[0001] 本发明涉及变电站直流电源管理技术领域，具体涉及一种基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理方法及系统。

[0002] 直流电源系统是变电站的重要组成部分，是继电保护控制装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等二次系统的供电电源，正常情况下，直流电源系统由站用交流电经整流装置提供，当突发交流失电时，站用直流电源系统转由蓄电池组供电，蓄电池组便成为唯一的直流电源。因此，蓄电池组被认为是变电站直流系统中最为核心部件之一，是变电站系统安全、稳定运行的重要保障。但是，目前无论双电双充直流电源系统还是单电单充直流电源系统都是单串联蓄电池组供电，任一节蓄电池失效都将导致整组蓄电池无法对外供电。

[0015] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0016] 参见图1，本申请实施例提供了一种基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，将基于超级电容储能的直流保障装置并联到直流母线上；
步骤2，当交流电正常供应时，直流保障装置给负载供电的同时，给超级电容补充放掉的电能；
步骤3，当交流电不能正常供应时，直流保障模块为直流母线提供供电需求；当超级电容的电压不能满足直流母线要求时，通过升压单元把超级电容的电压升高，以满足直流母线需求。

[0017] 本申请实施例中，交流电不能正常供应包括交流电断电、交流电不能提供直流母线所需电压即低于直流母线所需电压、电压波动较大等情况。本申请实施例形成超级电容直流保障技术方案，实现变电站系统直流系统短路故障切除的保护模式，消除目前的蓄电池由于短路故障回路无法切除，造成的直流母线整体失压的故障模式，加强直流系统的安全可靠运行。

[0018] 在一种实施方式中，所述基于超级电容储能的直流保障装置，包括：充电单元、电容模组、升压单元；所述充电单元用于为超级电容模组充电；
所述电容模组并联在直流母线上，所述电容模组采用先并后串的连接方式组成；
所述升压单元用于将电容模组输出的电压进行升压以满足直流母线需求。

[0019] 具体来说，所述基于超级电容储能的直流保障装置，包括：依次连接在母线上的充电单元、电容模组、升压单元；所述充电单元用于以交流电或者直流电为输入，并转换为变电站直流系统所需的直流电，输入到直流母线上；
所述电容模组位于充电单元的输出端且并联在直流母线上，所述电容模组采用先并后串的连接方式组成；
所述升压单元的一端连接电容模组，另一端连接直流系统负载，所述升压单元串联接入直流母线，所述升压单元包括升压电路和并联在升压电路的两端的二极管电路。

[0020] 本申请实施例中的直流保障装置，电路简单，实现给负载不间断供电、为直流母线供电、为超级电容充电的整合功能。

[0021] （A）当交流电正常供应时，交流电输入充电单元进行直流电转换；转换后一方面为电容模组充电，另一方面为直流系统负载供电；当电容模组充电完成后，停止为电容模组充电，仅为直流系统负载供电；（B）当交流电不能正常供应时，由充满电的电容模组为直流母线供电，直流电经升压单元时：
（B1）当电压不满足直流系统负载（直流母线）要求时，升压单元中的二极管电路不通而升压电路导通，通过升压电路提高直流母线的电压；
（B2）当电压满足直流系统负载（直流母线）要求时，升压单元中的二极管电路导通而升压电路不导通，直接采用电容模组提供的电压为直流系统负载供电。

[0022] 超级电容跟蓄电池的存电原理不同，超级电容的放电终止电压可以接近到零伏。为了能充分发挥电容器组内存储容量的释放，本申请实施例设计了一个支持低电压升压至正常工作电压的升压供电单元，该升压单元具有工作电压低、可靠性高、输出电压稳定的技术要求。即使电容模组放电后期的放电电压比较低，也可以通过升压单元继续为直流系统负载供电。

[0023] 在一种实施方式中，上述升压单元包括：电感L1、开关管Q1以及二极管D1，其中，电感L1的一端连接电容C1，电感L1的另一端分别连接二极管D1的阳极、MOS管Q1，二极管D1的阴极分别连接电容C2、负载电阻RL，电容C1的两端连接输入电压；电容C2的两端电压为负载电阻RL提供工作电压，给负载提供能量。该升压单元的升压的过程包括：（1）将开关管Q1导通，电感L1在输入电压的作用下，储存能量，由电容C2为负载电阻RL提供能量，维持负载电阻RL工作；此时电容C2两端的端电压在母线要求的电压范围内；
（2）当电容C2两端的端电压未达到母线要求的电压，将开关管不导通，电感L1储存的能量施加到电容C2，电容C2两端端电压增加，直至达到母线要求的电压范围；
（3）重复上述（1）和（2），控制电容C2两端的端电压始终达到母线要求的电压范围。

[0024] 在一种优选的实施方式中，电容模组连接有均衡电路，用于均衡各个单体电容的电压。

[0025] 参见图2，在一种实施方式中，所述的基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理方法，其运行管理方法，包括：步骤A1，获取充电过程中采样时间点对应的超级电容的电压、电流、温度数据；所述充电过程采用先恒流充电到预设电压，再基于预设电压恒压充电至电流小于预设值，确定充电过程结束；
步骤A2，基于充电过程中的电压、电流、温度数据以形成电压时序数据、电流时序数据、温度时序数据，并基于所述电压时序数据、电流时序数据、温度时序数据形成超级电容特征参数时序矩阵；
步骤A3，比较所有超级电容的特征参数时序矩阵，筛选出表征异常的特征参数时序矩阵及其对应的超级电容；
步骤A4，对于表征异常的特征参数时序矩阵对应的超级电容分析对应的超级电容的使用性能消耗进度。具体来说，可以基于超级电容的使用时长和特征参数时序矩阵中恒流充电阶段电压变化率、恒压充电阶段的时长、充电结束后静置阶段的电压损耗值、温度变化率确定所述表征异常的特征参数时序矩阵对应的超级电容的使用性能消耗进度。

[0026] 参见图3，在一种实施方式中，上述步骤A3，比较所有超级电容的特征参数时序矩阵，包括如下步骤：A301，基于所有超级电容的电压时序数据，获取投入使用时间较短的A个第一超级电容作为第一参考电容，获取第一参考电容的电压时序数据；
A302，基于第一参考电容的电压时序数据中恒流充电阶段电压上升速率对A个第一超级电容及其电压时序数据进行排序，去除孤立的时序数据，并对余下的时序数据基于电压上升速率的倒数计算权重；
A303，基于所有超级电容的电压时序数据与第一参考电容的电压时序数据计算相似度，所述相似度的计算过程中基于A个第一超级电容的对应权重加权计算；
A304，基于相似度大小对所有超级电容的使用性能进行排序，相似度大的表征超级电容性能优；
A305，获取从电压时序数据上表征超级电容性能差的B个超级电容，形成超级电容集B1；
A306，基于同样的思路即上述步骤A301‑A305提供的方法，利用所有超级电容的电流时序数据获取从电流时序数据超级电容性能差的B个超级电容，形成超级电容集B2、利用所有超级电容的温度时序数据获取从温度时序数据上表征超级电容性能差的B个超级电容，形成超级电容集B3；
A307，基于上述超级电容集B1、B2、B3中的超级电容获得至少一个超级电容作为第一预警超级电容。

[0027] 可以理解，在超级电容模组中一般采用同规格型号的多个超级电容串并联组合构成，最大程度保证单个超级电容的端电压均衡、多支路的电流均衡。本申请实施例中采用多个超级电容先并后串的连接方式组成。

[0028] 本申请实施例中，考虑超级电容模组中的超级电容存在单个超级电容单独替换维修的情况，超级模组中的不同电容的投入使用时间不同，导致超级模组中的不同电容具有不同的性能消耗情况，以投入使用时间最短的A个超级电容作为参考电容进行分析。

[0029] 上述进行相似度计算的过程中，考虑到在A个第一超级电容中，不同的超级电容的性能消耗情况并不能简单认为随投入使用时间的长短线性变化，A个第一超级电容对于表征超级电容最大性能情况的贡献度不同，对A个第一超级电容分别计算了权重。

[0030] 对A个第一超级电容及其电压时序数据进行排序，去除孤立的时序数据，可以根据第一超级电容恒流充电阶段电压上升速率与其他第一超级电容恒流充电阶段电压上升速率的距离大小去除孤立的时序数据。

[0031] 上述基于上述超级电容集B1、B2、B3中的超级电容获得至少一个超级电容作为第一预警超级电容，可以是基于上述超级电容集B1、B2、B3中重合的超级电容作为第一预警超级电容。

[0032] 参见图4，在另一种实施方式中，上述步骤A3，比较所有超级电容的特征参数时序矩阵，包括如下步骤：步骤A311，获取每个超级电容历史充电过程中的电压、电流、温度时序数据；
步骤A312，提取单个超级电容的多个充电过程中的电压时序数据的变化趋势特征（表征单个电容在性能逐渐下降过程中的充电电压曲线的变化规律，也表征了处于不同性能时期的超级电容的电压曲线的区别特征）；
步骤A313，基于电压时序数据的变化趋势特征，提取从电压时序数据表征性能变化大的C个超级电容形成超级电容集C1；
步骤A314，基于同样的思路即基于上述步骤步骤A311‑步骤A313的方法，提取从电流时序数据表征性能变化大的C个超级电容形成超级电容集C2、提取从温度时序数据表征性能变化大的多个超级电容形成超级电容集C3；
步骤A315，基于上述超级电容集C1、C2、C3中的超级电容获得至少一个第二预警超级电容。

[0033] 本申请实施例中，考虑同一超级电容模组中的超级电容是同时投入使用或者后续维修中同时替换同一超级电容模组中的所有超级电容等多种情况，导致超级电容模组中所有的超级电容的投入使用总时长大致相同的情况，对于这种情况，本申请实施例中，对于同一超级电容的历史所有电压、电流、温度变化情况进行分析，实现“自比较”过程，可以理解，本申请实施例中，认为超级电容在投入使用初始阶段的性能较优，随着投入使用的时长增加，性能呈逐渐下降趋势，但如果性能下降趋势出现异常，则表征该超级电容需要重点关注其性能消耗情况。

[0034] 所述基于上述超级电容集C1、C2、C3中的超级电容获得至少一个第二预警超级电容，包括：基于上述超级电容集C1、C2、C3中重合的超级电容作为第二预警超级电容。

[0035] 在一种实施方式中，上述步骤A312，提取单个超级电容的多个充电过程中的电压时序数据的变化趋势特征，包括：A3121，以第一次充电过程中的电压时序数据的变化曲线作为基础曲线；
A3122，分别计算其余每个充电过程电压时序数据与第一次充电过程的电压时序数据的差异度并进行累加得到第一累加和；
A3123，分别计算相邻两次充电过程中的电压时序数据的差异度并进行累加得到第二累加和；
A3124，基于第一累加和和第二累加和作为单个超级电容的多个充电过程中的电压时序数据的变化趋势特征。

[0036] 本申请实施例中，考虑从宏观角度来说，单个超级电容在多次充电过程中的电压时序数据所表征的电容性能是逐步下降的，从微观角度来说，在较短时间内或者较少充电次数之间电压时序数据所表征的电容性能下降并不是线性变化或者明显变化的，因此，本申请实施例中，采用多个差异度进行叠加的方式表征单个超级电容的多个充电过程中的电压时序数据的变化趋势特征，基于该变化趋势特征能有效基于较少充电次数的采集数据区分不同超级电容的性能变化差异。

[0037] 在一种实施方式中，步骤A313中，基于电压时序数据的变化趋势特征，提取从电压时序数据表征性能变化大的C个超级电容形成超级电容集C1，包括：步骤A3131，基于电压时序数据的变化趋势特征，计算超级电容的性能变化值，基于性能变化值的大小进行排序并获取性能变化值大于第一预设阈值的性能变化值对应的超级电容形成按照性能变化值大小排序的超级电容序列C1；其中，基于电压时序数据的变化趋势特征，计算超级电容的性能变化值，包括：基于第一累加和和第二累加和的乘积计算超级电容的性能变化值；
在另一种实施方式中，步骤A313中，基于电压时序数据的变化趋势特征，提取从电压时序数据表征性能变化大的C个超级电容形成超级电容集C1，包括：
步骤A3132，基于电压时序数据的变化趋势特征即第一累加和和第二累加和组成的向量，进行聚类，得到多个变化趋势特征类簇；
步骤A3133，针对多个类簇，基于类簇中第一累加和均值最大或者第二累加和均值最大的类簇对应的超级电容形成超级电容集C1。

[0038] 参见图5，在一种实施方式中，上述步骤A4中，对于表征异常的特征参数时序矩阵对应的超级电容分析对应的超级电容的使用性能消耗进度，包括：步骤A41，针对预警超级电容，定期进行恒流放电过程，采集恒流放电过程的电压、电流、时间数据；
步骤A42，基于所述恒流放电过程数据，计算得到超级电容等效电路参数，获得超级电容等效串联电阻和电容；
步骤A43，基于所述超级电容的多次恒流放电过程获得的等效电路参数，获得超级电容的等效串联内阻和电容的随时间变化曲线；
步骤A44，基于等效电路参数的时间变化曲线，监测超级电容的使用性能，等效电路参数的电容减小和/或等效串联电阻增大时，确定超级电容的使用性能下降；
步骤A45，基于等效电路参数的电容减小量和/或等效串联电阻增大量、超级电容的出厂初始等效电路参数确定超级电容的使用性能下降度。

[0039] 本申请实施例中，基于恒流放电过程得到的等效电路参数对预警超级电容的性能消耗进行分析，具体的，可以以出厂初始等效电路参数作为参考值，以电容减小量或者等效串联电阻增大量表征超级电容的使用性能下降度，当容量较初始容量下降了20%表示该超级电容失效，当达到超级电容初始等效串联电阻的2倍表示该超级电容失效。其中，基于恒流放电过程获得超级电容等效串联电阻和电容为已有技术，根据预先确定的超级电容等效电路模型和恒流放电过程的电气参数可以获得超级电容等效电路模型中的电阻值和电容值。例如，先确定超级电容等效电路模型，如果以超级电容并联一个等效并联电阻，同时串联一个等效串联电阻，等效并联电阻在超级电容充放电过程中可以忽略，根据电容的相关计算公式 ，可以根据恒流放电过程中一段时间内的恒定电流、电压变化量计算得到电容值，进而计算等效串联电阻。

[0040] 在一种实施方式中，上述步骤A45之后，还包括：A46，基于等效电路参数的时间变化曲线，分析异常变化时间点；基于异常变化时间点的超级电容的电压、电流、温度监测数据确定异常变化原因。

[0041] 本申请实施例提供进一步对超级电容故障异常的故障原因分析步骤。超级电容等效电路参数在长期的使用过程中，其等效电路参数是逐渐变化的，如果发生突变，则进一步定位排查原因。

[0042] 本申请实施例提供的基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理系统，包括：直流保障装置，所述直流保障装置为基于超级电容储能的直流保障装置，且所述直流保障装置并联到直流母线上；所述直流保障装置提供两种工作模式：一种工作模式为：
当交流电正常供应时，直流保障装置给负载供电的同时，给超级电容补充放掉的电能；另一种工作模式为：当交流电不能正常供应时，采用直流保障模块为直流母线提供供电需求；且当超级电容的电压不能满足直流母线要求时，通过升压单元把超级电容的电压升高，以满足直流母线需求。

[0043] 关于基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理系统的具体限定可以参见上文中对于基于超级电容储能的变电站直流电源运行管理方法的限定，在此不再赘述。

[0044] 本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。