自動化系統終端設備的要求，結合一次設備的特點，研究適用于配電網終端設備的電源模塊具有重要意義。

1 配電自動化終端對電源模塊的特殊要求

由于配電網終端設備一般安裝于戶外或比較偏僻的地方，并且要求電源系統同時提供一次供電和二次供電，對于配電網設備電源系統應提出一些特殊要求。

1.1 環境要求

由于配電網終端設備安裝在戶外，要經受戶外環境及其環境變化的考驗，對于配電網終端電源所用的元器件，應滿足環境條件，才能保證其正常工作。

1.2 電氣性能要求

對配電網終端設備電源系統電氣性能的要求，與繼電保護裝置電源的要求基本相同，但要同時滿足一次和二次設備供電電源的要求，主要應考慮電源輸入端與輸出端之間的絕緣電阻和介電強度。

1.3 不間斷供電要求

對于配網終端設備，一般要求在交流消失后仍可工作較長的一段時間，因此要求配網設備電源系統具有不問斷供電的功能，這就要求電源系統應具有儲能元件，同時還應具備對上述儲能元件的管理功能。實現該要求的設計等同于通用的UPS工作原理，本文對此不做討論。

1.4 輸入要求

安裝于戶外的配電網終端設備不會配置專用變壓器，也不會有單獨的交流供電，唯一有效的辦法是從電網上直接取得輸入供電。因此要求配電網設備電源系統具有較寬的輸入電源范圍和較強的電網適應性，同時還要滿足電網的電壓等級要求。

1.5 輸出要求

由于配電網設備電源系統的供電對象既有二次設備也有一次設備，其輸出必須滿足這兩方面的要求。對于二次設備，輸出電壓一般為5，15，24 V;對于一次設備則相對差別較大，如24 V儲能操作機構、110 V永磁操作機構、交流操作機構等，要求配網設備電源系統應可以根據需要輸出滿足要求的直流電。

配電網設備作為負載，除了正常的平穩工作狀態之外，經常會進行瞬變動作，如合閘、分閘等，這就要求配電網設備電源能夠承受負載的動態變化。

2 配電網設備電源的設計要點

由于配電網終端設備電源具有特殊性，在設計中必須考慮相應的對策，以滿足特殊性要求。

2.1 器件選擇

器件對于工作環境的要求較高，在設計中，應選取能夠滿足環境要求和性能要求的電子元器件。對元器件的使用溫度、濕度等限制條件要格外注意，對器件的耐壓、電流等電氣參數要做降額處理，留出足夠的余量。

2.2 電源封裝形式

普通的開板式開關電源無法完全滿足工作環境的要求，即使部分開板式開關電源產品可以滿足這一要求，但其工作壽命又會明顯縮短。采用模塊電源的封裝形式代替開板形式，可以有效地解決這個問題。

模塊電源采用了密閉金屬外殼、整體灌封的生產工藝，使其工作環境的溫度范圍、適應環境溫度變化的能力、防潮、防濕、抗干擾、抗震、散熱性等都有了很大程度的提高，可以完全滿足配電網終端設備電源對于工作環境的要求。

2.3 輸入端與輸出端之間的電氣隔離

由于配電網終端設備電源采取直接與電網相連的工作方式，所以要保證該類電源的輸入端與輸出端之間的隔離。如果不采取隔離方式，與輸入端連接的設備故障可能通過電源傳輸到與輸出端連接的設備上，導致與電源輸出端連接的設備受到損害，所以該類電源的設計必須使用隔離方式。

與普通隔離方式的開關電源相比，隔離方式沒有什么區別，是在功率傳輸回路使用變壓器，控制反饋回路使用光電耦合器，輸入端與輸出端的地線分開后用隔離電容連接，實現輸入端與輸出端之間的隔離。而不同點在于，配電網終端設備電源所要求的絕緣電阻更大，要求的介電強度更強，這就要求在設計中，必須在電路板上留出更大的安全距離;在變壓器骨架帶引腳兩端先繞絕緣介質，再繞漆包線，從而保證漆包線與變壓器骨架引腳之間的安全距離;另外選擇光電耦合器和隔離電容時，要保證器件的耐壓強度滿足該類電源耐壓強度的要求。電源的實際耐壓是由電路板、變壓器、光電耦合器和隔離電容共同決定的。

2.4 工作方式設計

由于配電網設備電源系統要求具有不問斷供電的功能，該系統應具有儲能元件。當前一般選用蓄電池作為交流斷電后的供電電源，但是電池本身又要求必須滿足其對于充放電曲線需求和對電池的具體管理功能，因此在設計時要求UPS具有智能化工作方式，以滿足不同電池及設備的需求。該工作方式一般使用數字信號處理器或單片機實現，本文對該類電源的智能化實現不做討論。

配電網設備電源工作方式如圖1所示。

其中，核心部件為變換器，也就是本文討論的重點。為了滿足配電網設備電源的各種特殊要求，將該變換器設計為模塊電源，采用金屬外殼封裝，抗干擾和電網適應能力強。根據要求變換器的工作狀態大致可分為2種：一是電網直接為變換器提供交流輸入，變換器實現AC/DC功能，將交流轉變為直流后，給配電網設備供電，同時對電池進行充電或維護;二是電網供電出現問題，電池為變換器提供直流輸入，變換器實現DC/DC功能，將電池直流轉變為所需要的直流后，給配電網設備供電。

2.5 輸入特性設計

特殊的工作方式決定了變換器要同時具有AC/DC和DC/DC的雙重功能。電網作為輸入供電時，變換器工作在AC/DC模式;電網故障，電池作為輸入供電時，變換器工作在DC/DC模式。所以要在變換器內部并聯輸入端需要的2種輸入模式，結構如圖2所示。

無論是電網供電模式，還是電池供電模式，輸入電壓都會有一定范圍的波動，電源本身必須在這種波動范圍內正常工作。

2.6 輸出特性設計

為每一個需要供電的配電網設備部件都單獨配備電源是不現實的。所以在同一時間，一個模塊電源要為多個配電網設備(一次和二次用電設備)供電，這就要求電源要具有多路輸出，且各路之間是非均載狀態。在設計反饋穩壓電路時，不能使各路的輸出信號都處于反饋環內，而只能采用穩一個主路，耦合多條副路的方式。

所謂穩一個主路，耦合多條副路，就是將多路輸出中的一路進行輸出采樣，作為系統的反饋信號;而其他副路輸出則不在反饋環內，通過變壓器磁通耦合主路，達到穩壓的目的。在這種穩壓方式下，主路輸出電壓精度一定能滿足設備要求，而各個副路的輸出電壓精度取決于與主路耦合的緊密程度。

為了使副路輸出電壓達到預期的精度，要適當調整變壓器上各個繞組之間的包繞方式，從而調節耦合的緊密程度。繞組之間耦合的緊密程度，從輸出電壓的紋波噪聲中可以觀察出來，與主路繞組耦合緊密的繞組，對應輸出電壓的紋波噪聲相對要小一些，相反，與主路繞組耦合松的繞組，對應輸出電壓的紋波噪聲相對要大一些。繞組之間的包繞方式大致分為簡單分布、三明治分布、交錯分布和混合分布，不同方式各有利弊，具體采用哪種包繞方式，取決于實際設計需要。配電網設備的瞬變動作會對電源系統本身造成沖擊，這就要求配電網設備電源能夠承受負載的動態變化。

3 設計舉例

根據上述配電網設備對電源的特殊要求，設計了一款環境適應能力強、高隔離耐壓、雙供電模式、輸入電壓范圍寬、3路輸出(+15 V，±24 V)且動態性能好的電源。

該電源輸入和輸出端之間能夠承受3 500 V、5O Hz的交流電，漏電流小于等于5 mA，絕緣阻抗大于等于100 MΩ，1 min不擊穿;采用交流供電或直流供電或交直流同時供電的方式作為輸入;輸入交流電壓圍繞中心值220 V上下浮動，范圍可達165～265 V;3路輸出采用穩主路、耦合副路的穩壓方式，可使主路輸出的精度達到±1% ，副路輸出電壓精度達到±3%。

經實驗測試，220 V交流輸入，3路滿載時，輸出電壓的紋波噪聲如圖3所示。

在實際設計中，3路輸出繞組在變壓器中的繞制順序依次為主路、第一副路、第二副路。此種繞制方式中，第一副路與主路的耦合程度要比第二副路與主路的耦合程度緊密，從而造成第一副路的電壓精度高于第二副路，并且第一副路的紋波噪聲小于第二副路。

動態響應是判定電源系統穩定性和動態恢復能力的重要指標。當電源所帶負載發生突變時，電源輸出電壓會出現瞬間過沖，經過一段恢復時間后，再回到正常的輸出狀態，可以通過過沖幅度和恢復時間來判定系統的穩定程度和動態恢復能力。理論上，過沖幅度和恢復時間受電流階躍量、電流變化率和允許變化量的影響。

在實際中，電源輸出回路或測試連接回路必然存在一定電感，而電流變化率與電感的乘積將產生一定的感應電動勢，因此電流階躍并不是理想的，總是存在一定的斜率，如果不規定電流變化率，測量結果就沒有任何意義了，本設計中動態測試電流變化率為1 A/μs。

使用電子控制的跳變負載，對所設計的電源進行負載動態跳變測試。交流220 V輸入，副路滿載，主路負載跳變范圍為滿載的50% 一75% ～50% ，輸出電壓波形如圖4所示。

示波器2通道為電子負載跳變信號波形，示波器1通道為電源輸出電壓波形。從圖4中可以看出，動態過沖為176 mV(峰峰值的一半)，動態恢復時間為200μs，動態過沖幅度為輸出電壓的1.17% ，能夠滿足配電網設備對電源的動態要求。

4 結束語

本文從配電網設備電源實際使用情況出發，介紹了配電網設備電源的特殊性;通過深入研究和分析該類電源模塊的實際使用情況，總結了設計中應注意的幾個要點和這些要點對該類電源模塊的重要性;設計制作了樣機，對樣機進行了有針對性的測試，測試結果表明了設計的可行性。