一种新型的拓扑识别设备

2021-05-25张金全谷智明

通信电源技术 2021年23期

张金全，谷智明

（1.广西北投信创科技投资集团有限公司，广西南宁 530200；2.广州润和颐能软件技术有限公司，广东广州 510700）

0 引言

2021年5月15日，南方电网发布《南方电网公司建设新型电力系统行动方案（2021—2030年）白皮书》，并召开数字电网推动构建新型电力系统专家研讨会。与会专家认为，构建新型电力系统与发展数字电网势在必行。为了提高电网的数字化程度、加强电网的精细化管理、增强用户的用电体验，实时掌控整个台区网络的拓扑关系至关重要。

本文在已有研究的基础上提出了一种新型的拓扑识别设备，该方法充分利用了变压器隔离的优势，利用H桥驱动变压器获得投切电流，最终使用有源滤波电路还原投切波形，从而完成拓扑识别的功能，整个电路具有小型化、低功耗以及低成本等优点[1,2]。

1 技术原理

整个拓扑识别设备分为发送端电路和接收端电路，发送端电路负责发射出投切电流信号作为拓扑识别功能的检测信号，发射电路要尽量控制体积、功耗及电流大小，过大的投切电流可能会引起电力线上其他设备的报警。接收端电路负责接收投切波形，由于电力线上的50 Hz交流信号会产生多次谐波，投切信号的频率要与谐波信号的频率错开，避免干扰。电力线上经过大电流时，50 Hz的信号幅度会很大，接收通路增加8阶带通滤波器，尽量滤除50 Hz信号及其低次谐波[3-9]。

1.1 投切发送电路

本文提出的拓扑识别投切电路采用变压器对数字地与交流地进行隔离，确保电路安全稳定；使用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）+H桥输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波驱动变压器，保证变压器的驱动电压与驱动电流足够。为了保证投切电流可调整，确保整个投切电路功耗较小，防止投切电阻过热烧毁，增加过零检测电路，CPU通过检测过零点调整PWM的输出间隔，即可控制投切电流的大小，如图1所示[6]。

图1 投切电流控制

在图1左侧竖直线的时间节点投切时，投切电压几乎为0，投切电流为0，在右侧竖直线的时间节点投切时，投切电压在310 V左右，此时投切电流最大。

整个投切电路分为负载电流产生电路与控制驱动电路。图2为负载电路产生电路，整个电路简单明了，由4个二极管（整流桥）、4个投切负载电阻（限流）以及1个PMOS管组成（投切）。

图2 负载电流产生电路

整流桥的目的是为了让投切电路投切整流后的直流电压，这样整个投切波形在交流的正、负周波上都存在。如果不经过整流桥，仅在交流波形上投切，则投切波形仅在交流的正周波上存在，负周波上不存在，两种投切产生的结果如图3和图4所示。

图3 投切220 V交流观察交流投切波形

图4 投切整流桥后直流观察交流投切波形

控制驱动电路由H桥组成，其中NMOS_G与NMOS_S为CPU提供的控制信号。H桥具有能正反转运行、启动速度快、调速精度高、动态响应好以及驱动能力大等优点，选择的H桥芯片控制电压与驱动电压分离，能够通过驱动电压调整输出电压，解决了后级电路需求驱动能力大和驱动电压高的问题[10]。选择的坡莫合金镍钢变压器具有很大的弱磁场导磁率，可做成400～8 000 Hz的变压器，与本次投切电路的频率匹配。整体控制驱动电路如图5所示。

图5 整体控制驱动电路

1.2 接收电路

投切电流流入电力线后，会经过两级CT进入接收通路，初级CT的变比为600 A∶5 A，次级CT的变比为5 A∶0.0025 A，整个通路的电流变比为240 000∶1，接收通路需要提供足够的增益放大投切信号。本次设计主要通过三级通路对信号进行放大，第一级为CT的采样电阻，阻值为100 Ω，可匹配CT完成电流转换电压的功能，也可以承担一定的放大作用；第二级为普通运放搭建的放大电路，该电路是为了匹配后级的有源带通滤波器电路，不仅可以提供稳定的直流偏置，还可以匹配后级电路的放大增益。考虑到第三极有源放大滤波电路增益和滤波参数调整比较麻烦，当第三级有源放大滤波电路增益过大时，第二级增益适当减小，当第三极有源放大滤波电路增益过小时，第二级增益适当放大。第三极采用运放搭建8阶有源带通放大滤波器，选用Multiple Feedback架构。搭建的滤波电路应尽可能提升投切频率的信号幅度，滤除50 Hz的信号，因此最终搭建对投切频率有45 dB增益、对50 Hz有-50 dB以上衰减的带通滤波器，整个电路如图6所示。

图6 接收通路

2 实际测量结果

2.1 摊位搭建

选用的调压源能够提供220 V的交流电，交流电进入印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）开始投切。为了避免初级CT开路，在CT的次级端口用1 Ω连接起来。将次级CT套在1 Ω电阻的连接线上，次级CT的输出端接入PCB板的接收通路进行放大滤波采集。测试框图及实物图如图7和图8所示。