在電力配電網(wǎng)中，后備電源是各種饋線回路中配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端的關(guān)鍵部件之一，其輸入通常來(lái)自電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)。智能配電終端設(shè)備一般要求在外部失電后必須維持工作一段時(shí)間，以完成故障檢測(cè)、故障處理以及信息記錄和上報(bào)等一系列功能，因此需要后備電源保證，即使饋線停電智能配電終端仍能工作，開(kāi)關(guān)也能操作[1]。本文旨在尋求一種或幾種容量穩(wěn)定且能夠有效優(yōu)化提高后備電源壽命的新型蓄電池或新的解決方案。

1 智能配電終端后備電源存在的問(wèn)題
    目前，智能配電終端設(shè)備中通常采用鉛酸蓄電池儲(chǔ)能構(gòu)成后備電源系統(tǒng)。因鉛酸蓄電池能量體積比大，故閥控式密封鉛酸蓄電池在近十年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用[2]，一直處于智能配電終端的后備電源首選地位。但是隨著智能配電終端大范圍推廣，對(duì)智能配電終端后備電源的要求進(jìn)一步提高，鉛酸蓄電池的問(wèn)題也日益體現(xiàn)出來(lái)。
    (1)電池壽命問(wèn)題。目前來(lái)說(shuō)，用戶要求智能配電終端后備電源的壽命越長(zhǎng)越好，最好能夠達(dá)到8～10年，特別是在戶外環(huán)境溫度下仍應(yīng)能保持相對(duì)較長(zhǎng)的壽命，而閥控式鉛酸蓄電池的一般標(biāo)稱壽命在25 ℃時(shí)為6年左右，而實(shí)際運(yùn)行中往往使用不到3年就出現(xiàn)了性能劣化的情況。以25 ℃為基準(zhǔn)環(huán)境，平均溫度每增加10 ℃，其壽命將減少一半。我國(guó)西北地區(qū)環(huán)境惡劣，溫差較大，夏季溫度高達(dá)50 ℃，冬季溫度低至-35 ℃左右，散熱及保溫性能又較差，因此電池壽命受到直接影響。
    (2)容量體積問(wèn)題。閥控式鉛酸蓄電池一般標(biāo)稱電壓為直流12 V，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需要2～4塊電池串聯(lián)。但閥控式鉛酸蓄電池在-40 ℃時(shí)的容量?jī)H為常溫下的30%左右，利用率急劇降低。為了保證電池具有25 ℃時(shí)的放電容量，一般需要在容量上有超過(guò)3倍的冗余配置，因此大大增加了成本和體積。
    除此之外，鉛酸蓄電池會(huì)造成水質(zhì)污染。同時(shí)其電解液為硫酸[3]，有強(qiáng)腐蝕性，而且在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)形成酸霧，造成環(huán)境污染。
2 兩種可選電池的性能對(duì)比測(cè)試
2.1 硅能電池
    硅能電池的電解質(zhì)采用硅鹽復(fù)合物，是一種具有環(huán)保意義和節(jié)省能源的高科技產(chǎn)品，具有比目前世界上鉛酸、膠體蓄電池更優(yōu)的大電流放電特性、快速充電特性以及極低內(nèi)阻、自放電小、超長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)。因而已具備了全面取代鉛酸蓄電池的基本條件。
    硅能電池的循環(huán)壽命是閥控式鉛酸電池的1.5倍左右，其超微粒復(fù)合硅鹽化成液呈中性，不腐蝕內(nèi)極板，在常溫下浮充壽命可達(dá)到10年，更接近實(shí)際應(yīng)用中對(duì)終端設(shè)備后備電源壽命的要求。此外硅能電池自放電小，開(kāi)路保持兩年后其保持電量依然可達(dá)到80%以上；在極端惡劣工況下，電池也能不發(fā)熱、不爆炸，而且能迅速恢復(fù)特性，保障負(fù)載設(shè)備正常運(yùn)作。在低溫容量方面，鉛酸電池在-40 ℃下容量只有常溫下的30%左右，但硅能電池可達(dá)到常溫下的60%以上，有著更好的耐溫差性能。
2.1.1 溫度-容量測(cè)試
    為了獲得硅能電池在高低溫下的實(shí)際耐受程度數(shù)據(jù)，針對(duì)某公司生產(chǎn)的一款硅能電池做溫度-容量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：以環(huán)境溫度為20 ℃作為基準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)容量保持率為100%；當(dāng)環(huán)境溫度-40 ℃時(shí)，硅能電池的容量還可以保持在60%以上；環(huán)境溫度70 ℃時(shí)，硅能電池的容量達(dá)到110%左右。這組數(shù)據(jù)表明，硅能電池在惡劣的環(huán)境溫度下，依然可以保持在較高的容量保持率水平，特別是在低溫情況下，相比鉛酸蓄電池，其優(yōu)越性更加明顯。
2.1.2 自放電測(cè)試
    蓄電池在開(kāi)路擱置期間，其容量會(huì)逐漸下降，這就是所謂的自放電。對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)，自放電會(huì)使電池極板硫化，自放電性能的好壞，間接反應(yīng)蓄電池壽命的長(zhǎng)短。對(duì)此，針對(duì)兩組容量不同的硅能電池進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月的自放電記錄，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

    通過(guò)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅能電池在開(kāi)路擱置12個(gè)月后，其電量依然能夠保持在80%以上，自放電性能良好，從側(cè)面驗(yàn)證了硅能電池在內(nèi)部設(shè)計(jì)的可靠性。
2.1.3 容量-循環(huán)次數(shù)測(cè)試
    一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)蓄電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，或因容量達(dá)不到規(guī)范要求而使用失效時(shí)，蓄電池的使用壽命即終止[4]。蓄電池的自然壽命除了體現(xiàn)在其開(kāi)路時(shí)的自放電性能上。更體現(xiàn)在其循環(huán)使用的次數(shù)上，為了更加清晰地反映硅能電池的容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，對(duì)硅能電池廠家相關(guān)電池在不同的放電深度情況下循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)分析整理，得出了如下關(guān)系：按照容量保持在80%為有效的原則下，硅能電池在放電深度為100%時(shí)，可循環(huán)充放電1 000次左右；在放電深度為50%時(shí)，可循環(huán)充放電2 000次左右；在放電深度為25%時(shí)，可循環(huán)充放電3 500次左右；在放電深度為10%時(shí)，可循環(huán)充放電7 000次以上；而鉛酸蓄電池在放電深度達(dá)到100%時(shí)，循環(huán)放電次數(shù)一般達(dá)不到400次，從這一點(diǎn)來(lái)看，硅能電池有著更強(qiáng)的優(yōu)越性。
2.2 超級(jí)電容
    超級(jí)電容器是一種儲(chǔ)能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，將超級(jí)電容器按需要串、并聯(lián)就可以取代笨重、需要經(jīng)常維護(hù)且有污染的蓄電池組，免去了鉛酸蓄電池的日常維護(hù)工作量[5]。
    為了測(cè)試超級(jí)電容在不同溫度下的容量變化，對(duì)某公司生產(chǎn)的超級(jí)電容模組做如下測(cè)試：首先在室溫(15 ℃左右)下，用電源模塊給超級(jí)電容模組充滿電后(46.7 V)對(duì)負(fù)載(5.34 W)放電(終止放電電壓17 V)，測(cè)試放電時(shí)間；然后在-40 ℃環(huán)境下靜置10 h，充滿電后測(cè)試超級(jí)電容放電時(shí)間；回到常溫(15 ℃左右)靜置8 h后，充滿電再測(cè)試超級(jí)電容放電時(shí)間；在60 ℃環(huán)境下靜置10 h后充滿電再測(cè)試超級(jí)電容放電時(shí)間；再回到常溫靜置8 h后，充滿電再測(cè)試超級(jí)電容放電時(shí)間。測(cè)得結(jié)果如表1所示。

    從高低溫實(shí)驗(yàn)來(lái)看，在常溫、高溫(60 ℃)及低溫(-40 ℃)下容量變化不超過(guò)±8%，因此可認(rèn)為，超級(jí)電容能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的溫度環(huán)境，而不減少其儲(chǔ)能容量。從充放電時(shí)間上分析，超級(jí)電容充電時(shí)間和放電時(shí)間都比較短，因此，超級(jí)電容的容量體積比明顯弱于鉛酸電池和硅能電池。
3 智能配電終端后備電源解決方案
3.1 基于硅能電池的后備電源解決方案
    由于硅能電池容量隨溫度的變化比閥控式鉛酸電池要小，在-40 ℃時(shí)容量能達(dá)到常溫下容量的60%，而閥控式鉛酸電池只能達(dá)到常溫下容量的30%左右。常溫下硅能電池與鉛酸電池的容量體積比相當(dāng)，但壽命為鉛酸蓄電池的1.5倍。采用硅能電池作為后備電源，與鉛酸蓄電池相比，大大降低了配電智能終端的整體體積及成本，因此在大多數(shù)不嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，可采用硅能電池作為智能配電終端的后備電源。
3.2 基于超級(jí)電容的后備電源解決方案
    由于超級(jí)電容器具有較好的高低溫及長(zhǎng)壽命特點(diǎn)，因此可將其作為FTU或DTU的后備電源使用。
    超級(jí)電容器在同時(shí)適應(yīng)高低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)得非常優(yōu)越，可在常溫、高溫（60 ℃）及低溫（-40 ℃）下的容量基本不發(fā)生變化，這對(duì)于長(zhǎng)期處于室外惡劣環(huán)境中的智能配電終端來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的參數(shù)；此外超級(jí)電容器具有長(zhǎng)壽命特點(diǎn)，比如長(zhǎng)期運(yùn)行在55 ℃時(shí)，在使用到其電壓的70%時(shí)，可達(dá)5年以上，而同樣溫度條件下，閥控式鉛酸蓄電池的壽命只有不到1年時(shí)間。
    智能配電終端使用鉛酸電池時(shí)，2～3年就要更換電池。由于超級(jí)電容有上述優(yōu)點(diǎn)，可將其作為智能配電終端的后備電源使用，在智能配電終端的生命周期中將不需要更換維護(hù)，有效提高了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及易用性。
    應(yīng)用方案框圖如圖2所示，AC 220 V經(jīng)DC/DC模塊后輸出一路DC 24 V供配網(wǎng)終端及開(kāi)關(guān)操作電源使用，另一路輸出48 V為50 V超級(jí)電容模組充電，當(dāng)AC 220 V輸入失電時(shí)，超級(jí)電容模組將儲(chǔ)存的能量(可從48 V放到20 V)由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的DC 24 V輸出供終端使用。

    GB/T 13729-2002《遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備》規(guī)定在交流失電或電源不符合要求時(shí)，后備電源供電時(shí)間應(yīng)不少于30 min，且能分合閘最少3次。一般情況智能終端FTU或DTU的功耗為20 W左右，通信設(shè)備如ONU為15 W左右。DC/DC模塊效率按75%計(jì)，按上述電源方案，則需要50 V超級(jí)電容模組的容量為85 F。
    但由于超級(jí)電容能量體積比小，因此，在用戶要求智能配電終端斷電后正常運(yùn)行的時(shí)間不高的情況下，是優(yōu)選方案。
3.3 基于硅能電池和超級(jí)電容的后備電源解決方案
    基于故障指示器的通信終端電源來(lái)源主要依靠太陽(yáng)能電池板，在白天用蓄電池存儲(chǔ)能量，夜晚或陰天時(shí)則由蓄電池供電。由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致蓄電池經(jīng)常反復(fù)充放電，從而降低蓄電池使用壽命。
    眾所周知，無(wú)論是硅能電池還是閥控式鉛酸蓄電池，其充放電次數(shù)僅為1 000次左右，且過(guò)充電和過(guò)放電都會(huì)使其性能受到損壞[6]。然而超級(jí)電容的一個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)充放電次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上。
    利用蓄電池能量體積比大及超級(jí)電容充放點(diǎn)次數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，將兩者配合可以達(dá)到一個(gè)令人滿意的程度。
    太陽(yáng)能電池板為超級(jí)電容和蓄電池充電，在太陽(yáng)能電池輸出功率較小的情況下（如被云層遮擋），優(yōu)先使用超級(jí)電容作為后備電源供電，如果太陽(yáng)能電池板恢復(fù)輸出，蓄電池和超級(jí)電容均繼續(xù)浮充。否則在超級(jí)電容放電結(jié)束后，切換到蓄電池電池供電，如圖3所示，這樣能濾除太陽(yáng)能能量波動(dòng)，通過(guò)降低蓄電池的充放電次數(shù)，有效提高蓄電池使用壽命。

    蓄電池有十幾種性能參數(shù)，但針對(duì)本文的需求來(lái)說(shuō)不需要一一進(jìn)行評(píng)測(cè)。本文對(duì)3種后備電源在高低溫下容量變化情況進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試來(lái)看，超級(jí)電容在高低溫下容量相對(duì)穩(wěn)定；硅能乳體電池在高低溫下的容量大約為普通鉛酸蓄電池的1.5倍。根據(jù)不同的智能配電終端的需求給出了三種解決方案，目前方案都已付諸實(shí)施一年，且運(yùn)行良好。
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