配电自动化终端后备电源选型探讨

本文结合长沙配电自动化系统，对现场配电自动化终端、通信终端、一次设备操动机构、电源管理模块的功耗进行分析，对铅酸蓄电池、胶体蓄电池等配电自动化终端后备电源进行实测，将现场运行两年以上蓄电池与同型号新产品进行比对性测试，对电源的运行情况和性能指标进行分析，为配电自动化终端后备电源系统的配置和选择提供依据。配电自动化终端后备电源在配电自动化系统中至关重要，配电终端必须能够在线路失电的情况下维持工作一段时间，以完成故障检测、信息上报以及对开关进行遥控操作等一系列工作，实现故障快速定位、隔离并恢复非故障区域供电。因此，配电自动化终端后备电源配置方式成为配电自动化建设中必须要研究和解决的重要问题。配电自动化终端后备电源原理配电自动化终端后备电源主要包括铅酸蓄电池、胶体电池，以下对两种类型后备电源原理及特点进行分析。铅酸蓄电池铅酸蓄电池是传统的储能装置，被广泛用于经济生活的各个方面。主要由正极板、负极板、硫酸、隔板、槽、盖组成，正负极分别焊成集群。根据需要，单体电池相互串、并联，构成具有一定拓扑的电池组。铅酸蓄电池具有能量密度高、技术成熟、通用性好、成本低等特点，也存在对环境造成污染、受温度影响大等问题。胶体电池胶体电池出现于1890年，它以乳白色半透明的凝胶状电解质代替硫酸液体电解质。实验和工业实践证明，硫酸液胶体化后能呈现许多跟溶液状态不同的性质，运用得当可改善蓄电池的性能。胶体电池具有较强的深放电性能；温度适应性较好；比普通铅酸蓄电池更安全环保。同时，也存在一些不足，如电池的成本高，内阻相对较大，大电流放电能力不如铅酸蓄电池，初始容量比铅酸蓄电池略低等。配电自动化终端后备电源现场应用情况长沙配电自动化区域内的“三遥”站所终端（DTU）采用两台12VDC蓄电池串联成24VDC电源作为后备电源，现场投运两年多时间，经历了潮湿、高温等恶劣环境。测试组共对现场35台DTU终端的后备蓄电池的浮充电压和内阻等参数开展测试，E品牌胶体电池18台，P品牌铅酸蓄电池32台，Y品牌铅酸蓄电池20台，共计70台蓄电池，具体测试数据如表1所示。

蓄电池内阻分析E品牌胶体蓄电池内阻分析E品牌胶体蓄电池现场测试内阻分布图如图1所示。E品牌蓄电池标称内阻为25mΩ，现场测试共计18台，最大内阻为26.491mΩ，最小内阻为16.55mΩ，平均内阻为20.59mΩ。超出蓄电池标称内阻的蓄电池有1台，占总数的5.56%；发生膨胀蓄电池有14台，占总数77.78%；发生负极板硫酸盐化2台，占总数的11.11%。P品牌蓄电池内阻分析P品牌蓄电池现场测试内阻分布图如图2所示。P品牌蓄电池标称内阻为11mΩ，现场测试共计32台，最大内阻为13.919mΩ，最小内阻为11.343mΩ，平均内阻为12.31mΩ。32台蓄电池样本均超出标称内阻。32台蓄电池均发生不同程度膨胀；发生漏液1台，占总数的3.125%；发生膨胀或漏液蓄电池占总数100%。因内阻过大，无法测试其内阻值的蓄电池2台，占总数的6.25%，可认为此蓄电池已经损坏，需进行更换。

Y品牌蓄电池内阻分析Y品牌蓄电池现场测试内阻分布图如图3所示。Y品牌蓄电池标称内阻为12mΩ，现场测试共计20台，最大内阻为51.385mΩ，最小内阻为9.571mΩ，平均内阻为14.58mΩ。其中5台蓄电池样本超出标称内阻，其中3台蓄电池内阻超出标称内阻的2倍。无蓄电池发生膨胀，发生漏液蓄电池1台，占总数的5%；发生膨胀或漏液蓄电池占总数5%。

图3Y品牌蓄电池现场测试内阻分布图蓄电池配套电源管理模块配置E品牌、P品牌、Y品牌蓄电池配套的电源管理模块均为FTU-D300-2424-N或FTU-D300-2424-W型号，电源管理模块参数整定包括浮充电压和充电电流，如表2所示。按照国标要求，铅酸蓄电池正常三段式充电过程要求如下：（1）恒流限压充电：采用I10电流进行恒流充电，当蓄电池组端电压上升到（2.30～2.35）

V×N

限压值时，自动或手动转为恒压充电。（2）恒压充电：在（2.30～2.35）V×

N

的恒压充电下，I10充电电流逐渐减小，直到充电电流减小至0.1I10电流。（3）浮充充电：当充电电流减小至0.1

I10电流后，电源管理模块将自动转为正常的浮充电运行，浮充电压值宜控制为（2.23～2.28）V×N

。现场后备电源运行分析现场运行环境比较差，部分普通铅酸蓄电池与胶体电池出现不同程度的膨胀或负极酸化。因内阻过大无法测试其内阻值，需要进行更换的蓄电池，P品牌占比6.25%，Y品牌5%，E品牌为0。分析其主要原因有：（1）浮充电压和充电电流设置不合理。现场E品牌和P品牌蓄电池充电的充电电流均设置为3A，均大于I10（2A），充电电流过大，特别是高温条件下，缺乏对蓄电池浮充电压和电流的适当调节，导致蓄电池长期处于过度浮充状态，以致内部温度偏高，出现膨胀变形或负极酸化。（2）现场运行环境恶劣。一般来说，铅酸蓄电池理想的运行环境为20～25℃，而在户外柜体中，夏天温度达到50～60℃，冬天温度则在零度以下，且春夏湿度大，加剧了铅酸蓄电池膨胀、负极板硫酸盐化等现象。（3）蓄电池运行维护不当。大部分在运配电终端配置的蓄电池缺乏基本的运行维护，未设置定期活化，长时间处于浮充状态加剧了蓄电池损坏。配电自动化终端后备电源需求分析配电自动化终端后备电源容量的大小，取决于终端设备的整机功耗，由配电终端设备、通信设备、电源管理模块和操作一次设备所需功耗决定。据国家电网公司《配电自动化终端技术规范》可知，“三遥”DTU在所有终端中功耗最高，为20VA。对于一次设备功耗计算，经过对多家环网柜和柱上开关分合闸功率和储能功率进行录波比较，选取具有代表性的弹簧操作机构断路器和负荷开关间隔分合闸过程电压电流进行录波，分析如下。负荷开关分合闸过程电源录波分析对现场负荷开关配套间隔进行操作的录波如图4所示，考虑电源管理模块在交、直流转换时功率的消耗，因此对电源管理模块的输入电流、电压进行录波分析。

图4典型负荷开关合闸过程电压电流录波负荷开关分合闸是通过弹簧机构传动的方式，推动开关主触头分闸和合闸，合闸启动电流大约在2～3工频周波，瞬时功耗大，约为220V×4A=880VA，弹簧机构传动时间一般持续2～3s，传动过程平均功耗为：220V×1.7A=374VA；负荷开关分闸原理与合闸相同，动作过程功耗与合闸基本一致。断路器合分闸过程录波波形现场对断路器间隔分合闸操作过程中电压电流录波如图5和图6所示。断路器合闸、分闸过程时间很短，大约在2～3个工频周波，瞬时功耗大，约为220V×5.3A=1164VA。断路器合闸后，储能机构所耗电能如图5所示，断路器储能过程一般持续3~5ｓ，储能机构平均功耗（含电源管理模块）为：220V×1.6A=350VA。

图5断路器合闸以及储能过程电压电流录波

图6断路器分闸过程电压电流录波因此，对于典型的两负荷开关两断路器环网柜而言，负荷开关分闸功耗最大，断路器合闸功耗最大，考虑裕度，进行后备电源容量选取时，将四间隔环网柜按照4个断路器合闸、4个负荷开关分闸进行计算。配电自动化终端后备电源容量设计以DTU采用EPON通信方式，一次设备采用断路器合闸、负荷开关分闸为例对终端设备后备电源的容量进行计算。DTU装置功耗由《配电自动化终端技术规范》规定“三遥”站所终端最大功耗为20VA。通信设备功耗（EPONONU）结合相关标准和EPON主流设备厂家的标称值，ONU额定功耗不应大于10VA，瞬时最大功耗不应大于15VA。电源管理模块和断路器分合闸功耗一次设备分、合闸操动机构功耗，开关厂家提供的典型储能机构储能时间为小于5s，取上限5s。断路器合闸：（1）合闸瞬时所耗电能：W

1=1164VA×0.1s=116.4J；（2）断路器合闸后储能机构所耗电能：W

2=350VA×5s=1750J；因此断路器合闸所耗电能之和为：W

HZ=W

1+W

2=1866.4J；负荷开关分闸：（1）负荷开关分闸启动瞬间所耗电能：W

1=880VA×0.1s=88J；（2）负荷开关分闸传动所耗电能：W

2=374VA×3s=1122J；因此断路器分闸所耗电能之和为：W

FZ=W

1+W

2=1210J。按单个DTU控制8间隔环网柜的最大配置计算，停电后保证一次设备分—合—分操作，所需电能为：二次柜体整体功耗计算配电自动化二次柜体采用48VDC后备电源，断电后运行4h，整体功耗为：

其中，P

D为DTU平均功耗，P

C为通信设备平均功耗，t

为运行时间。附柜所需电流有效值为：以蓄电池常用的10倍率容量，换算成蓄电池容量为：如果是FTU，按照《配电自动化终端技术规范》要求FTU装置的功耗应该不大于15VA，按上述方法计算二次附柜停电后正常运行需要的蓄电池容量为2.5Ah，其他类型配电终端可依此方式进行计算。后备电源瞬时输出功耗分析由图５、图6可以看出，开关瞬时动作最大功率约为P

max=220V×5.3A=1164VA持续时间约为2个周波，即40ms。对应直流侧瞬时最大电流为：参考GB/T19638.2—2005《固定性阀控密封式铅酸蓄电池》规定，蓄电池必须满足在20～25℃环境下以30I

10（A）的电流放电3min，按现在配电自动化区域常规配置的C10为20Ah，则30

I

10=60A。铅酸蓄电池满足直流侧瞬时最大功率的需求，且在实验室对铅酸蓄电池大电流放电能力进行了实验验证。配电自动化终端后备电源比对性试验后备电源比对性测试项目为使实验结果具有可比性，将现场蓄电池拆回实验室，对相同型号新旧蓄电池进行端电压均衡性能试验、容量性能测试以及内阻测试，蓄电池参数及编号见表3、表4。主要测试项目包括：（1）端电压均衡性能试验。环境温度为25℃，分别测试蓄电池组开路电压：初始开路电压、蓄电池组完全充电后开路电压、充电完毕并静置12h后开路电压。对于标称12V的蓄电池，完全充电并静置12h后的端电压差值应不大于100mV；长期处于浮充状态的蓄电池端电压差值应不大于480mV。（2）容量性能测试。蓄电池经完全充电后，静置12h，在环境温度为25℃时进行核对性放电试验。a.使用3h率放电电流（I3=0.25

C10）进行放电，当单个蓄电池电压降至10.8V时终止，记录放电持续时间t并计算放电容量Ct=I3×t（Ah），3h率放电的放电容量应不小于0.75

C10。b.使用1h率放电电流（I1=0.55

C10）进行放电，当单个蓄电池电压降至10.5V时终止，记录放电持续时间t并计算放电容量Ct=I11×t（Ah）。1h率放电的放电容量应不小于0.55

C10。（3）内阻测试。环境温度为25℃，分别测试蓄电池完全充电后内阻，充电完毕并静置12h后内阻以及放电试验后内阻，比较内阻的变化。后备电源比对性测试结果分析测试数据以3h放电容量、同品牌新旧蓄电池各两台测试结果进行分析，如表5～表7所示。表5E品牌新旧胶体蓄电池测试结果表6P品牌新旧蓄电池测试结果端电压均衡性能测试分析P品牌、Y品牌铅酸蓄电池与E品牌胶体电池电压一致性均满足标准标称12V的蓄电池，完全充电并静置12h后的端电压差值应不大于100mV，长期处于浮充状态的蓄电池端电压差值应不大于480mV的要求。

容量测试分析（1）测试中，P品牌和Y品牌铅酸蓄电池新旧电池放电容量一致性好。P品牌新旧电池1h率和3h率放电电流释放的容量分别为14.31Ah和20.01Ah左右，均符合放电容量应满足0.55

C10（13.2Ah）和0.75

C10（18Ah）的要求。Y品牌新旧电池1h率和3h率放电电流释放的容量分别为18.18Ah和23.41Ah左右，均符合放电容量应满足0.55

C10（13.2Ah）和0.75

C10（18Ah）的要求。如表6所示，P品牌旧电池PO1、PO2的3h放电容量为21.19Ah，超过要求值16.5Ah的28.42%，放电时间甚至超过新电池PN1和PN2。如表7所示，Y品牌旧电池YO1、YO2的3h放电容量为23.41Ah，超过要求值16.5Ah的30.05%，放电时间甚至超过新电池YN1和YN2。（2）E品牌新旧胶体电池在容量性能测试中呈现一定差异性。E品牌新电池1h率和3h率放电电流释放的容量分别为14.01Ah和16.91Ah左右，放电容量均符合0.55

C10（11Ah）和0.75

C10（15Ah）的要求。E品牌旧电池1h率和3h率放电电流释放的容量分别为10.21Ah和13.45Ah左右，未达到放电容量应满足0.55C10（11Ah）和0.75

C10（15Ah）的要求。内阻测试分析（1）P品牌和Y品牌铅酸蓄电池与E品牌胶体电池内阻，完全充电内阻RO和放电后RE均有不同程度升高，新旧电池表现基本一致。P品牌蓄电池放电后内阻较完全充电内阻RO，从12mΩ上升至27mΩ，上升幅度125%；Y品牌蓄电池从平均11mΩ上升至平均20mΩ，上升幅度81.82%；E品牌蓄电池从平均20mΩ上升至平均30mΩ，上升幅度150%。（2）相同品