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）

在電力配電網中，后備電源是各種饋線回路中配電自動化系統遠方終端的關鍵部件之一，其輸入通常來自電壓互感器二次側或配電變壓器二次側。智能配電終端設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，開關也能操作[1]。本文旨在尋求一種或幾種容量穩定且能夠有效優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，智能配電終端設備中通常采用鉛酸蓄電池儲能構成后備電源系統。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，特別是在戶外環境溫度下仍應能保持相對較長的壽命，而閥控式鉛酸蓄電池的一般標稱壽命在25℃時為6年左右，而實際運行中往往使用不到3年就出現了性能劣化的情況。以25℃為基準環境，平均溫度每增加10℃，其壽命將減少一半。我國西北地區環境惡劣，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稱電壓為直流12 V，在實際的設計中需要2～4塊電池串聯。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污染。同時其電解液為硫酸[3]，有強腐蝕性，而且在生產過程中會形成酸霧，造成環境污染。

2 兩種可選電池的性能對比測試

2.1 硅能電池

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

硅能電池的循環壽命是閥控式鉛酸電池的1.5倍左右，其超微粒復合硅鹽化成液呈中性，不腐蝕內極板，在常溫下浮充壽命可達到10年，更接近實際應用中對終端設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，電池也能不發熱、不爆炸，而且能迅速恢復特性，保障負載設備正常運作。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據，針對某公司生產的一款硅能電池做溫度-容量測試。測試結果如下：以環境溫度為20℃作為基準點，此時容量保持率為100%；當環境溫度-40℃時，硅能電池的容量還可以保持在60%以上；環境溫度70℃時，硅能電池的容量達到110%左右。這組數據表明，硅能電池在惡劣的環境溫度下，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，測試結果如圖1所示。

通過測試結果發現，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，從側面驗證了硅能電池在內部設計的可靠性。

2.1.3 容量-循環次數測試

一般來說，當蓄電池發生內部短路或損壞而不能使用，或因容量達不到規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在其開路時的自放電性能上。更體現在其循環使用的次數上，為了更加清晰地反映硅能電池的容量與循環次數的關系，對硅能電池廠家相關電池在不同的放電深度情況下循環次數的數據進行了統計，經過分析整理，得出了如下關系：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，可循環充放電1 000次左右；在放電深度為50%時，可循環充放電2 000次左右；在放電深度為25%時，可循環充放電3 500次左右；在放電深度為10%時，可循環充放電7 000次以上；而鉛酸蓄電池在放電深度達到100%時，循環放電次數一般達不到400次，從這一點來看，硅能電池有著更強的優越性。

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、經濟環保的儲能系統。在實際應用中，將超級電容器按需要串、并聯就可以取代笨重、需要經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。測得結果如表1所示。

表1 超級電容充放電測試結果

在此，根據負載情況，可計算出超級電容模組的理論放電時間：

將數據代入公式，可推出：

根據模組標稱容量計算得出，對于5.34 W的負載，超級電容應能維持 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%，因此可認為，超級電容能夠適應嚴酷的溫度環境，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，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，因此在大多數不嚴酷的環境條件下，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高低溫環境下的性能表現得非常優越，可在常溫、高溫（60℃）及低溫（-40℃）下的容量基本不發生變化，這對于長期處于室外惡劣環境中的智能配電終端來說是一個重要的參數；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的穩定性、可靠性及易用性。

應用方案框圖如圖2所示，AC 220 V經DC/DC模塊后輸出一路DC 24 V供配網終端及開關操作電源使用，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模塊轉換成穩定的DC 24 V輸出供終端使用。

GB/T 13729-2002《遠動終端設備》規定在交流失電或電源不符合要求時，后備電源供電時間應不少于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。由于太陽能的不穩定性會導致蓄電池經常反復充放電，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點是連續充放電次數可達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高的優點，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輸出，蓄電池和超級電容均繼續浮充。否則在超級電容放電結束后，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，有效提高蓄電池使用壽命。

蓄電池有十幾種性能參數，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，2010，48(2)：40-41.

[2]孫德勝，徐有琳，田純.電力系統直流電源可靠性探討[J].山東電力技術，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.2005(11)：5-6.

[4]趙強.變電站直流電源設備選用與維護分析[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電源的探討[J].廣東電力，2010，23(7)：18-21.