1、配网自动化用后备电源的现状及维配网自动化用后备电源的现状及维护护目录目录/Contents配网自动化用后备电源的现配网自动化用后备电源的现状状配网自动化用后备电源的维配网自动化用后备电源的维护护配网设备后备电源的对配网设备后备电源的对比比01020304超级电容器在配网自动化的应用超级电容器在配网自动化的应用01配网自动化用后备电源配网自动化用后备电源的的现现状状51.1 配网自动化用后备电源特配网自动化用后备电源特点点户户外外站站点点配电配电终终端端应应采采用用母母线线PT电电源源作作为为主主电电 源源，且且采用采用PT双双路路交交流流输输出出供供电电，配配置置蓄蓄电电池池作作 为备用电源。
2、为备用电源。户内站点配电终端应优先采用母户内站点配电终端应优先采用母线线PT电源供电源供 电。在无母线电。在无母线PT电源电源时时，可从室内低压配变不，可从室内低压配变不 同低压母线出同低压母线出线线柜引接两路交柜引接两路交流流电源供电源供电电，同同 时配置蓄电池作为备用电源。时配置蓄电池作为备用电源。蓄电池容量蓄电池容量应应满足交流电源满足交流电源失失电后支持电后支持开开 关分关分合各合各8次以上。次以上。61.2 设备配置典型方案设备配置典型方案71.3 配网自动化一次与二次配配网自动化一次与二次配合合远方监控型远方监控型站站点选用环网点选用环网柜柜（负荷开关），负荷开关），配配置电置电动
3、动 操作机构、辅助接点、母线操作机构、辅助接点、母线PT、A/C相相CT及及零零序序CT。远方加就地控制型站点选用断远方加就地控制型站点选用断路路器，器，断断路器路器应应配配 置电动操作机构、辅助接点、母置电动操作机构、辅助接点、母线线PT、A/B/C三相三相CT 及零序及零序CT。当当主主干线设干线设置置两组两组远远方与就方与就地地监控监控站站点时，点时，断路器应选用永磁操作机构。断路器应选用永磁操作机构。就地控制站点选用断路器或负就地控制站点选用断路器或负荷荷开关开关加加熔断熔断器器组组 合电器。选用断路器时，应配置电合电器。选用断路器时，应配置电动动操作操作机机构、构、辅辅助接助接 点、
4、母线点、母线PT、A/B/C相相CT及零序及零序CT；选用选用负负荷开荷开关关加加 熔断器组合电器时，熔断器时间熔断器组合电器时，熔断器时间-电电流流特特性性曲曲线线应应与用与用 户侧熔断器配合。户侧熔断器配合。02配网自动化用后备电源配网自动化用后备电源的的维维护护92.1 维护人员状况维护人员状况1目前供电局有试验班、各供电局的供电所下面只有配电运维目前供电局有试验班、各供电局的供电所下面只有配电运维班班、低压班、低压班，没没有有相相应应的的配网配网自自动动化化班班（目前目前，有有部部分分区区间将间将配配网网自自动动化化功能功能管管理理划划入入至至试试验验班班）；）；2没有通过电池的运维技
5、能培没有通过电池的运维技能培训训，人，人员员高学高学历历的人的人员员比重比重还还是较是较低低（主（主要要是是 指原农指原农电体制下接收的人员）电体制下接收的人员）（3）2014年年开开始配网自动始配网自动化改化改造造，至目前，至目前为为止止，还没有专，还没有专业的业的电池维护班电池维护班组组，另外因点多面广，维护人员不另外因点多面广，维护人员不足足，只只能委能委托托至三至三产产公司公司维维护护。102.2 检修运维手段及设备检修运维手段及设备1目前没有开展现场相关的检目前没有开展现场相关的检测测；2没有完善相关的电池运维管没有完善相关的电池运维管理理制度制度，相关相关制制度正度正在在制定制定中
6、中；3现在所有的运维抢修、调试现在所有的运维抢修、调试安安装委装委托托一个一个三三产公产公司司，他，他们们人员人员不不足，足，每每天配网自动化改造的点较多，没天配网自动化改造的点较多，没有有充足充足的的时间时间及及人员人员进进行维行维护护及巡及巡视视；大概只能每季度检大概只能每季度检查查1次次（外外观观检检查查）。）。4目前各运维班组几乎没有电目前各运维班组几乎没有电池池的核的核容容、活、活化化等检等检测测设备。设备。112.4 配网自动化后备电源运行状况配网自动化后备电源运行状况（1）配）配网网2014年年-2019年开年开始始配网自动配网自动化化建建设设、当时初步、当时初步试点试点单位为福
7、单位为福田田供供 电局电局、龙龙岗岗供供电电局局。当当时时只只是是对对原有原有的的环环网网柜柜进进行改行改造造，其其中中每每条线条线路路大大概概安安 装装改改造造2至至3个个3遥遥点点，其其他他没有没有通通信信光光纤纤的的环网环网柜柜安装安装2遥遥点点，部部分分柜柜子子没没有专有专 用用的的PT柜，采用柜，采用CT取电，主要缺点取电，主要缺点是是掉线掉线率率高，高，信信号无号无法法采样采样，维护维护量量大；大；（2）2018年开始深圳供电局开年开始深圳供电局开始始大规大规模模的配的配网网自动自动化化改造改造，主要主要的的通信通信采采用用 光纤通信方式，环网柜采用了光纤通信方式，环网柜采用了KK
8、BB的的配网配网自自动化动化的的智能智能柜柜，有，有专专用的用的PT。3对蓄电池的维护主要是成批对蓄电池的维护主要是成批更更换的换的方方式式（2017、2018），龙岗龙岗供供电局电局 大大概概2800电池电池4目前也没有对电池的专业维护目前也没有对电池的专业维护5深深圳供圳供电局电局供电特供电特点点，高，高比比例的电例的电缆缆线路线路，环网柜环网柜（公用公用电电房）数房）数量量大、大、维护人员不足。维护人员不足。122.5 配网自动化后备电源特点配网自动化后备电源特点备用电源：采用备用电源：采用直直流免维护阀控流免维护阀控铅酸铅酸蓄电池组供蓄电池组供电电，单单体应采用标体应采用标称称12V，
9、蓄电池组采，蓄电池组采用串用串联联供供 电方式电方式（DC24V）；）；DTU电电池容池容量量20AH,电池采用汤浅，阳光电池采用汤浅，阳光、松下松下等等高可高可靠靠性的性的名牌产名牌产品品；使用寿使用寿命命5年；年；支持装置正常工作时间支持装置正常工作时间：8小小时；时；支持开关动作次数支持开关动作次数：8次；次；整机功耗整机功耗90W（含通信（含通信模模块和块和除除湿器湿器）。设备应能在以下条件下设备应能在以下条件下正正常运常运行行：环境温度环境温度：-2570。环境湿度环境湿度：10%95%。信号质量：信号信号质量：信号值值12。充电电源要求充电电源要求工作电压工作电压：948V DC，
10、提供防反接，提供防反接和和防过防过流流保保护护。工作电流：待机工作电流：待机时时150mA（+12V DC），通信时），通信时300mA（+12V DC）。）。132.6 配网自动化后备电源的故障特配网自动化后备电源的故障特点点龙岗供电局更换电池故障类型分析龙岗供电局更换电池故障类型分析(2019)故障故障类型类型漏液漏液接线接线柱故障柱故障鼓起鼓起容量容量不足不足其他其他故障次数1213234故障次 数,漏 液,12,35%故障次数,接线柱故障,13,38%故障次数,鼓起,4,12%量不足,3,9%他,2,6%故障次数,容 故障次数故障次数,其漏液接线柱故障鼓起容量不足其他03配网设备后备电
11、源的对配网设备后备电源的对比比153.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类二次电池二次电池阀控铅酸电池阀控铅酸电池优点优点1、安全：铅酸电池大电流放电不易发生意 外2、成本：铅酸电池所用材料及工作要求都低得多缺点缺点1、耐用差，循环寿命低。2、体积大、重量重。3、使用、维护成本高。（运行成本）4、环保:铅酸电池在生产过程中存在污染,如果回收不当也可能造成污染5、倍率性能差。163.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类二次电二次电池池锂离锂离子子电电池池优点：优点：1、能量体积比，能量重量比都较高，能量密 度大。2、功率密度较大，可以实现大功率的使用。3、寿命长、
12、日历寿命可达5年以上和循环寿命1000次以上。4、能大倍率的充放电，在较大倍率的使用过 程中，电池不许要多配太多，减少配置成本。5.低使用成本、平均每天（或每次）的使用均 摊成本较低。缺点：缺点：1、过充、过放、过温、过流等容易对电池造成伤害。2、虽然在汽车上已大量使用，但在材料、生 产等、过程仍然需要进一步提高安全性。3、电池需要电路进行控制。173.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类二次电二次电池池锂离锂离子子电电池池外形区分1、圆柱电池如：18650、21700、60138等。特点工艺成熟、强度高，一致性高。2、方形电池：包括铝制方形，钢制方形，塑料方形。成组率高。3、
13、软包电池：比能量密度高。外壳强度度低。183.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类二次电二次电池池锂离锂离子子电电池池材料分类1、三元材料正极正极为三元材料（镍钴锰或镍钴铝）负极负极为碳成本较低，容量高，循环较好，但安全性较差2、锰酸锂正极正极为锰酸锂负极负极为碳安全性好、电压较高、倍率、低温好、成本较低、高温循环差、容量低3、磷酸铁锂正极正极为磷酸铁锂负极负极为碳安全性好、循环好、电压低、倍率好。4、钛酸锂电池正极正极为三元材料或锰酸锂 负极负极为钛酸锂安全性好、循环好、低温特性好、倍率高、电压低、成本较高其中综合考虑电网的安全其中综合考虑电网的安全 性，目前主要选用的锂离性
14、，目前主要选用的锂离 子电池为较为安全可靠的子电池为较为安全可靠的 磷酸铁锂和钛酸锂磷酸铁锂和钛酸锂193.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类超超级电级电容容器器物理电容：物理电容：较大的容量、比能量或能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用 寿命;而与蓄电池相比，它又具有较 高的比功率，且对环境无污染。电压2.7V-3V锂电容：（或赝电容）锂电容：（或赝电容）介于超级电容和锂离子电池的桥梁 器件，具有高比能量和高比功率的 综合性能,电压可以高达3.6V203.1 配网自动化后备电源的种类配网自动化后备电源的种类超级电容超级电容器器-锂锂电电容容器器钛酸锂电池、超级电容、磷酸
15、铁锂电池、铅酸蓄电池性能对比表项目铅酸蓄电池钛酸锂电池超级电容磷酸铁锂电池正极材料二氧化铅锰酸锂/镍钴锰酸锂双电层电容器磷酸铁锂负极材料海绵状铅钛酸锂双电层电容器碳材料电解液稀硫酸溶液聚合物电解液/聚合物电解液电压平台2V2.45V2.7V(满充电压）3.2V工作温度-10+40-40+55-40-+650+55循环寿命500次20000次以上1000000次2000-2500次体积能量比6080Wh/L180Wh/L约15wh/L320Wh/L重量能量比3045Wh/kg7585Wh/kg约 5.96Wh/Kg135Wh/kg月自放电45%3%高3%平均放电深度50%100%100%100%
16、环保特性严重铅污染无污染无污染无污染技术成熟度非常成熟较成熟较成熟较成熟安全性一般很好很好好最大充放电倍率1C40C放电功率2C-20循环容量保持率不可循环0.8大于0.89不可循环低温充电能力-20以下不能充电-40-400以下不能充电04超级电容器在配网自动超级电容器在配网自动化化的应的应用用224.1 项目背景项目背景随着深圳地区经济的发展，配网自随着深圳地区经济的发展，配网自动动化得化得到到了快了快速速发展发展与与普及普及，当前当前配配网网 自动化三遥柜二次自动化三遥柜二次DTU的后备电源有的后备电源有蓄蓄电池电池及及超级超级电电容两容两种种供电供电方方式，式，两两 种供电方式各有优缺
17、点：种供电方式各有优缺点：蓄电蓄电池池超级电容超级电容蓄电池系统容量更为可观，且造价蓄电池系统容量更为可观，且造价 相对低廉，是当前主流相对低廉，是当前主流的的DTU后备电源后备电源供电方式，但是蓄电池适应环境能力较供电方式，但是蓄电池适应环境能力较 差，每差，每2年就需更换一次，具有故障率年就需更换一次，具有故障率 高、维护成本高等缺点。高、维护成本高等缺点。目前的超级电容系统容量较目前的超级电容系统容量较 小，且造价相对较高，但是超级小，且造价相对较高，但是超级 电容适应环境能力更强，更适应电容适应环境能力更强，更适应 深圳地区高温、潮湿的运行环境，深圳地区高温、潮湿的运行环境，安装直到运
18、行安装直到运行10年以后报废都不年以后报废都不 需要维护和更换。需要维护和更换。234.2 项目解决问题项目解决问题本项目通过采用高能量本项目通过采用高能量密密度的度的超超级电级电容容，并，并优优化能化能量量输出输出，研制研制一一套应套应用用于配于配网网自动自动化三遥柜化三遥柜DTU设设备备的的高高可可靠靠性性后后备备电电源源系系统统，可可以以兼兼顾顾供供电电能能力力及及运运行行适适应应能能力力；超级电容能承受长时间超级电容能承受长时间高高温、温、高高湿度湿度的的运行运行环环境，境，从从投运投运到到报废报废几几乎不乎不需需要进要进行行更换更换 维护，但能量密度较低维护，但能量密度较低，当前当前
19、主主流的流的超超级电级电容容系统系统仅仅能待能待机机15分分钟钟，支，支持持6-8次开次开关关分分 合，本项目期望开发出合，本项目期望开发出至至少能少能待待机半机半小小时，时，支支持持12次次开关开关分分合的合的电电源系源系统统；项目成果可以有效提高项目成果可以有效提高配配网自网自动动化三化三遥遥柜柜DTU设设备后备后备备电源电源系系统的统的运运行可行可靠靠性，性，并并大大 幅度地减小维护的设备幅度地减小维护的设备成成本及本及人人力成力成本本。244.3 项目研究内容项目研究内容项目研究内容包括：项目研究内容包括：1）.增加超级电容供电系统增加超级电容供电系统的的供电供电能能力力a.调整超级电
20、容的电调整超级电容的电极极材料材料配配方，方，从从而实而实现现2040%的的能量能量密密度提度提升升。b.增加超级电容电源管增加超级电容电源管理理模块模块DC/DC输输入端入端的的电压电压范范围到围到原原本的本的4倍，倍，可可以增以增加加10%的的超级超级电电容容 可用能量。采用反激同可用能量。采用反激同步步整流整流拓拓扑可扑可以以实现实现宽宽范围范围输输入入的的DC/DC电电路。路。2）.降低主供电源断电降低主供电源断电后后DTU的的运运行行消消耗耗a.DTU关键耗电设备关键耗电设备LCD液液晶晶显示显示屏屏在后在后备备供电供电且且无人无人操操作的作的条条件下件下，可以可以彻彻底关底关闭闭，
21、关，关闭闭液晶液晶 屏将减少屏将减少25%的整机的整机功功耗。耗。通通过系过系统统控制控制板板发送发送信信号控号控制制LCD液液晶显晶显示示屏的屏的电电源端源端来来实现实现断断电。电。b.降降低低DTU关键耗电设备关键耗电设备数数据采据采集集与处与处理理板的板的功功耗。耗。在在后备后备电电源供源供电电状态状态降降低采低采样样控制控制板板的的 MCU工作频率，并工作频率，并降降低采低采样样频率频率，从而从而降降低功低功耗耗。需。需要要从新从新定定义采义采样样频率频率，满足满足后后备监备监控控的最低的最低 数据数据需求。需求。c.降低关键耗电设备降低关键耗电设备4G无无线通线通讯讯模块模块的的功耗
22、功耗。经查经查厂厂家技家技术术手册手册，通讯通讯模模块有块有低低功耗功耗模模式、式、休休眠眠 模式，可以通过后备供模式，可以通过后备供电电时切时切换换低功低功耗耗甚至甚至休休眠模眠模式式，达，达到到降低降低功功耗的耗的目目的。的。253）.制造制造DTU样机并验证其运样机并验证其运行行能力能力本项目采购了一台长园本项目采购了一台长园深深瑞瑞PRS3342型型DTU进进行行了改了改造造，该，该型型号号DTU为为深圳地深圳地 区配网自动化设备采用区配网自动化设备采用的的主流主流型型号之号之一一，具，具有有较强较强的的代表代表性性。超。超级级电容电容电电源系源系 统及样机制成后均送到统及样机制成后均
23、送到相相应的应的试试验机验机构构进行进行了了检测检测，试验试验结结果显果显示示该电该电源源系统系统 能够适应严苛的运行环能够适应严苛的运行环境境，在，在主主供电供电源源断电断电后后能够能够保保持运持运行行2小时小时，支持支持有效有效分分 合开关合开关29次。次。项目所制样机于项目所制样机于2019年年9月月10日日在在深深圳圳市市龙龙岗岗区区龙龙平平西西路路与与和和谐谐路路交交界界处处路路边边 机柜开始了安装试用（机柜开始了安装试用（龙龙谐三谐三遥遥柜，柜，编编号号：05071002035），），经经验证验证机机柜在柜在 现场能够正常运行，断现场能够正常运行，断电电后操后操作作机柜机柜有有效分
24、效分合合开开关关30次，次，并并保持保持运运行了行了约约110 分钟。分钟。4）.出台相应的技术标准出台相应的技术标准项目编写了超级电项目编写了超级电容容充电充电机机技术技术规规格书格书1份份，DTU用用超级超级电电容充容充电电机通机通用用技术技术 条件条件1份。份。4.3 项目研究内容项目研究内容264.4 设计思路设计思路“开源节流开源节流”高能量密度超级电容电源系统高能量密度超级电容电源系统研研究究采用高能量密度的超级电容单体和4倍宽的输入电压范围的电源，能够大幅提升能量密度开源节流DTU待机冗余功能功耗分析待机冗余功能功耗分析优化DTU柜功能设计定义，删除无用功能，特别是待机 时耗电的
25、功能电路。DTU待机低功耗休眠模式的可行性待机低功耗休眠模式的可行性分分析析对电网故障后DTU待机情况下，后备电源的真实功能进 行梳理，把暂时无用功能电路进入sleep模式，关闭或 间歇式实时采集有用数据。27锂离子超级电容器锂离子超级电容器产品产品能量能量密密度达度达65Wh/Kg，约为约为普普通超通超级级电容电容的的5倍。倍。总容总容量量达达到到了了36Wh，电电压压输出输出范范围围为为28-19.8V4.4 设计思路设计思路28（2）硬件开发及功能的实现）硬件开发及功能的实现电源管理模块电源管理模块增加增加超级超级电电容电容电源源管理管理模模块块DC/DC输入端输入端的的电压电压范范围到
26、围到原原本本的的4倍，倍，可可以增以增加加10%的的 超级超级电容电容可可用能用能量量。采。采用用反激反激同同步整步整流流拓扑拓扑可可以实以实现现宽范宽范围围输入的输入的DC/DC电路。电路。4.4 设计思路设计思路29（3）软件设计，包括数据）软件设计，包括数据采采集模集模组组、数、数据据采集通采集通讯讯系统开系统开 发、发、APP开发、通讯服务器硬件建设。开发、通讯服务器硬件建设。手机手机APP通过蓝通过蓝牙牙能读能读取取超级超级电电容容 状状态态主要包主要包括括电容电容电压电压、实时、实时输输入、入、输出输出电流，电流，容量容量等有等有效效信息信息4.4 设计思路设计思路30（4）DTU
27、样机的制作调试及样机的制作调试及实实验验证验验证采用长园深瑞采用长园深瑞PRS3342型型DTU改装制作了样改装制作了样机机1套套通过通过试验试验模模拟样拟样机机的待的待机机时间时间及及分合分合次次数，数，在在实验实验室室内验内验证证样机样机在在超级超级电电容系容系统统供电供电下下可以可以待待机机2小小时时，进进行行29次次分分合合操操作作。4.4 设计思路设计思路314.5 设计思路设计思路电源管理模块电源管理模块超级电容超级电容8月月10日在龙谐三遥柜进行了安装日在龙谐三遥柜进行了安装调调试试现场现场设设备备安安装装送送电电前前对对设设备备待待机机时时间间及及支支持持分分合合次次数数进进行
28、行了了验验证证，进进行行了了30次次分分合合操操作作，之之后设后设备又备又待机待机了了约约110分钟分钟直直至断至断电电；现场现场设备设备完完成安成安装装送电送电后后，分，分断断主供主供电电源的源的空空开，开，设设备能备能够够顺畅顺畅的的切换主切换主/后备供后备供电电模式模式，目前设目前设 备已备已在现在现场场运行运行了了一个一个多多月，月，运运行状行状况况良好。良好。321、本项目试制的、本项目试制的DTU样机经各项试验及现场验证，能够实现待机时样机经各项试验及现场验证，能够实现待机时间间2小时，小时，支持开关分合操作支持开关分合操作30次的技术指标，完全满足项目计划书提出的主供电源断次的技
29、术指标，完全满足项目计划书提出的主供电源断 电后待机半小时，支持开关分合操电后待机半小时，支持开关分合操作作12次的技术要求；次的技术要求；2、最终设计完成的配网自动化高可靠性电源系统能够广泛应用于各类配网自、最终设计完成的配网自动化高可靠性电源系统能够广泛应用于各类配网自动动 化化DTU设备上，其供电能力能够与当前主流的蓄电池供电系统相竞争，设备上，其供电能力能够与当前主流的蓄电池供电系统相竞争，而使而使 用寿命则远胜于蓄电池供电系统，具有广泛的应用前景。用寿命则远胜于蓄电池供电系统，具有广泛的应用前景。4.5 项目结论项目结论334.6 经济效益与社会效益经济效益与社会效益超级电容故障率低，10年服役期基本免维护，能极大地减少运维成本。以2019年数据为例，龙岗局目前具有二遥、三遥功能的自动化设备已有接近3000台，预计未来1-2 年内数量还要至少再翻一番，按照蓄电池2年一换的更换频率，初步估算未来龙岗局每年就需更换蓄 电池约3000台：每台蓄电池价格约500元，采购蓄电池成本S=500元/台3000=150万元更换一台蓄电池需人力2人0.5小时，按照每人每小时70元计算：节省人力成本R=300020.570=21万元预计每年节支成本总额Y=S+R=150+21=171万元以上成本减额还未计算维护人员的车辆消耗等其他方面的费用支出。
