CT取电装置CT取电故障指示器采集单元能量管理研究与应用

摘要
 
故障指示器是一种简单、实用的二遥型配电自动化解决方案，有推广使用的潜力。但由于故障指示器直接安装在配电线路上，其取能尤其是采集单元的取能非常困难，限制了故障指示器的应用发展。本文对故障指示器采集单元的工作状态和能量需求进行了深入分析，并提出了一种能量供应和管理方案，具有较好的推广价值。
 
引言
随着技术的进步和设计、应用水平的提高，故障指示器作为一种简单、实用的二遥型配电自动化产品已经开始被行业所认同，并逐步批量采用。
故障指示器汇集单元通常采用太阳能供电，应用情况尚可。而采集单元直接安装在配电线路上，此类设备的取能非常困难，因此本文重点研究采集单元的能量管理。采集单元通常采用太阳能、一次性电池、线路感应取能等方式作为其能量来源。其中一次性电池由于能量有限，作为就地型故障指示器的能量来源尚可，不适合作为带通信功能的外施信号型、暂态特征型、录波型等故障指示器采集单元的电源；太阳能是较好的取能方案，但也有两个主要缺陷，首先由于太阳能一种间歇式的新能源，需要配合充电电池来储能，以满足采集单元在夜间以及光照不足时工作，而目前充电电池的寿命较短，难以满足采集单元的寿命要求。此外，采集单元上安装太阳能板会造成采集单元的体积增大和外形的不规则，不利于现场的安装维护等工作；由于以上原因，线路感应取能成为目前情况下最合适的采集单元工作能量来源。但由于感应取得的能量非常有限，目前开口式CT在一次电流10A情况下取出的功率通常仅在mW级，因此需要对采集单元的能量管理进行细致的研究与设计，以满足采集单元的正常工作要求。
   
能量需求
经过多年的应用发展，根据现场使用情况和故障检测的原理，目前将故障指示器分成了9种型号，本文重点以外施信号型故障指示器的采集单元为例来进行分析，其它类别指示器的能量管理基本类似。
 

1.1
 
采集单元原理框图
 

图1 采集单元原理框图
      外施信号型故障指示器的采集单元基本原理如图1，其主要由取能CT、电源转换与管理、采样单元、中央处理单元、翻牌告警器、闪光告警器、以及无线通信单元共七部分组成，取能CT和电源转换与管理两部分主要为整个采集单元提供电源，中央处理单元通过对采样单元采集的信号进行处理后，判断线路是否发生故障以及发生何种故障，若判断故障发生，则通过翻牌告警器和闪光告警器进行本地告警，并通过无线通信单元向汇集单元发送告警信息。
 
1.2
 

   
工作能量需求

采集单元持续工作时，中央处理单元周期性地处理采集单元采集的电流与电场信息，并进行故障判断，无线通信单元周期性进行侦听，看是否有汇集单元的通信需求；在无故障发生时，翻牌告警器和闪光告警器处于关闭状态，不消耗能量，只有在告警时才消耗能量。在持续工作状态下，我们通过分析功率需求来确定其能量消耗水平。

图2 各单元工作模式分析图
采集单元的5个主要耗电模块的工作模式如图2，若中央处理单元正常工作时功耗为P1，周期为tw1，休眠时功耗为P1，周期为ti1，则可计算出此模块的平均功耗为：

同理，采样单元平均功耗为：

无线模块平均功耗为：
 
翻牌告警器平均功耗为：

闪光告警器平均功耗为：

由此可以计算出采集单元在持续工作情况下的整机平均功耗：
 
根据我们的设计参数和测试数据，在CPU采样频率为800Hz时，将各模块功耗和工作周期占空比数据代入到式（1）~（6），可以计算出正常工作模式下采集单元的平均功耗：

       以上计算中，CPU、采样模块、无线模块按照图2中正常占空比计算，翻牌告警器按照一天翻牌一次的功耗计算，闪光告警器由于在停电后可以使用电池的能量，在以上计算中只计算了闪光四次的功耗。
 
1.3
 

   

冷启动能量需求
在外施信号型故障指示器的测试中，在采集单元不接入电池且超级电容没有储能的条件下，将线路一次电流设置为10A，要求采集单元能在5S内进入工作状态，能进行故障判断并进行告警和通信工作，我们将这种情况称之为“冷启动”。冷启动时，采集单元只能通过感应取能取得工作所需要的能量，没有任何其它能量来源，且一旦发生永久短路故障后，线路上的一次电流消失，感应取能也无法再取得能量，所以在整个启动过程中，只有短短的几秒钟的时间用于取能，对能量获取和管理的要求都非常严格。
由于冷启动的整个过程只有数秒的时间，我们采用能量分析的方法来进行能量需求分析。

图3 冷启动工作状态分析图
冷启动的工作过程如图3，图中通道1为采集单元CPU的工作电压，通道2为取能CT经整流滤波后的输出电压。在t0时刻，一次电流上电，采集单元开始储能；到tr时刻，储能完成，采集单元开始工作；tf时刻，发生短路故障，故障电流持续时间为Δ，到tf+Δ时刻结束，此时，一次跳闸，一次电流消失；此后，采集单元进行故障处理，启动翻牌告警器和闪光告警器，并发送无线告警到汇集单元，到te时刻，采集单元能量耗尽，电压低于正常工作电压，自动关闭。冷启动过程正常工作有两个必要条件：第一，tr小于5秒，保证在故障发生前，CPU可以正常工作；第二，tf+Δ时刻后，储存的能量能支撑无线通信和告警器的工作需求。
从以上工作过程中可以分析，采集单元的中央处理单元、采样单元工作时长为te-tf，此外，期间需要进行一次无线通信、一次翻牌告警和闪光告警，因此，根据式（1）~（6）和测试数据，可以计算出冷启动过程中的整体能源消耗：
    
       在冷启动过程中，取能CT总体的取能时间为tf+Δ，其中t0~tf的时间中，一次电流为正常负荷电流10A，故障发生时，一次突变电流不低于150A，时长为Δ，目前实测中，Δ一般取40ms，在这40ms时间中，大约能实现取能3mJ，因此，在冷启动的5秒时间中，需要CT取出的能量大约为20mJ，考虑电容上的能量残值和电源效率损耗20%，则CT总体取能值大约25mJ，则CT的功率需求为：

 
1.4
 

   

总体功率需求
 
取：  

则可得出CT取能的总体要求是：在一次电流10A条件下，CT取出的功率要求不低于5mW。
 
2
 
取能设计
2.1
 
最大功率理论值
线路感应取能的基本原理是电磁感应定律，取电CT的负载等效模型如图4。


图4  取电CT的负载等效模型图
忽略磁芯磁滞损耗分量，取电线圈输出功率P 可表示为:
 
   
式11中：
f 为电流频率，是定值；
u 为磁芯的磁导率；
S 为取电线圈磁芯截面积；
I1 为一次电流值；
θ 为一次电压与电流的夹角；
l 为取电线圈磁芯磁路长度；
在磁芯材料结构确定以后，当磁芯工作在线性区时可以近似认为μ为定值。
由式11可知，在磁化电流小于饱和电流时，存在一个最大输出功率点，该最大输出功率为：
  

可以看出，最大功率输出仅与磁芯的磁导率、磁路长度及截面积、一次侧电流有关, 与副边线圈匝数无关。在不同副边线圈匝数情况下，可以通过调整负载阻抗和二次电流，获得最大功率输出。
 
2.2
 

   

最大功率设计
从3.1节中我们可以看出，在一定的一次电流下（比如10A），要使取能线圈的最大输出功率尽可能增大，有三个可能的方法，第一是提高磁芯磁导率；第二是增大磁芯截面积，第三是减小磁路长度。表1是三种磁导率较高的常用磁芯材料性能对比，综合考虑材料的磁导率、抗腐蚀性能和强度等各项指标，坡莫合金材料是目前较为合适的材料选择。
表1 常用磁芯材料性能对比表

材料确定之后，为了取得最好的性价比，最佳方案是尽可能减小磁路长度，以较小的磁芯截面积来满足取电性能要求，降低所用材料数量和成本。因此，最大功率设计的关键点是如何减少磁路长度。
减少磁路长度的实质是减少磁路中的磁阻，采集单元取电CT由于安装需要，必须采用开口式CT，这种开口式CT在开口气隙处是磁阻集中处，处理好开口气隙就能大大减少磁阻。因此，我们在设计中采用了合理的磁芯结构，重点采用三种方法减少磁阻，第一是尽可能减少开口数量；第二是增大开口处磁芯的接触面积，在开口处采用面接触；第三是尽可能让开口处接触良好，采用在开口处增加弹簧的方式增大接触力量，并减小长久运行中接触面变形的可能性。
通过以上处理方法，大大提高了取能CT的实际功率输出特性，在实际测试中，10A一次电流条件下，取能峰值可以达到7mW，大于2.4节中的最大值需求，可以满足实际使用要求。
 
3
 

   

能量策略管理
 

图5 采集单元取能原理框图
   采集单元取能部分的原理框图如图5，取能线圈感应出电流后，经过过压保护、整流滤波进入电源管理模块，电源管理模块将电源变换为稳定的电压供CPU，并处理C1、C2储能策略以及后备电池供电策略。为达到冷启动要求，储能策略和电池供电流程图如图6。

图6 能量管理流程图
   在实际工作时，采集单元中有一次性电池，则CPU一直处于工作状态，C2上也一直有电压，此时若CT取出能量有剩余，则向超级电容C1充电，若CT能量不足，则超级电容放电，工作较为简单。在冷启动测试时，没有接入电池，C1、C2都处于完全放电状态，为了满足工作要求，则首先关闭C1，CT仅对C2进行储能，在C2达到一定电压后，再启动CPU工作，此时CT取出的能量在满足CPU工作后若还有剩余，再对C1进行储能。在故障发生并停电后，再取出C1、C2的能量供CPU工作，直至能量耗尽不能工作为止。通过以上管理策略，在取电CT满足2.4节要求的条件下，通过适当选择C1、C2的容值，采集单元可以顺利达到5S的启动要求和故障告警要求。
 
4
 

   

结论
     本文对故障指示器采集单元在两种工作模式下的功耗需求分别进行了详细的分析，得到了采集单元的最大功耗需求，在此基础上，通过选择合适的取能CT，采用适当的能量管理方案，可以使采集单元满足10A5S的冷启动要求，也可以使采集单元在较小的一次电流下，仅仅使用线路感应取得的能量就能实现正常工作，而不使用电池的能量。该取能方案可以大大延长电池的工作时间和采集单元的使用寿命，具有良好的推广价值。