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        超級(jí)電容電池在計(jì)量終端上的研發(fā)與應(yīng)用

        2015-04-01 02:03:18王大鵬羅錫銘
        機(jī)電信息 2015年3期
        關(guān)鍵詞:南方電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范后備

        王大鵬 羅錫銘

        (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局,廣東 珠海519000)

        0 引言

        客戶平均停電時(shí)間被列為公司市場(chǎng)營(yíng)銷績(jī)效考核指標(biāo)之一,充分體現(xiàn)了公司對(duì)客戶停電時(shí)間管理工作的高度重視。全力做好電力供應(yīng),減少客戶停電時(shí)間,提供優(yōu)質(zhì)服務(wù),是貫徹落實(shí)公司長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措,也是建設(shè)客戶全方位服務(wù)體系工作的重要組成部分。

        公司提出了客戶停電時(shí)間自動(dòng)統(tǒng)計(jì)建設(shè),利用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集客戶側(cè)計(jì)量終端的停、復(fù)電信息,從根本上解決手工填報(bào)停電事件的弊端,有效驗(yàn)證校核了停電事件的準(zhǔn)確性,確保了客戶停電時(shí)間的準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性。

        目前,我單位在運(yùn)行的計(jì)量終端使用的備用電池是不同終端廠家配來(lái)的不同型號(hào)規(guī)格的鎳氫電池及極少數(shù)是鋰電池。

        雖然廣東電網(wǎng)公司在2009年發(fā)布了計(jì)量終端相關(guān)的技術(shù)規(guī)范,以及2013年南方電網(wǎng)公司也發(fā)布了《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》,但計(jì)量終端真正投入運(yùn)行后,有些計(jì)量終端的備用電池長(zhǎng)期處于“浮充”狀態(tài),我們做過(guò)試驗(yàn):將一塊新的計(jì)量終端送電1 h后斷電,終端的停電報(bào)警來(lái)不及上傳主站,終端的通訊模塊電源燈和終端顯示屏在3 s左右熄滅,測(cè)到備用電池電壓仍有5 V左右,但不能維持計(jì)量終端上傳停電報(bào)警,其原因是計(jì)量終端選用的備用電池性能差,在終端有外電源供電時(shí)備注電池處于“浮充”狀態(tài)或者備用電池的電壓過(guò)低或充電失效。目前我們發(fā)現(xiàn)有些備用電池發(fā)生電池漏液、爆裂等影響計(jì)量終端運(yùn)行的事件。

        隨著應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)開展停電統(tǒng)計(jì)工作,如果計(jì)量終端使用的備用電池起不到真正的“后備電池”作用,即不具備在電網(wǎng)停電后計(jì)量終端主動(dòng)向主站及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送停電時(shí)的相關(guān)信息,工作人員無(wú)法應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控電能計(jì)量裝置的運(yùn)行情況,停電統(tǒng)計(jì)就無(wú)法開展。所以,計(jì)量終端的備用電池的好壞是整個(gè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

        為了改善計(jì)量終端備用電池的質(zhì)量,使備用電池真正起到計(jì)量終端在外電源停電后的“后備電源”作用,確保計(jì)量終端能準(zhǔn)確及時(shí)向計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)上傳相關(guān)信息,充分利用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用功能來(lái)監(jiān)控計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)和開展停電統(tǒng)計(jì)工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理計(jì)量裝置故障,減少電量差錯(cuò),意義重大。

        1 計(jì)量終端備用電池的技術(shù)要求

        《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池規(guī)定:“終端掉電時(shí),備用充電電池應(yīng)至少維持上報(bào)3次終端掉電告警的能力。備用電池采用4.8 V可充電電池或電池組;額定容量≥600 m Ah……在正常使用情況下,電池循環(huán)壽命不應(yīng)低于500次循環(huán),外觀無(wú)破裂、劃痕、變形、污跡、電解液泄漏等不良現(xiàn)象。”

        2 超級(jí)電容器與普通電池的比較

        超級(jí)電容器與傳統(tǒng)的鎳氫電池、鋰電池比較,具有以下特點(diǎn):

        (1)超級(jí)電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位,且可以完全放出,而鎳氫電池、鋰電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍。

        (2)超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)(SOC)與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單的函數(shù),而鎳氫電池、鋰電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算過(guò)程。

        (3)超級(jí)電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無(wú)任何不利影響,相反如果鎳氫電池、鋰電池反復(fù)傳輸高功率脈沖會(huì)縮短其使用壽命。

        (4)超級(jí)電容器可以快速充電,充電10~600 s可達(dá)到其額定容量的95%以上,而鎳氫電池、鋰電池快速充電則會(huì)受到損害。

        (5)超級(jí)電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬(wàn)次,沒(méi)有“記憶效應(yīng)”,而鎳氫電池、鋰電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。

        (6)超級(jí)電容器相對(duì)充電電池來(lái)說(shuō),可以滿足在更為極端的自然環(huán)境(-40~65℃)中工作的要求,并能實(shí)現(xiàn)10年以上免維護(hù),而充電電池2~3年就必須更換。

        (7)超級(jí)電容電池相比鎳氫電池、鋰電池的原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染,是理想的綠色環(huán)保電源。

        3 超級(jí)電容作為計(jì)量終端備用電池的可行性分析

        目前計(jì)量終端廠家配來(lái)的備用電池的工作電壓范圍為3.7~4.8 V。如果超級(jí)電容能滿足《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池的技術(shù)要求:“終端掉電時(shí),備用充電電池應(yīng)至少維持上報(bào)3次終端掉電告警的能力?!蹦敲矗贸?jí)電容代替鎳氫電池、鋰電池作為計(jì)量終端的“后備電池”是否可行?以下是在計(jì)量終端外部電源停電時(shí)超級(jí)電容的測(cè)試情況:

        測(cè)試樣機(jī)采用DC/DC模式,將超級(jí)電容器的電壓升壓到穩(wěn)定的5 V,Ⅰ型樣機(jī)采用2只120 F超級(jí)電容器串聯(lián)使用,相當(dāng)于1只容量為60 F的電容器;Ⅱ型樣機(jī)在Ⅰ型樣機(jī)的基礎(chǔ)上將電容量加倍(4只),相當(dāng)于1只容量為120 F的電容器。

        (1)樣品電容電池2組相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如下,Ⅰ型和Ⅱ型樣品電容電池續(xù)航試驗(yàn)如表1所示。

        表1 不同容量超級(jí)電容續(xù)航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        Ⅰ型樣品電容電池續(xù)航后電壓的變化如表2所示。

        表2 Ⅰ型樣品電容電池續(xù)航后電壓的變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        (2)樣品電容電池充電電壓曲線圖如圖1所示。

        圖1 樣品電容電池在計(jì)量終端內(nèi)充電電壓變化曲線圖

        (3)外電源停電后樣品電容電池的停電報(bào)警測(cè)試截圖如圖2所示。

        圖2 正常上送報(bào)警截圖

        (4)終端外部停電后,每10 s召測(cè)電能表數(shù)據(jù)情況。從計(jì)量終端帶電能表運(yùn)行過(guò)程中外電源停電后,電容電池作為計(jì)量終端的后備電源,計(jì)量終端能向主站上報(bào)“終端停電”報(bào)警,每隔10~15 s人工召測(cè)電能表數(shù)據(jù)5次均能正確返回,測(cè)試樣機(jī)的續(xù)航時(shí)間與計(jì)算結(jié)果相符,驗(yàn)證了電容電池作為計(jì)量終端備用電池的可行性。

        (5)本次樣品電容電池的工作參數(shù):超級(jí)電容器工作電壓為5 V;截止時(shí)超級(jí)電容的電壓為2 V;型號(hào)為HND2001S-GK1終端的測(cè)試參數(shù),綜合考慮DC/DC的變換效率等因素,設(shè)超級(jí)電容器輸出電流為0.3 A,要求續(xù)航時(shí)間為10 min(600 s)時(shí),所需超級(jí)電容器容量計(jì)算如下:C=(5+2)×0.3×600/(5×5-2×2)=60 F;要求續(xù)航時(shí)間為20 min(1 200 s)時(shí),所需超級(jí)電容器容量計(jì)算如下:C=(5+2)×0.3×1 200/(5×5-2×2)=120 F。

        (6)樣機(jī)充放電原理:

        VM:充電電壓/后備電池電壓,即為終端后備電池插座上的電壓。

        VC:后備電源中超級(jí)電容器的電壓。

        C1、C2:超級(jí)電容器,是本后備電源的能量?jī)?chǔ)存的核心器件。

        K1:充電開關(guān),當(dāng)終端本身有外部電源供電時(shí),該開關(guān)打開,給超級(jí)電容器充電;當(dāng)終端失去外部電源時(shí),該開關(guān)關(guān)閉,由超級(jí)電容器給終端供電。

        RL:充電限流電阻,該電阻將最大充電電流限制在安全范圍內(nèi),避免當(dāng)超級(jí)電容器上的電壓過(guò)高時(shí)損壞表計(jì)。

        電壓檢測(cè)單元:本單元實(shí)時(shí)檢測(cè)VM電壓,根據(jù)VM的變化切換本后備電源的工作模式。

        DC/DC單元:直流電壓變換單元,將超級(jí)電容器的電壓升壓到穩(wěn)定的5 V,可以提高電容能量的使用率。

        過(guò)壓保護(hù)單元:由于超級(jí)電容器本身的特點(diǎn),其工作電壓不能超過(guò)2.7 V,該單元即可保證超級(jí)電容器上的電壓在其安全工作范圍內(nèi)。

        后備電源的工作原理如下:

        終端有外部電源供電:當(dāng)電壓檢測(cè)單元通過(guò)VM檢測(cè)到設(shè)備有外部電源供電時(shí),便通過(guò)【CTL1】打開充電開關(guān)K1,給超級(jí)電容器充電,同時(shí)通過(guò)【CTL2】關(guān)閉DC/DC單元;

        終端無(wú)外部電源供電:當(dāng)電壓檢測(cè)單元通過(guò)VM檢測(cè)到終端無(wú)外部電源供電時(shí),便通過(guò)【CTL1】關(guān)閉充電開關(guān)K1,同時(shí)通過(guò)【CTL2】打開DC/DC單元,此時(shí)便由超級(jí)電容器給終端供電。

        其原理圖如圖3所示。

        圖3 超級(jí)電容在計(jì)量終端內(nèi)工作充放電原理圖

        4 超級(jí)電容電池在計(jì)量終端應(yīng)用的可行性研究綜述

        使用超級(jí)電容器作為核心器件構(gòu)成的后備電源,在計(jì)量終端斷電時(shí),能滿足《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范》《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范》的4.3.6備用電池的技術(shù)要求,保證計(jì)量終端及時(shí)向主站上報(bào)停電信息,解決了以往鎳氫、鋰電池的“浮充”現(xiàn)象或者充電失效以及發(fā)生電池漏液、爆裂等事件造成計(jì)量終端在外電源停電后無(wú)法上傳停電信息的問(wèn)題,有利于應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)和開展停電統(tǒng)計(jì)工作。

        [1]中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端技術(shù)規(guī)范

        [2]中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端技術(shù)規(guī)范

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