王 琳，蔣 杰，王同連，陳慶來，張 英

（國網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 海淀 100031）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)速度加快，電網(wǎng)供電可靠性要求不斷提高，依靠傳統(tǒng)電纜敷設(shè)接入配網(wǎng)站室電源來完成 DTU（Digital Terminal Unit，簡稱 DTU）調(diào)試工作，已不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的要求［1-2］。新站投運前配網(wǎng)運維人員在現(xiàn)場進行自動化預(yù)傳動或正式傳動工作中，經(jīng)常因站室臨時電源故障導(dǎo)致DTU雙路電源消失，被迫終止自動化調(diào)試工作。當前國內(nèi)外沒有針對DTU電源消失情況給出快速電源接入方案，本文通過研究便攜式DTU電源充電裝置，從充電方式、保護功能、控制算法等方面進行設(shè)計優(yōu)化，在保證充電速率的同時，兼顧充放電系統(tǒng)安全性，寬溫級三元鋰電池組的應(yīng)用也有效提升了各類復(fù)雜環(huán)境下便攜式DTU電源充電裝置的應(yīng)用能力，確保10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)自動化傳動工作的順利進行。

1 工作原理

1.1 DTU備用電源充電模式

站室自動化終端備用電源充電接入方案應(yīng)能適用于10 kV配電室、箱式變電站、分界室、開閉器等場所DTU設(shè)備的應(yīng)急使用［3-4］。DTU備用電源有恒壓式、恒流式和恒壓恒流式3種充電模式，當DTU備用電源開關(guān)拉開時，便攜式充電裝置對DTU備用電源進行單向充電。在恒壓式充電模式下，DTU備用電源兩側(cè)充電電壓保持恒定，充電電流大小不斷調(diào)節(jié)，缺點是充電前期充電電流過大，損壞蓄電池性能。在恒流式充電模式下，DTU備用電源充電電流保持恒定，充電后期對蓄電池極板沖擊大，縮短蓄電池壽命。本文設(shè)計的便攜式充電裝置采用恒壓恒流充電方式，充電前期先給DTU備用電源提供較大的充電電流，在備用電源總電荷量達到飽和值之前，充電電流減小，直至備用電源電量充滿后停止。該種充電模式有效避免備用電源飽和值附近的過流充電，提升DTU備用電源使用壽命。

1.2 便攜式充電裝置的輸入與輸出

配網(wǎng)站室便攜式充電裝置交流輸入電壓范圍為220 V±10%，恒壓恒流模式下備用電源的充電電流被限制在備用電源電池總?cè)萘康?0%～30%，保護蓄電池電極不受損壞。便攜式充電裝置帶AC航插接口，通過充電電源給寬溫級三元鋰電池充電，充電過程中電池電量即時顯示。便攜式充電裝置與DTU備用電源間通過 CAN（Controller Area Network，簡稱 CAN）總線通信協(xié)議傳輸，握手完成后實現(xiàn)對備用電源充電電流、放電電流和放電時間的實時可調(diào)功能。便攜式充電裝置內(nèi)置電源管理模塊，輸出直流電壓范圍為52～54 V。

當DTU備用電源開關(guān)閉合時，便攜式充電裝置對備用電源進行單向充電，在充電過程中，備用電源通過DTU電源模塊能夠驅(qū)動環(huán)網(wǎng)柜電機分合負荷開關(guān)，完成遙控操作。

2 硬件結(jié)構(gòu)

便攜式充電裝置的硬件電路主要由供電模塊、采樣模塊、充放電控制模塊、狀態(tài)指示模塊、保護模塊等組成，如圖1所示。在對DTU備用電源充電過程中，通過電壓電流采樣，能夠?qū)崟r監(jiān)測備用電池當前電量，準確檢測充電電壓、電流的大小［5］。當充電電流出現(xiàn)數(shù)值異常時，系統(tǒng)報警并切斷充電回路。通過溫度檢測模塊，系統(tǒng)實時監(jiān)測電芯溫度，當電芯溫度過高時，立即結(jié)束充電過程。

圖1 便攜式充電裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)支持三路直流輸出，根據(jù)使用需求可分別輸出12 V、24 V、48 V直流穩(wěn)定電壓。在DTU電源模塊故障的情況下，可通過便攜式充電裝置臨時接入48 V裝置電源及操作電源，以及24 V通信電源和遙信電源，保證DTU主機正常工作、遙信信號正常上送、高壓環(huán)網(wǎng)柜分合閘操作及無線模塊通訊正常。

通過狀態(tài)指示模塊，對便攜式充電裝置中寬溫級三元鋰電池的余量、DTU備用電源充電狀態(tài)、短路接地、超溫、過電流和過電壓狀態(tài)進行指示。當充電回路出現(xiàn)故障狀態(tài)時，狀態(tài)指示模塊對應(yīng)故障指示燈亮，停止充電，及時切斷故障回路。

3 控制算法

便攜式充電裝置檢測DTU備用電源兩端電壓數(shù)值，若低于浮充電壓標稱值即開始執(zhí)行充電程序。一般而言，蓄電池組的滿電電壓為蓄電池正常放電狀態(tài)下浮充電壓值，可作為DTU備用電源充電程序啟動值。當檢測到DTU備用電源電壓低于浮充電壓標稱值后，結(jié)合以下信息控制充電電流：環(huán)境溫度、DTU蓄電池容量、DTU內(nèi)阻、便攜式充電裝置的寬溫級三元鋰電池容量、220 V交流輸入電壓值。

DTU蓄電池充電程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)首先檢測DTU蓄電池電壓，判斷其是否低于53.5 V。若低于該值則執(zhí)行環(huán)境溫度判斷，根據(jù)溫度探測器檢測的環(huán)境溫度值，按-3 mV/℃的溫度電壓補償系數(shù)調(diào)節(jié)充電電壓，即標準環(huán)境溫度為25℃，每增加1℃，充電電壓降低3 mV，反之亦然。判斷DTU蓄電池內(nèi)阻值，當內(nèi)阻值大于等于1.3倍國標值時，便攜式充電裝置采用浮充方式進行充電；當內(nèi)阻值小于1.3倍國標值時，采用均充方式進行充電。在對DTU蓄電池均充的同時，對電池進行活化，通過分解蓄電池內(nèi)部硫酸鉛，降低內(nèi)阻，加速溶液流動，減少分層，從而活化蓄電池。

當便攜式充電裝置寬溫級三元鋰電池容量降低至50%以下時，對DTU充電功能開始限流，限流值為額定電流的1/2；當便攜式充電裝置鋰電池電量放空時停止充電，避免深度放電對電池造成損害。

4 應(yīng)用優(yōu)勢

圖2 DTU蓄電池充電程序流程圖

通過采用本文設(shè)計的站室自動化終端備用電源接入方案，在站內(nèi)無臨時交流電源接入的情況下，能夠依靠便攜式高能量密度鋰電池組輸出53～56 V恒壓電源以滿足高壓環(huán)網(wǎng)柜電動操作、DTU主機供電、GPRS通信電源、DTU遙信電源等電壓需求。相較于傳統(tǒng)鋰電池，便攜式充電裝置內(nèi)置22 Ah寬溫級鋰電池，溫度范圍為-40～65℃，可以保證嚴苛環(huán)境下系統(tǒng)正常運行。同時，裝置可以有效控制DTU蓄電池正向供電電流、反向充電電流、高壓設(shè)備操作機構(gòu)供電電流，保證三者間互不干擾，出現(xiàn)過電流、短路電流時能夠立即切斷供電回路，保證供電安全。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的便攜式充電裝置兼顧系統(tǒng)的便捷性、適用性及可靠性要求，能夠適用于各種型號高壓環(huán)網(wǎng)柜的電動操作，在滿足規(guī)定功能和指標要求的前提下，簡化系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品實用性。便攜式充電裝置在對比各類型鋰電池能量密度基礎(chǔ)上，選擇了高能量密度的寬溫級三元鋰電池，循環(huán)使用壽命達到3 000次以上，其正極材料電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有平穩(wěn)的充放電平臺，在裝置發(fā)生短路、電流過充、外力等特殊情況下，不會發(fā)生燃燒、爆炸等極端情況，相較于常用的鈷酸鋰、錳酸鋰等電池儲存能量更大，安全系數(shù)更高。