礦山配網(wǎng)自動化終端備用電源的設(shè)計(jì)研究

金 卓

（國家能源集團(tuán)內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

在礦山6 kV配網(wǎng)系統(tǒng)中，配網(wǎng)自動化終端設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響配電網(wǎng)的可靠性。而配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行將對礦山產(chǎn)生非常大的影響，如果電力中斷，將直接影響礦山的開發(fā)進(jìn)程，因此作為向配網(wǎng)自動化終端和通信設(shè)備供電的后備電源顯得非常重要。在DL/T 721—2013《配電自動化遠(yuǎn)方終端》中，明確要求配網(wǎng)自動化終端設(shè)備中后備電源必須具備鉛蓄電池和超級電容[1,2]。因此文中針對礦山6 kV配網(wǎng)系統(tǒng)中的配電自動化終端設(shè)備的后備電源設(shè)計(jì)了超級電容回路，完成了超級電容容量計(jì)算與分析、硬件電路搭建以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，可保證在交流側(cè)失電情況下向配網(wǎng)自動化終端和通信設(shè)備等提供應(yīng)急供電15 min。

1 原理概述

在礦山供電系統(tǒng)中，配網(wǎng)自動化終端設(shè)備廣泛應(yīng)用，通過控制相應(yīng)開關(guān)設(shè)備的通斷，實(shí)現(xiàn)供電過程的監(jiān)視與控制，即實(shí)現(xiàn)遙信、遙控、遙測“三遙”功能。配網(wǎng)自動化終端各項(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)行離不開后備電源的強(qiáng)力支持，隨著礦山用電負(fù)荷的不斷增加，礦山產(chǎn)能對電力的依賴性逐步增加，配電網(wǎng)的中斷將直接對礦山開采產(chǎn)生非常大的影響，因此礦山6 kV配電線路在檢修和維護(hù)過程中須實(shí)現(xiàn)不間斷負(fù)荷切換。目前，各變電站投入運(yùn)行的配網(wǎng)自動化終端普遍使用鉛酸電池作為后備電源系統(tǒng)。雖然各個(gè)廠家的鉛蓄電池宣稱其使用壽命長達(dá)8年，但在鉛酸電池的壽命期內(nèi)依舊存在電池臌脹、漏液等現(xiàn)象，因此采用超級電容作為配網(wǎng)自動化終端的后備電源顯得非常有必要。超級電容在使用壽命方面、循環(huán)充電方面存在優(yōu)勢，且超級電容在其整個(gè)壽命周期內(nèi)不存在漏液、過度充/放電以及鼓脹等現(xiàn)象，循環(huán)充電100萬次，使用壽命長達(dá)10年[3,4]。此外，超級電容的容量和壽命受環(huán)境影響較小，運(yùn)行溫度范圍大，在礦山配網(wǎng)工程項(xiàng)目中已經(jīng)得到推廣和應(yīng)用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 721—2013《配電自動化遠(yuǎn)方終端》的規(guī)定，當(dāng)后備電源為超級電容供電方式時(shí)應(yīng)保證停電后能分合閘操作3次，維持終端及通信模塊至少運(yùn)行15 min。超級電容充放電原理如圖1所示，整流橋回路完成AC/DC變換，由BUCK電路完成斬波降壓DC/DC變換，充放電電阻R1和接觸器KJ2完成超級電容C充放電，當(dāng)備用電源投入時(shí)，導(dǎo)通晶閘管VT2超級電容C向負(fù)載供電，晶閘管VT2完成主備電源的無縫切換[5]。

圖1 超級電容充放電原理示意圖

2 超級電容容量計(jì)算

根據(jù)DL/T 721—2013《配電自動化遠(yuǎn)方終端》中4.2.3的要求，后備電源為超級電容供電方式時(shí)應(yīng)保證停電后能分合閘操作3次，維持終端及通信模塊至少運(yùn)行15 min。后備電源的能量計(jì)算至少包括配網(wǎng)自動化終端、通信模塊及環(huán)網(wǎng)柜柜內(nèi)應(yīng)急照明等其他設(shè)備的電源所消耗的能量。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]環(huán)網(wǎng)柜斷路器分合閘持續(xù)時(shí)間為2～3個(gè)工頻周波，按0.1 s計(jì)算，分合閘瞬時(shí)功耗為：

儲能回路完成時(shí)間約15 s，其消耗的能量為：

斷路器完成分合閘操作3次需消耗的能量為：

依據(jù)DL/T 721—2013《配電自動化遠(yuǎn)方終端》的規(guī)定，DTU功率小于等于30 VA，通信模塊的功率約為15 VA，柜內(nèi)應(yīng)急照明等其他二次設(shè)備約30 VA，所以總的能量消耗為：

在15 min內(nèi)備用電源至少應(yīng)提供的能量為：

依據(jù)國家電網(wǎng)公司的《配網(wǎng)自動化終端》要求，超級電容的工作電壓為54.5～55.5 V。可以選擇超級電容的單體容量為3 V/3 000 F，采用20個(gè)串聯(lián)、3個(gè)并聯(lián)的形式，超級電容器組輸出電壓為60～65.5 V。參考文獻(xiàn)[7]超級電容能夠釋放的總能量為：

式中，M表示電容串聯(lián)個(gè)數(shù)；N表示電容并聯(lián)個(gè)數(shù)；C表示容量。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

超級電容的充放電硬件電路設(shè)計(jì)中，交流電源經(jīng)過整流后經(jīng)接觸器KJ1完成AC/DC變換，二極管D1防止電源反向，晶閘管VT1、二極管D2、電感L1組成BUCK降壓斬波電路經(jīng)過電阻R1向電容充電，接觸器KJ2、電阻R1完成電容放電回路。當(dāng)主回路電流失電后，控制器控制晶閘管VT2導(dǎo)通，完成后備電源的無縫對接，保證配網(wǎng)自動化終端、斷路器及通信模塊等其他設(shè)備的正常工作。

后備電源的硬件電路設(shè)計(jì)中，AC-DC變換模塊實(shí)現(xiàn)AC 220 V至DC 220 V的整流，AC 220 V取自三相五柱式母線PT，DC-DC變換模塊采用BUCK電路，將電源回路的輸出電壓斬波至穩(wěn)定的60 V電壓供超級電容器充電，充放電回路共用限流電阻R1，另外設(shè)計(jì)了超級電容管理系統(tǒng)（BMS），實(shí)時(shí)監(jiān)測超級電容的輸出電壓、輸出電流、充電電壓、充電電流、充放電時(shí)間及充放電次數(shù)等信息，最終實(shí)現(xiàn)超級電容工作狀況分析。

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 721—2013《配電自動化遠(yuǎn)方終端》中的已明確要求配網(wǎng)自動化終端的后備電源由鉛酸電池組和超級電容組成，兩者互為備用，在超級電容出現(xiàn)故障時(shí)鉛酸電池提供冗余運(yùn)行，提高了后備電源的可靠性。

4 軟件電路設(shè)計(jì)

超級電容軟件設(shè)計(jì)方面主要采用人機(jī)界面，如圖2所示，實(shí)時(shí)顯示和控制充電回路按照定值曲線對超級電容充放電。在人機(jī)界面設(shè)置定值設(shè)置界面和監(jiān)控界面等實(shí)現(xiàn)手/自動切換、復(fù)位、監(jiān)控以及通信等信息的交互。為提高安全性，在人機(jī)界面設(shè)置權(quán)限保護(hù)。需采集的模擬量信號包含電源側(cè)交流電壓、電源側(cè)直流電壓、電源側(cè)直流輸出電流、電容電壓、輸出側(cè)輸出電壓及輸出側(cè)輸出電流等信息，需采集的開關(guān)量狀態(tài)包括充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、工作狀態(tài)及故障信息等，通信方面選擇RS485接口，通過Modbus總線形式實(shí)現(xiàn)通信。

圖2 監(jiān)控軟件界面

5 結(jié) 論

文中介紹了用超級電容作為礦山配電自動化終端備用電源的工作原理和標(biāo)準(zhǔn)要求等，通過計(jì)算分析超級電容的容量，為超級電容的選擇提供理論依據(jù)，最后完成了硬件電路搭建和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了超級電容的充放電管理。