超级电容电池在计量终端上的研发与应用

王大鹏 罗锡铭

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海519000）

0 引言

客户平均停电时间被列为公司市场营销绩效考核指标之一，充分体现了公司对客户停电时间管理工作的高度重视。全力做好电力供应，减少客户停电时间，提供优质服务，是贯彻落实公司长期发展战略的重要举措，也是建设客户全方位服务体系工作的重要组成部分。

公司提出了客户停电时间自动统计建设，利用计量自动化系统实时采集客户侧计量终端的停、复电信息，从根本上解决手工填报停电事件的弊端，有效验证校核了停电事件的准确性，确保了客户停电时间的准确性、完整性、及时性。

目前，我单位在运行的计量终端使用的备用电池是不同终端厂家配来的不同型号规格的镍氢电池及极少数是锂电池。

虽然广东电网公司在2009年发布了计量终端相关的技术规范，以及2013年南方电网公司也发布了《中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范》《中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范》，但计量终端真正投入运行后，有些计量终端的备用电池长期处于“浮充”状态，我们做过试验：将一块新的计量终端送电1 h后断电，终端的停电报警来不及上传主站，终端的通讯模块电源灯和终端显示屏在3 s左右熄灭，测到备用电池电压仍有5 V左右，但不能维持计量终端上传停电报警，其原因是计量终端选用的备用电池性能差，在终端有外电源供电时备注电池处于“浮充”状态或者备用电池的电压过低或充电失效。目前我们发现有些备用电池发生电池漏液、爆裂等影响计量终端运行的事件。

随着应用计量自动化系统开展停电统计工作，如果计量终端使用的备用电池起不到真正的“后备电池”作用，即不具备在电网停电后计量终端主动向主站及时准确发送停电时的相关信息，工作人员无法应用计量自动化系统远程监控电能计量装置的运行情况，停电统计就无法开展。所以，计量终端的备用电池的好坏是整个计量自动化系统正常运行的关键。

为了改善计量终端备用电池的质量，使备用电池真正起到计量终端在外电源停电后的“后备电源”作用，确保计量终端能准确及时向计量自动化系统上传相关信息，充分利用计量自动化系统的应用功能来监控计量装置的运行状态和开展停电统计工作，及时发现和处理计量装置故障，减少电量差错，意义重大。

1 计量终端备用电池的技术要求

《中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范》《中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范》的4.3.6备用电池规定：“终端掉电时，备用充电电池应至少维持上报3次终端掉电告警的能力。备用电池采用4.8 V可充电电池或电池组；额定容量≥600 m Ah……在正常使用情况下，电池循环寿命不应低于500次循环，外观无破裂、划痕、变形、污迹、电解液泄漏等不良现象。”

2 超级电容器与普通电池的比较

超级电容器与传统的镍氢电池、锂电池比较，具有以下特点：

（1）超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出，而镍氢电池、锂电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围。

（2）超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而镍氢电池、锂电池的荷电状态则包括多样复杂的换算过程。

（3）超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果镍氢电池、锂电池反复传输高功率脉冲会缩短其使用寿命。

（4）超级电容器可以快速充电，充电10～600 s可达到其额定容量的95%以上，而镍氢电池、锂电池快速充电则会受到损害。

（5）超级电容器可以反复循环数十万次，没有“记忆效应”，而镍氢电池、锂电池寿命仅几百个循环。

（6）超级电容器相对充电电池来说，可以满足在更为极端的自然环境（－40～65℃）中工作的要求，并能实现10年以上免维护，而充电电池2～3年就必须更换。

（7）超级电容电池相比镍氢电池、锂电池的原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

3 超级电容作为计量终端备用电池的可行性分析

目前计量终端厂家配来的备用电池的工作电压范围为3.7～4.8 V。如果超级电容能满足《中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范》《中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范》的4.3.6备用电池的技术要求：“终端掉电时，备用充电电池应至少维持上报3次终端掉电告警的能力。”那么，用超级电容代替镍氢电池、锂电池作为计量终端的“后备电池”是否可行？以下是在计量终端外部电源停电时超级电容的测试情况：

测试样机采用DC／DC模式，将超级电容器的电压升压到稳定的5 V，Ⅰ型样机采用2只120 F超级电容器串联使用，相当于1只容量为60 F的电容器；Ⅱ型样机在Ⅰ型样机的基础上将电容量加倍（4只），相当于1只容量为120 F的电容器。

（1）样品电容电池2组相关测试数据如下，Ⅰ型和Ⅱ型样品电容电池续航试验如表1所示。

表1 不同容量超级电容续航实验数据

Ⅰ型样品电容电池续航后电压的变化如表2所示。

表2 Ⅰ型样品电容电池续航后电压的变化实验数据

（2）样品电容电池充电电压曲线图如图1所示。

图1 样品电容电池在计量终端内充电电压变化曲线图

（3）外电源停电后样品电容电池的停电报警测试截图如图2所示。

图2 正常上送报警截图

（4）终端外部停电后，每10 s召测电能表数据情况。从计量终端带电能表运行过程中外电源停电后，电容电池作为计量终端的后备电源，计量终端能向主站上报“终端停电”报警，每隔10～15 s人工召测电能表数据5次均能正确返回，测试样机的续航时间与计算结果相符，验证了电容电池作为计量终端备用电池的可行性。

（5）本次样品电容电池的工作参数：超级电容器工作电压为5 V；截止时超级电容的电压为2 V；型号为HND2001S-GK1终端的测试参数，综合考虑DC／DC的变换效率等因素，设超级电容器输出电流为0.3 A，要求续航时间为10 min（600 s）时，所需超级电容器容量计算如下：C＝（5＋2）×0.3×600／（5×5－2×2）＝60 F；要求续航时间为20 min（1 200 s）时，所需超级电容器容量计算如下：C＝（5＋2）×0.3×1 200／（5×5－2×2）＝120 F。

（6）样机充放电原理：

VM：充电电压／后备电池电压，即为终端后备电池插座上的电压。

VC：后备电源中超级电容器的电压。

C1、C2：超级电容器，是本后备电源的能量储存的核心器件。

K1：充电开关，当终端本身有外部电源供电时，该开关打开，给超级电容器充电；当终端失去外部电源时，该开关关闭，由超级电容器给终端供电。

RL：充电限流电阻，该电阻将最大充电电流限制在安全范围内，避免当超级电容器上的电压过高时损坏表计。

电压检测单元：本单元实时检测VM电压，根据VM的变化切换本后备电源的工作模式。

DC／DC单元：直流电压变换单元，将超级电容器的电压升压到稳定的5 V，可以提高电容能量的使用率。

过压保护单元：由于超级电容器本身的特点，其工作电压不能超过2.7 V，该单元即可保证超级电容器上的电压在其安全工作范围内。

后备电源的工作原理如下：

终端有外部电源供电：当电压检测单元通过VM检测到设备有外部电源供电时，便通过【CTL1】打开充电开关K1，给超级电容器充电，同时通过【CTL2】关闭DC／DC单元；

终端无外部电源供电：当电压检测单元通过VM检测到终端无外部电源供电时，便通过【CTL1】关闭充电开关K1，同时通过【CTL2】打开DC／DC单元，此时便由超级电容器给终端供电。

其原理图如图3所示。

图3 超级电容在计量终端内工作充放电原理图

4 超级电容电池在计量终端应用的可行性研究综述

使用超级电容器作为核心器件构成的后备电源，在计量终端断电时，能满足《中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范》《中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范》的4.3.6备用电池的技术要求，保证计量终端及时向主站上报停电信息，解决了以往镍氢、锂电池的“浮充”现象或者充电失效以及发生电池漏液、爆裂等事件造成计量终端在外电源停电后无法上传停电信息的问题，有利于应用计量自动化系统的功能实现监控计量装置的运行状态和开展停电统计工作。

［1］中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范

［2］中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范