超級電容電池在計(jì)量終端上的研發(fā)與應(yīng)用

王大鵬 羅錫銘

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海519000）

0 引言

客戶平均停電時(shí)間被列為公司市場營銷績效考核指標(biāo)之一，充分體現(xiàn)了公司對客戶停電時(shí)間管理工作的高度重視。全力做好電力供應(yīng)，減少客戶停電時(shí)間，提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，是貫徹落實(shí)公司長期發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措，也是建設(shè)客戶全方位服務(wù)體系工作的重要組成部分。

公司提出了客戶停電時(shí)間自動(dòng)統(tǒng)計(jì)建設(shè)，利用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集客戶側(cè)計(jì)量終端的停、復(fù)電信息，從根本上解決手工填報(bào)停電事件的弊端，有效驗(yàn)證校核了停電事件的準(zhǔn)確性，確保了客戶停電時(shí)間的準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性。

目前，我單位在運(yùn)行的計(jì)量終端使用的備用電池是不同終端廠家配來的不同型號規(guī)格的鎳氫電池及極少數(shù)是鋰電池。

雖然廣東電網(wǎng)公司在2009年發(fā)布了計(jì)量終端相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，以及2013年南方電網(wǎng)公司也發(fā)布了《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》，但計(jì)量終端真正投入運(yùn)行后，有些計(jì)量終端的備用電池長期處于“浮充”狀態(tài)，我們做過試驗(yàn)：將一塊新的計(jì)量終端送電1 h后斷電，終端的停電報(bào)警來不及上傳主站，終端的通訊模塊電源燈和終端顯示屏在3 s左右熄滅，測到備用電池電壓仍有5 V左右，但不能維持計(jì)量終端上傳停電報(bào)警，其原因是計(jì)量終端選用的備用電池性能差，在終端有外電源供電時(shí)備注電池處于“浮充”狀態(tài)或者備用電池的電壓過低或充電失效。目前我們發(fā)現(xiàn)有些備用電池發(fā)生電池漏液、爆裂等影響計(jì)量終端運(yùn)行的事件。

隨著應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)開展停電統(tǒng)計(jì)工作，如果計(jì)量終端使用的備用電池起不到真正的“后備電池”作用，即不具備在電網(wǎng)停電后計(jì)量終端主動(dòng)向主站及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送停電時(shí)的相關(guān)信息，工作人員無法應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控電能計(jì)量裝置的運(yùn)行情況，停電統(tǒng)計(jì)就無法開展。所以，計(jì)量終端的備用電池的好壞是整個(gè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

為了改善計(jì)量終端備用電池的質(zhì)量，使備用電池真正起到計(jì)量終端在外電源停電后的“后備電源”作用，確保計(jì)量終端能準(zhǔn)確及時(shí)向計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)上傳相關(guān)信息，充分利用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用功能來監(jiān)控計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)和開展停電統(tǒng)計(jì)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理計(jì)量裝置故障，減少電量差錯(cuò)，意義重大。

1 計(jì)量終端備用電池的技術(shù)要求

《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池規(guī)定：“終端掉電時(shí)，備用充電電池應(yīng)至少維持上報(bào)3次終端掉電告警的能力。備用電池采用4.8 V可充電電池或電池組；額定容量≥600 m Ah……在正常使用情況下，電池循環(huán)壽命不應(yīng)低于500次循環(huán)，外觀無破裂、劃痕、變形、污跡、電解液泄漏等不良現(xiàn)象?！?/p>

2 超級電容器與普通電池的比較

超級電容器與傳統(tǒng)的鎳氫電池、鋰電池比較，具有以下特點(diǎn)：

（1）超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出，而鎳氫電池、鋰電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍。

（2）超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而鎳氫電池、鋰電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算過程。

（3）超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果鎳氫電池、鋰電池反復(fù)傳輸高功率脈沖會縮短其使用壽命。

（4）超級電容器可以快速充電，充電10～600 s可達(dá)到其額定容量的95%以上，而鎳氫電池、鋰電池快速充電則會受到損害。

（5）超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，沒有“記憶效應(yīng)”，而鎳氫電池、鋰電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。

（6）超級電容器相對充電電池來說，可以滿足在更為極端的自然環(huán)境（－40～65℃）中工作的要求，并能實(shí)現(xiàn)10年以上免維護(hù)，而充電電池2～3年就必須更換。

（7）超級電容電池相比鎳氫電池、鋰電池的原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

3 超級電容作為計(jì)量終端備用電池的可行性分析

目前計(jì)量終端廠家配來的備用電池的工作電壓范圍為3.7～4.8 V。如果超級電容能滿足《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池的技術(shù)要求：“終端掉電時(shí)，備用充電電池應(yīng)至少維持上報(bào)3次終端掉電告警的能力?！蹦敲矗贸夒娙荽骀嚉潆姵?、鋰電池作為計(jì)量終端的“后備電池”是否可行？以下是在計(jì)量終端外部電源停電時(shí)超級電容的測試情況：

測試樣機(jī)采用DC／DC模式，將超級電容器的電壓升壓到穩(wěn)定的5 V，Ⅰ型樣機(jī)采用2只120 F超級電容器串聯(lián)使用，相當(dāng)于1只容量為60 F的電容器；Ⅱ型樣機(jī)在Ⅰ型樣機(jī)的基礎(chǔ)上將電容量加倍（4只），相當(dāng)于1只容量為120 F的電容器。

（1）樣品電容電池2組相關(guān)測試數(shù)據(jù)如下，Ⅰ型和Ⅱ型樣品電容電池續(xù)航試驗(yàn)如表1所示。

表1 不同容量超級電容續(xù)航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Ⅰ型樣品電容電池續(xù)航后電壓的變化如表2所示。

表2 Ⅰ型樣品電容電池續(xù)航后電壓的變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）樣品電容電池充電電壓曲線圖如圖1所示。

圖1 樣品電容電池在計(jì)量終端內(nèi)充電電壓變化曲線圖

（3）外電源停電后樣品電容電池的停電報(bào)警測試截圖如圖2所示。

圖2 正常上送報(bào)警截圖

（4）終端外部停電后，每10 s召測電能表數(shù)據(jù)情況。從計(jì)量終端帶電能表運(yùn)行過程中外電源停電后，電容電池作為計(jì)量終端的后備電源，計(jì)量終端能向主站上報(bào)“終端停電”報(bào)警，每隔10～15 s人工召測電能表數(shù)據(jù)5次均能正確返回，測試樣機(jī)的續(xù)航時(shí)間與計(jì)算結(jié)果相符，驗(yàn)證了電容電池作為計(jì)量終端備用電池的可行性。

（5）本次樣品電容電池的工作參數(shù)：超級電容器工作電壓為5 V；截止時(shí)超級電容的電壓為2 V；型號為HND2001S-GK1終端的測試參數(shù)，綜合考慮DC／DC的變換效率等因素，設(shè)超級電容器輸出電流為0.3 A，要求續(xù)航時(shí)間為10 min（600 s）時(shí)，所需超級電容器容量計(jì)算如下：C＝（5＋2）×0.3×600／（5×5－2×2）＝60 F；要求續(xù)航時(shí)間為20 min（1 200 s）時(shí)，所需超級電容器容量計(jì)算如下：C＝（5＋2）×0.3×1 200／（5×5－2×2）＝120 F。

（6）樣機(jī)充放電原理：

VM：充電電壓／后備電池電壓，即為終端后備電池插座上的電壓。

VC：后備電源中超級電容器的電壓。

C1、C2：超級電容器，是本后備電源的能量儲存的核心器件。

K1：充電開關(guān)，當(dāng)終端本身有外部電源供電時(shí)，該開關(guān)打開，給超級電容器充電；當(dāng)終端失去外部電源時(shí)，該開關(guān)關(guān)閉，由超級電容器給終端供電。

RL：充電限流電阻，該電阻將最大充電電流限制在安全范圍內(nèi)，避免當(dāng)超級電容器上的電壓過高時(shí)損壞表計(jì)。

電壓檢測單元：本單元實(shí)時(shí)檢測VM電壓，根據(jù)VM的變化切換本后備電源的工作模式。

DC／DC單元：直流電壓變換單元，將超級電容器的電壓升壓到穩(wěn)定的5 V，可以提高電容能量的使用率。

過壓保護(hù)單元：由于超級電容器本身的特點(diǎn)，其工作電壓不能超過2.7 V，該單元即可保證超級電容器上的電壓在其安全工作范圍內(nèi)。

后備電源的工作原理如下：

終端有外部電源供電：當(dāng)電壓檢測單元通過VM檢測到設(shè)備有外部電源供電時(shí)，便通過【CTL1】打開充電開關(guān)K1，給超級電容器充電，同時(shí)通過【CTL2】關(guān)閉DC／DC單元；

終端無外部電源供電：當(dāng)電壓檢測單元通過VM檢測到終端無外部電源供電時(shí)，便通過【CTL1】關(guān)閉充電開關(guān)K1，同時(shí)通過【CTL2】打開DC／DC單元，此時(shí)便由超級電容器給終端供電。

其原理圖如圖3所示。

圖3 超級電容在計(jì)量終端內(nèi)工作充放電原理圖

4 超級電容電池在計(jì)量終端應(yīng)用的可行性研究綜述

使用超級電容器作為核心器件構(gòu)成的后備電源，在計(jì)量終端斷電時(shí)，能滿足《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池的技術(shù)要求，保證計(jì)量終端及時(shí)向主站上報(bào)停電信息，解決了以往鎳氫、鋰電池的“浮充”現(xiàn)象或者充電失效以及發(fā)生電池漏液、爆裂等事件造成計(jì)量終端在外電源停電后無法上傳停電信息的問題，有利于應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)和開展停電統(tǒng)計(jì)工作。

［1］中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范

［2］中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范