周献忠

(中国能源建设集团有限公司，北京100029)

配电自动化超级电容后备电源应用探讨

Application on super capacitor bake-up power of distribution automation

周献忠

(中国能源建设集团有限公司，北京100029)

本文主要针对在配电网运行环境、维护水平较差的情况下，后备电源采用超级电容的实际使用情况。将现场运行时间较长的超级电容器的样品拆回实验室与同型号新产品进行对比性实验，对超级电容器等新兴储能方式的测试进行研究。

配电自动化终端；后备电源；超级电容

1 超级电容简介

超级电容是20世纪80年代兴起的一种新型储能装置。超级电容的储能原理主要有双电层原理和赝电容原理2种〔1〕。

双电层是指电化学溶液中性质不同的2相之间界面处所产生的正电荷与负电荷分布层。电解液与电极接触时，为达到系统的电化学平衡，电极表面上的电荷会吸引溶液中带相反电荷的离子，使离子在电极表面定向排列。电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成双电层电容并达到保存能量的目的。双电层电容器在充放电过程中均不发生电化学反应。根据 C＝εS/4kπd，只要极板面积足够大，极板间的距离d足够小，则容量C就可以达到足够大。超级电容器就是根据此原理，利用超大比表面积的活性炭或氧化物材料做电极，加上很小的电极距离，可以做到几千法拉甚至上万法拉。

赝电容也称为法拉第准电容，是在电极表面电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。赝电容不仅发生在电极表面，而且可深入到整个电极内部，其最大充放电性能由电活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，可在短时间内进行电荷转移，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍，因此可以制成体积非常小而容量大的电容器。而且在整个充放电过程中，电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的电活性物质的相变化，因此循环寿命也非常长。此外，赝电容电极上发生氧化还原反应电位一般比较稳定，使得其充放电电压比双电层电容器的平稳。

超级电容器的能量密度是传统电容器的几百倍，功率密度高出电池2个数量级，很好地弥补了电池比功率低、大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的缺点。超级电容和其他化学电源相比具有充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽、功率密度高、放置时间长、免维护以及环保等优点。因此，超级电容在问世不久，即被广泛应用于工业、军事、能源以及运输业等各个领域〔2〕。

2 应用及原理分析

2.1 配电自动化后备电源运行要求

根据国家电网最新修订的 《配电自动化终端技术规范》中规定，配电自动化系统中，终端电源系统应在正常情况下为配电终端、通信终端、开关操作等提供电源，并且应在一次电源失电情况下，无缝投切到后备电源供电。因不同类型配电终端额定功耗、瞬时功耗及运行条件等存在差异，其对后备电源的需求也各异。以三遥馈线终端为例，配电终端后备电源采用超级电容供电时应保证分操作一次并维持终端及通信模块至少运行15 min〔3〕。

2.2 设备功耗测算

后备电源容量的大小，取决于设备功耗，因此准确测算出配电自动化终端设备的整体功耗，才能估算出后备电源的容量需求。

1)设备单体功耗测算

《配电自动化终端技术规范》 规定， “三遥”站所终端在所有终端类型中单体功耗最高，为20 VA。取DTU为例分析终端设备对后备的电源容量的需求:DTU装置功耗 20 VA；通信设备功耗(EPON ONU)15W；断路器的储能机构，通过对储能过程进行实测，得道储能过程中平均电流大小为2.3 A，因此断路器储能过程功耗:220 V×2.3 A＝506 VA

湖南配电自动化标准化设计中明确规范后备直流电源电压采用直流48 V供电，对直流侧功耗计算取最大值。

2)二次附柜整体功耗

如果后备电源采用超级电容，维持终端设备和通信模块至少运行15 min，则停电后二次附柜本身需求的总电能为:

以目前运行的超级电容电压等级直流48 V为例，电源模块一般稳压截止电压为17 V，假设所需超级电容容量为CX，则存在:＝Ws1。

可推出:

若超级电容电压等级为24 V，则

由此可看出，电压等级相差2倍，若需要提供相同能量，则超级电容的容量相差7倍。因此，在确定配电终端供电电压等级的情况下，建议尽量选取较高电压等级的超级电容，更充分释放超级电容的能量。

3)一次环网柜、柱上开关功耗

一次设备分、合闸操作机构功耗，一次设备厂家提供的储能机构储能时间为＜5 s，取上限5 s，同时分合闸的功率取试验的典型值，可以得到:

一次合闸——储能机构所耗电能:

运行时间要求4 h，停电后能够分—合—分闸操作，分、合闸瞬时功耗:

目前湖南省配电自动化站所终端 (DTU)采用8间隔，由超级电容供电时，停电后应保证一次分闸操作:

由上述计算可得:采用超级电容作为后备电源，停电后一次设备操作所耗电能W2均远小于二次附柜自身运行所需电能W1。因此，一次设备无论是柱上开关或者环网柜，对后备电源容量配置的需求均不产生大的影响。

3 实验与分析

测试采用的样品为北京某品牌超级电容模组，进行常温下和高温下 (65℃)的实验。主要测试项目为静电容量测试、储存能量测试以及大电流放电能力测试，试验方案依照QC/T 741—2005标准编写。

3.1 静电容量测试

在常温下，用恒定电流I1(I1＝Uw×C/3600)对电容器充电至额定电压Uw，然后以恒定电流I1放电至额定电压的1/2，记录从额定电压的80% (U1)到50%(U2)之间的电压范围内电容的放电时间t，循环3次取平均值〔4〕。静电容量为标称容量的80%～150%为合格。静电容量的计算公式为:

3.2 储存能量

在常温下，用恒定电流I1对电容器充电至额定电压Uw，再恒压30 min，静置5 s后，然后以恒定电流I1放电至额定电压的1/2(U2)，记录电流、电压、时间，循环3次取平均值。储存能量为理论值的80%～150%为合格〔5〕。储存能量的计算公式为:

理论值计算公式为:

3.3 大电流放电能力

在常温下，用恒定电流I1对电容器充电至额定电压Uw，再恒压30 min，静置5 s后，然后以恒定电流I1放电至额定电压的1/2，记录电流、时间，计算放电容量。循环3次取平均值。放电容量不低于30%(C×Uw)为合格。

30% ×(C×Uw)/3600＝0.3×800×24/3600＝1.6(Ah)

通过对新、旧超级电容模组在不同温度下、不同充放电电流进行测试，得到表1的结果。

表1 超级电容模组测试典型结果

通过测试可以得出，新、旧超级电容在不同条件下进行循环充放电性能很稳定，并且能迅速充电至额定电压，展现出超级电容功率高、大电流充放电性能强的优越特性。

综合实验数据和实验分析，超级电容模组无论是在环境温度改变、充放电电流大小改变，还是新、旧超级电容模组，静电容量、储存能量以及大电流放电能力都符合要求并且性能稳定。

4 结论

根据国家电网公司最新的 《配电自动化终端技术规范》要求，采用超级电容供电，配电站所终端DTU正常运行15 min，并完成开关分闸操作，站所终端所需电能为:

按照终端48 V直流电源换算成超级电容容量为:

32.32 F。

如果按照24 V直流电源配置，需要的超级电容容量为:226.87 F。

上述分析了DTU装置在停电后对后备电源容量配置的需求，按照 《配电自动化终端技术规范》要求，FTU或者TTU功耗小于DTU装置的功耗，可参考DTU装置的容量配置。

对超级电容而言，电压等级相差2倍，若需要提供相同能量，则超级电容容量相差7倍。因此，高电压等级的供电电源可以减少终端对后备电源容量的需求，在确定配电终端供电电压等级的情况下，对于采用超级电容作为后备电源的模式，建议尽量选取较高电压等级的超级电容，更充分释放超级电容的能量。

〔1〕全国汽车标准化技术委员会.QC/T 741—2006车用超级电容器 〔S〕.北京:中国标准出版社，2006.

〔2〕杨盛毅，文芳.超级电容器综述 〔J〕.现代机械，2009(4): 82-84.

〔3〕国家电网公司.Q/GDW 514—2013配电自动化终端/子站功能规范 〔S〕.北京:中国电力出版社，2013.

〔4〕邓隆阳，黄海燕，卢兰光，等.超级电容性能试验与建模研究 〔J〕.车用发动机，2010(1):28-32.

〔5〕吴文韬.超级电容动态特性测试与评估研究〔D〕.上海:同济大学，2010.

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1008-0198(2015)05-0048-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.014

2015-01-15