一種基于資產生命周期的變電站蓄電池組運維策略研究

紀哲夫

摘 要：蓄電池作為變電站直流系統的后備電源，其設計壽命與實際運行壽命有較大不同，選擇長壽命的同時，必須付出更多的維護成本。綜合考慮采購成本、維護成本和安全因素，對變電站蓄電池組的不同管理方案通過資產全壽命周期成本分析，最終得出既能滿足電網可靠性要求，又能使蓄電池組的綜合投資最優化的管理策略。

關鍵詞：蓄電池；生命周期；數學建模；管理策略

中圖分類號：F273.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.066

1 目的及意義

目前，絕大部分變電站使用閥控式鉛酸蓄電池（下文簡稱“蓄電池”）作為變電站站用直流系統的后備電源。其設計壽命一般為10～12年，但從全國各地的長期實際運行經驗看，變電站蓄電池組一般的運行壽命為6～8年。圖1為某局2007—2012年更換蓄電池組統計圖，每組蓄電池的平均運行壽命約為7.5年。其中，使用壽命在8年及以下的占所有更換的蓄電池組的88%. 使用年限的差異主要是由于蓄電池的制造材料、制造工藝、運行方式、運行環境和維護方式等幾方面因素導致的。

本文著重從運行環境和維護方式兩方面制訂變電站蓄電池組的不同管理策略。

2 研究方式的選擇

電力設備全壽命周期成本（life cycle cost，LCC）是從設備的長期經濟效益出發，全面考慮設備從論證、研制、生產、運行、維護、故障直至報廢處置為止在壽命周期內所支付的所有費用的總和。當前國內外在電力系統方面進行的LCC研究，主要注重于對資產值較高高壓一次設備進行研究，在低壓及二次等資產值較低的一些設備，LCC研究方面則略顯空白。而一些低壓設備，例如變電站直流系統蓄電池組，其折算后的年使用成本也較高，管理策略不夠完善，需要通過LCC研究為其制訂科學的管理策略。變電站蓄電池組符合LCC研究對象的四個基本特征，即維護檢修費用大、關鍵部位產品、具備多選方案多廠家型號、研究結果可驗證?；谝陨蠗l件，本文對蓄電池組的LCC成本進行最優運維策略分析。

3 變電站蓄電池組特性

變電站蓄電池組通過多個單體電池串聯成組運行，當蓄電池組內有個體電池發生故障時，會導致整組蓄電池組性能下降甚至失效。如果新舊電池混用或不同廠家電池混用，則不同電池由于化學反應物質不同，端電壓不同，內阻也不同。將它們串聯使用，將造成不同蓄電池兩端的電壓不同，蓄電池加速損壞。在電池壽命前期和中期，整組電池的標準差σ幾乎不變，當σ出現明顯增大時，蓄電池的壽命就接近后期了。

根據混用的運行經驗，新舊蓄電池混用是無法達到穩定運行的要求的。對于同時期投運，但運行于不同地方的同型號蓄電池混用，則劣化影響沒有那么迅速?；煊煤?，蓄電池組容量能短時達到要求，但運行一年后，蓄電池組將會有多個蓄電池

容量不符合要求，整組蓄電池將報廢。即如果更換單體故障蓄電池，僅可延長蓄電池組使用壽命1年。

蓄電池組的這種相關特性，導致其無法進行修理。

4 蓄電池管理的LCC建模

下文我們將基于設備的全壽命周期成本，尋找既能滿足變電站直流電源系統的穩定運行，又能使蓄電池使用成本最低的運維策略。

下文假定所有單體蓄電池的質量、特性符合廠家的描述和規范的要求。

4.1 LCC模型

4.2 投入成本CI

蓄電池組的投入成本主要由蓄電池組購置成本、蓄電池架購置成本和安裝成本構成。根據蓄電池采購和安裝價格，可得蓄電池組的投入成本CI，如表1所示。

4.3 運行成本CO

蓄電池組的運行成本占蓄電池組整個生命周期成本的很大一部分，主要是由設備維護成本和環境維護成本構成。

4.3.1 設備維護成本

蓄電池組的設備維護成本主要是由蓄電池組外觀檢查、電壓測量、內阻測量、外觀清掃和核對性充放電工作費用組成。由于蓄電池組核對性充放電工作費用占維護工作費用的絕大部分，且核對性充放電的策略較為多樣化，因此下文我們主要討論蓄電池組進行核對性充放電工作的策略。

蓄電池組充放電試驗，按照全容量10 h放電率，放電10 h，充電15 h左右。一次充放電時間為26 h左右（不含來回路途時間）。一組蓄電池核容工作需3人/次，最少需要2個工作日，另外需要運行人員操作兩次。核容工作每次約需0.8萬元。

4.3.1.1 相關規定對蓄電池組核容的要求

根據《南方電網公司變電站充電機、蓄電池運維手冊》規定，110 kV變電站蓄電池組每三年進行1次全容量核對性充放電，220 kV及以上變電站蓄電池組每2年應進行1次全容量核對性充放電，運行6年以上的蓄電池組，應每年進行1次全容量核對性充放電，我們定義為核對性放電方式一。

4.3.1.2 蓄電池組廠家的核容建議

蓄電池廠家說明書均要求較為頻繁地進行全容量核對性放電，以保證蓄電池組內物質的活性。我們選取三個較為常用的蓄電池生產廠家對蓄電池的運行維護要求進行數據分析：①霍克（hawker），至少每年以0.1 C容量的20%～40%淺度循環放電一兩次；②埃諾斯-華達，每年以實際負荷做一次核對性放電，放出容量30%～40%，每年做一次容量試驗，放出額定容量80%；③日本湯淺（Yuasa），每年應對電池進行一次核對性放電，放出額定容量的30%～40%.

參考上述三種蓄電池的維護說明及相關規范要求，忽略規范對于不同容量的電池放電時間的不同，統一取次數最少的300 Ah電池的規定。同時，由于規范的要求是必須執行的，對于說明書不包含的深度放電試驗，必須額外增加。綜上所述可得，在蓄電池理論12年壽命周期內，按照蓄電池廠家說明書的要求，各品牌蓄電池組需要進行核對性容量試驗的次數如表2所示，平均約為23次。

4.3.2 環境維護成本

蓄電池的運行環境較為苛刻，對溫度非常敏感。蓄電池最佳運行溫度為20～25 ℃，如果運行溫度過高或過低，都將大大影響蓄電池組的使用壽命。現變電站使用的空調均為民用普通單冷空調，不間斷運行下壽命短，容易出現運行中斷現象，且無法制暖。如果選用工業精密機房空調，則會抬高使用成本。

根據市場價格，普通民用空調售價約為0.3萬元，使用壽命約為5年，年均使用成本約0.06萬元。工業精密機房空調售價約為1.5萬元，使用壽命約為10年，年均使用成本約0.15萬元。

4.3.3 運行成本建模

按照現有維護方式，即按照規范要求進行核對性放電，安裝民用空調，承受部分時間空調停運。根據統計，在該種運維方式下，蓄電池組的使用壽命在6～8年之間，以下統計取最高使用年限8年，我們定義為運行方式一。

假設按照蓄電池組說明書的要求維護蓄電池組，可得蓄電池組理論上的使用壽命為10～12年。以下統計取理論最高使用年限12年。按照廠家的要求，在全生命周期內約做23次核對性容量試驗，使用機房精密工業空調，保證運行的環境溫度，我們定義為運行方式二，蓄電池組的使用壽命為12年。

上述兩種運行方式的年均運行成本如下。

4.3.3.1 方式一：生命周期內運行成本

如表3所示，方式一下的生命周期內運行成本=8年生命

周期內核對性充放電次數×核對性充放電工作單價+普通空調年均使用成本×使用年限。

4.3.3.2 方式二：生命周期內運行成本

方式二下的生命周期內運行成本=12年生命周期內核對性充放電次數×核對性充放電工作單價+精密工業空調年均使用成本×使用年限）=23×0.8+0.15×12=20.2萬元（注：各型號電池運行成本相同）。

4.4 檢修維護成本CM

4.4.1 檢修維護方法

參考相關規范“經過三次全核對性放充電，蓄電池組容量均達不到其額定容量的80℅以上”，說明確認蓄電池組容量出現故障，必須通過三次全核對性放充電，即當我們第一次全容量核對性放電不合格后，需要多進行兩次核對性放電。

對于使用帶有硅降壓的直流系統，多采用54節運行的蓄電池組，可減少至52節蓄電池運行；108節運行的蓄電池組，可減少至104節蓄電池運行，將不會影響直流母線的電壓要求。

根據上述情況，當蓄電池組經三次全核對性放充電后，蓄電池容量均達不到其額定容量的80%，我們認為蓄電池出現故障，并將故障方式分為以下兩類：①54節電池運行的電池組發現2節及以內故障電池；108節電池運行的電池組發現4節及以內故障電池，我們定義為輕度故障。②54節電池運行的電池組發現超過2節故障電池，108節電池運行的電池組發現超過4節故障電池，我們定義為重度故障。

根據上述故障分類法，蓄電池組的檢修維護方法可分為以下三種：①更換整組電池；②退出故障電池，其他電池繼續使用，該方案僅適用于輕度故障，重度故障不適合使用此方式；③將故障電池更換為容量合格的電池。

如上文所述，如果更換單體故障蓄電池，可且僅可延長蓄電池組使用壽命1年。

蓄電池組必將經過輕度故障才會繼續劣化至重度故障。因此，如果在輕度故障時，就將不合格電池更換為合格的電池，則僅能延長蓄電池組1年的壽命。此時，通過維護方法二先將電池退出后，等電池組出現重度故障后再更換電池，則延長的壽命可大于1年。因此在蓄電池組輕度故障時，我們不選擇更換蓄電池。

更換單體蓄電池后，需再進行一次全容量核對性放電，確保蓄電池組容量符合要求。

4.4.2 檢修維護成本

根據4.4.1的敘述，我們確認蓄電池組容量不符合要求，需要多進行2次全容量核對性放電。由于減少了重復配合、重復接線的工作，多進行的2次全容量核對性放電的費用約為0.6×2=1.2萬元。因此我們定義確認不合格費用為1.2萬元。由于更換電池后，蓄電池組壽命增加一年，需增加一年的運行費用和第二年確認不合格費用。

根據4.4.1，蓄電池的三種檢修維護方法的價格分別為：更換整組電池費用為0，退出故障電池費用為0.2萬元，將故障電池更換為容量合格的電池費用為更換電池費用、一年的運行費用和第二年確認不合格費用的總和，即0.8+0.86+1.2=2.86萬元。

4.5 故障成本CF

變電站直流系統的主供電源是兩路分列運行的直流充電機，備用電源是兩路分列運行的蓄電池組，與充電機一一對應。在蓄電池發生故障時，需同時發生以下條件，方能導致電網負荷損失或事故范圍擴大，這是由于：①對應直流充電機發生故障，不能提供直流電源；②在一路直流電源發生故障，另外一路直流電源尚未投入之前，發生電網故障；③電網故障與該站有關，且相關設備保護及操作等直流電源有取自故障直流母線電源的。

該類情形發生的概率是很低的，且與本文研究的蓄電池組的運維策略關聯性較少，因此，在本文研究的蓄電池運維策略LCC模型中可以不計入故障成本。

4.6 廢棄成本CD

蓄電池組廢棄無增加的處置成本，退運的蓄電池組可進行拍賣，拍賣底價為蓄電池組價格的5%.按此計算，各類型蓄電池廢棄成本如表4所示。

5 蓄電池管理策略數學模型

5.1 管理策略

通過4.3.3和4.4.1中對運行方式、檢修維護方法和故障方式的敘述，我們通過選擇相應內容從其中組合出不同的管理策略，具體如表5所示。

5.2 數學建模

我們通過建立不同策略下數學模型來計算蓄電池組年均運行成本，比較不同的管理策略，并選擇最經濟的蓄電池組管理策略。數學模型為：年均運行成本=LCC/運行年限=CI+CO+CM+CF+CD/運行年限=（投入成本+運行成本+檢修維護成本+故障成本+廢棄成本）/運行年限。

5.2.1 模型例證

以最常用的300 Ah、110 V電壓等級蓄電池組為例，我們計算其策略二的年均成本。

策略二的年均成本=（投入成本+運行維護成本+檢修成本+故障成本+廢棄成本）/（運行年限+延長使用年限）=[（蓄電池組購買成本+蓄電池架購買成本+蓄電池安裝成本）+（8年生命周期內核對性充放電次數×核對性充放電工作單價+普通空調年均使用成本×使用年限）+退出故障電池費用0.2萬元+故障成本0萬元-拍賣收入]/（8年+1年）=（7+3.68+1.2+0.2+0-0.35）/9=1.3萬元。

通過同樣的方法，我們可計算出300 Ah、110 V電壓等級蓄電池組其他策略下的年均成本，具體如表6所示。

5.2.2 策略決策

通過上述策略年均成本的計算，我們可得到如下策略決策：①當蓄電池發生輕度故障時，采用策略二；②當蓄電池發生重度故障時，采用策略A。

6 總結

6.1 運維策略的選擇

總結上文對于各型號各類型的蓄電池組運維策略的分析，可得蓄電池組運維策略如下表7所示。

6.2 運行方式的選擇

從上述三種容量、兩種電壓等級的蓄電池組運維策略可看出，不論何種電池，采用運維策略一或策略二成本均小于策略三或策略四；采用策略A或策略B成本均小于策略C或策略D。即所有的蓄電池組采用運行方式一運行，其成本小于采用運行方式二運行。

按使用最為廣泛的300 Ah、110 V電壓等級蓄電池組計算，運行方式一的蓄電池組壽命約為8年，全生命周期成本約為11.5萬元，年均成本約為1.3萬元。而采用運行方式二的蓄電池組壽命約為12年，其全生命周期成本約為28萬元，年均成本約為2.34萬元。

按此計算，方式一比方式二每組蓄電池每年可省下成本約1萬元，如果按每局400組蓄電池計算，每年可省成本約400萬元。因此，雖然采用運行方式一的蓄電池組壽命較短，但其運行成本大大低于采用運行方式二運行的蓄電池組。因此，考慮經濟問題，我們采用方式一對所有蓄電池進行運維，而不采用方式二。

7 結論

7.1 采用方式一對所有蓄電池進行運維

按照規范要求進行核對性放電，安裝民用空調，承受部分時間空調停運，此運行方式最為經濟。該種運行方式下蓄電池組使用壽命約為8年。如果為了達到蓄電池組12年的設計壽命，每局每年約需多支付400萬元的維護成本。

7.2 對不同的蓄電池組需采用不同的運維策略

由于蓄電池組容量、電壓等級、重要性均不相同，只有選用不同的運維策略，才能在保證安全性的同時，達到最佳的經濟效益。

參考文獻

[1]史京楠，韓紅麗，徐濤.全壽命周期成本分析在變電工程規劃設計中的應用[J].電網技術，2009（09）.

[2]桂長清.實用蓄電池手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

〔編輯：王霞〕

Abstract： The battery as a backup power supply of substation DC system， it is different to its design life and the actual operation life， choose long life at the same time， must pay the maintenance costs more. Considering the purchase cost， maintenance cost and safety factors， different management scheme of substation battery through the asset life cycle cost analysis， finally draw the conclusion that both can satisfy the reliability of the network， but also can make the comprehensive investment optimization of battery group management strategy.

Key words： battery； life cycle； mathematical modeling； management strategy