CT取電裝置CT取電故障指示器采集單元能量管理研究與應(yīng)用

摘要
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故障指示器是一種簡單、實(shí)用的二遙型配電自動化解決方案，有推廣使用的潛力。但由于故障指示器直接安裝在配電線路上，其取能尤其是采集單元的取能非常困難，限制了故障指示器的應(yīng)用發(fā)展。本文對故障指示器采集單元的工作狀態(tài)和能量需求進(jìn)行了深入分析，并提出了一種能量供應(yīng)和管理方案，具有較好的推廣價值。
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引言
隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)計、應(yīng)用水平的提高，故障指示器作為一種簡單、實(shí)用的二遙型配電自動化產(chǎn)品已經(jīng)開始被行業(yè)所認(rèn)同，并逐步批量采用。
故障指示器匯集單元通常采用太陽能供電，應(yīng)用情況尚可。而采集單元直接安裝在配電線路上，此類設(shè)備的取能非常困難，因此本文重點(diǎn)研究采集單元的能量管理。采集單元通常采用太陽能、一次性電池、線路感應(yīng)取能等方式作為其能量來源。其中一次性電池由于能量有限，作為就地型故障指示器的能量來源尚可，不適合作為帶通信功能的外施信號型、暫態(tài)特征型、錄波型等故障指示器采集單元的電源；太陽能是較好的取能方案，但也有兩個主要缺陷，首先由于太陽能一種間歇式的新能源，需要配合充電電池來儲能，以滿足采集單元在夜間以及光照不足時工作，而目前充電電池的壽命較短，難以滿足采集單元的壽命要求。此外，采集單元上安裝太陽能板會造成采集單元的體積增大和外形的不規(guī)則，不利于現(xiàn)場的安裝維護(hù)等工作；由于以上原因，線路感應(yīng)取能成為目前情況下最合適的采集單元工作能量來源。但由于感應(yīng)取得的能量非常有限，目前開口式CT在一次電流10A情況下取出的功率通常僅在mW級，因此需要對采集單元的能量管理進(jìn)行細(xì)致的研究與設(shè)計，以滿足采集單元的正常工作要求。
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能量需求
經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展，根據(jù)現(xiàn)場使用情況和故障檢測的原理，目前將故障指示器分成了9種型號，本文重點(diǎn)以外施信號型故障指示器的采集單元為例來進(jìn)行分析，其它類別指示器的能量管理基本類似。
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1.1
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采集單元原理框圖
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圖1 采集單元原理框圖
? ? ? 外施信號型故障指示器的采集單元基本原理如圖1，其主要由取能CT、電源轉(zhuǎn)換與管理、采樣單元、中央處理單元、翻牌告警器、閃光告警器、以及無線通信單元共七部分組成，取能CT和電源轉(zhuǎn)換與管理兩部分主要為整個采集單元提供電源，中央處理單元通過對采樣單元采集的信號進(jìn)行處理后，判斷線路是否發(fā)生故障以及發(fā)生何種故障，若判斷故障發(fā)生，則通過翻牌告警器和閃光告警器進(jìn)行本地告警，并通過無線通信單元向匯集單元發(fā)送告警信息。
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1.2
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工作能量需求

采集單元持續(xù)工作時，中央處理單元周期性地處理采集單元采集的電流與電場信息，并進(jìn)行故障判斷，無線通信單元周期性進(jìn)行偵聽，看是否有匯集單元的通信需求；在無故障發(fā)生時，翻牌告警器和閃光告警器處于關(guān)閉狀態(tài)，不消耗能量，只有在告警時才消耗能量。在持續(xù)工作狀態(tài)下，我們通過分析功率需求來確定其能量消耗水平。

圖2 各單元工作模式分析圖
采集單元的5個主要耗電模塊的工作模式如圖2，若中央處理單元正常工作時功耗為P1，周期為tw1，休眠時功耗為P1，周期為ti1，則可計算出此模塊的平均功耗為：

同理，采樣單元平均功耗為：

無線模塊平均功耗為：
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翻牌告警器平均功耗為：

閃光告警器平均功耗為：

由此可以計算出采集單元在持續(xù)工作情況下的整機(jī)平均功耗：
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根據(jù)我們的設(shè)計參數(shù)和測試數(shù)據(jù)，在CPU采樣頻率為800Hz時，將各模塊功耗和工作周期占空比數(shù)據(jù)代入到式（1）~（6），可以計算出正常工作模式下采集單元的平均功耗：

? ? ? ?以上計算中，CPU、采樣模塊、無線模塊按照圖2中正常占空比計算，翻牌告警器按照一天翻牌一次的功耗計算，閃光告警器由于在停電后可以使用電池的能量，在以上計算中只計算了閃光四次的功耗。
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1.3
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冷啟動能量需求
在外施信號型故障指示器的測試中，在采集單元不接入電池且超級電容沒有儲能的條件下，將線路一次電流設(shè)置為10A，要求采集單元能在5S內(nèi)進(jìn)入工作狀態(tài)，能進(jìn)行故障判斷并進(jìn)行告警和通信工作，我們將這種情況稱之為“冷啟動”。冷啟動時，采集單元只能通過感應(yīng)取能取得工作所需要的能量，沒有任何其它能量來源，且一旦發(fā)生永久短路故障后，線路上的一次電流消失，感應(yīng)取能也無法再取得能量，所以在整個啟動過程中，只有短短的幾秒鐘的時間用于取能，對能量獲取和管理的要求都非常嚴(yán)格。
由于冷啟動的整個過程只有數(shù)秒的時間，我們采用能量分析的方法來進(jìn)行能量需求分析。

圖3 冷啟動工作狀態(tài)分析圖
冷啟動的工作過程如圖3，圖中通道1為采集單元CPU的工作電壓，通道2為取能CT經(jīng)整流濾波后的輸出電壓。在t0時刻，一次電流上電，采集單元開始儲能；到tr時刻，儲能完成，采集單元開始工作；tf時刻，發(fā)生短路故障，故障電流持續(xù)時間為Δ，到tf+Δ時刻結(jié)束，此時，一次跳閘，一次電流消失；此后，采集單元進(jìn)行故障處理，啟動翻牌告警器和閃光告警器，并發(fā)送無線告警到匯集單元，到te時刻，采集單元能量耗盡，電壓低于正常工作電壓，自動關(guān)閉。冷啟動過程正常工作有兩個必要條件：第一，tr小于5秒，保證在故障發(fā)生前，CPU可以正常工作；第二，tf+Δ時刻后，儲存的能量能支撐無線通信和告警器的工作需求。
從以上工作過程中可以分析，采集單元的中央處理單元、采樣單元工作時長為te-tf，此外，期間需要進(jìn)行一次無線通信、一次翻牌告警和閃光告警，因此，根據(jù)式（1）~（6）和測試數(shù)據(jù)，可以計算出冷啟動過程中的整體能源消耗：
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? ? ? ?在冷啟動過程中，取能CT總體的取能時間為tf+Δ，其中t0~tf的時間中，一次電流為正常負(fù)荷電流10A，故障發(fā)生時，一次突變電流不低于150A，時長為Δ，目前實(shí)測中，Δ一般取40ms，在這40ms時間中，大約能實(shí)現(xiàn)取能3mJ，因此，在冷啟動的5秒時間中，需要CT取出的能量大約為20mJ，考慮電容上的能量殘值和電源效率損耗20%，則CT總體取能值大約25mJ，則CT的功率需求為：

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1.4
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總體功率需求
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則可得出CT取能的總體要求是：在一次電流10A條件下，CT取出的功率要求不低于5mW。
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2
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取能設(shè)計
2.1
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最大功率理論值
線路感應(yīng)取能的基本原理是電磁感應(yīng)定律，取電CT的負(fù)載等效模型如圖4。


圖4 ?取電CT的負(fù)載等效模型圖
忽略磁芯磁滯損耗分量，取電線圈輸出功率P 可表示為:
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式11中：
f 為電流頻率，是定值；
u 為磁芯的磁導(dǎo)率；
S 為取電線圈磁芯截面積；
I1 為一次電流值；
θ 為一次電壓與電流的夾角；
l 為取電線圈磁芯磁路長度；
在磁芯材料結(jié)構(gòu)確定以后，當(dāng)磁芯工作在線性區(qū)時可以近似認(rèn)為μ為定值。
由式11可知，在磁化電流小于飽和電流時，存在一個最大輸出功率點(diǎn)，該最大輸出功率為：
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可以看出，最大功率輸出僅與磁芯的磁導(dǎo)率、磁路長度及截面積、一次側(cè)電流有關(guān), 與副邊線圈匝數(shù)無關(guān)。在不同副邊線圈匝數(shù)情況下，可以通過調(diào)整負(fù)載阻抗和二次電流，獲得最大功率輸出。
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2.2
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最大功率設(shè)計
從3.1節(jié)中我們可以看出，在一定的一次電流下（比如10A），要使取能線圈的最大輸出功率盡可能增大，有三個可能的方法，第一是提高磁芯磁導(dǎo)率；第二是增大磁芯截面積，第三是減小磁路長度。表1是三種磁導(dǎo)率較高的常用磁芯材料性能對比，綜合考慮材料的磁導(dǎo)率、抗腐蝕性能和強(qiáng)度等各項指標(biāo)，坡莫合金材料是目前較為合適的材料選擇。
表1 常用磁芯材料性能對比表

材料確定之后，為了取得最好的性價比，最佳方案是盡可能減小磁路長度，以較小的磁芯截面積來滿足取電性能要求，降低所用材料數(shù)量和成本。因此，最大功率設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)是如何減少磁路長度。
減少磁路長度的實(shí)質(zhì)是減少磁路中的磁阻，采集單元取電CT由于安裝需要，必須采用開口式CT，這種開口式CT在開口氣隙處是磁阻集中處，處理好開口氣隙就能大大減少磁阻。因此，我們在設(shè)計中采用了合理的磁芯結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)采用三種方法減少磁阻，第一是盡可能減少開口數(shù)量；第二是增大開口處磁芯的接觸面積，在開口處采用面接觸；第三是盡可能讓開口處接觸良好，采用在開口處增加彈簧的方式增大接觸力量，并減小長久運(yùn)行中接觸面變形的可能性。
通過以上處理方法，大大提高了取能CT的實(shí)際功率輸出特性，在實(shí)際測試中，10A一次電流條件下，取能峰值可以達(dá)到7mW，大于2.4節(jié)中的最大值需求，可以滿足實(shí)際使用要求。
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3
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能量策略管理
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圖5 采集單元取能原理框圖
? ?采集單元取能部分的原理框圖如圖5，取能線圈感應(yīng)出電流后，經(jīng)過過壓保護(hù)、整流濾波進(jìn)入電源管理模塊，電源管理模塊將電源變換為穩(wěn)定的電壓供CPU，并處理C1、C2儲能策略以及后備電池供電策略。為達(dá)到冷啟動要求，儲能策略和電池供電流程圖如圖6。

圖6 能量管理流程圖
? ?在實(shí)際工作時，采集單元中有一次性電池，則CPU一直處于工作狀態(tài)，C2上也一直有電壓，此時若CT取出能量有剩余，則向超級電容C1充電，若CT能量不足，則超級電容放電，工作較為簡單。在冷啟動測試時，沒有接入電池，C1、C2都處于完全放電狀態(tài)，為了滿足工作要求，則首先關(guān)閉C1，CT僅對C2進(jìn)行儲能，在C2達(dá)到一定電壓后，再啟動CPU工作，此時CT取出的能量在滿足CPU工作后若還有剩余，再對C1進(jìn)行儲能。在故障發(fā)生并停電后，再取出C1、C2的能量供CPU工作，直至能量耗盡不能工作為止。通過以上管理策略，在取電CT滿足2.4節(jié)要求的條件下，通過適當(dāng)選擇C1、C2的容值，采集單元可以順利達(dá)到5S的啟動要求和故障告警要求。
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4
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結(jié)論
? ? ?本文對故障指示器采集單元在兩種工作模式下的功耗需求分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到了采集單元的最大功耗需求，在此基礎(chǔ)上，通過選擇合適的取能CT，采用適當(dāng)?shù)哪芰抗芾矸桨福梢允共杉瘑卧獫M足10A5S的冷啟動要求，也可以使采集單元在較小的一次電流下，僅僅使用線路感應(yīng)取得的能量就能實(shí)現(xiàn)正常工作，而不使用電池的能量。該取能方案可以大大延長電池的工作時間和采集單元的使用壽命，具有良好的推廣價值。
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