IEEE Std 485與DL/T 5044的對比分析及國外蓄電池容量計(jì)算方法研究

于 芳

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430070)

在國家“十四五”規(guī)劃轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的政策背景以及“一帶一路”的推動(dòng)下，國內(nèi)工程公司都在積極拓展國外市場。尤其是近年來國家電網(wǎng)公司構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從戰(zhàn)略構(gòu)想階段進(jìn)入落地實(shí)施階段，必將進(jìn)一步擴(kuò)大國內(nèi)電力設(shè)計(jì)行業(yè)海外電力設(shè)計(jì)市場。直流系統(tǒng)是變電站非常重要的組成部分,它主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)裝置、斷路器操作、各類信號回路提供電源。直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行與否,關(guān)系到繼電保護(hù)及斷路器能否正確動(dòng)作,會(huì)影響變電站乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。然而國外直流系統(tǒng)及蓄電池設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在差異。本文重點(diǎn)研究對比國內(nèi)外蓄電池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體算例分析國外蓄電池計(jì)算方法，理清設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而提高電力建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭力。

文獻(xiàn)[1]IDS系統(tǒng)功能、蓄電池計(jì)算方法兩個(gè)方面簡單介紹了帶UPS小容量蓄電池的選擇[1]，應(yīng)用范圍受限，文中沒有將中外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，也沒有結(jié)合國內(nèi)蓄電池制造企業(yè)提供的電池參數(shù)特性的基礎(chǔ)上如何計(jì)算蓄電池容量。下面從直流負(fù)荷分類、事故停電時(shí)間、蓄電池個(gè)數(shù)選擇及蓄電池的容量計(jì)算等方面進(jìn)行了深層次的對比分析，找出IEEE Std 485[2]和DL/T 5044-2014[3]兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在的差異，為設(shè)計(jì)工程師使用時(shí)提供便利。

1 直流負(fù)荷分類

1)國外負(fù)荷分類。根據(jù)IEEE 485標(biāo)準(zhǔn)4.2條款，按負(fù)荷性質(zhì)可分為連續(xù)負(fù)荷、非連續(xù)負(fù)荷(持續(xù)時(shí)間大于1 min)、瞬時(shí)負(fù)荷(持續(xù)時(shí)間小于1 min)，另外還有隨機(jī)負(fù)荷，如有需要時(shí)應(yīng)予以特殊考慮。

2)國內(nèi)負(fù)荷分類。根據(jù)DL/T 5044標(biāo)準(zhǔn)4.1條款，按功能分可分為控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷；按性質(zhì)分可分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷。

3)對比分析。中國標(biāo)準(zhǔn)對負(fù)荷分類有有兩種分法，其中性質(zhì)分類與國外標(biāo)準(zhǔn)是類似的，都是考慮負(fù)荷發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)及持續(xù)時(shí)間，負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的也是依據(jù)性質(zhì)分類法來完成的。

2 事故停電時(shí)間

1)國外事故停電時(shí)間。根據(jù)IEEE 693[4]標(biāo)準(zhǔn)7.5.1.1條款，變電站事故停電時(shí)間通常按2～6 h來考慮。

2)國內(nèi)事故停電時(shí)間。根據(jù)DL/T 5044標(biāo)準(zhǔn)4.2.2條款，變電站事故停電時(shí)間按變電站有無人值守和重要性來確定。對于有人值守變電站事故停電時(shí)間按1 h考慮，對無人值守及1 000 kV變電站等重要站事故停電時(shí)間按2 h考慮。

3)對比分析。中國標(biāo)準(zhǔn)按變電站的特性劃分，給出了不同情況下具體事故停電時(shí)間的取值，而國外標(biāo)準(zhǔn)僅僅給出一個(gè)范圍。根據(jù)對比得出國外事故停電時(shí)間較長，這與國外運(yùn)維水平及事故處理效率有關(guān)系。根據(jù)國外工程經(jīng)驗(yàn)，在不同地區(qū)變電站事故停電時(shí)間要求是不同的，考慮事故停電時(shí)間時(shí)需跟業(yè)主充分溝通后確定。

3 蓄電池個(gè)數(shù)選擇

3.1 國外蓄電池個(gè)數(shù)選擇

根據(jù)IEEE 485標(biāo)準(zhǔn)6.2.2條款，蓄電池個(gè)數(shù)見公式(1)。

(1)

式中：maximumsystemvoltage為直流系統(tǒng)允許的最高電壓值；cellvoltagerequiredforequalizing為單體電池均充電壓值。

對于蓄電池個(gè)數(shù)校驗(yàn)見公式(2)，這個(gè)值不得小于電池允許的終止電壓值。

(2)

式中：minimumbatteryvoltage為直流系統(tǒng)允許的最低電壓值；numberofcells為公式(1)所求得的電池個(gè)數(shù)。

3.2 國內(nèi)蓄電池個(gè)數(shù)選擇

根據(jù)DL/T 5044標(biāo)準(zhǔn)附錄C-C.1.1條款，蓄電池個(gè)數(shù)見公式(3)。

(3)

式中：Un為直流系統(tǒng)母線電壓值；Uf為單體電池浮充電壓值。

對于蓄電池個(gè)數(shù)的校驗(yàn)要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：

1)電池均充電壓值不大于1.10Un/n(控制負(fù)荷)或1.125Un/n(動(dòng)力負(fù)荷)；

2)直流母線電壓的0.875倍與所求得電池個(gè)數(shù)相除的值不得大于電池允許的終止電壓值，見公式(4)。

Um≥0.875Un/n

(4)

式中：Un為直流系統(tǒng)母線電壓值；n為公式(3)所求得的電池個(gè)數(shù)。

3.3 對比分析

在蓄電池個(gè)數(shù)選擇時(shí)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，原則完全不同。執(zhí)行國外項(xiàng)目時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算及校驗(yàn)選擇。

4 蓄電池容量的計(jì)算

1)國外蓄電池容量的計(jì)算。根據(jù)IEEE 485標(biāo)準(zhǔn)6.4條款描述，在負(fù)荷分類統(tǒng)計(jì)及事故停電時(shí)間確定后，繪制電池工作周期圖，查電池廠家資料或計(jì)算求得容量換算系數(shù)后，填寫電池容量計(jì)算表格，最終求得蓄電池容量值。

2)國內(nèi)蓄電池容量的計(jì)算。根據(jù)DL/T 5044標(biāo)準(zhǔn)附錄C.2.3條款介紹，電池容量計(jì)算可選用簡化計(jì)算法或階梯計(jì)算法，兩種方法的原理類似，主要是在對初期沖擊負(fù)荷計(jì)不計(jì)入階梯計(jì)算的處理區(qū)別。

3)對比分析。中國標(biāo)準(zhǔn)的兩種電池容量計(jì)算方法和外國電池容量計(jì)算方法是有較大差異的，特別體現(xiàn)在中外標(biāo)準(zhǔn)鋰電池容量計(jì)算表格的格式及內(nèi)容完全不同。因此，中國的兩種計(jì)算方法均不宜使用在國外項(xiàng)目上。

5 算例分析

以某非洲地區(qū)變電站項(xiàng)目為例，負(fù)荷統(tǒng)計(jì)按實(shí)際工程值取整，估算負(fù)荷消耗容量暫不考慮容量換算系數(shù)，忽略隨機(jī)負(fù)荷，具體數(shù)值見表1。

表1 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及估算消耗容量表

根據(jù)表1繪制出蓄電池工作周期如圖1。

圖1 蓄電池工作周期圖

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)完成后，要計(jì)算蓄電池容量，還需知道容量換算系數(shù)。雖為國外變電站項(xiàng)目，但項(xiàng)目執(zhí)行中設(shè)備采購一般在中國進(jìn)行。而國內(nèi)電池廠家通常只提供一定條件下的電池放電率電流值，不會(huì)直接給出容量換算系數(shù)。此時(shí)，需根據(jù)IEEE 485規(guī)范中對“容量換算系數(shù)”的定義并結(jié)合廠家給出的電流值推導(dǎo)出容量換算系數(shù)。

以某電池廠家GFM系列固定閥控密封鉛酸蓄電池產(chǎn)品樣本為例，當(dāng)2 V單體電池室溫為25℃，終止電壓為1.75 V時(shí)各種容量對應(yīng)的放電率電流值見表2。

表2 室溫25℃、終止電壓1.75 V時(shí)，放電率電流值表

放電時(shí)間在表上能直接查到的，可以直接得出對應(yīng)的放電率電流；放電時(shí)間不能直接查的時(shí)候，找出放電時(shí)間對應(yīng)的區(qū)間，用插值法推算放電率電流值。最終將電流轉(zhuǎn)化成容量換算系數(shù)。具體過程見表3。

表3 容量換算系數(shù)推導(dǎo)表

根據(jù)IEEE 485規(guī)范附錄A中算例格式，計(jì)算出本工程所需的蓄電池容量大小，并選擇適宜的蓄電池型號。

1)根據(jù)工程實(shí)際情況，填寫及計(jì)算表4中相關(guān)內(nèi)容。

表4 蓄電池容量計(jì)算表

2)由表4可知，階段1對應(yīng)計(jì)算電池容量為50.6 AH、階段2對應(yīng)計(jì)算電池容量為484.1 AH和階段3對應(yīng)計(jì)算電池容量為518.3 AH。此處需取各階段中最大計(jì)算容量即518.3 AH作為計(jì)算基礎(chǔ)。

3)再求未經(jīng)校正容量。未經(jīng)校正容量為最大計(jì)算容量與隨機(jī)負(fù)荷容量之和，本次不考慮隨機(jī)負(fù)荷，取值0。未經(jīng)校正容量在數(shù)值上就等于最大計(jì)算容量，即也為518.3 AH。

4)接下來根據(jù)工程情況，取規(guī)定的系數(shù)校正電池最終計(jì)算容量，見公式(5)。

最終計(jì)算容量=T×M×D×未經(jīng)校正容量

(5)

式中：T為溫度校正系數(shù)；M為設(shè)計(jì)裕度；D為老化系數(shù)。

本工程T取值1.08、M取值1.1、D取值1.25代入公式(5)中求得最終計(jì)算容量值為：

最終計(jì)算容量=1.08×1.1×1.25×518.3=769.7 AH

5)最后，根據(jù)電池最終計(jì)算容量選取電池型號。當(dāng)電池最終計(jì)算容量大于制造商提供的標(biāo)準(zhǔn)電池容量時(shí)，應(yīng)選用下一級較大容量代替。因此應(yīng)選容量為800 AH，型號為GFM-800的電池。

6 結(jié) 語

通過對比分析IEEE Std 485和DL/T 5044-2014兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，找出中外標(biāo)準(zhǔn)中蓄電池容量計(jì)算不同的方面，再結(jié)合具體算例進(jìn)行說明。在實(shí)際國外項(xiàng)目應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者還需注意以下幾點(diǎn)：

1)在負(fù)荷分類及統(tǒng)計(jì)時(shí)，充分分析所有直流設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，合理假設(shè)故障發(fā)生狀況及時(shí)間點(diǎn)，使得繪制出的蓄電池工作周期更貼近實(shí)際情況。

2)電池的容量換算系數(shù)盡可能要求設(shè)備制造廠提供，如不能提供的情況下，需根據(jù)廠家提供的電池其他參數(shù)推導(dǎo)出此系數(shù)，設(shè)計(jì)者要靈活處理。

3)要結(jié)合所在地運(yùn)行和維修水平，充分考慮事故停電時(shí)間及設(shè)計(jì)裕度系數(shù)等因素，選擇出最適宜容量大小的蓄電池。