基于全寿命周期配电终端后备电源的研究

佘益辉

摘要：配电网中各种配电终端是实现配电自动化的关键设备，这些设备都需要后备电源系统完成失电状态下的信息上送、动作指令接收、动作执行等。目前国家电网、南方电网绝大部分网省公司通过定期（2-3年）更换铅酸蓄电池及配套电源来保障配电终端的可靠性，这些电池及电源一旦缺乏运维，配电自动化系统在失电后就无法进行相关的通讯及分合闸动作，这些运维工作既费时费财，又不能很好的保障运行。如何解决上述问题提高配电自动化可靠性及使用便捷性是本次研究的重点内容。

关键词：锂电容；后备电源；配电终端；电容电池；全寿命周期

引言

国家电网、南方电网现有配电自动化终端大多采用铅酸蓄电池作为后备电源，户外配电终端全年运行环境大约在-15℃~+75℃，绝大部分时间处于浮冲状态，而配电主站下发的活化指令往往因为各种客观原因配电终端无法执行，电池在无法定期活化情况下导致很多铅酸电池 1 年左右就损坏。铅酸蓄电池因为各项参数无法准确监测，各种电池本体问题不容易发现。导致主站获得的数据无法真实反映电池状态。同时铅酸蓄电池对环境不友好；另外倒负荷等远程操作对后备电源的可靠性和放电性能要求不断提高，现有后备电源已不能满足配电智能化的发展要求，急需一种可靠性高与设备同寿命周期的产品替换现有产品。电容电池具有电容和电池的双重特性，既能满足功率特性也能满足能量特性，寿命长、温度特性好，可以满足配电智能化的要求，提高配电终端的可靠性。

1 全寿命周期后备电源/电池研究综述

本次研究主要针对配电自动化可靠性要求高，遥控操作的放电要求高、环境温差大（-20--60℃/年，10℃/日）的特点，以提高后备电源系统稳定运行为前提，实现后备电源系统的全寿命周期运行，国家电网、南方电网现场电池尺寸基本相同，考虑到原设计工况下电池时长发生被盗的情况，本次研究选择采用一体式防盗结构（内置密码芯片，与电源模块必须匹配使用）。容量需满足-40~75℃条件下配电自动化终端8小时工作（分合闸4次）。采用硅碳电容作为储能单元，采用双储能互备份，进一步提高可靠性。设计综合数采单元实现模组电压、单体电压、剩余电量、工作温度等状态信息可查询，并且可以与电源管理模块通信，完成信息交互。建立设计平台结合采集上来的各类数据，预判电池性能变化情况。设计NFC和蓝牙模组实现后备电源参数运维近场读取，电源模块（充电器）通过电力电子技术实现短路，过流、过压、活化、内阻检测等功能，降低配电自动化的运维成本。

2 全寿命周期后备电源结构设计

2.1 电池本体

目前市场现有主流产品：铅酸蓄电池、锂离子电池、超级电容。

铅酸蓄电池的特点：安全性高、便宜。锂离子电池的特点：能量密度高、寿命偏短（循环次数少）、充电时间长、低温性能差。超级电容的特点：能量密度过低、寿命长（循环次数多）、自放电大、低温性能好。

本次研究我们采用基于SICC（硅碳）材料的电容电池，SICC电容电池的特点如下：

①具有高倍率充电：6分钟内可充满80%（10~15分钟可充满）；

②自放电低：放置3个月，电压下降≤5%；

③功率特性好、电压等级高；

⑤SOC标定简单：基本为线性，相比于其他锂离子电池，其能量效率高且全寿命周期里可使用能量范围宽；

⑥环境适应性强：-40℃~+80℃充放电持续运行；

⑦循环寿命长：5~10万次100%DOD循环。

序号	项目	铅酸 电池	超级电容EDLC	电容电池SiCC	磷酸铁锂 电池	钛酸锂 电池
1	循环寿命	300-500次	50万次	10万次	2000次	2万次
2	寿命周期	2年	15年以上	10年以上	3年	6年以上
3	放电能力	差	超强	强	一般	较强
4	高低温性能	差 -20℃-+45℃	优 -40℃-+65℃	优 -40℃-+80℃	差 -10℃-+65℃	一般 -40℃-+55℃
5	安全性	优	优	优	一般	优
6	环保	差	优	优	良	良
7	可靠性	差	优	优	良	良
8	方案经济性	差	良	优	优	良
9	全寿命单次循环成本/kWh	1.2元/次	0.12元/次	0.1元/次	0.6元/次	0.3元/次
10	容量监控	难	容易	容易	难	难

表1 各类型电池性能对比一览表

图1 硅碳电容电池循环寿命测试曲线

2.2 电源模块系统

根据上述电池的特性，在设计电源时主要考虑浮冲与活化的逻辑关系。参考DL/T 721-2000技术要求，配电终端交流电输入后电源开始工作，电源模块本身对负载输出电流的同时，完成对电池的恒流恒压充电，当备用电池完成充电后（充电至98%，剩余2%为涓流充电），电源模块自动识别电池状态并转为备用电池浮充模式。配电终端失电（外币交流电断电时），电池不间断为配电终端及终端通讯模块及操作机构供电（0切换时间）。当备用电池放电至欠压告警点时，备用电池BMS通讯模块输出电池欠压告警信号，电源模块同时点亮欠压指示灯，电源模块此时关闭备用电池对负载放电；如果需要提前关断备用电池输出，可手动或通过串口输入电池关闭指令关闭电池。但在设计时需考虑：电池提前退出功能在电池活化时禁止使用，否则将使负载短时断电。电池提前退出后负载断电，此时只能手动恢复供电或交流恢复时重新供电。当负载需要较大冲击电流，超出电源提供的最大电流时，电源自身保护关断，负载电流完全由电池提供，当负载电流小于电源提供的最大电流时，电源自动启动工作。

2.3 备用电池的活化

备用电池浮充状态持续30天及以上时，电源模块接通活化负载对备用电池进行活化，备用电池活化可以由用户通过主站下发活化指令（远程通过电源模块串口输入）启动备用电池进行活化（通过活化负载放电），此时电源关闭输出，另外也可以通过面板按键手动启动活化。当备用电池剩余电量≤10%时，电源模块自动启动工作为备用电池充电；当中途需要提前退出活化时，可以通过串口输入退出活化指令退出活化，电源自己可以自动执行活化。在设计电池活化逻辑中，不用考虑用户管理电池活化，电源自设30~100天活化一次，并记录活化信息，供用户参考，

活化放电端子RL为电池活化时加速电池放电所设，根据不同的电池容量选择放电电阻，当电源正常工作时，此电阻不工作，当电源进入活化状态时电阻接通对电池放电，放电电流的选择：放电电流（A）＝0.1×电池容量（AH）－经常性负载电流（A），如计算放电电流值为负，则可不加放电电阻，放电电阻较热应妥善散热并远离电源模块。

3各部分原理及性能目标

3.1原理框图

图2 电源原理框图

根据上述原理框图系统设计时输出选用截面积大于 2.5mm²的导线,输入端加装 5A/250Vac 保险，同时端子向下竖直方向，这样可以保证散热片垂直于地面以利于散热。

输出及电池端子为两个端子接线设计，接线端子容量为15A。为进一步降低输出纹波噪声，在输出端并联 470～1000μF/63V 电解电容和 1μF 独石电容。另外在设计时考虑独立的PE 位接口，增强接地可靠性以增加抗干扰能力。考虑到工作环境的温度变化极大设计最大工作温度最大为 100℃。

3.2 系统逻辑图

图3 系统逻辑图

系统逻辑设计时考虑配电终端绝大部分为双路电源输入且具备双路电源自动切换功能，采用PT取电较为可靠，正常情况下交流电供电。交流电中断后，必须在无扰动（防止操作机构误动）情况下切换到后备电源系统供电。当交流电源恢复供电后，系统自动切回到交流供电。

备用电源系统定时（15分钟一次，每天96次）完成系统自检，其中主要检查电池是否欠压、保护、报警信号是否可正常上传主站等功能。自检完成若发现异常，电源模块即刻上传相应信息如：备用电池电压信息、低电压报警信号、交流失电信号、电池活化状态信号、主动活化最大放电时长、主动活化当前放电时长等，从而保障配电终端全寿命周期内后备电源系统可满足通讯设备数据远传、遥控及控制开关分合闸的可靠性。

3.3 相关性能目标

项目		Min	Typ	Max	Unit
输入电压(B+与B-间)			54		V
接入充电器充电电压			54		V
充 电 保 护	过充保护电压(单节)	4.2	4.25	4.35	V
	过充恢复电压(单节)	4.0	4.1	4.2	V
	过充保护延迟时间	500		2000	ms
	持续充电电流		5	10	A
	充电过流保护电流		/		A
	充电过流延时时间		/		ms
	充电过流解除条件	断开充电器
放 电 保 护	过放保护电压(单节)	2.5	2.55	2.60	V
	过放恢复电压(单节)	2.60	2.75	2.80	V
	过放保护延迟时间	50		250	mS
	持续放电电流		10	20	A
	放电过流保护电流	30	40	50	A
	放电过流保护延迟时间	300	500	1000	ms
	放电过流解除条件	断开负载
短 路	短路保护延时时间	500	1000	3000	us
	短路保护释放条件	断开负载
温 度 保 护	放电高温保护温度		85		℃
	放电高温保护恢复温度		65		℃
	充电高温保护温度		65		℃
	充电高温保护恢复温度（1）		55		℃
均 衡	均衡开启电压		4		V
	均衡电流		10		mA
通 信	短距离通信	蓝牙、NFC			查看电容电池的运行数据
	长距离通信	RS485			通过终端上传
自耗电				≤100	uA
保护板导通内阻（B-,P-）				≤50	mΩ
在额定放电电流温升MOSFET				85	℃
最大工作温度范围		-40	25	80	℃

表2 性能目标表

根据上述设计，该后备电源系统可以满足100%DOD（Depth of discharge，深度放电，放出电量占额定容量的百分比，35℃条件下）可以达到8~10万次循环，该方案目前成供通过了各类测试，如高温充放电、低温充放电、循环寿命、针刺试验等。

5 结论

该项研究将锂电容的可靠、安全、低温功率特性与先进电力电子技术的电源模块、BMS相结合，量产后的后备电源系统具有功率特性好、温度适应性广、全寿命综合使用成本低的特点。该全寿命周期后备电源可以应用在配电终端、配电直流屏，可视化装置、IOT设备终端，相关成果争已入选国家电网公司科技成果推广目录，逐步在电力系统应用。

参考文献：

1、冷华等.配电自动化终端后备电源选型探讨[J].供用电，2014(5):63~68.

2、周献忠.配电自动化超级电容后备电源应用探讨[J].湖南电力，2015(5):48~50.