CN204089343U - 低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端，其特征在于：电源控制模块为高效抗低温电源模块其电源转5V/DC装置CPU供电；配电自动化终端核心单元采用双CPU设计，两块CPU芯片BF518和BF533均为工业级芯片，两块CPU芯片嵌入工业级设计电路中，温度采集模块中的R11、R12、R13和PT100组成传感器测量电桥，电桥输入端通过TL431稳压；调整桥臂电阻R13，改变输入到运放的差分电压信号大小，用于调零；其具有循环寿命长，高低温性能好，低温下容量高，在环境-40℃条件下，容量仍可保持在80％以上；在-40℃至＋70℃范围内可正常工作，使其具备温度补偿的功能，即能在-50℃至＋70℃范围内正常工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端，属于电力系统及其自动化领域。
背景技术
配电自动化建设是未来智能电网发展的必然趋势。在配电自动化系统中，大多数终端核心单元在常温下都能正常工作，满足配电终端在智能电网建设中的各项技术指标。但是，在高寒地区低温环境下，往往会出现无法正常启动的现象，严重影响配电自动化系统在高纬度地区的推广与建设。于是，自然就产生了对抗低温能力强，低温环境能正常直接冷启动的新型配电终端核心单元的迫切需求。
由于在配电自动系统中，大多数终端都是分散安装，没有专门的直流屏柜供电。因此，如柱上开关、环网柜、开闭所等处安装的配电自动化终端必须配有后备电源。目前常用的配电终端后备电源大多采用铅酸蓄电池供电。常温下工作正常，储能量大，能满足多次跳合闸操作的技术指标。但存在工作寿命短，在低温下不能正常供电的缺点，严重影响了配电自动化系统的大规模建设。配电自动化终端在北方等高寒地区设备核心单元无法正常启动导致配电网络出现大规模终端掉线的状况时有发生。目前智能配电终端核心单元和后备电源系统在低温环境无法正常直接冷启动导致配电终端和配电网络无法正常运行的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端。配电自动化终端核心单元选取抗低温能力强的工业级核心单元处理芯片，使该终端能够在－40°C低温环境下直接冷启动。配电终端后备电源采用硅能蓄电池，硅能蓄电池具有循环寿命长，高低温性能好， 低温下容量高，在环境-40℃条件下，容量仍可保持在80％以上；在-40℃至＋70℃ 范围内可正常工作，将二者统一成套形成具备后备电源的配电自动化终端，使其具备温度补偿的功能，即能在-50℃至＋70℃范围内正常工作。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端，由温度采集模块和电源控制模块组成，其特征在于：电源控制模块为高效抗低温电源模块其电源转5V/DC装置CPU供电；配电自动化终端核心单元采用双CPU设计，两块CPU芯片BF518和BF533均为工业级芯片，两块CPU芯片嵌入工业级设计电路中，温度采集模块中的R11、R12、R13和PT100 组成传感器测量电桥，电桥输入端通过TL431稳压；调整桥臂电阻R13，改变输入到运放的差分电压信号大小，用于调零；电桥输出端设计了两级放大电路，集成运算放大器采用LM358；电源控制模块中，输入电压Vin首先经EMI滤波电路滤除EMI干扰并对交流输入整流，得到稳定的直流输入电压Vdc，RCD箝位电路位于变压器初级侧，用来抑制漏感能量所激发的尖峰；电源控制模块电路输出接闭环负反馈，输出电压Vout经分压得到反馈电压Vfb，Vfb与温度采集电路输出的采样电压Vo1经差值放大器EA输出调制电压Vc，Vc通过光耦后，经PWM脉宽调制器（LD7575）控制MOS管（Q1）的导通时间ton，从而控制输出电压Vout。
本实用新型的积极效果是针对配电自动化终端在北方等高寒地区设备后备电源系统无法正常启动导致配电网络出现断电后，后备电源无法供应情况，其蓄电池采用乳体硅能蓄电池，用乳体电解液代替硫酸电解液，电解质采用了新型的复合硅盐，使电池的低温性能得到了极大改善，从而保证蓄电池在－40°C时，容量仍能保持在80%以上，同时在－40°C至＋60°C度的户外环境中工作，使用寿命不小于5年，该后备电源主要应用于配电自动化系统中。
附图说明
图1是可以在－40°C直接冷启动的配电自动化终端核心单元电源部分设计原理图。
图2是可以在－40°C直接冷启动的配电自动化终端核心单元CPU部分设计原理图。
图3是可以在－40°C直接冷启动的配电自动化终端核心单元工作原理图。
图4是可以在－40℃环境下直接应用的智能配电终端后备电源系统的工作原理图。
图5是可以在－40℃环境下直接应用的智能配电终端后备电源系统的蓄电池－40°C充放电实验曲线图。
图6是在－50℃~70℃环境下具备后备电源的智能配电终端系统的工作原理图。
图7中是具备后备电源的智能配电自动化终端简易线路图。
图8中是温度采集模块和电源控制模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端，由温度采集模块和电源控制模块组成，其特征在于：电源控制模块为高效抗低温电源模块其电源转5V/DC装置CPU供电。配电自动化终端核心单元采用双CPU设计，两块CPU芯片BF518和BF533均为工业级芯片，两块CPU芯片嵌入工业级设计电路中。温度采集模块中的R11、R12、R13和PT100 组成传感器测量电桥，电桥输入端通过TL431稳压；调整桥臂电阻R13，改变输入到运放的差分电压信号大小，用于调零；电桥输出端设计了两级放大电路，集成运算放大器采用LM358；电源控制模块中，输入电压Vin首先经EMI滤波电路滤除EMI干扰并对交流输入整流，得到稳定的直流输入电压Vdc。RCD箝位电路位于变压器初级侧，用来抑制漏感能量所激发的尖峰。LD7575为通嘉科技的PWM产生及控制芯片，保持电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff）；电源控制模块电路输出接闭环负反馈，输出电压Vout经分压得到反馈电压Vfb，Vfb与温度采集电路输出的采样电压Vo1经差值放大器EA输出调制电压Vc，Vc通过光耦后，经PWM脉宽调制器（LD7575）控制MOS管（Q1）的导通时间ton，从而控制输出电压Vout。
本实用新型采用全工业级设计，通过选取工业级元器件、抗低温电路进行设计，并嵌入工业级高效抗低温电源模块和CPU芯片,从而使得新型配电终端核心单元电源部分能在低温环境正常供电，且CPU板能在低温环境正常启动工作。本实用新型在蓄电池部分采用新型乳体硅能蓄电池，用全新机理的复合硅盐做电解质, 用乳体电解液代换了硫酸电解液，从而使得新型配电终端后备电源系统能在低温环境正常供电。
如图1所示，PDZ800系列智能配电终端核心单元电源部分选取模块化电源变送器，利用模块化的高效抗低温能力从根本上解决传统电源电路元器件在低温环境性能受损无法正常工作的难题。由图2-3可以看出智能配电终端核心单元采用双CPU模式，一个CPU信息采集及其处理，另一个CPU负责通信传输，两块CPU均选取抗低温能力强的工业级芯片，配合电源部分的抗低温电源模块，很好的解决了低温环境传统核心单元无法正常启动问题。
从图4中可以看出电源控制模块包括两路交流输入和两路直流输出以及蓄电池的充放电接口，工业级芯片保证了模块在－40°C的低温环境下也能正常启动。
当交流输入正常时，模块不仅能输入直流电，还能对蓄电池进行充电，保持蓄电池的电量充足；当交流失电的时候，模块自动无缝切换到蓄电池供电模式，直流输入始终保持稳定。另外在模块上还有电池活化的节点，可随时对蓄电池进行活化，从而使蓄电池在低温条件下仍能保持良好工作状态。从图5可以看出后备电源系统的蓄电池采用新型乳体硅能蓄电池，低温性能良好，在－40°C的条件下充放电电流仍能维持正常稳定。
如图6所示，将后备电源和智能配电终端进行统一设计，能够适应在－50℃~70℃环境下的低温环境工作要求。当进行交流供电的时候，交流电经过逆变电源电路，一方面，转化成直流工作电源给配电终端进行供电，另一方面也可以给后备电源系统充电。当停止交流供电时，后备电源经过逆变电路转化成直流工作电源给配电终端进行供电。
图7中是具备后备电源的智能配电自动化终端简易线路图。电源控制模块能工作在低温环境下。当交流电进行供电的时候，经过电源控制模块，既能给后备电源进行充电，同时还能给装置提供工作电源。当交流电断电的时候，电源控制模块能自动对供电电源进行切换，使后备电源系统进入供电状态。实现了装置电源的保护。在温度低于-40℃时，温度补偿器的传感器检测到温度过低，立即触发超级电容供电，启动温度补偿程序，对装置所处的箱体环境进行加温，直至温度高于-40℃时，恢复电源控制模块供电，同时对温度补偿器内的超级电容进行充电。
图8是温度采集模块和电源控制模块电路图。电路由两个模块组成，温度采集模块和电源控制模块。如图8，温度采集模块中的R11、R12、R13和PT100 组成传感器测量电桥，电桥输入端通过TL431稳压。调整桥臂电阻R13，可以改变输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调零。为防止单级放大倍数过高引起非线性误差，电桥输出端设计了两级放大电路（集成运算放大器可采用LM358等）。当温度下降时，PT100阻值变小，输入到放大电路的差分信号变小，放大电路的输出电压Vo1对应降低。电源控制模块中，输入电压Vin首先经EMI滤波电路滤除EMI干扰并对交流输入整流，得到稳定的直流输入电压Vdc。RCD箝位电路位于变压器初级侧，用来抑制漏感能量所激发的尖峰。LD7575为通嘉科技的PWM产生及控制芯片，通过设计，保持电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff）。模块电路输出接闭环负反馈，输出电压Vout经分压得到反馈电压Vfb，Vfb与温度采集电路输出的采样电压Vo1经差值放大器EA输出调制电压Vc，Vc通过光耦后，经PWM脉宽调制器（LD7575）控制MOS管（Q1）的导通时间ton，从而控制输出电压Vout。
本实用新型提出了抗低温能力的带后备电源系统的配电自动化终端的方法，迎合了为改善配电自动化在北方高寒地区现场工作恶劣环境的需求。通过电源模块化的方式解决传统电源无法在高寒地区正常供电的难题。另外，选取抗低温能力强的CPU芯片，成功的解决低温环境配电终端核心单元主程序无法正常启动的问题。选取抗低温能力强的电源控制模块和低温性能良好的乳体硅能蓄电池，成功的解决低温环境配电终端后备电源系统无法正常启动的问题。将二者进行整体的设计，并配备了温度补偿功能，使得整个系统能够在更加低温的环境工作，适应性更强。带后备电源且抗低温的配电自动化终端是一个崭新变革，同时也使配电终端朝着智能化、现代化、高效化、人性化的方向发展。
Claims (1)
1.一种低温环境下的具备后备电源系统的配电自动化终端，由温度采集模块和电源控制模块组成，其特征在于：电源控制模块为高效抗低温电源模块其电源转5V/DC装置CPU供电；配电自动化终端核心单元采用双CPU设计，两块CPU芯片BF518和BF533均为工业级芯片，两块CPU芯片嵌入工业级设计电路中，温度采集模块中的R11、R12、R13和PT100 组成传感器测量电桥，电桥输入端通过TL431稳压；调整桥臂电阻R13，改变输入到运放的差分电压信号大小，用于调零；电桥输出端设计了两级放大电路，集成运算放大器采用LM358；电源控制模块中，输入电压Vin首先经EMI滤波电路滤除EMI干扰并对交流输入整流，得到稳定的直流输入电压Vdc，RCD箝位电路位于变压器初级侧，用来抑制漏感能量所激发的尖峰；电源控制模块电路输出接闭环负反馈，输出电压Vout经分压得到反馈电压Vfb，Vfb与温度采集电路输出的采样电压Vo1经差值放大器EA输出调制电压Vc，Vc通过光耦后，经PWM脉宽调制器LD7575控制MOS管Q1的导通时间ton，从而控制输出电压Vout。
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