配電網(wǎng)絡(luò)饋線終端裝置的供電電源研究

喻文球，靳　坤

(中國長江三峽集團公司機電工程局，四川成都610042)

配電網(wǎng)絡(luò)饋線終端裝置的供電電源研究

喻文球，靳坤

(中國長江三峽集團公司機電工程局，四川成都610042)

分析了目前配電網(wǎng)絡(luò)中饋線終端裝置(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)與被控主設(shè)備的3種普遍供電方式及其存在的缺陷，并且針對這些缺陷提出了基于超級電容器-蓄電池的混合電源方案和基于CT電源的供電方案，前者綜合蓄電池放電時間長和超級電容器儲能巨大的特點，在線路故障時由蓄電池提供FTU的工作電源而超級電容器提供被控主設(shè)備的操作電源，后者從CT采集能量，具有較高的性價比。

饋線終端裝置；電源；超級電容器；蓄電池；CT

在我國10 kV及以下配電網(wǎng)絡(luò)中，配電自動化要求在故障情況下，及時對一次線路進行故障判斷和采取報警和分?jǐn)嚅_關(guān)進行故障隔離等措施，所以在配電系統(tǒng)一旦故障時，饋線自動化裝置也必須能夠正常工作，故而系統(tǒng)本身的供電電源不間斷就顯得尤為重要。

饋線自動化裝置(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)是基于計算機和通信網(wǎng)絡(luò)的饋線自動化系統(tǒng)的核心設(shè)備。在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，F(xiàn)TU的電源不僅僅要為其自身供電，還要為控制回路和通信模塊供電。當(dāng)發(fā)生故障或因為其他原因?qū)е峦ｋ姇r，F(xiàn)TU必須可靠上報故障信息和接受遠方控制，因為此時它所上報的故障信息對于故障定位很重要，因此FTU應(yīng)在線路故障時擁有可靠的備用工作電源，在故障隔離及恢復(fù)線路供電時，也需要可靠的主設(shè)備操作電源[1]。

多年運行情況表明：FTU常年運行在戶外惡劣的環(huán)境里，其電源是出現(xiàn)問題最多的部件，是影響其穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵。因此，安裝于戶外柱上開關(guān)處的FTU的供電可靠性是配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的一個難點。

1　FTU及被控主設(shè)備的普遍供電方式

FTU要能可靠工作，就必須要有不間斷的工作電源供電，主設(shè)備的操作機構(gòu)則需要可靠的操作電源使得故障隔離時能夠快速斷開開關(guān)而恢復(fù)供電時能夠迅速閉合開關(guān)。

目前我國配電網(wǎng)絡(luò)主要有三種饋線自動化裝置供電方式：一是操作電源和工作電源均取自饋線；二是操作電源和工作電源均取自蓄電池；三是操作電源取自饋線，工作電源取自蓄電池[2]。

1.1操作電源和工作電源均取自饋線

在這種方式下，F(xiàn)TU的工作電源和主設(shè)備也即開關(guān)的操作電源均取自饋線。取電方式有三種：第一，F(xiàn)TU的工作電源采用FTU兩側(cè)的變壓器供電；第二，低壓線路與柱上開關(guān)共桿，采用一臺單相變壓器和一回低壓線路供電；第三，當(dāng)不同電源的兩回低壓線路與柱上開關(guān)較近時，采用兩回低壓線路供電。

以上三種取電方式的電源來路有兩個：一是單相變壓器，二是低壓線路。這種方案適合于與采用交流操作機構(gòu)和交流儲能電動機的柱上開關(guān)配合。因不需要蓄電池，所以維護方便，但仍存在以下不足：

(1)若電源來自單相變壓器，當(dāng)饋線停電后，變壓器失電，F(xiàn)TU將失去電源，從而無法上報故障信息和接收控制命令。

(2)若電源來自低壓線路，有可能造成不同配電變壓器低壓配網(wǎng)的耦合，這會對安全運行帶來影響，且往往有許多分段開關(guān)位置不能獲得真正獨立的電源。

(3)在這種供電方式下，一般的解決方法是：由FTU的CPU對兩路電源電壓分別監(jiān)測，當(dāng)主回路電壓下降到70%時，切除主回路，經(jīng)過延時后投入備用回路。當(dāng)主回路恢復(fù)正常時，再經(jīng)過延時后切換到主回路。對于采用交流操作電源的柱上開關(guān)，這種延時就是保障安全的需要，但針對采用直流操作的柱上開關(guān)則沒有必要延時[3]。

1.2操作電源和工作電源均取自蓄電池

這種方式需要一個較大容量的蓄電池，通過它獲得FTU的工作電源和開關(guān)的操作電源。它的優(yōu)點在于即使饋線停電，F(xiàn)TU仍能工作，開關(guān)也仍能操作，為了解決蓄電池的充電問題，需從0.4 kV的低壓饋線或通過PT直接從10 kV的高壓饋線上獲得充電電源，但此時PT的容量可以選擇小些。

在這種方式下，宜采用直流操作機構(gòu)和直流儲能電動機的柱上開關(guān)(如48 VDC，合閘電流10 A)，因為這樣使得利用蓄電池供電的方案更方便。但是采用這種柱上開關(guān)對FTU的中間繼電器的觸點容量和斷弧能力要求較高。另一種直流操作機構(gòu)是24 VDC、合閘電流25 A，但在這種情形下，對FTU中間繼電器斷弧能力的要求更高。因此相對而言，采用48 VDC、合閘電流10 A操作機構(gòu)的開關(guān)更合適些。

1.3操作電源取自饋線，工作電源取自蓄電池

這種方式下，F(xiàn)TU的工作電源取自蓄電池，柱上開關(guān)直接從10 kV饋線上獲取或者取自0.4 kV低壓線路。

由于饋線沿線柱上開關(guān)的合閘操作是按順序進行的，因此當(dāng)某臺開關(guān)需要合閘時，其電源側(cè)相鄰開關(guān)已經(jīng)處于合閘位置即已經(jīng)將電供至待合閘開關(guān)處，所以總是可以為被控主設(shè)備提供可靠操作電源。

但是，由于配電網(wǎng)中的開關(guān)整定困難，經(jīng)常發(fā)生越級跳閘，即在故障后，距故障最近的開關(guān)尚未跳開，其上級開關(guān)卻先分?jǐn)嗟默F(xiàn)象。因此，在故障后為了準(zhǔn)確地隔離故障區(qū)段，必須在順序恢復(fù)供電前通過補跳使與故障區(qū)段相鄰的開關(guān)可靠分閘，否則恢復(fù)供電時會合到故障點上。而這個補跳操作只能依賴蓄電池提供操作電源，因為此時尚未將電送至補跳的開關(guān)處。

1.4目前FTU供電方式的缺點

(1)取自低壓線的電源會因為線路改造而失去，取自饋線的電源會因為饋線故障而失效。

(2)戶內(nèi)式的PT安裝在開關(guān)本體內(nèi)，使開關(guān)顯得笨重；戶外式的PT安裝在開關(guān)本體外，影響美觀，并且極易受到雷電、風(fēng)雨等惡劣環(huán)境的破壞。另外，PT的容量增大會導(dǎo)致測量精度降低。

(3)采用專用單相變壓器，占用空間大，安裝麻煩，并且增加了開關(guān)的造價。

(4)蓄電池經(jīng)常因充電時間較長、使用過程中消耗的電解液無法及時補充、未經(jīng)常活化、生銹等原因，使得供電能力達不到技術(shù)要求。同時，蓄電池的使用壽命短，一般運行2～3年后容量急劇降低，無法為FTU提供足夠的電源，甚至無法進行分、合開關(guān)的操作[4]。

2　基于超級電容器-蓄電池的混合電源方案

2.1蓄電池儲能的缺點

在目前使用普遍的3種FTU及被控開關(guān)的供電方式中，有兩種均使用到了蓄電池來儲能并作備用電源，因此蓄電池性能的好壞對FTU的正常工作和開關(guān)的可靠操作非常重要。但是，由于蓄電池受充放電電流的限制，充放電次數(shù)僅可達到數(shù)百次，使用壽命較短；而且過充電和過放電都會使其性能受到損壞，甚至有時過度充電或短路會引起爆炸；此外，蓄電池使用鉛等有害金屬，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

目前市面上的蓄電池電壓等級偏低，線路故障后可以為FTU、通信模塊和控制模塊供電，但作為被控開關(guān)的操作電源使用時有明顯的問題，主要是被控開關(guān)的操作電源需要較高的電壓等級但是蓄電池一般在運行了2～3年后容量會急劇降低，輸電端電壓會下降，電壓不穩(wěn)定，而電壓等級高的蓄電池則造價很高，不具備經(jīng)濟性[5]。

2.2超級電容器的儲能原理

超級電容器是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，并能與其他儲能裝置混合儲存，可以取代蓄電池成為被控開關(guān)的操作電源。

2.2.1超級電容器的儲能機理與電池和傳統(tǒng)物理電容的比較

(1)電池以化學(xué)能的形式儲存能量。電化學(xué)能在電池的兩個極板的界面處通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化。電池所儲存的能量E等于電池放電過程中的氧化還原反應(yīng)所交換的電荷量乘以電池兩電極之間電壓的一半，如式(1)：

放電過程就是一個與電極反應(yīng)物電子得失及其轉(zhuǎn)移有關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)過程。

(2)傳統(tǒng)物理電容由電極和電介質(zhì)構(gòu)成，儲存的電能來源于電荷Q在兩塊極板上的分離，兩塊極板被真空(相對介電常數(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對介電常數(shù)ε)所隔離。

由式(2)所示，若想獲得較大的電容量C必須增大電極面積S或減少介質(zhì)厚度d。

(3)超級電容器填補了電池和傳統(tǒng)物理電容之間的空白。由于不存在介質(zhì)，系統(tǒng)為達到電化學(xué)的平衡，電荷在電極和電解質(zhì)的界面之間自發(fā)的分配形成陰陽離子的界面，從而達到保存能量的目的。能獲得大的比電容是因為極板為活性炭，它具有極大的有效表面積S[6]。超級電容器的等效電路模型如圖1所示。

2.2.2超級電容器的優(yōu)點

超級電容器的優(yōu)點為：

(1)電容量很大，可達2 300 F；

(2)漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長，因為只有電荷的吸附與解吸附，不存在電荷轉(zhuǎn)移；

圖1　超級電容器的等效電路模型

(3)充電性能好，且無需限流和充放電控制回路，不受充電電流限制，可快速充電，通常幾十秒；

(4)儲存和使用壽命長，維修費用很小；

(5)使用范圍廣，可達－40～+85℃，而電池僅為0～+40℃；

(6)比蓄電池安全，如果發(fā)生短路的話，超級電容器不會爆炸[5]。

2.3基于超級電容器-蓄電池的混合電源方案

由于超級電容器所具有的優(yōu)勢，如循環(huán)壽命長，充放電效率高，放電能量大等等，可以將其與蓄電池聯(lián)合作為儲能單元。線路故障時，由蓄電池提供FTU工作電源，超級電容器提供被控開關(guān)的操作電源，這樣設(shè)計是由于超級電容器的放電時間較短，而停電后FTU需要較長時間的工作電源供應(yīng)，所需的電壓等級不高，而開關(guān)操作電源則需要一個放電能量高、速度快的電源[7]。

以供電對象直流操作機構(gòu)的開關(guān)為例，取電模塊輸出DC 24 V，基于超級電容器-蓄電池的混合電源方案原理如圖2所示。

圖2　基于超級電容器-蓄電池的混合電源方案原理圖

若供電對象為交流操作機構(gòu)的開關(guān)，則需要在超級電容器之后加逆變器。在此方案中，當(dāng)蓄電池、超級電容器作為后備電源使用時，若線路正常，則由取電模塊供應(yīng)電源；若發(fā)生故障，則蓄電池為FTU提供工作電源，超級電容器提供開關(guān)操作電源[7]。在這個方案的基礎(chǔ)上，還可以進行改進，將線路供電改成太陽能供電，即在取電模塊前設(shè)計一個太陽能供電系統(tǒng)，由控制器通過對太陽電池板的電壓及電流的采集，實現(xiàn)太陽電池最大功率點跟蹤，最大效率的存儲太陽能，超級電容和蓄電池則作為儲能設(shè)備，其余部分同上，這樣就避免了輸電線路的架設(shè)，但是由于太陽能本身受氣象條件限制，具有間歇性，所以利用太陽能為FTU供電還需進行進一步的研究。

3　基于CT的供電方案

3.1PT取電并配用蓄電池供電的缺點

安裝在戶外的FTU采用PT直接從10 kV線路上提取電源并輔助蓄電池供電時的缺陷，主要有以下幾點：

(1)采用專用變壓器安裝在FTU之外，安裝困難，占用空間大；

(2)若操作電源采用交流電，線路必須有電，當(dāng)饋線停電后，F(xiàn)TU將無法上報故障信息和接受控制命令；

(3)采用PT供電，容量有限，一般滿足不了要求，若要增加容量則需要降低精度，這樣又無法滿足測量要求，二者不易兼顧；而且PT安裝在戶外容易遭受雷擊、腐蝕、外力等的破壞，損壞幾率很高；

(4)采用直流供電，電壓等級低，跳、合閘時瞬間的沖擊電流很大，電壓瞬間降低，容易造成FTU死機或通訊中斷，而且蓄電池的人工維護比較困難。

3.2FTU的CT取電方式

利用電流互感器為FTU提供電源，結(jié)構(gòu)和接線更為簡化。從電流互感器采集能量，作為FTU的工作電源和開關(guān)的操作電源以及為儲能電機和通信設(shè)備提供所需要的能量，這種方案成為CT電源。該方案僅與一次電流大小有關(guān)，與電壓等級無關(guān)，由于能量完全由高壓側(cè)一次母線電流通過CT電源的電磁感應(yīng)產(chǎn)生，故可稱之為高壓自備電源。

從現(xiàn)代電力電子技術(shù)的角度看，利用電流互感器為FTU提供電源的CT電源實際上是一種電流輸入、電壓輸出的高頻開關(guān)功率變換器，在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟。采用脈寬調(diào)制(PWM)的高頻開關(guān)功率變換技術(shù)，即使再輸入電流變化較大時，也可以得到各種電壓等級的輸出電壓，常用的有AC220 V、AC110 V、DC220 V、DC110 V、DC48 V、DC24 V等。如果增大CT鐵芯體積可以獲得更低的啟動電流或更大的功率輸出。CT電源的原理如圖3所示。

圖3　用于直流220 V或直流24 V的CT電源原理圖

本方案的CT電源提供電容和蓄電池兩種后備電源。蓄電池由兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的12 VDC、電池容量為10 Ah的密封式鉛酸蓄電池串聯(lián)組成。正常運行時CT電源還可以為蓄電池和儲能電容提供充電服務(wù)(一般為恒流充電、限壓保護)。饋線停電時CT電源可以將蓄電池和儲能電容的電能轉(zhuǎn)化為FTU和開關(guān)操作所需要的各種電壓等級的電壓，以滿足在失電情況下，F(xiàn)TU工作和操作電源的要求。CT電源方案供電模塊原理如圖4所示。

圖4　CT電源方案供電模塊原理圖

3.3CT電源的電壓等級和儲能方式

為FTU供電的CT電源可設(shè)計成2個電壓等級，DC24 V和DC220 V。DC24 V電源為FTU自身、通訊模塊、儲能電機供電。由于蓄電池容量會下降，24 V的電源無法提供足夠的電流來完成操作，所以可采用DC220 V的電源為斷路器跳、合閘回路供電。考慮到蓄電池在使用過程中可能出現(xiàn)故障而影響FTU的正常工作和開關(guān)的操作，CT電源可采用電容和蓄電池兩種儲能方式。PWM電路為儲能電容充電，當(dāng)電容電壓達到直流220 V時充電完成，電容充電回路使電容電壓穩(wěn)定在220 V[4]。

采用電動儲能機構(gòu)的斷路器合閘結(jié)束時總是自動完成一次儲能，即使外界斷電，也可以保證完成一次跳、合閘任務(wù)，所以在電力系統(tǒng)正常運行期間，儲能電機不消耗蓄電池的電量，由電源模塊供電。在極特殊的情況下，如一次設(shè)備斷電，而又需要進行多次跳、合閘的情況下，跳、合閘的能量有大容量電容器或蓄電池提供。所以蓄電池在大多數(shù)情況下主要用來為FTU、通訊模塊提供能量，再借助大容量的電容儲能(選取C=4 700 μF)，可以保證斷電后FTU能夠正常運行。

4　結(jié)語

超級電容器以其優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟度也較高，不過雖然它儲能巨大且能夠彌補蓄電池的缺點，但由于放電時間比較短，所以在作被控開關(guān)的操作電源時還是需要和蓄電池配合使用，以便獲得更好的供電可靠性。CT電源方案雖然存在缺陷，但這些缺陷可以采取適當(dāng)方式補救，比如根據(jù)實際負荷水平合理選取CT變比，以避免其二次側(cè)電流過小。與PT方案相比，CT電源方案具有較高的性價比。

[1]劉健,倪健立.配電網(wǎng)自動化新技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

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[3]劉健,倪健立,鄧永輝.配電自動化系統(tǒng)[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

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[6]胡毅,陳軒恕,杜硯,等.超級電容器的應(yīng)用與發(fā)展[J].電氣設(shè)備, 2008,9(1):19-22.

[7]遲乾洲,常芳,湯受鵬.超級電容儲能在獨立供電系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(7):58-59.

Study on power supply of feeder terminal equipment

YU Wen-qiu,JIN Kun
(Mechanical and Electrical Engineering Bureau,China Three Gorges,Chengdu Sichuan 610042,China)

The three general power supply methods of feeder terminal unit(FTU)and controlled switch in distribution network were introduced and their disadvantages were analyzed.Two power supply schemes were proposed accordingly,namely the current transformer(CT)supply scheme and the scheme based on super capacitor-storage battery.The cost-effective CT scheme acquired energy from CT and provided power supply for FTU and controlled switch.The scheme based on super capacity or storage battery has the combined advantages of long discharge duration of storage battery and the great energy storage of super capacity and can provide the operating power supply for FTU by battery and for controlled switch by super capacitor in case of line faults.

feeder terminal unit(FTU);power supply;super capacitor;storage battery;current transformer(CT)

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2044-04

2016-03-01

喻文球(1963—)，男，湖南省人，高級工程師，主要研究方向為水電站公用系統(tǒng)的規(guī)劃和現(xiàn)場施工管理工作。