配電系統(tǒng)配電終端電池技術(shù)的相關(guān)研究

潘 強(qiáng)，王智峰，楊小勇，劉俊煒

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司三原縣供電分公司，陜西 咸陽 713800）

0 引 言

近年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對配電系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和持續(xù)性提出了更高要求。大量實(shí)例表明，成熟的配電終端電池技術(shù)，是保持配電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是降低故障發(fā)生概率的重要因素。但是，我國對此方面的研究還有待進(jìn)一步深入。因此，本文基于理論實(shí)踐，對配電系統(tǒng)配電終端電池技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。

1 配電系統(tǒng)配電終端電池技術(shù)相關(guān)概述

1.1 配電終端的功能

配電系統(tǒng)配電自動(dòng)化建設(shè)主要應(yīng)用在10 kV線路中，主要是對配電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全過程檢測和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)上開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、配電變壓器、電容器等一次設(shè)備的全過程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。通常情況下，配電終端采集配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理線路中存在的故障，制定出相應(yīng)的解決方法。具體地，通過無線或者有線方式，及時(shí)上傳信息、接收調(diào)度命令，以實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

1.2 配電終端的結(jié)構(gòu)

1.2.1 配電終端DTU結(jié)構(gòu)

DTU在開閉所、環(huán)網(wǎng)柜中有遮蔽式、組屏式和分布式共3種安裝形式。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和應(yīng)用習(xí)慣，需選擇適合的結(jié)構(gòu)形式。配電終端操作外形圖，如圖1所示。

圖1 配電終端操作外形圖

從圖1可以看出，雖然配電終端DTU結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但操控界面非常清晰，操作也比較簡單。只要通過一系列培訓(xùn)，即可充分掌控配電終端DTU的操作要點(diǎn)。

1.2.2 配電終端FTU結(jié)構(gòu)

FTU根據(jù)安裝環(huán)境和實(shí)現(xiàn)功能，結(jié)構(gòu)形式有箱式和鐘罩式兩種。FTU結(jié)構(gòu)集中控制圖和外形圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 配電終端FTU結(jié)構(gòu)集中控制圖

圖3 配電終端FTU結(jié)構(gòu)外形圖

配網(wǎng)自動(dòng)化終端FTU饋線終端FTU是裝設(shè)在饋線開關(guān)旁的智能裝置，是集測量、保護(hù)、監(jiān)控、通訊為一體的綜合型自動(dòng)化裝置。饋線開關(guān)指的是戶外的柱上開關(guān)，如10 kV線路上的斷路器、負(fù)荷開關(guān)、分段開關(guān)等。配網(wǎng)自動(dòng)化終端FTU智能饋線終端裝置以高性能MCU主板和大規(guī)模可編程邏輯器件Fpga為硬件平臺，以vxworks嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為軟件平臺。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上保證穩(wěn)定可靠、高性能、低成本，且易于安裝。

1.2.3 TTU的結(jié)構(gòu)

采用TTU結(jié)構(gòu)時(shí)，不需要裝配蓄電池。因此，體積較小，操作更加簡單。具體應(yīng)用時(shí)，往往采用平鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝。但是，由于它在室外運(yùn)行，對防護(hù)機(jī)殼材質(zhì)有較高要求。因此，應(yīng)盡量選擇耐腐蝕性機(jī)殼。

1.3 電池管理功能

短路保護(hù)功能。當(dāng)電池發(fā)生輸出短路故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，需要及時(shí)切斷電源開關(guān)，才能有效保護(hù)線路中相關(guān)設(shè)備的安全性，避免電池系統(tǒng)被燒毀。

過放電保護(hù)功能。電池放電過程中，要斷開輸出電流的開關(guān)，才能有效滿足具體需求。

電池活化維護(hù)功能。如果電池充電時(shí)間較長，會(huì)對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞，需要進(jìn)行一系列活化處理，才能提高電池的使用壽命。

2 配電終端電源需求分析

試驗(yàn)表明，配電終端中，電源容量的大小主要取決于電操機(jī)構(gòu)功率、終端設(shè)備整機(jī)的功率消耗。通常情況下，配電終端的功耗由配電終端本體、通信設(shè)備、電操機(jī)構(gòu)等共同決定。傳輸單元所有配電終端中功耗最高的設(shè)備，通常情況下能達(dá)到20～30 VA。

2.1 負(fù)荷開關(guān)分合閘過程電源錄波

對于一次設(shè)備功耗計(jì)算而言，經(jīng)過多家環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)分合閘功率和儲能功率進(jìn)行錄波比較，選擇具有代表性的彈簧式操作機(jī)構(gòu)斷路器和負(fù)荷開關(guān)間隔合閘過程中電壓電流進(jìn)行錄波，具體情況如圖4所示。

圖4 典型負(fù)荷開關(guān)合閘過程電壓電流錄波

考慮電源管理模塊在交、直流轉(zhuǎn)換功率消耗的情況，對電源管理模塊的輸入電流、電壓等進(jìn)行錄波分析。通常情況下，配電系統(tǒng)中配電終端的負(fù)荷開關(guān)的分合閘主要通過彈簧機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式進(jìn)行推動(dòng)。其中，負(fù)荷開關(guān)合閘時(shí)電流在2～3個(gè)工頻周波，產(chǎn)生的瞬時(shí)功率大，約為880 VA，彈簧機(jī)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)間一般持續(xù)2～3 s，傳動(dòng)過程平均功耗為220 V×1.7 A=374 VA。負(fù)荷開關(guān)分閘原理與合閘相同，動(dòng)作過程功耗與合閘基本一致[2]。

2.2 斷路器合分閘過程錄波波形

針對現(xiàn)場對斷路器間隔分閘操作中電壓電流錄波的具體情況，斷路器合閘和分閘所持續(xù)的時(shí)間相對較短（通常僅在2～3個(gè)工頻周波），可產(chǎn)生較大的瞬時(shí)功耗（通常在1164 VA以上）。當(dāng)斷路其合閘后，斷路器儲能過程往往會(huì)持續(xù)3～5 s，儲能機(jī)構(gòu)平均功耗為350 VA。而對于比較典型的雙負(fù)荷開關(guān)而言，分閘功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合閘功耗。因此，在進(jìn)行配電終端電源容量選擇時(shí)，要根據(jù)4個(gè)斷路器合閘和4個(gè)負(fù)荷開關(guān)分閘進(jìn)行計(jì)算。

3 配電系統(tǒng)配電終端電池技術(shù)

3.1 常見的配電系統(tǒng)配電終端電池

就我國目前配系統(tǒng)中配電終端電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，電池的種類共分為以下幾大類。

第一類，鋰電池。鋰電池指的是把鋰離子嵌入碳中形成負(fù)極，改善傳統(tǒng)金屬鋰的合金負(fù)極。負(fù)極材料主要為石油焦炭和石墨。在配電終端應(yīng)用鋰電池，不但可以保持鋰電池的高比能量，而且能取代鋰電池沉淀和溶解的過程，有效避免了負(fù)極表面所生成鋰的枝晶穿透問題，有效保證了電池使用的安全性[3]。此外，鋰電池還具有充放電時(shí)間短、壽命長、無污染、體積重量小的特點(diǎn)，可以有效滿足配電終端設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的具體需求。

第二類，鉛酸蓄電池。此類電池主要以鉛及其氧化物制成電極，并以硫酸溶液為電解液，主要由管式正極板、負(fù)極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋和極柱等組成。研究表明，鉛酸蓄電池的壽命往往約為2年。將其應(yīng)用在配電終端設(shè)備中，具有成本低、充放電時(shí)間長、能量密度集中、放電恢復(fù)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

第三類，膠體蓄電池。此類蓄電池屬于鉛酸蓄電池的發(fā)展品，主要方法是在硫酸中添加相應(yīng)的膠凝劑，促使硫酸電解為膠狀體。它產(chǎn)生的能量和功率要比常規(guī)的鉛酸電池大20%～40%，評價(jià)壽命為4年，具有放電時(shí)間長、壽命長、無污染等特點(diǎn)。

3.2 站所終端電池技術(shù)

站所終端主要應(yīng)用在開閉所、用戶配電所內(nèi)，通常使用220 V的工頻單相交流電壓。組屏式的站所終端可以采用站內(nèi)直流屏供電。因此，應(yīng)用該供電終端電池技術(shù)時(shí)，既要充分考慮電源質(zhì)量，也要充分考慮電源的抗干擾能力，同時(shí)也要達(dá)到節(jié)能的目的。所以，在具體應(yīng)用過程中，必須充分降低靜態(tài)功耗，才能發(fā)揮出站所終端應(yīng)用的價(jià)值和作用[4]。

3.3 饋線終端電池技術(shù)

饋線終端主要安裝在10 kV配電網(wǎng)架空線路的柱上開關(guān)和電纜線路中，通常使用220 V的工頻交流電持續(xù)供電，主要有彈簧操作機(jī)構(gòu)和永磁操作機(jī)構(gòu)兩種。其中，彈簧操作機(jī)構(gòu)屬于典型的電感性負(fù)載，工作電壓為額定電壓的80%～110%。永磁操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，主要通過電容放電來提供大電流，因此具有電源功率容量大、提供電源持續(xù)可靠、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3.4 配變終端電池技術(shù)

配變終端主要應(yīng)用在配電變壓器負(fù)荷情況的監(jiān)視和記錄中，而個(gè)別情況下可以根據(jù)配電系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況對電容器進(jìn)行投切控制。通常，采用220 V/380 V的三相四線制供電，也可以實(shí)現(xiàn)缺相運(yùn)行。供電電源必須具有較寬的電壓范圍，電容容差要控制在±30%之內(nèi)，才能滿足具體要求[5]。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，深入分析了配電系統(tǒng)中配電終端的相關(guān)概述和配電自動(dòng)化終端電源，提出了不同配電終端中的電源技術(shù)。研究得出：在配電系統(tǒng)中選擇科學(xué)合理的配電終端電源技術(shù)，既能提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，也能有效降低電源功耗。

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