配電自動(dòng)化終端后備電源選型探討

本文結(jié)合長(zhǎng)沙配電自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配電自動(dòng)化終端、通信終端、一次設(shè)備操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源管理模塊的功耗進(jìn)行分析，對(duì)鉛酸蓄電池、膠體蓄電池等配電自動(dòng)化終端后備電源進(jìn)行實(shí)測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行兩年以上蓄電池與同型號(hào)新產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)性測(cè)試，對(duì)電源的運(yùn)行情況和性能指標(biāo)進(jìn)行分析，為配電自動(dòng)化終端后備電源系統(tǒng)的配置和選擇提供依據(jù)。配電自動(dòng)化終端后備電源在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中至關(guān)重要，配電終端必須能夠在線路失電的情況下維持工作一段時(shí)間，以完成故障檢測(cè)、信息上報(bào)以及對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控操作等一系列工作，實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離并恢復(fù)非故障區(qū)域供電。因此，配電自動(dòng)化終端后備電源配置方式成為配電自動(dòng)化建設(shè)中必須要研究和解決的重要問(wèn)題。配電自動(dòng)化終端后備電源原理配電自動(dòng)化終端后備電源主要包括鉛酸蓄電池、膠體電池，以下對(duì)兩種類型后備電源原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析。鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池是傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，被廣泛用于經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面。主要由正極板、負(fù)極板、硫酸、隔板、槽、蓋組成，正負(fù)極分別焊成集群。根據(jù)需要，單體電池相互串、并聯(lián)，構(gòu)成具有一定拓?fù)涞碾姵亟M。鉛酸蓄電池具有能量密度高、技術(shù)成熟、通用性好、成本低等特點(diǎn)，也存在對(duì)環(huán)境造成污染、受溫度影響大等問(wèn)題。膠體電池膠體電池出現(xiàn)于1890年，它以乳白色半透明的凝膠狀電解質(zhì)代替硫酸液體電解質(zhì)。實(shí)驗(yàn)和工業(yè)實(shí)踐證明，硫酸液膠體化后能呈現(xiàn)許多跟溶液狀態(tài)不同的性質(zhì)，運(yùn)用得當(dāng)可改善蓄電池的性能。膠體電池具有較強(qiáng)的深放電性能；溫度適應(yīng)性較好；比普通鉛酸蓄電池更安全環(huán)保。同時(shí)，也存在一些不足，如電池的成本高，內(nèi)阻相對(duì)較大，大電流放電能力不如鉛酸蓄電池，初始容量比鉛酸蓄電池略低等。配電自動(dòng)化終端后備電源現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況長(zhǎng)沙配電自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)的“三遙”站所終端（DTU）采用兩臺(tái)12VDC蓄電池串聯(lián)成24VDC電源作為后備電源，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)兩年多時(shí)間，經(jīng)歷了潮濕、高溫等惡劣環(huán)境。測(cè)試組共對(duì)現(xiàn)場(chǎng)35臺(tái)DTU終端的后備蓄電池的浮充電壓和內(nèi)阻等參數(shù)開(kāi)展測(cè)試，E品牌膠體電池18臺(tái)，P品牌鉛酸蓄電池32臺(tái)，Y品牌鉛酸蓄電池20臺(tái)，共計(jì)70臺(tái)蓄電池，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

蓄電池內(nèi)阻分析E品牌膠體蓄電池內(nèi)阻分析E品牌膠體蓄電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)阻分布圖如圖1所示。E品牌蓄電池標(biāo)稱內(nèi)阻為25mΩ，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共計(jì)18臺(tái)，最大內(nèi)阻為26.491mΩ，最小內(nèi)阻為16.55mΩ，平均內(nèi)阻為20.59mΩ。超出蓄電池標(biāo)稱內(nèi)阻的蓄電池有1臺(tái)，占總數(shù)的5.56%；發(fā)生膨脹蓄電池有14臺(tái)，占總數(shù)77.78%；發(fā)生負(fù)極板硫酸鹽化2臺(tái)，占總數(shù)的11.11%。P品牌蓄電池內(nèi)阻分析P品牌蓄電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)阻分布圖如圖2所示。P品牌蓄電池標(biāo)稱內(nèi)阻為11mΩ，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共計(jì)32臺(tái)，最大內(nèi)阻為13.919mΩ，最小內(nèi)阻為11.343mΩ，平均內(nèi)阻為12.31mΩ。32臺(tái)蓄電池樣本均超出標(biāo)稱內(nèi)阻。32臺(tái)蓄電池均發(fā)生不同程度膨脹；發(fā)生漏液1臺(tái)，占總數(shù)的3.125%；發(fā)生膨脹或漏液蓄電池占總數(shù)100%。因內(nèi)阻過(guò)大，無(wú)法測(cè)試其內(nèi)阻值的蓄電池2臺(tái)，占總數(shù)的6.25%，可認(rèn)為此蓄電池已經(jīng)損壞，需進(jìn)行更換。

Y品牌蓄電池內(nèi)阻分析Y品牌蓄電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)阻分布圖如圖3所示。Y品牌蓄電池標(biāo)稱內(nèi)阻為12mΩ，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共計(jì)20臺(tái)，最大內(nèi)阻為51.385mΩ，最小內(nèi)阻為9.571mΩ，平均內(nèi)阻為14.58mΩ。其中5臺(tái)蓄電池樣本超出標(biāo)稱內(nèi)阻，其中3臺(tái)蓄電池內(nèi)阻超出標(biāo)稱內(nèi)阻的2倍。無(wú)蓄電池發(fā)生膨脹，發(fā)生漏液蓄電池1臺(tái)，占總數(shù)的5%；發(fā)生膨脹或漏液蓄電池占總數(shù)5%。

圖3Y品牌蓄電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)阻分布圖蓄電池配套電源管理模塊配置E品牌、P品牌、Y品牌蓄電池配套的電源管理模塊均為FTU-D300-2424-N或FTU-D300-2424-W型號(hào)，電源管理模塊參數(shù)整定包括浮充電壓和充電電流，如表2所示。按照國(guó)標(biāo)要求，鉛酸蓄電池正常三段式充電過(guò)程要求如下：（1）恒流限壓充電：采用I10電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)蓄電池組端電壓上升到（2.30～2.35）

V×N

限壓值時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)為恒壓充電。（2）恒壓充電：在（2.30～2.35）V×

N

的恒壓充電下，I10充電電流逐漸減小，直到充電電流減小至0.1I10電流。（3）浮充充電：當(dāng)充電電流減小至0.1

I10電流后，電源管理模塊將自動(dòng)轉(zhuǎn)為正常的浮充電運(yùn)行，浮充電壓值宜控制為（2.23～2.28）V×N

。現(xiàn)場(chǎng)后備電源運(yùn)行分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境比較差，部分普通鉛酸蓄電池與膠體電池出現(xiàn)不同程度的膨脹或負(fù)極酸化。因內(nèi)阻過(guò)大無(wú)法測(cè)試其內(nèi)阻值，需要進(jìn)行更換的蓄電池，P品牌占比6.25%，Y品牌5%，E品牌為0。分析其主要原因有：（1）浮充電壓和充電電流設(shè)置不合理?，F(xiàn)場(chǎng)E品牌和P品牌蓄電池充電的充電電流均設(shè)置為3A，均大于I10（2A），充電電流過(guò)大，特別是高溫條件下，缺乏對(duì)蓄電池浮充電壓和電流的適當(dāng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致蓄電池長(zhǎng)期處于過(guò)度浮充狀態(tài)，以致內(nèi)部溫度偏高，出現(xiàn)膨脹變形或負(fù)極酸化。（2）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣。一般來(lái)說(shuō)，鉛酸蓄電池理想的運(yùn)行環(huán)境為20～25℃，而在戶外柜體中，夏天溫度達(dá)到50～60℃，冬天溫度則在零度以下，且春夏濕度大，加劇了鉛酸蓄電池膨脹、負(fù)極板硫酸鹽化等現(xiàn)象。（3）蓄電池運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)。大部分在運(yùn)配電終端配置的蓄電池缺乏基本的運(yùn)行維護(hù)，未設(shè)置定期活化，長(zhǎng)時(shí)間處于浮充狀態(tài)加劇了蓄電池?fù)p壞。配電自動(dòng)化終端后備電源需求分析配電自動(dòng)化終端后備電源容量的大小，取決于終端設(shè)備的整機(jī)功耗，由配電終端設(shè)備、通信設(shè)備、電源管理模塊和操作一次設(shè)備所需功耗決定。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》可知，“三遙”DTU在所有終端中功耗最高，為20VA。對(duì)于一次設(shè)備功耗計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)多家環(huán)網(wǎng)柜和柱上開(kāi)關(guān)分合閘功率和儲(chǔ)能功率進(jìn)行錄波比較，選取具有代表性的彈簧操作機(jī)構(gòu)斷路器和負(fù)荷開(kāi)關(guān)間隔分合閘過(guò)程電壓電流進(jìn)行錄波，分析如下。負(fù)荷開(kāi)關(guān)分合閘過(guò)程電源錄波分析對(duì)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)配套間隔進(jìn)行操作的錄波如圖4所示，考慮電源管理模塊在交、直流轉(zhuǎn)換時(shí)功率的消耗，因此對(duì)電源管理模塊的輸入電流、電壓進(jìn)行錄波分析。

圖4典型負(fù)荷開(kāi)關(guān)合閘過(guò)程電壓電流錄波負(fù)荷開(kāi)關(guān)分合閘是通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的方式，推動(dòng)開(kāi)關(guān)主觸頭分閘和合閘，合閘啟動(dòng)電流大約在2～3工頻周波，瞬時(shí)功耗大，約為220V×4A=880VA，彈簧機(jī)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)間一般持續(xù)2～3s，傳動(dòng)過(guò)程平均功耗為：220V×1.7A=374VA；負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘原理與合閘相同，動(dòng)作過(guò)程功耗與合閘基本一致。斷路器合分閘過(guò)程錄波波形現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷路器間隔分合閘操作過(guò)程中電壓電流錄波如圖5和圖6所示。斷路器合閘、分閘過(guò)程時(shí)間很短，大約在2～3個(gè)工頻周波，瞬時(shí)功耗大，約為220V×5.3A=1164VA。斷路器合閘后，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)所耗電能如圖5所示，斷路器儲(chǔ)能過(guò)程一般持續(xù)3~5ｓ，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)平均功耗（含電源管理模塊）為：220V×1.6A=350VA。

圖5斷路器合閘以及儲(chǔ)能過(guò)程電壓電流錄波

圖6斷路器分閘過(guò)程電壓電流錄波因此，對(duì)于典型的兩負(fù)荷開(kāi)關(guān)兩斷路器環(huán)網(wǎng)柜而言，負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘功耗最大，斷路器合閘功耗最大，考慮裕度，進(jìn)行后備電源容量選取時(shí)，將四間隔環(huán)網(wǎng)柜按照4個(gè)斷路器合閘、4個(gè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘進(jìn)行計(jì)算。配電自動(dòng)化終端后備電源容量設(shè)計(jì)以DTU采用EPON通信方式，一次設(shè)備采用斷路器合閘、負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘為例對(duì)終端設(shè)備后備電源的容量進(jìn)行計(jì)算。DTU裝置功耗由《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“三遙”站所終端最大功耗為20VA。通信設(shè)備功耗（EPONONU）結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和EPON主流設(shè)備廠家的標(biāo)稱值，ONU額定功耗不應(yīng)大于10VA，瞬時(shí)最大功耗不應(yīng)大于15VA。電源管理模塊和斷路器分合閘功耗一次設(shè)備分、合閘操動(dòng)機(jī)構(gòu)功耗，開(kāi)關(guān)廠家提供的典型儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能時(shí)間為小于5s，取上限5s。斷路器合閘：（1）合閘瞬時(shí)所耗電能：W

1=1164VA×0.1s=116.4J；（2）斷路器合閘后儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)所耗電能：W

2=350VA×5s=1750J；因此斷路器合閘所耗電能之和為：W

HZ=W

1+W

2=1866.4J；負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘：（1）負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘啟動(dòng)瞬間所耗電能：W

1=880VA×0.1s=88J；（2）負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘傳動(dòng)所耗電能：W

2=374VA×3s=1122J；因此斷路器分閘所耗電能之和為：W

FZ=W

1+W

2=1210J。按單個(gè)DTU控制8間隔環(huán)網(wǎng)柜的最大配置計(jì)算，停電后保證一次設(shè)備分—合—分操作，所需電能為：二次柜體整體功耗計(jì)算配電自動(dòng)化二次柜體采用48VDC后備電源，斷電后運(yùn)行4h，整體功耗為：

其中，P

D為DTU平均功耗，P

C為通信設(shè)備平均功耗，t

為運(yùn)行時(shí)間。附柜所需電流有效值為：以蓄電池常用的10倍率容量，換算成蓄電池容量為：如果是FTU，按照《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》要求FTU裝置的功耗應(yīng)該不大于15VA，按上述方法計(jì)算二次附柜停電后正常運(yùn)行需要的蓄電池容量為2.5Ah，其他類型配電終端可依此方式進(jìn)行計(jì)算。后備電源瞬時(shí)輸出功耗分析由圖５、圖6可以看出，開(kāi)關(guān)瞬時(shí)動(dòng)作最大功率約為P

max=220V×5.3A=1164VA持續(xù)時(shí)間約為2個(gè)周波，即40ms。對(duì)應(yīng)直流側(cè)瞬時(shí)最大電流為：參考GB/T19638.2—2005《固定性閥控密封式鉛酸蓄電池》規(guī)定，蓄電池必須滿足在20～25℃環(huán)境下以30I

10（A）的電流放電3min，按現(xiàn)在配電自動(dòng)化區(qū)域常規(guī)配置的C10為20Ah，則30

I

10=60A。鉛酸蓄電池滿足直流側(cè)瞬時(shí)最大功率的需求，且在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鉛酸蓄電池大電流放電能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。配電自動(dòng)化終端后備電源比對(duì)性試驗(yàn)后備電源比對(duì)性測(cè)試項(xiàng)目為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，將現(xiàn)場(chǎng)蓄電池拆回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)相同型號(hào)新舊蓄電池進(jìn)行端電壓均衡性能試驗(yàn)、容量性能測(cè)試以及內(nèi)阻測(cè)試，蓄電池參數(shù)及編號(hào)見(jiàn)表3、表4。主要測(cè)試項(xiàng)目包括：（1）端電壓均衡性能試驗(yàn)。環(huán)境溫度為25℃，分別測(cè)試蓄電池組開(kāi)路電壓：初始開(kāi)路電壓、蓄電池組完全充電后開(kāi)路電壓、充電完畢并靜置12h后開(kāi)路電壓。對(duì)于標(biāo)稱12V的蓄電池，完全充電并靜置12h后的端電壓差值應(yīng)不大于100mV；長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)的蓄電池端電壓差值應(yīng)不大于480mV。（2）容量性能測(cè)試。蓄電池經(jīng)完全充電后，靜置12h，在環(huán)境溫度為25℃時(shí)進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)。a.使用3h率放電電流（I3=0.25

C10）進(jìn)行放電，當(dāng)單個(gè)蓄電池電壓降至10.8V時(shí)終止，記錄放電持續(xù)時(shí)間t并計(jì)算放電容量Ct=I3×t（Ah），3h率放電的放電容量應(yīng)不小于0.75

C10。b.使用1h率放電電流（I1=0.55

C10）進(jìn)行放電，當(dāng)單個(gè)蓄電池電壓降至10.5V時(shí)終止，記錄放電持續(xù)時(shí)間t并計(jì)算放電容量Ct=I11×t（Ah）。1h率放電的放電容量應(yīng)不小于0.55

C10。（3）內(nèi)阻測(cè)試。環(huán)境溫度為25℃，分別測(cè)試蓄電池完全充電后內(nèi)阻，充電完畢并靜置12h后內(nèi)阻以及放電試驗(yàn)后內(nèi)阻，比較內(nèi)阻的變化。后備電源比對(duì)性測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試數(shù)據(jù)以3h放電容量、同品牌新舊蓄電池各兩臺(tái)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，如表5～表7所示。表5E品牌新舊膠體蓄電池測(cè)試結(jié)果表6P品牌新舊蓄電池測(cè)試結(jié)果端電壓均衡性能測(cè)試分析P品牌、Y品牌鉛酸蓄電池與E品牌膠體電池電壓一致性均滿足標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱12V的蓄電池，完全充電并靜置12h后的端電壓差值應(yīng)不大于100mV，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)的蓄電池端電壓差值應(yīng)不大于480mV的要求。

容量測(cè)試分析（1）測(cè)試中，P品牌和Y品牌鉛酸蓄電池新舊電池放電容量一致性好。P品牌新舊電池1h率和3h率放電電流釋放的容量分別為14.31Ah和20.01Ah左右，均符合放電容量應(yīng)滿足0.55

C10（13.2Ah）和0.75

C10（18Ah）的要求。Y品牌新舊電池1h率和3h率放電電流釋放的容量分別為18.18Ah和23.41Ah左右，均符合放電容量應(yīng)滿足0.55

C10（13.2Ah）和0.75

C10（18Ah）的要求。如表6所示，P品牌舊電池PO1、PO2的3h放電容量為21.19Ah，超過(guò)要求值16.5Ah的28.42%，放電時(shí)間甚至超過(guò)新電池PN1和PN2。如表7所示，Y品牌舊電池YO1、YO2的3h放電容量為23.41Ah，超過(guò)要求值16.5Ah的30.05%，放電時(shí)間甚至超過(guò)新電池YN1和YN2。（2）E品牌新舊膠體電池在容量性能測(cè)試中呈現(xiàn)一定差異性。E品牌新電池1h率和3h率放電電流釋放的容量分別為14.01Ah和16.91Ah左右，放電容量均符合0.55

C10（11Ah）和0.75

C10（15Ah）的要求。E品牌舊電池1h率和3h率放電電流釋放的容量分別為10.21Ah和13.45Ah左右，未達(dá)到放電容量應(yīng)滿足0.55C10（11Ah）和0.75

C10（15Ah）的要求。內(nèi)阻測(cè)試分析（1）P品牌和Y品牌鉛酸蓄電池與E品牌膠體電池內(nèi)阻，完全充電內(nèi)阻RO和放電后RE均有不同程度升高，新舊電池表現(xiàn)基本一致。P品牌蓄電池放電后內(nèi)阻較完全充電內(nèi)阻RO，從12mΩ上升至27mΩ，上升幅度125%；Y品牌蓄電池從平均11mΩ上升至平均20mΩ，上升幅度81.82%；E品牌蓄電池從平均20mΩ上升至平均30mΩ，上升幅度150%。（2）相同品