矿山配网自动化终端备用电源的设计研究

2021-01-25金卓

通信电源技术 2020年18期

金卓

（国家能源集团内蒙古平庄能源股份有限公司，内蒙古赤峰 024000）

0 引言

在矿山6 kV配网系统中，配网自动化终端设备的稳定运行直接影响配电网的可靠性。而配电网的可靠运行将对矿山产生非常大的影响，如果电力中断，将直接影响矿山的开发进程，因此作为向配网自动化终端和通信设备供电的后备电源显得非常重要。在DL/T 721—2013《配电自动化远方终端》中，明确要求配网自动化终端设备中后备电源必须具备铅蓄电池和超级电容[1,2]。因此文中针对矿山6 kV配网系统中的配电自动化终端设备的后备电源设计了超级电容回路，完成了超级电容容量计算与分析、硬件电路搭建以及上位机软件的设计，可保证在交流侧失电情况下向配网自动化终端和通信设备等提供应急供电15 min。

1 原理概述

在矿山供电系统中，配网自动化终端设备广泛应用，通过控制相应开关设备的通断，实现供电过程的监视与控制，即实现遥信、遥控、遥测“三遥”功能。配网自动化终端各项功能的稳定运行离不开后备电源的强力支持，随着矿山用电负荷的不断增加，矿山产能对电力的依赖性逐步增加，配电网的中断将直接对矿山开采产生非常大的影响，因此矿山6 kV配电线路在检修和维护过程中须实现不间断负荷切换。目前，各变电站投入运行的配网自动化终端普遍使用铅酸电池作为后备电源系统。虽然各个厂家的铅蓄电池宣称其使用寿命长达8年，但在铅酸电池的寿命期内依旧存在电池臌胀、漏液等现象，因此采用超级电容作为配网自动化终端的后备电源显得非常有必要。超级电容在使用寿命方面、循环充电方面存在优势，且超级电容在其整个寿命周期内不存在漏液、过度充/放电以及鼓胀等现象，循环充电100万次，使用寿命长达10年[3,4]。此外，超级电容的容量和寿命受环境影响较小，运行温度范围大，在矿山配网工程项目中已经得到推广和应用。根据标准DL/T 721—2013《配电自动化远方终端》的规定，当后备电源为超级电容供电方式时应保证停电后能分合闸操作3次，维持终端及通信模块至少运行15 min。超级电容充放电原理如图1所示，整流桥回路完成AC/DC变换，由BUCK电路完成斩波降压DC/DC变换，充放电电阻R1和接触器KJ2完成超级电容C充放电，当备用电源投入时，导通晶闸管VT2超级电容C向负载供电，晶闸管VT2完成主备电源的无缝切换[5]。

图1 超级电容充放电原理示意图

2 超级电容容量计算

根据DL/T 721—2013《配电自动化远方终端》中4.2.3的要求，后备电源为超级电容供电方式时应保证停电后能分合闸操作3次，维持终端及通信模块至少运行15 min。后备电源的能量计算至少包括配网自动化终端、通信模块及环网柜柜内应急照明等其他设备的电源所消耗的能量。

根据文献[6]环网柜断路器分合闸持续时间为2～3个工频周波，按0.1 s计算，分合闸瞬时功耗为：

储能回路完成时间约15 s，其消耗的能量为：

断路器完成分合闸操作3次需消耗的能量为：

依据DL/T 721—2013《配电自动化远方终端》的规定，DTU功率小于等于30 VA，通信模块的功率约为15 VA，柜内应急照明等其他二次设备约30 VA，所以总的能量消耗为：

在15 min内备用电源至少应提供的能量为：

依据国家电网公司的《配网自动化终端》要求，超级电容的工作电压为54.5～55.5 V。可以选择超级电容的单体容量为3 V/3 000 F，采用20个串联、3个并联的形式，超级电容器组输出电压为60～65.5 V。参考文献[7]超级电容能够释放的总能量为：

式中，M表示电容串联个数；N表示电容并联个数；C表示容量。

3 硬件电路设计

超级电容的充放电硬件电路设计中，交流电源经过整流后经接触器KJ1完成AC/DC变换，二极管D1防止电源反向，晶闸管VT1、二极管D2、电感L1组成BUCK降压斩波电路经过电阻R1向电容充电，接触器KJ2、电阻R1完成电容放电回路。当主回路电流失电后，控制器控制晶闸管VT2导通，完成后备电源的无缝对接，保证配网自动化终端、断路器及通信模块等其他设备的正常工作。

后备电源的硬件电路设计中，AC-DC变换模块实现AC 220 V至DC 220 V的整流，AC 220 V取自三相五柱式母线PT，DC-DC变换模块采用BUCK电路，将电源回路的输出电压斩波至稳定的60 V电压供超级电容器充电，充放电回路共用限流电阻R1，另外设计了超级电容管理系统（BMS），实时监测超级电容的输出电压、输出电流、充电电压、充电电流、充放电时间及充放电次数等信息，最终实现超级电容工作状况分析。

标准DL/T 721—2013《配电自动化远方终端》中的已明确要求配网自动化终端的后备电源由铅酸电池组和超级电容组成，两者互为备用，在超级电容出现故障时铅酸电池提供冗余运行，提高了后备电源的可靠性。

4 软件电路设计

超级电容软件设计方面主要采用人机界面，如图2所示，实时显示和控制充电回路按照定值曲线对超级电容充放电。在人机界面设置定值设置界面和监控界面等实现手/自动切换、复位、监控以及通信等信息的交互。为提高安全性，在人机界面设置权限保护。需采集的模拟量信号包含电源侧交流电压、电源侧直流电压、电源侧直流输出电流、电容电压、输出侧输出电压及输出侧输出电流等信息，需采集的开关量状态包括充电状态、放电状态、工作状态及故障信息等，通信方面选择RS485接口，通过Modbus总线形式实现通信。