基于智能配電終端的后備電源方案研究

李國武 ，武宇平 ，羅海波 ，王軍鋒 ，許 健

（1.冀北張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.北京四方繼保自動化有限公司，北京 100085）

在電力配電網(wǎng)中，后備電源是各種饋線回路中配電自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端的關(guān)鍵部件之一，其輸入通常來自電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)。智能配電終端設(shè)備一般要求在外部失電后必須維持工作一段時間，以完成故障檢測、故障處理以及信息記錄和上報等一系列功能，因此需要后備電源保證，即使饋線停電智能配電終端仍能工作，開關(guān)也能操作[1]。本文旨在尋求一種或幾種容量穩(wěn)定且能夠有效優(yōu)化提高后備電源壽命的新型蓄電池或新的解決方案。

1 智能配電終端后備電源存在的問題

目前，智能配電終端設(shè)備中通常采用鉛酸蓄電池儲能構(gòu)成后備電源系統(tǒng)。因鉛酸蓄電池能量體積比大，故閥控式密封鉛酸蓄電池在近十年來得到了廣泛的應(yīng)用[2]，一直處于智能配電終端的后備電源首選地位。但是隨著智能配電終端大范圍推廣，對智能配電終端后備電源的要求進一步提高，鉛酸蓄電池的問題也日益體現(xiàn)出來。

(1)電池壽命問題。目前來說，用戶要求智能配電終端后備電源的壽命越長越好，最好能夠達到8～10年，特別是在戶外環(huán)境溫度下仍應(yīng)能保持相對較長的壽命，而閥控式鉛酸蓄電池的一般標(biāo)稱壽命在25℃時為6年左右，而實際運行中往往使用不到3年就出現(xiàn)了性能劣化的情況。以25℃為基準(zhǔn)環(huán)境，平均溫度每增加10℃，其壽命將減少一半。我國西北地區(qū)環(huán)境惡劣，溫差較大，夏季溫度高達50℃，冬季溫度低至-35℃左右，散熱及保溫性能又較差，因此電池壽命受到直接影響。

(2)容量體積問題。閥控式鉛酸蓄電池一般標(biāo)稱電壓為直流12 V，在實際的設(shè)計中需要2～4塊電池串聯(lián)。但閥控式鉛酸蓄電池在-40℃時的容量僅為常溫下的30%左右，利用率急劇降低。為了保證電池具有25℃時的放電容量，一般需要在容量上有超過3倍的冗余配置，因此大大增加了成本和體積。

除此之外，鉛酸蓄電池會造成水質(zhì)污染。同時其電解液為硫酸[3]，有強腐蝕性，而且在生產(chǎn)過程中會形成酸霧，造成環(huán)境污染。

2 兩種可選電池的性能對比測試

2.1 硅能電池

硅能電池的電解質(zhì)采用硅鹽復(fù)合物，是一種具有環(huán)保意義和節(jié)省能源的高科技產(chǎn)品，具有比目前世界上鉛酸、膠體蓄電池更優(yōu)的大電流放電特性、快速充電特性以及極低內(nèi)阻、自放電小、超長壽命等優(yōu)勢。因而已具備了全面取代鉛酸蓄電池的基本條件。

硅能電池的循環(huán)壽命是閥控式鉛酸電池的1.5倍左右，其超微粒復(fù)合硅鹽化成液呈中性，不腐蝕內(nèi)極板，在常溫下浮充壽命可達到10年，更接近實際應(yīng)用中對終端設(shè)備后備電源壽命的要求。此外硅能電池自放電小，開路保持兩年后其保持電量依然可達到80%以上；在極端惡劣工況下，電池也能不發(fā)熱、不爆炸，而且能迅速恢復(fù)特性，保障負(fù)載設(shè)備正常運作。在低溫容量方面，鉛酸電池在-40℃下容量只有常溫下的30%左右，但硅能電池可達到常溫下的60%以上，有著更好的耐溫差性能。

2.1.1 溫度-容量測試

為了獲得硅能電池在高低溫下的實際耐受程度數(shù)據(jù)，針對某公司生產(chǎn)的一款硅能電池做溫度-容量測試。測試結(jié)果如下：以環(huán)境溫度為20℃作為基準(zhǔn)點，此時容量保持率為100%；當(dāng)環(huán)境溫度-40℃時，硅能電池的容量還可以保持在60%以上；環(huán)境溫度70℃時，硅能電池的容量達到110%左右。這組數(shù)據(jù)表明，硅能電池在惡劣的環(huán)境溫度下，依然可以保持在較高的容量保持率水平，特別是在低溫情況下，相比鉛酸蓄電池，其優(yōu)越性更加明顯。

2.1.2 自放電測試

蓄電池在開路擱置期間，其容量會逐漸下降，這就是所謂的自放電。對于蓄電池來說，自放電會使電池極板硫化，自放電性能的好壞，間接反應(yīng)蓄電池壽命的長短。對此，針對兩組容量不同的硅能電池進行長達12個月的自放電記錄，測試結(jié)果如圖1所示。

通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅能電池在開路擱置12個月后，其電量依然能夠保持在80%以上，自放電性能良好，從側(cè)面驗證了硅能電池在內(nèi)部設(shè)計的可靠性。

2.1.3 容量-循環(huán)次數(shù)測試

一般來說，當(dāng)蓄電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，或因容量達不到規(guī)范要求而使用失效時，蓄電池的使用壽命即終止[4]。蓄電池的自然壽命除了體現(xiàn)在其開路時的自放電性能上。更體現(xiàn)在其循環(huán)使用的次數(shù)上，為了更加清晰地反映硅能電池的容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，對硅能電池廠家相關(guān)電池在不同的放電深度情況下循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，經(jīng)過分析整理，得出了如下關(guān)系：按照容量保持在80%為有效的原則下，硅能電池在放電深度為100%時，可循環(huán)充放電1 000次左右；在放電深度為50%時，可循環(huán)充放電2 000次左右；在放電深度為25%時，可循環(huán)充放電3 500次左右；在放電深度為10%時，可循環(huán)充放電7 000次以上；而鉛酸蓄電池在放電深度達到100%時，循環(huán)放電次數(shù)一般達不到400次，從這一點來看，硅能電池有著更強的優(yōu)越性。

2.2 超級電容

超級電容器是一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保的儲能系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，將超級電容器按需要串、并聯(lián)就可以取代笨重、需要經(jīng)常維護且有污染的蓄電池組，免去了鉛酸蓄電池的日常維護工作量[5]。

為了測試超級電容在不同溫度下的容量變化，對某公司生產(chǎn)的超級電容模組做如下測試：首先在室溫(15℃左右)下，用電源模塊給超級電容模組充滿電后(46.7 V)對負(fù)載(5.34 W)放電(終止放電電壓 17 V)，測試放電時間；然后在-40℃環(huán)境下靜置10 h，充滿電后測試超級電容放電時間；回到常溫(15℃左右)靜置8 h后，充滿電再測試超級電容放電時間；在60℃環(huán)境下靜置10 h后充滿電再測試超級電容放電時間；再回到常溫靜置8 h后，充滿電再測試超級電容放電時間。測得結(jié)果如表1所示。

表1 超級電容充放電測試結(jié)果

在此，根據(jù)負(fù)載情況，可計算出超級電容模組的理論放電時間：

將數(shù)據(jù)代入公式，可推出：

根據(jù)模組標(biāo)稱容量計算得出，對于5.34 W的負(fù)載，超級電容應(yīng)能維持 2.5 h，實測中為 2.2 h，去除超級電容容量誤差后，基本認(rèn)為理論計算和實測一致。

從高低溫實驗來看，在常溫、高溫(60℃)及低溫(-40℃)下容量變化不超過±8%，因此可認(rèn)為，超級電容能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的溫度環(huán)境，而不減少其儲能容量。從充放電時間上分析，超級電容充電時間和放電時間都比較短，因此，超級電容的容量體積比明顯弱于鉛酸電池和硅能電池。

3 智能配電終端后備電源解決方案

3.1 基于硅能電池的后備電源解決方案

由于硅能電池容量隨溫度的變化比閥控式鉛酸電池要小，在-40℃時容量能達到常溫下容量的60%，而閥控式鉛酸電池只能達到常溫下容量的30%左右。常溫下硅能電池與鉛酸電池的容量體積比相當(dāng)，但壽命為鉛酸蓄電池的1.5倍。采用硅能電池作為后備電源，與鉛酸蓄電池相比，大大降低了配電智能終端的整體體積及成本，因此在大多數(shù)不嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，可采用硅能電池作為智能配電終端的后備電源。

3.2 基于超級電容的后備電源解決方案

由于超級電容器具有較好的高低溫及長壽命特點，因此可將其作為FTU或DTU的后備電源使用。

超級電容器在同時適應(yīng)高低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)得非常優(yōu)越，可在常溫、高溫（60℃）及低溫（-40℃）下的容量基本不發(fā)生變化，這對于長期處于室外惡劣環(huán)境中的智能配電終端來說是一個重要的參數(shù)；此外超級電容器具有長壽命特點，比如長期運行在55℃時，在使用到其電壓的70%時，可達5年以上，而同樣溫度條件下，閥控式鉛酸蓄電池的壽命只有不到1年時間。

智能配電終端使用鉛酸電池時，2～3年就要更換電池。由于超級電容有上述優(yōu)點，可將其作為智能配電終端的后備電源使用，在智能配電終端的生命周期中將不需要更換維護，有效提高了配電自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及易用性。

應(yīng)用方案框圖如圖2所示，AC 220 V經(jīng)DC/DC模塊后輸出一路DC 24 V供配網(wǎng)終端及開關(guān)操作電源使用，另一路輸出48 V為50 V超級電容模組充電，當(dāng)AC 220 V輸入失電時，超級電容模組將儲存的能量(可從48 V放到20 V)由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的DC 24 V輸出供終端使用。

GB/T 13729-2002《遠(yuǎn)動終端設(shè)備》規(guī)定在交流失電或電源不符合要求時，后備電源供電時間應(yīng)不少于30 min，且能分合閘最少3次。一般情況智能終端FTU或DTU的功耗為20 W左右，通信設(shè)備如ONU為15 W左右。DC/DC模塊效率按75%計，按上述電源方案，則需要50 V超級電容模組的容量為85 F。

但由于超級電容能量體積比小，因此，在用戶要求智能配電終端斷電后正常運行的時間不高的情況下，是優(yōu)選方案。

3.3 基于硅能電池和超級電容的后備電源解決方案

基于故障指示器的通信終端電源來源主要依靠太陽能電池板，在白天用蓄電池存儲能量，夜晚或陰天時則由蓄電池供電。由于太陽能的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致蓄電池經(jīng)常反復(fù)充放電，從而降低蓄電池使用壽命。

眾所周知，無論是硅能電池還是閥控式鉛酸蓄電池，其充放電次數(shù)僅為1 000次左右，且過充電和過放電都會使其性能受到損壞[6]。然而超級電容的一個最重要的優(yōu)點是連續(xù)充放電次數(shù)可達50萬次以上。

利用蓄電池能量體積比大及超級電容充放點次數(shù)高的優(yōu)點，將兩者配合可以達到一個令人滿意的程度。

太陽能電池板為超級電容和蓄電池充電，在太陽能電池輸出功率較小的情況下（如被云層遮擋），優(yōu)先使用超級電容作為后備電源供電，如果太陽能電池板恢復(fù)輸出，蓄電池和超級電容均繼續(xù)浮充。否則在超級電容放電結(jié)束后，切換到蓄電池電池供電，如圖3所示，這樣能濾除太陽能能量波動，通過降低蓄電池的充放電次數(shù)，有效提高蓄電池使用壽命。

蓄電池有十幾種性能參數(shù)，但針對本文的需求來說不需要一一進行評測。本文對3種后備電源在高低溫下容量變化情況進行了測試。從測試來看，超級電容在高低溫下容量相對穩(wěn)定；硅能乳體電池在高低溫下的容量大約為普通鉛酸蓄電池的1.5倍。根據(jù)不同的智能配電終端的需求給出了三種解決方案，目前方案都已付諸實施一年，且運行良好。

[1]鄧輝，李艷琴，袁喆.饋線終端單元的供電電源研究[J].電氣開關(guān)，2010，48(2)：40-41.

[2]孫德勝，徐有琳，田純.電力系統(tǒng)直流電源可靠性探討[J].山東電力技術(shù)，2011(6)：39-40.

[3]彭澎.長壽命鉛酸蓄電池研究[D].武漢：華中科技大學(xué).2005(11)：5-6.

[4]趙強.變電站直流電源設(shè)備選用與維護分析[J].科技信息，2012(1)：643-644.

[5]劉成印，李強，薛安忠，等.超級電容直流操作電源[J].電力自動化設(shè)備，2008，28(11)：115-116.

[6]李丹，張漢雄.饋線終端裝置工作電源及被控開關(guān)電源的探討[J].廣東電力，2010，23(7)：18-21.