電容儲能的自動化終端備用開關電源設計

程紅麗，王立，劉健，王利強

（西安科技大學通信與信息工程學院，陜西西安710054）

摘要：為了在失電情況下繼續維持智能終端設備短暫工作，提出了一種基于電容儲能的自動化終端備用開關電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲能電容器容量設計方法。根據能量平衡關系，分析了負載突然增大和負載突然減輕情況下的最嚴重電壓凹陷和電壓驟升，并得出輸出濾波電容容量的設計考慮。以一個具體的電容儲能FTU電源為例，詳細說明了電路參數的設計方法，并進行了實驗研究。實驗結果表明所設計的電容儲能備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機、操作和通信的需要，并且所進行的理論分析與實際情況相符。

0引言

在電力系統監測、監控和自動化系統中，開關電源是智能終端設備的關鍵部件之一，其輸入一般來自電壓互感器二次側或配電變壓器二次側。但是在故障或其它因各種原因導致輸入電源失去的情況下，這些智能終端設備還必須維持工作一段時間，否則就不能完成故障檢測、處理和繼電保護以及信息記錄和上報功能，因此需要采取儲能措施。

在變電站內的智能終端設備，可以采用蓄電池儲能構成備用電源系統。但是安裝在戶外環網柜、柱上開關、配電變壓器等的智能終端設備，需要在惡劣的環境下工作，采用蓄電池無論對于設備可靠性或維護方便性而言都是不理想的。

實際上對于絕大多數戶外智能終端設備，在失去電源時僅需要維持短暫的工作時間即可[1]，比如：對于配電變壓器監測終端（TTU），只需在停電時上報該信息即可；對于柱上開關監控終端（FTU），只需在失電時上報故障信息和開關狀態，有必要的話分斷該開關即可；對于環網柜監控終端，只需在失電時上報故障信息和開關狀態，并將故障線路上游相鄰開關分斷即可。上述功能所需要的時間一般在1min之內。由于分斷開關所需的能量可以由專門的工作儲能電容器提供，因此在故障或者失電時，智能終端設備的電源只需要提供維持本機工作和通信單元所需要的能量即可，峰值功率一般不會超過5W，平均功率小于2.5W。

隨著科學技術的發展，超級電容器和大容量電解電容器技術已經日趨成熟。與蓄電池相比，電容器具有充電速度快且管理方便、壽命長、體積小、重量輕等諸多優點，是一種很有發展前景的電力儲能設備并且已經成功地應用在電力系統中[2~4]。

從戶外智能終端設備在失電后需要一段短暫的平均功率較小的維持電源供應需求看，采用超級電容器和大容量電解電容器作為儲能手段是完全可行并且較蓄電池而言更加合適[5]。

本文論述一種采用電容儲能的備用開關電源分析和設計方法，并對其性能進行實驗驗證。

1電路組成

電容儲能開關電源由整流電路、切換電路、DC-DC變換器、工作儲能電容器和操作儲能電容器等部分組成，其結構如圖1所示。對于TTU等不需要控制的情形，可僅有虛線下方部分。