10 kV配网站室自动化终端备用电源充电方案研究

王 琳，蒋 杰，王同连，陈庆来，张 英

（国网北京海淀供电公司，北京 海淀 100031）

0 引言

随着智能电网建设速度加快，电网供电可靠性要求不断提高，依靠传统电缆敷设接入配网站室电源来完成 DTU（Digital Terminal Unit，简称 DTU）调试工作，已不能满足电力系统发展的要求［1-2］。新站投运前配网运维人员在现场进行自动化预传动或正式传动工作中，经常因站室临时电源故障导致DTU双路电源消失，被迫终止自动化调试工作。当前国内外没有针对DTU电源消失情况给出快速电源接入方案，本文通过研究便携式DTU电源充电装置，从充电方式、保护功能、控制算法等方面进行设计优化，在保证充电速率的同时，兼顾充放电系统安全性，宽温级三元锂电池组的应用也有效提升了各类复杂环境下便携式DTU电源充电装置的应用能力，确保10 kV配网系统自动化传动工作的顺利进行。

1 工作原理

1.1 DTU备用电源充电模式

站室自动化终端备用电源充电接入方案应能适用于10 kV配电室、箱式变电站、分界室、开闭器等场所DTU设备的应急使用［3-4］。DTU备用电源有恒压式、恒流式和恒压恒流式3种充电模式，当DTU备用电源开关拉开时，便携式充电装置对DTU备用电源进行单向充电。在恒压式充电模式下，DTU备用电源两侧充电电压保持恒定，充电电流大小不断调节，缺点是充电前期充电电流过大，损坏蓄电池性能。在恒流式充电模式下，DTU备用电源充电电流保持恒定，充电后期对蓄电池极板冲击大，缩短蓄电池寿命。本文设计的便携式充电装置采用恒压恒流充电方式，充电前期先给DTU备用电源提供较大的充电电流，在备用电源总电荷量达到饱和值之前，充电电流减小，直至备用电源电量充满后停止。该种充电模式有效避免备用电源饱和值附近的过流充电，提升DTU备用电源使用寿命。

1.2 便携式充电装置的输入与输出

配网站室便携式充电装置交流输入电压范围为220 V±10%，恒压恒流模式下备用电源的充电电流被限制在备用电源电池总容量的10%～30%，保护蓄电池电极不受损坏。便携式充电装置带AC航插接口，通过充电电源给宽温级三元锂电池充电，充电过程中电池电量即时显示。便携式充电装置与DTU备用电源间通过 CAN（Controller Area Network，简称 CAN）总线通信协议传输，握手完成后实现对备用电源充电电流、放电电流和放电时间的实时可调功能。便携式充电装置内置电源管理模块，输出直流电压范围为52～54 V。

当DTU备用电源开关闭合时，便携式充电装置对备用电源进行单向充电，在充电过程中，备用电源通过DTU电源模块能够驱动环网柜电机分合负荷开关，完成遥控操作。

2 硬件结构

便携式充电装置的硬件电路主要由供电模块、采样模块、充放电控制模块、状态指示模块、保护模块等组成，如图1所示。在对DTU备用电源充电过程中，通过电压电流采样，能够实时监测备用电池当前电量，准确检测充电电压、电流的大小［5］。当充电电流出现数值异常时，系统报警并切断充电回路。通过温度检测模块，系统实时监测电芯温度，当电芯温度过高时，立即结束充电过程。

图1 便携式充电装置硬件结构图

系统支持三路直流输出，根据使用需求可分别输出12 V、24 V、48 V直流稳定电压。在DTU电源模块故障的情况下，可通过便携式充电装置临时接入48 V装置电源及操作电源，以及24 V通信电源和遥信电源，保证DTU主机正常工作、遥信信号正常上送、高压环网柜分合闸操作及无线模块通讯正常。

通过状态指示模块，对便携式充电装置中宽温级三元锂电池的余量、DTU备用电源充电状态、短路接地、超温、过电流和过电压状态进行指示。当充电回路出现故障状态时，状态指示模块对应故障指示灯亮，停止充电，及时切断故障回路。

3 控制算法

便携式充电装置检测DTU备用电源两端电压数值，若低于浮充电压标称值即开始执行充电程序。一般而言，蓄电池组的满电电压为蓄电池正常放电状态下浮充电压值，可作为DTU备用电源充电程序启动值。当检测到DTU备用电源电压低于浮充电压标称值后，结合以下信息控制充电电流：环境温度、DTU蓄电池容量、DTU内阻、便携式充电装置的宽温级三元锂电池容量、220 V交流输入电压值。

DTU蓄电池充电程序流程图如图2所示。系统首先检测DTU蓄电池电压，判断其是否低于53.5 V。若低于该值则执行环境温度判断，根据温度探测器检测的环境温度值，按-3 mV/℃的温度电压补偿系数调节充电电压，即标准环境温度为25℃，每增加1℃，充电电压降低3 mV，反之亦然。判断DTU蓄电池内阻值，当内阻值大于等于1.3倍国标值时，便携式充电装置采用浮充方式进行充电；当内阻值小于1.3倍国标值时，采用均充方式进行充电。在对DTU蓄电池均充的同时，对电池进行活化，通过分解蓄电池内部硫酸铅，降低内阻，加速溶液流动，减少分层，从而活化蓄电池。

当便携式充电装置宽温级三元锂电池容量降低至50%以下时，对DTU充电功能开始限流，限流值为额定电流的1/2；当便携式充电装置锂电池电量放空时停止充电，避免深度放电对电池造成损害。

4 应用优势

图2 DTU蓄电池充电程序流程图

通过采用本文设计的站室自动化终端备用电源接入方案，在站内无临时交流电源接入的情况下，能够依靠便携式高能量密度锂电池组输出53～56 V恒压电源以满足高压环网柜电动操作、DTU主机供电、GPRS通信电源、DTU遥信电源等电压需求。相较于传统锂电池，便携式充电装置内置22 Ah宽温级锂电池，温度范围为-40～65℃，可以保证严苛环境下系统正常运行。同时，装置可以有效控制DTU蓄电池正向供电电流、反向充电电流、高压设备操作机构供电电流，保证三者间互不干扰，出现过电流、短路电流时能够立即切断供电回路，保证供电安全。

5 结语

本文设计的便携式充电装置兼顾系统的便捷性、适用性及可靠性要求，能够适用于各种型号高压环网柜的电动操作，在满足规定功能和指标要求的前提下，简化系统设计结构，提升产品实用性。便携式充电装置在对比各类型锂电池能量密度基础上，选择了高能量密度的宽温级三元锂电池，循环使用寿命达到3 000次以上，其正极材料电化学性质稳定，具有平稳的充放电平台，在装置发生短路、电流过充、外力等特殊情况下，不会发生燃烧、爆炸等极端情况，相较于常用的钴酸锂、锰酸锂等电池储存能量更大，安全系数更高。