閆崇松

（國網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司，天津 300201）

0 引言

隨著智能配電技術的發(fā)展，配電網(wǎng)陸續(xù)進行了自動化改造，可利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Su?pervisory Control And Data Acquisition，SCADA）對現(xiàn)場運行設備進行監(jiān)視與控制，實現(xiàn)狀態(tài)采集、運行控制、數(shù)據(jù)測量、故障報警、參數(shù)調(diào)節(jié)等功能[1]。在配電系統(tǒng)中，各土建配電站、箱式配電站中均加裝了自動化數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU），而DTU主電源主要依賴于所在配電站中電壓互感器（TV）、站用變壓器或所帶臺區(qū)的配電變壓器低壓出口的220 V交流電。饋線自動化（Feeder Automation，F(xiàn)A）策略[2]主要實現(xiàn)兩方面功能：正常工作情況下對用戶數(shù)據(jù)的監(jiān)測、測量和運行方式優(yōu)化；故障狀態(tài)下對故障的檢測、隔離，負荷轉(zhuǎn)移和供電恢復控制。

配電自動化設備后備電源為SCADA系統(tǒng)和FA策略提供軟、硬件支持，保障配電網(wǎng)安全可靠運行，設備需要在所帶線路失電情況下仍能正常工作一段時間，主電源失電期間可以保證采集數(shù)據(jù)的正常錄入與上傳，保持通信系統(tǒng)暢通，接受主站信號并可以進行一定次數(shù)的分合閘操作。由于DTU等配電自動化設備需要在交流電源失電時繼續(xù)工作，故需要在配電設備中加裝儲能單元。傳統(tǒng)儲能單元為鉛酸蓄電池或鋰電池，在工作溫度、環(huán)保、維護周期等方面具有一定的局限性。超級電容器是一種具有快速充電、高功率密度等特性的電化學元件，是配電自動化系統(tǒng)后備電源的優(yōu)勢選擇。

1 超級電容器的特點

1.1 超級電容器的原理

超級電容器介于電池與電容器之間，類似于電池，聚集溶液中的陰陽離子而不發(fā)生化學反應，將不同種類的電荷儲存在極板之間[3]。文獻[4-5]對雙電層電容器的原理進行了較為細致的闡述。總體來說，極板與溶液共同組成雙層電容器，存在于電極表面的靜電荷吸附溶液中不規(guī)則分布的離子，使其在電極與溶液界面的一側(cè)一定距離的位置排成一排，互相吸引，卻因被束縛而無法相撞。最終，在溶液和極板構(gòu)成的混合系統(tǒng)中，溶液中的離子會形成一個與極板對應的界面層。該界面層上的電荷量與極板電荷量相同，但極性相反。極板與界面層之間存在庫倫勢壘，由于庫倫力的拉扯，導致兩層電荷不能越過勢壘進行中和。

由于上述界面不能被中和，即在充電的界面形成兩個電荷層：一個位于電極上，另一個位于溶液中異號電荷所處位置。這樣由溶液和電極構(gòu)成的系統(tǒng)，被稱為雙電層電容器。當需要進行儲能或釋能時，電極在溶液中迅速發(fā)生電化學反應，通過離子吸附或脫附即可達到充放電的目的。

由于沒有傳統(tǒng)電池中由電能轉(zhuǎn)化為化學能、放電時由化學能轉(zhuǎn)化為電能的雙重損耗，故超級電容器的充放電可逆，可有多達數(shù)十萬次的充放電壽命[6]。

相比于電池，超級電容器具有諸多優(yōu)勢，功率密度遠超傳統(tǒng)電池，可達到電池的100倍左右[3]。此外，超級電容器還具有等效直流電阻很低、內(nèi)阻較小的特點，搭配超級電容器的大電容，是用作儲能設備的優(yōu)秀備選方案。

1.2 配電自動化系統(tǒng)超級電容器的設計與運行方式

超級電容器直流電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，正常供電時，交流220 V電源由以下幾種常見方法供給：變壓器低壓側(cè)取電，站用變壓器取電，或電壓互感器取電。超級電容器先后通過AC/DC和DC/DC模塊，將交流220 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?~48 V（部分規(guī)格為63 V）電壓給內(nèi)部電容器充電，充電或滿電保持浮充狀態(tài)。當變壓器或互感器10 kV側(cè)失電時，交流220 V母線也同時失電，超級電容器進入放電模式，維持DC48 V母線兩端直流電壓，供給48 V設備使用，以完成配電設備主電源失電后電動機的分合閘和故障上報等功能。

圖1 超級電容器直流電源結(jié)構(gòu)示意圖

2 配電自動化設備后備電源性能對比

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池電解液通常為硫酸，以鉛和鉛氧化物作為電極，為最常見、實用性最高、應用最廣泛的電池，是常見電力儲能和大型儲能的主要構(gòu)成元件。其主要特點如下。

（1）性能優(yōu)良。鉛酸蓄電池作為目前最為成熟的蓄電池，安全不可燃，持續(xù)使用允許浮充，對溫度也沒有嚴苛的要求。

（2）成本低廉。鉛酸蓄電池工業(yè)化生產(chǎn)較早，可以回收再利用，設備殘值較高，全壽命成本較為低廉，具有良好的經(jīng)濟性。

（3）能量密度較低。鉛酸蓄電池單位體積可儲存能量較少，對于需要較大能量的系統(tǒng)，所占體積很大。

（4）循環(huán)壽命較短。鉛酸蓄電池的可循環(huán)次數(shù)較少，往往不及鋰離子電池的一半。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是一種以離子形式在正負極之間往返移動來實現(xiàn)充放電過程的電池。鋰離子電池屬于二次電池，具有較好的循環(huán)充電特性和較高的能量密度。

鋰離子電池應用在配電自動化終端DTU中，能夠在設備突然掉電的情況下長時間提供電力。相同容量鋰離子電池的體積和質(zhì)量是鉛酸蓄電池的一半，甚至更小。電池體積小，容易在有限的空間范圍內(nèi)布置，大大提高了空間使用率，降低了場地使用成本，且鋰離子電池的循環(huán)壽命遠高于鉛酸蓄電池。

但鋰離子電池的回收利用率低，一次性投入成本高，同時存在后期維護成本。鋰離子電池需要合理控制自身放電電流，如果放電電流過大，會出現(xiàn)電池內(nèi)部高溫情況，造成不可逆的電池損壞，且功率特性略顯不足。

2.3 超級電容器

超級電容器具有電容器放電功率大的突出優(yōu)點，相較于蓄電池，更能滿足斷路器分合閘操作所需的較大電能供應。超級電容器同時具有能量密度高的特點，非常適合在功率需求強烈的場合。相較于普通電容器，其還具有電池的優(yōu)勢，儲電能力遠超普通電容器，容量可以達數(shù)十至上千法拉[7-9]。另外，由于其儲能方式對環(huán)境無污染，因此超級電容器將會是未來儲能方式的主要發(fā)展方向。

在配電自動化系統(tǒng)中，智能配電網(wǎng)終端需要進行開關的分合閘操作，有時需要較大功率密度才能實現(xiàn)，以避免操作不及時或充能時間過長。超級電容器作為優(yōu)秀的后備電源，在滿足功率密度的基礎上，在溫度、維護等方面還有其他優(yōu)勢。超級電容器適用的溫度范圍很廣，由于只利用電化學作用而不發(fā)生直接化學反應，所以低至-40℃，高至65℃，超級電容器的容量變化都不明顯[10-11]，對配電自動化設備這種需要長期運行在戶外、維護密度較低的工作環(huán)境具有很好的適應性。另外，相對鉛酸蓄電池和鋰離子電池較短的維護周期，超級電容器在其生命周內(nèi)具有免維護的優(yōu)點，有效提高了其作為后備電源的穩(wěn)定性和可靠性。

3 配電超級電容器參數(shù)測定

超級電容器標定的使用壽命長于鉛酸蓄電池，作為后備電源時設計壽命往往長達10年以上[12-15]，期間需要對超級電容器的運行工況，如電容值、剩余容量、內(nèi)阻等參數(shù)進行定期檢測。

某地區(qū)地處我國沿海城市，經(jīng)濟發(fā)展起步較早，相應配電網(wǎng)電力設備建設水平也較先進，自2010年起，供電公司轄區(qū)內(nèi)即陸續(xù)開始投運和改造自動化站房設備。截至2016年年底，轄區(qū)內(nèi)基本完成10 kV站房配電自動化改造，在國內(nèi)起步較早。

配電網(wǎng)站房分布較為分散，設備運行環(huán)境差異性較大，大體可分為在土建配電站室內(nèi)運行，以及在箱式配電站內(nèi)或環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)室外運行3種方式。運行環(huán)境的不同往往導致試驗和仿真分析結(jié)果與實際運行存在較大的差異，所以對配電站內(nèi)損耗元件進行分析評價時最好選用不同運行工況的真實數(shù)據(jù)。

在配電自動化改造初期，轄區(qū)建設了少量配備超級電容器的配電站房。截至2020年年底，部分設備運行時長已達其設計壽命（10~12年），因此亟需針對超級電容器在真實運行環(huán)境中各項參數(shù)的變化趨勢進行測量分析，以確定是否具有繼續(xù)使用的價值。

對已運行的超級電容器進行狀態(tài)評價時，最值得關注的參數(shù)是其實際可儲能容量，此外超級電容器的電容值和內(nèi)阻值也是判斷其運行是否正常的重要參數(shù)。根據(jù)投運時間與工作狀況的不同，對轄區(qū)內(nèi)的20個在運典型超級電容器進行了參數(shù)測量。根據(jù)設計值和測量所得殘值得到可用百分比，同時測量了電容內(nèi)阻，完成了低維護度環(huán)境下運行的超級電容器狀態(tài)評估[6]。測試結(jié)果見表1。

表1 典型超級電容器參數(shù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1中數(shù)據(jù)可見，超級電容器在免維護狀況下運行狀況仍然良好，即使運行了10年以上，容量等參數(shù)依然滿足現(xiàn)場規(guī)程要求，其中運行條件較好的電容器，其存儲容量占比仍能達到70%?？梢钥闯?，針對配電自動化設備的使用場景，超級電容器在實際配電自動化站房使用中具有優(yōu)越性。大部分超級電容器均可完成預期壽命，甚至抵達預期壽命后仍擁有較高的殘值和可用性。

由實際測試結(jié)果可知，相對于維護繁瑣、壽命較短的鉛酸蓄電池和鋰離子電池，超級電容器作為配電自動化設備的后備電源具有較大的優(yōu)勢。在成本允許的情況下，使用超級電容器作為配電自動化設備的后備電源可以有效提高設備使用年限，降低運維成本，更加可靠地保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

由于配電設備數(shù)量眾多，且多數(shù)在戶外運行，因此選取運維度低、運行可靠、能量密度高的儲能單元是配電自動化發(fā)展的重要方向。超級電容器的實際運行狀況和檢測數(shù)據(jù)表明，其作為配電自動化后備電源具有可行性和優(yōu)越性。超級電容器作為一種充電速度快、功率特性好、免維護及環(huán)保的新型儲能元件，隨著技術的發(fā)展和制造成本的逐步降低，將會逐步替代原有需電池，成為配電自動化的主要后備電源。