基于智能配电终端的后备电源方案研究

李国武 ，武宇平 ，罗海波 ，王军锋 ，许 健

（1.冀北张家口供电公司，河北 张家口 075000；2.北京四方继保自动化有限公司，北京 100085）

在电力配电网中，后备电源是各种馈线回路中配电自动化系统远方终端的关键部件之一，其输入通常来自电压互感器二次侧或配电变压器二次侧。智能配电终端设备一般要求在外部失电后必须维持工作一段时间，以完成故障检测、故障处理以及信息记录和上报等一系列功能，因此需要后备电源保证，即使馈线停电智能配电终端仍能工作，开关也能操作[1]。本文旨在寻求一种或几种容量稳定且能够有效优化提高后备电源寿命的新型蓄电池或新的解决方案。

1 智能配电终端后备电源存在的问题

目前，智能配电终端设备中通常采用铅酸蓄电池储能构成后备电源系统。因铅酸蓄电池能量体积比大，故阀控式密封铅酸蓄电池在近十年来得到了广泛的应用[2]，一直处于智能配电终端的后备电源首选地位。但是随着智能配电终端大范围推广，对智能配电终端后备电源的要求进一步提高，铅酸蓄电池的问题也日益体现出来。

(1)电池寿命问题。目前来说，用户要求智能配电终端后备电源的寿命越长越好，最好能够达到8～10年，特别是在户外环境温度下仍应能保持相对较长的寿命，而阀控式铅酸蓄电池的一般标称寿命在25℃时为6年左右，而实际运行中往往使用不到3年就出现了性能劣化的情况。以25℃为基准环境，平均温度每增加10℃，其寿命将减少一半。我国西北地区环境恶劣，温差较大，夏季温度高达50℃，冬季温度低至-35℃左右，散热及保温性能又较差，因此电池寿命受到直接影响。

(2)容量体积问题。阀控式铅酸蓄电池一般标称电压为直流12 V，在实际的设计中需要2～4块电池串联。但阀控式铅酸蓄电池在-40℃时的容量仅为常温下的30%左右，利用率急剧降低。为了保证电池具有25℃时的放电容量，一般需要在容量上有超过3倍的冗余配置，因此大大增加了成本和体积。

除此之外，铅酸蓄电池会造成水质污染。同时其电解液为硫酸[3]，有强腐蚀性，而且在生产过程中会形成酸雾，造成环境污染。

2 两种可选电池的性能对比测试

2.1 硅能电池

硅能电池的电解质采用硅盐复合物，是一种具有环保意义和节省能源的高科技产品，具有比目前世界上铅酸、胶体蓄电池更优的大电流放电特性、快速充电特性以及极低内阻、自放电小、超长寿命等优势。因而已具备了全面取代铅酸蓄电池的基本条件。

硅能电池的循环寿命是阀控式铅酸电池的1.5倍左右，其超微粒复合硅盐化成液呈中性，不腐蚀内极板，在常温下浮充寿命可达到10年，更接近实际应用中对终端设备后备电源寿命的要求。此外硅能电池自放电小，开路保持两年后其保持电量依然可达到80%以上；在极端恶劣工况下，电池也能不发热、不爆炸，而且能迅速恢复特性，保障负载设备正常运作。在低温容量方面，铅酸电池在-40℃下容量只有常温下的30%左右，但硅能电池可达到常温下的60%以上，有着更好的耐温差性能。

2.1.1 温度-容量测试

为了获得硅能电池在高低温下的实际耐受程度数据，针对某公司生产的一款硅能电池做温度-容量测试。测试结果如下：以环境温度为20℃作为基准点，此时容量保持率为100%；当环境温度-40℃时，硅能电池的容量还可以保持在60%以上；环境温度70℃时，硅能电池的容量达到110%左右。这组数据表明，硅能电池在恶劣的环境温度下，依然可以保持在较高的容量保持率水平，特别是在低温情况下，相比铅酸蓄电池，其优越性更加明显。

2.1.2 自放电测试

蓄电池在开路搁置期间，其容量会逐渐下降，这就是所谓的自放电。对于蓄电池来说，自放电会使电池极板硫化，自放电性能的好坏，间接反应蓄电池寿命的长短。对此，针对两组容量不同的硅能电池进行长达12个月的自放电记录，测试结果如图1所示。

通过测试结果发现，硅能电池在开路搁置12个月后，其电量依然能够保持在80%以上，自放电性能良好，从侧面验证了硅能电池在内部设计的可靠性。

2.1.3 容量-循环次数测试

一般来说，当蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，或因容量达不到规范要求而使用失效时，蓄电池的使用寿命即终止[4]。蓄电池的自然寿命除了体现在其开路时的自放电性能上。更体现在其循环使用的次数上，为了更加清晰地反映硅能电池的容量与循环次数的关系，对硅能电池厂家相关电池在不同的放电深度情况下循环次数的数据进行了统计，经过分析整理，得出了如下关系：按照容量保持在80%为有效的原则下，硅能电池在放电深度为100%时，可循环充放电1 000次左右；在放电深度为50%时，可循环充放电2 000次左右；在放电深度为25%时，可循环充放电3 500次左右；在放电深度为10%时，可循环充放电7 000次以上；而铅酸蓄电池在放电深度达到100%时，循环放电次数一般达不到400次，从这一点来看，硅能电池有着更强的优越性。

2.2 超级电容

超级电容器是一种储能巨大、充放电速度快、工作温度范围宽、使用寿命长、免维护、经济环保的储能系统。在实际应用中，将超级电容器按需要串、并联就可以取代笨重、需要经常维护且有污染的蓄电池组，免去了铅酸蓄电池的日常维护工作量[5]。

为了测试超级电容在不同温度下的容量变化，对某公司生产的超级电容模组做如下测试：首先在室温(15℃左右)下，用电源模块给超级电容模组充满电后(46.7 V)对负载(5.34 W)放电(终止放电电压 17 V)，测试放电时间；然后在-40℃环境下静置10 h，充满电后测试超级电容放电时间；回到常温(15℃左右)静置8 h后，充满电再测试超级电容放电时间；在60℃环境下静置10 h后充满电再测试超级电容放电时间；再回到常温静置8 h后，充满电再测试超级电容放电时间。测得结果如表1所示。

表1 超级电容充放电测试结果

在此，根据负载情况，可计算出超级电容模组的理论放电时间：

将数据代入公式，可推出：

根据模组标称容量计算得出，对于5.34 W的负载，超级电容应能维持 2.5 h，实测中为 2.2 h，去除超级电容容量误差后，基本认为理论计算和实测一致。

从高低温实验来看，在常温、高温(60℃)及低温(-40℃)下容量变化不超过±8%，因此可认为，超级电容能够适应严酷的温度环境，而不减少其储能容量。从充放电时间上分析，超级电容充电时间和放电时间都比较短，因此，超级电容的容量体积比明显弱于铅酸电池和硅能电池。

3 智能配电终端后备电源解决方案

3.1 基于硅能电池的后备电源解决方案

由于硅能电池容量随温度的变化比阀控式铅酸电池要小，在-40℃时容量能达到常温下容量的60%，而阀控式铅酸电池只能达到常温下容量的30%左右。常温下硅能电池与铅酸电池的容量体积比相当，但寿命为铅酸蓄电池的1.5倍。采用硅能电池作为后备电源，与铅酸蓄电池相比，大大降低了配电智能终端的整体体积及成本，因此在大多数不严酷的环境条件下，可采用硅能电池作为智能配电终端的后备电源。

3.2 基于超级电容的后备电源解决方案

由于超级电容器具有较好的高低温及长寿命特点，因此可将其作为FTU或DTU的后备电源使用。

超级电容器在同时适应高低温环境下的性能表现得非常优越，可在常温、高温（60℃）及低温（-40℃）下的容量基本不发生变化，这对于长期处于室外恶劣环境中的智能配电终端来说是一个重要的参数；此外超级电容器具有长寿命特点，比如长期运行在55℃时，在使用到其电压的70%时，可达5年以上，而同样温度条件下，阀控式铅酸蓄电池的寿命只有不到1年时间。

智能配电终端使用铅酸电池时，2～3年就要更换电池。由于超级电容有上述优点，可将其作为智能配电终端的后备电源使用，在智能配电终端的生命周期中将不需要更换维护，有效提高了配电自动化系统的稳定性、可靠性及易用性。

应用方案框图如图2所示，AC 220 V经DC/DC模块后输出一路DC 24 V供配网终端及开关操作电源使用，另一路输出48 V为50 V超级电容模组充电，当AC 220 V输入失电时，超级电容模组将储存的能量(可从48 V放到20 V)由DC/DC模块转换成稳定的DC 24 V输出供终端使用。

GB/T 13729-2002《远动终端设备》规定在交流失电或电源不符合要求时，后备电源供电时间应不少于30 min，且能分合闸最少3次。一般情况智能终端FTU或DTU的功耗为20 W左右，通信设备如ONU为15 W左右。DC/DC模块效率按75%计，按上述电源方案，则需要50 V超级电容模组的容量为85 F。

但由于超级电容能量体积比小，因此，在用户要求智能配电终端断电后正常运行的时间不高的情况下，是优选方案。

3.3 基于硅能电池和超级电容的后备电源解决方案

基于故障指示器的通信终端电源来源主要依靠太阳能电池板，在白天用蓄电池存储能量，夜晚或阴天时则由蓄电池供电。由于太阳能的不稳定性会导致蓄电池经常反复充放电，从而降低蓄电池使用寿命。

众所周知，无论是硅能电池还是阀控式铅酸蓄电池，其充放电次数仅为1 000次左右，且过充电和过放电都会使其性能受到损坏[6]。然而超级电容的一个最重要的优点是连续充放电次数可达50万次以上。

利用蓄电池能量体积比大及超级电容充放点次数高的优点，将两者配合可以达到一个令人满意的程度。

太阳能电池板为超级电容和蓄电池充电，在太阳能电池输出功率较小的情况下（如被云层遮挡），优先使用超级电容作为后备电源供电，如果太阳能电池板恢复输出，蓄电池和超级电容均继续浮充。否则在超级电容放电结束后，切换到蓄电池电池供电，如图3所示，这样能滤除太阳能能量波动，通过降低蓄电池的充放电次数，有效提高蓄电池使用寿命。

蓄电池有十几种性能参数，但针对本文的需求来说不需要一一进行评测。本文对3种后备电源在高低温下容量变化情况进行了测试。从测试来看，超级电容在高低温下容量相对稳定；硅能乳体电池在高低温下的容量大约为普通铅酸蓄电池的1.5倍。根据不同的智能配电终端的需求给出了三种解决方案，目前方案都已付诸实施一年，且运行良好。

[1]邓辉，李艳琴，袁喆.馈线终端单元的供电电源研究[J].电气开关，2010，48(2)：40-41.

[2]孙德胜，徐有琳，田纯.电力系统直流电源可靠性探讨[J].山东电力技术，2011(6)：39-40.

[3]彭澎.长寿命铅酸蓄电池研究[D].武汉：华中科技大学.2005(11)：5-6.

[4]赵强.变电站直流电源设备选用与维护分析[J].科技信息，2012(1)：643-644.

[5]刘成印，李强，薛安忠，等.超级电容直流操作电源[J].电力自动化设备，2008，28(11)：115-116.

[6]李丹，张汉雄.馈线终端装置工作电源及被控开关电源的探讨[J].广东电力，2010，23(7)：18-21.