海外项目中基于IEEE-1115的直流电源蓄电池容量计算的探讨

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

海外项目的工程设计与实践中，经常会遇到与国内项目有较大区别的设计与计算方法。尤其是牵涉到一些设备选型、整定计算上，大多会运用到基于诸如IEC、NEC、NFPA、IEEE 等规范里规定的要求。习惯于国内规范的设计人员，在初次接触这类规范时，要加以区分、研究及正确运用。本文以直流电源部分为重点，结合工程项目实例，着重探讨基于IEEE 1115—2014中所提到的直流电源蓄电池容量的计算。

1 基本概念

1.1 直流电源

直流电源是直流供电系统的组成部分。此处所指的是变配电站中的电力操作电源。电力操作电源由直流屏供电，作用为一次开关设备，如：真空断路器、真空接触器、负荷开关内的弹簧机构为二次控制线路、保护和信号回路、通讯光端机（如微机保护、负荷控制装置、远程控制单元、指示灯、模拟指示器、智能仪表灯）提供直流电源[1]。

1.2 蓄电池

蓄电池是直流电源常用的电能来源，是一种将化学能直接转化电能的装置。使用过程中需经历充放电的过程。工程中常用蓄电池种类主要有镍镉蓄电池及铅酸蓄电池两类。其中，镍镉蓄电池以其良好的充放电性能，较好的免维护性及可为负载提供大电流，且放电时电压变化很小的特点，而广泛应用于工程实际中[2]。

1.3 IEEE-1115 规范概述

IEEE-1115 规范全称IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications，即镍镉蓄电池的计算选择。且镍镉蓄电池也是大多数海外项目中明确规定使用的电池类型。规范中明确要求了计算所要用到的参数及最终表格的形式。因此本文以镍镉蓄电池为例，对相关容量进行计算，详细叙述计算方法、步骤及计算表格中相关数据的填写，便于在海外项目中作参考。

2 工程计算实例

2.1 负荷统计

以某海外项目实际数据为例。在直流电源容量计算时，通常需先进行直流负荷统计。直流负荷一般分为间歇负荷、连续负荷及随机负荷[3]。为便于说明及描述，此处考虑选取典型的间歇负荷及连续负荷作为计算考虑的依据。直流电压以125 V 计算。

直流间歇负荷，主要是开关柜中断路器的分闸（Trip Coil）、合闸（Closing Coil）及马达线圈充电（Charging Motor）[4]。根据实际经验及相关制造商资料，此处选取的断路器分、合闸时间为0.1 s，操作电流1.6 A；马达充电时间15 s，操作电流5.2 A。分别统计各电压等级的断路器数量列于表中，如表1所示。本例中，断路器共计48个、熔丝加接触器形式9个，马达充电线圈数量同断路器。

直流连续负荷处统计了各电压等级开关柜上的指示灯、各类保护功能的继电器（如：进线、母线、PT、马达、电容器、馈线等继电保护）、SCADA系统、信号监控系统、软启动系统、励磁柜等中的直流用电部分。数量及所需操作电流如表2所示：直流连续负荷总计62.674 A。因本例中要求电池后备时间为2 h，而直流连续负荷是贯穿电池放电始终的，所以直流连续负荷所需放电时间7 200 min。

表1 各电压等级的断路器统计Tab.1 Circuit breaks summary in different voltage level

表2 直流连续负荷统计Tab.2 Continuous DC loads summary

（续表）

有了以上直流间歇负荷、连续负荷的统计数据，就可以进行初步的直流电池容量需求汇总。

根据表3所示，整个直流电池放电需经历分闸-合闸-分闸的过程，分、合闸之间需有一次断路器马达线圈充电。直流连续负荷则与分、合闸及马达线圈充电同时进行贯穿始终。其中，分闸部分考虑极端情况同时动作，即动作时间0.1 s、操作电流为所有的断路器操作电流之和；合闸则考虑所有断路器依次合闸，即动作时间为所有的断路器动作时间之和、操作电流为单个断路器操作电流（操作电流一般可再考虑10%余量）。最后把所有的安·时数相加得到初步的直流电池容量需求，本例中为139.06 Ah。

表3 直流电池容量需求汇总Tab.3 DC battery capacity required summary

2.2 Kt系数的引入

由IEEE-1115 标准中计算表格（表6）的描述，可以发现Kt系数是计算过程中的一个关键参数。因此，在进行最终的电池容量计算前，需先进行一项重要系数的计算。直流电源电池容量的Kt系数指的是单个电池单元（Cell）t时间提供的额定安培值（在标准时间速率下，某温度时，一个电池的标准放电端电压）。Kt系数可根据以下公式进行计算：

在计算前，我们可先从供货商或者相关手册中查询需要用到的参数。如表4、表5所示。

表4 不同放电时间下的Kt系数Tab.4 Kt factor in different discharge time

表5 单个电池单元的放电电流容量Tab.5 Discharge currents for cell range Ah

表4的值为整数时间的Kt值。表5为整数时间对应的安·时容量，此处由于表3中得到的初步的直流电池容量需求为139.06 A，因此，先取140 Ah 对应的放电电流容量。且表4和表5的数据用140 Ah互除即可互相转换。

再根据表3，把整个充放电过程划分成4个时间段（tmin）。其中不满1 s 按1 s 计，每个时间段的负荷取Stage中的最大安培+直流连续负荷，如下所示：

第一时间段：阶段1+阶段2，16 s（0.27 min），344 A

第二时间段：阶段3+阶段4，21 s（0.35 min），75A

第三时间段：阶段5，7 200 s（119.37 min），69 A

第四时间段：阶段5+阶段6，1s（0.02 min.），171 A

有了以上各数据，就可计算出各时间段（tmin）对应的Kt值，表中t1时间与t2时间分别指的是放电时间t对应的Kt系数所在区间，如：第一时间段的16 s（0.27 min）的t1为5 s（0.083 min）、t2为30 s（0.5 min），分别对应Kt1为0.52、Kt2为0.6，放电电流容量值则分别对应为269 A、233 A。具体各项数 据如表6所示。

表6 各时间段对应的Kt值Tab.6 Kt factor in each stage

由此，我们可以发现，无论从计算Kt系数的公式的表现形式，还是得到的Kt系数计算结果，Kt系数表示了具体的实际放电时间与额定整数时间对应的容量折算关系，是用于最终精确计算电池容量所必备的换算系数。

2.3 IEEE-1115 计算表格及最终选型结果

至此，我们得到了IEEE-1115 计算表格所要求的计算数据。

以表7第四部分（Section）为例，A1～A4 分别填入四个时间段的负荷，M1～M4 分别对应四个时间段的时间。此表的计算原则为：A1 阶段相当于全时间段的电池放电工作条件。因此，时间t为M1 到M4 四个时间段的时间总和，对应Kt系数由表4可知为2.73。需要容量：344×2.73 = 939.12为正值，填入+ve 列。同理，A2 阶段相当于此时的负荷75 A 减去已使用的负荷344 A，等于-269 A。t时间则相应为减去M1的时间，对应的Kt系数为2.726 8，需要容量：-269×2.726 8 = -733.51为负值，填入-ve 列。如果下个时间段的负荷值大于上一阶段，则跳过此部分的累加计算，避免此部分结果产生负值。以此类推，逐步填入剩下阶段的值。最终，本例中得到3个有效部分（Section）的计算结果，取其中最大值241.30 Ah，再考虑设计余量1.1 及维护系数1.25，最终得到计算结果331.79 Ah。以此可选择335P的电池。电池参数选用的对应的电池放电负荷曲线如图1所 示。

虽然计算过程中是按初步计算得到的直流容量140 Ah的参数来计算的，但通过对最终结果选用的335P 电池返回的验算同样可以得到完全相同的结果（验算过程此处从略），因为对于同一种规格的电池来说，单个电池单元（Cell）具有相同的放电特性[5]。同样，从IEEE-1115 规范中所列举的某电池的不同容量的放电电流范围中可知，把某一放电时间下的放电电流除以对应的电池额定容量，不同容量的电池得到的值都将是一个相同值。这也正好说明了这一原理。

3 总结

由上述过程可知，IEEE-1115 电池容量计算方法的本质是容量换算，这是一种基于现有电池额定参数精确换算到具体实际使用情况的计算方式。但就笔者多年的工程经验及对国内设计行业了解的情况，很多工程项目及设计人员在对直流电源的电池容量计算及选择上，往往仅把所有的直流用电量单纯地相加汇总，即只把最后汇总得到的总安·时值作为直流电池的容量。这种情况下，容易导致选择的电池容量偏小。这显然是不严谨的，也是与实际电池工作时的放电情况不符。因为对于一组电池组来说，不同放电时间下所需要供电的容量是不同的，而电池组的每个电池单元都是在同时放电的。因此，基于上述情况，有必要进行如本文所述的系统性阶段计算，以达到接近及满足实际用电情况的需求，最终选出正确的电池容量。

表7 最终计算结果Tab.7 Final calculation results

图1 负荷曲线Fig.1 Load profile