技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种属于智能
电网配网自动化的技术领域，尤其是一应用于配网自动化电动操作的超级电容器及
能量收集器混合能量系统统。
背景技术
[0002] 随着电网升级改造的推进，
智能电网的概念近年来被提上日程。要把现有电网改造成智能电网，作为配网终端设备势必要进行自动化改造，例如环网柜等。一方面，环网柜等配网终端设备改造过程中，要增加新设备，包括数据检测、数据
整理、数据传输以及负荷
开关的电动操作机构，另一方面，则要为整个新增自动
操作系统提供电源。
[0003] 一种电源系统方案是采用
母线取电，加装铅酸
电池组作为备用电源。当电网正常时，通过PT/CT直接从电网母线取电经调谐后对配网自动化终端设备供电，当电网出现故障的时候则使用铅酸电池作为备用电源进行临时短时间供电。但是使用铅酸电池备用电源存在很多问题：
[0004] 1. 铅酸电池占地空间很大，在有些配网终端设备例如环网柜的电动化操作改造过程中无法安装在柜体内部，成本很高。
[0005] 2. 利用铅酸电池作为配网终端设备的电动操作电源，电动操作所需功率高达500W甚至更高，而电动操作的时间很短，因此高功率型电源比铅酸电池更有优势。
[0006] 3. 铅酸电池作为备用电源维护成本高，而且铅酸电池
循环寿命短。根据现有电池技术
水平，铅酸电池循环寿命最大为几千次。
[0007] 4. 铅酸电池作为
备用电池可靠性差。以现在用的铅铅酸电池为例，其运行
温度范围为0—50℃。而环网柜大多安装在户外，环境恶劣，尤其是在中北部地区，冬季温度经常在零下，电池的可靠性大打折扣。
[0008] 5. 铅酸电池有污染。现有环网柜备用电池以铅酸电池居多，污染不言而喻。
[0009] 电动操作备选电源之一是
锂离子电池，锂离子电池能量
密度较高，然而锂离子电池在循环寿命上存在
缺陷，重要的是其在恶劣环境下的可靠性和安全性大大折扣。
[0010] 超级电容器由于具有高功率密度、循环寿命长、环境适应性好（-40—70℃）等特点，十分适合配网自动化终端设备的电动操作电源，在恶劣的户外环境尤其适合，其缺点是
能量密度低，续航能
力不足。
发明内容
[0011] 本实用新型目的在于针对
现有技术的缺陷提供一种使用寿命长、可靠性、安全性和经济性的协调统一的应用于配网自动化电动操作的超级电容器及能量收集器混合能量系统。
[0012] 本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0013] 一种应用于配网自动化电动操作的混合能量系统，其特征在于：其包括主电源、备用电源和能量收集器；所述主电源和能量收集器并联并分别通过各自的充电模
块为备用电源充电；其中
[0014] 所述主电源为PT/CT，PT/CT直接与环网柜母线连接，输出低压电源对环网柜检测装置、通讯装置以及电动装置供电以及备用电源充电；
[0015] 所述能量收集器为光伏能量收集器、
风能能量收集器、振
动能量收集器、射频能量收集器、温差能量收集器的一种或几种；
[0016] 所述备用电源为超级电容器模组。
[0017] 其进一步特征在于：所述超级电容器模组由多个超级电容器
单体经过
串联和/或并联组成，该模组还包括超级电容器管理系统，超级电容器管理系统以PCB板为载体，对超级电容器模组进行状态监控、单体
电压平衡以及异常状况报警。
[0018] 进一步的：所述系统输出由主电源、备用电源和能量收集器中的一个或多个供电。
[0019] 本实用新型具有下述优点：
[0020] 1. 使用超级电容器作为备用电源，能够在不改变现有环网柜柜体结构的情况下实现自动化改造；
[0021] 2. 超级电容器能够在刚好满足使用电量的前提下，提供足够的放电功率，能量利用率高；
[0022] 3. 超级电容器循环寿命高达100万次以上，使用温度为-40℃—70℃，保证了备用电源系统运行的可靠性和免维护；
[0023] 4. 能量收集器收集能量并存储到超级电容器后备电源中，增强了超级电容器的续航能力。
[0024] 5. 混合能量系统确保在电网失电状态下的监测，通讯以及分合闸操作所需要的能量。低成本高效地实现了智能电网配网自动化终端的操作要求。
附图说明
[0025] 图 1 为本实用新型
实施例1原理图。
具体实施方式
[0026] 本实用新型提出了一种应用于配网自动化电动操作的超级电容器及能量收集器混合能量系统。
[0027] 所述能量系统包括主电源、备用电源以及能量收集器。
[0028] 所述主电源为PT/CT，PT/CT直接与环网柜母线连接，输出低压电源对环网柜检测装置、通讯装置以及电动装置供电以及给备用电源充电；
[0029] 所述备用电源为超级电容器模组。
[0030] 所述超级电容器模组由超级电容器单体经过串联和/或并联组成，所用单体数量由实际使用过程所需电压、功率以及故障状态操作时间决定。
[0031] 所述超级电容器模组还包括超级电容器管理系统，超级电容器管理系统以PCB板为载体，对超级电容器模组进行状态监控、单体电压平衡以及异常状况报警。
[0032] 所述能量收集器为光伏能量收集器、
风能能量收集器、振动能量收集器、射频能量收集器、温差能量收集器的一种或几种。
[0033] 该能量系统的控制策略为：
[0034] 能量收集器收集到的能量优先地通过能量收集器充电模块直接储存到超级电容器模组之中，当超级电容器充满电后，继续保持对超级电容器模组浮充，保持超级电容器模组一直处于满电状态，当能量收集器输出功率大于超级电容器模组的充电功率时，能量收集器输出的剩余能量供给电动操作、检测装置以及通讯装置等用电单元。
[0035] 当电网正常工作时，PT/CT持续从电网母线取电，一方面对配网终端设备用电单元供电，另一方面通过AC/DC充电模块与能量收集器协同对超级电容器模组充电。当超级电容器充满电后，协同能量收集器保持对超级电容器模组浮充，保持超级电容器模组一直处于满电状态。
[0036] 当电网出现故障的时候，PT/CT无法从电网取电，此时如果能量收集器的输出功率大于配网自动化终端设备功率需求，则由能量收集器供电的同时对超级电容器模组保持浮充状态；如果能量收集器的输出功率不能满足配网自动化终端设备的工作功率要求，例如瞬时功率要求很大的分合闸操作，则由超级电容器模组协同能量收集器同时提供操作电源。
[0037] 能量收集器种类的选择根据具体应用场合来决定，例如户外环网柜选择光伏电池作为能量收集器；能量收集器功率的匹配根据后备电源的储能能力，和能量收集器的工作时间等计算匹配。
[0038] 实施例1：
[0039] 在某一10KV户外环网柜改造过程中，环网柜自动化操作系统（包括
数据采集、处理、通讯以及分合闸操作等）所需电源为48V，最大功率需求 500W，其中电动分合闸要求在一个合闸过程(约70ms)内电压变化范围为48V的85%~110%，在一个分闸过程(约50ms)内电压变化范围为48V的65%~120%，在一个储能过程(约5s)内电压变化范围为48V的85%~110%。并且要求电源系统能满足在6个分合闸循环过程中保持上述电压范围。主电源断电后数据采集、处理以及通讯电源要求电压48V，最大功率20W，
平均功率4W，持续时间8小时。
[0040] 后备电源超级电容器模组根据环网柜自动化操作所需电量进行计算。超级电容器模组能量计算公式为
[0041] E=0.5C（Vm²-Vo²）
[0042] 其中，E为电容器组满载电量，单位J；C为超级电容器模组容量，单位F；Vm为超级电容器模组额定电压，单位V；Vo为超级电容器模组放电终止电压，单位为V。
[0043] 一般情况下，Vo=0.5Vm，则
[0044] E=0.5C（Vm²-Vo²）=75%×0.5CVm²
[0045] 可以看出，超级电容器模组放电深度高达75%，充分使用了超级电容器的潜能。
[0046] 5个分合闸循环过程总能量需求为500W×5s×2×6=30000J；
[0047] 匹配超级电容器采用2.7V 3000F超级电容器单体，其单体能量为0.5×3000F×2.7V×2.7V=10935J；
[0048] 2.7V 3000F超级电容器可用能量（以放电到1.35V计算）：10935J×0.75=8201J；
[0049] 8只上述单体组成模组可用能量：8201J×8=65608J；为6次分合闸操作所学能量的2倍有余。
[0050] 数据采集、处理以及通讯能量需求为4W×8h=3×8×3600J=115200J，可以看出选用的8只2.7V3000F超级电容器单体组成的超级电容器模组可用能量仅为数据采集、处理以及通讯能量需求的57%，增加超级电容器的单体数目会增加更大的成本和体积，因此本发明采用能量收集器的方法与超级电容器模组组成混合能量系统。
[0051] 由于此实施例为户外环网柜，选择光伏能量收集器与超级电容器模组作为混合能量系统。光伏能量收集器为21V20W光伏电池板，在主电源正常情况下，足以满足数据采集、处理以及通讯的能量需求，并把多余的能量供给超级电容器模组使之保持浮充状态。在主电源故障时，光伏能量收集器可以持续的保持对数据采集、处理以及通讯系统的供电，并在超级电容器模组供电进行电动操作后，甚至在其电压降至最低操作电压后90分钟内使其充满电。
[0052] 选择2.7V 3000F超级电容器单体8只串联组成21.6V 375F超级电容器模组作为系统后备电源，该超级电容器模组体积为600mm×200mm×130mm。
[0053] 选择21V20W光伏电池板作为能量收集器，其尺寸为520mm×460mm×25mm。
[0054] 本发明实施例工作原理如图1所示。正常工作状态下，PT/CT从环网柜进线取电，协同光伏能量收集器对环网柜内部运行状态数据进行采集，再由
数据处理模块对采集数据处理，然后通过通讯系统传输给远方控制中心，并通过充电
电路对超级电容器充电，当电容器组充满电后保持浮充状态。当突然出现电网故障的时候，PT/CT无法从母线取电，光伏能量收集器继续进行数据采集、处理以及通讯系统的供电并保持对超级电容器浮充；当需要分合闸操作时，超级电容器通过
升压电路输入48V电压，按照指令驱动
电机进行分合闸操作，本实施例所用超级电容器模组可满足分合闸循环12次，此时超级电容器模组电压降为10.8V，升压电路停止工作；在能量收集器能即使采集很微弱的能量时，仍能对超级电容器模组进行充电，正常日间环境下90分钟可使超级电容器模组充满电。
