超級電容電池在計量終端上的研發與應用

王大鵬 羅錫銘

（廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海519000）

0 引言

客戶平均停電時間被列為公司市場營銷績效考核指標之一，充分體現了公司對客戶停電時間管理工作的高度重視。全力做好電力供應，減少客戶停電時間，提供優質服務，是貫徹落實公司長期發展戰略的重要舉措，也是建設客戶全方位服務體系工作的重要組成部分。

公司提出了客戶停電時間自動統計建設，利用計量自動化系統實時采集客戶側計量終端的停、復電信息，從根本上解決手工填報停電事件的弊端，有效驗證校核了停電事件的準確性，確保了客戶停電時間的準確性、完整性、及時性。

目前，我單位在運行的計量終端使用的備用電池是不同終端廠家配來的不同型號規格的鎳氫電池及極少數是鋰電池。

雖然廣東電網公司在2009年發布了計量終端相關的技術規范，以及2013年南方電網公司也發布了《中國南方電網有限責任公司負荷管理終端技術規范》《中國南方電網有限責任公司配變監測計量終端技術規范》，但計量終端真正投入運行后，有些計量終端的備用電池長期處于“浮充”狀態，我們做過試驗：將一塊新的計量終端送電1 h后斷電，終端的停電報警來不及上傳主站，終端的通訊模塊電源燈和終端顯示屏在3 s左右熄滅，測到備用電池電壓仍有5 V左右，但不能維持計量終端上傳停電報警，其原因是計量終端選用的備用電池性能差，在終端有外電源供電時備注電池處于“浮充”狀態或者備用電池的電壓過低或充電失效。目前我們發現有些備用電池發生電池漏液、爆裂等影響計量終端運行的事件。

隨著應用計量自動化系統開展停電統計工作，如果計量終端使用的備用電池起不到真正的“后備電池”作用，即不具備在電網停電后計量終端主動向主站及時準確發送停電時的相關信息，工作人員無法應用計量自動化系統遠程監控電能計量裝置的運行情況，停電統計就無法開展。所以，計量終端的備用電池的好壞是整個計量自動化系統正常運行的關鍵。

為了改善計量終端備用電池的質量，使備用電池真正起到計量終端在外電源停電后的“后備電源”作用，確保計量終端能準確及時向計量自動化系統上傳相關信息，充分利用計量自動化系統的應用功能來監控計量裝置的運行狀態和開展停電統計工作，及時發現和處理計量裝置故障，減少電量差錯，意義重大。

1 計量終端備用電池的技術要求

《中國南方電網有限責任公司負荷管理終端技術規范》《中國南方電網有限責任公司配變監測計量終端技術規范》的4.3.6備用電池規定：“終端掉電時，備用充電電池應至少維持上報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，電池循環壽命不應低于500次循環，外觀無破裂、劃痕、變形、污跡、電解液泄漏等不良現象。”

2 超級電容器與普通電池的比較

超級電容器與傳統的鎳氫電池、鋰電池比較，具有以下特點：

（1）超級電容器在其額定電壓范圍內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反應限制工作在較窄的電壓范圍。

（2）超級電容器的荷電狀態（SOC）與電壓構成簡單的函數，而鎳氫電池、鋰電池的荷電狀態則包括多樣復雜的換算過程。

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

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

（5）超級電容器可以反復循環數十萬次，沒有“記憶效應”，而鎳氫電池、鋰電池壽命僅幾百個循環。

（6）超級電容器相對充電電池來說，可以滿足在更為極端的自然環境（－40～65℃）中工作的要求，并能實現10年以上免維護，而充電電池2～3年就必須更換。

（7）超級電容電池相比鎳氫電池、鋰電池的原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源。

3 超級電容作為計量終端備用電池的可行性分析

目前計量終端廠家配來的備用電池的工作電壓范圍為3.7～4.8 V。如果超級電容能滿足《中國南方電網有限責任公司負荷管理終端技術規范》《中國南方電網有限責任公司配變監測計量終端技術規范》的4.3.6備用電池的技術要求：“終端掉電時，備用充電電池應至少維持上報3次終端掉電告警的能力。”那么，用超級電容代替鎳氫電池、鋰電池作為計量終端的“后備電池”是否可行？以下是在計量終端外部電源停電時超級電容的測試情況：

測試樣機采用DC／DC模式，將超級電容器的電壓升壓到穩定的5 V，Ⅰ型樣機采用2只120 F超級電容器串聯使用，相當于1只容量為60 F的電容器；Ⅱ型樣機在Ⅰ型樣機的基礎上將電容量加倍（4只），相當于1只容量為120 F的電容器。

（1）樣品電容電池2組相關測試數據如下，Ⅰ型和Ⅱ型樣品電容電池續航試驗如表1所示。

表1 不同容量超級電容續航實驗數據

Ⅰ型樣品電容電池續航后電壓的變化如表2所示。

表2 Ⅰ型樣品電容電池續航后電壓的變化實驗數據

（2）樣品電容電池充電電壓曲線圖如圖1所示。

圖1 樣品電容電池在計量終端內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警測試截圖如圖2所示。

圖2 正常上送報警截圖

（4）終端外部停電后，每10 s召測電能表數據情況。從計量終端帶電能表運行過程中外電源停電后，電容電池作為計量終端的后備電源，計量終端能向主站上報“終端停電”報警，每隔10～15 s人工召測電能表數據5次均能正確返回，測試樣機的續航時間與計算結果相符，驗證了電容電池作為計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：超級電容器工作電壓為5 V；截止時超級電容的電壓為2 V；型號為HND2001S-GK1終端的測試參數，綜合考慮DC／DC的變換效率等因素，設超級電容器輸出電流為0.3 A，要求續航時間為10 min（600 s）時，所需超級電容器容量計算如下：C＝（5＋2）×0.3×600／（5×5－2×2）＝60 F；要求續航時間為20 min（1 200 s）時，所需超級電容器容量計算如下：C＝（5＋2）×0.3×1 200／（5×5－2×2）＝120 F。

（6）樣機充放電原理：

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：后備電源中超級電容器的電壓。

C1、C2：超級電容器，是本后備電源的能量儲存的核心器件。

K1：充電開關，當終端本身有外部電源供電時，該開關打開，給超級電容器充電；當終端失去外部電源時，該開關關閉，由超級電容器給終端供電。

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，避免當超級電容器上的電壓過高時損壞表計。

電壓檢測單元：本單元實時檢測VM電壓，根據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，將超級電容器的電壓升壓到穩定的5 V，可以提高電容能量的使用率。

過壓保護單元：由于超級電容器本身的特點，其工作電壓不能超過2.7 V，該單元即可保證超級電容器上的電壓在其安全工作范圍內。

后備電源的工作原理如下：

終端有外部電源供電：當電壓檢測單元通過VM檢測到設備有外部電源供電時，便通過【CTL1】打開充電開關K1，給超級電容器充電，同時通過【CTL2】關閉DC／DC單元；

終端無外部電源供電：當電壓檢測單元通過VM檢測到終端無外部電源供電時，便通過【CTL1】關閉充電開關K1，同時通過【CTL2】打開DC／DC單元，此時便由超級電容器給終端供電。

其原理圖如圖3所示。

圖3 超級電容在計量終端內工作充放電原理圖

4 超級電容電池在計量終端應用的可行性研究綜述

使用超級電容器作為核心器件構成的后備電源，在計量終端斷電時，能滿足《中國南方電網有限責任公司負荷管理終端技術規范》《中國南方電網有限責任公司配變監測計量終端技術規范》的4.3.6備用電池的技術要求，保證計量終端及時向主站上報停電信息，解決了以往鎳氫、鋰電池的“浮充”現象或者充電失效以及發生電池漏液、爆裂等事件造成計量終端在外電源停電后無法上傳停電信息的問題，有利于應用計量自動化系統的功能實現監控計量裝置的運行狀態和開展停電統計工作。

［1］中國南方電網有限責任公司負荷管理終端技術規范

［2］中國南方電網有限責任公司配變監測計量終端技術規范