變電站蓄電池狀態監測與在線核容活化研究

宋會平，楊東熏，盧 萍，楊 銘，徐玉鳳，李永祥

（1.國網湖北省電力公司荊州供電公司，湖北 荊州 434000；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；3.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 511430）

變電站蓄電池狀態監測與在線核容活化研究

宋會平1，楊東熏1，盧 萍2，楊 銘2，徐玉鳳3，李永祥3

（1.國網湖北省電力公司荊州供電公司，湖北 荊州 434000；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；3.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 511430）

通過分析現有蓄電池運維存在的問題，提出了蓄電池狀態監測與在線核容活化的新方法，有效解決了蓄電池劣化、容量下降而不能及時告警的嚴重問題，不僅保證了變電站的安全可靠運行，而且可替代年度核容放電工作，真正實現蓄電池的免維護。

變電站蓄電池；狀態監測；在線核容

0 引言

變電站、發電廠一般采用蓄電池作為其電源，可以說是保證變電站可靠運行的心臟，一旦出現問題，將造成事故擴大，嚴重威脅電網安全運行。然而目前電池的狀態監測卻存在問題，不能有效發現蓄電池劣化、開路等嚴重缺陷，即使蓄電池容量降到零也不能及時告警，當電網故障時，由于交流異常充電機不能正常工作，全站將失去直流，本站保護將拒動，最終導致越級跳閘或變壓器燒毀。

目前變電站、發電廠采用的蓄電池雖然多是免維電池，但還是要求定期進行核容放電試驗，其主要目的是核實電池的容量，并活化電池，如果這兩個功能能夠在線自動實現，則將極大提高直流系統的供電可靠性，減少蓄電池的運維工作量，真正實現蓄電池的免維護。

1 現有監測維護存在的問題

目前蓄電池的狀態監測維護采用在線和離線相結合的方法進行，在線主要是電壓監測，離線主要有電壓監測、內阻測試、核容放電等，采用這些方式對蓄電池狀態進行監測、活化及容量校核，存在下列主要問題。

（1）劣化電池不能及時發現：經驗證明發現劣化電池的主要途徑是內阻測試和核容放電，而不是浮充電壓下的電壓測量，但配置的電池巡檢裝置多數只能監視電壓，而即使電池內阻增加很大，但由于整組浮充電壓的鉗制，測試的劣化電池單體電壓還是變化不大，更何況多數巡檢裝置測量不準，告警功能多已退出運行；人工內阻測試雖可判斷劣化電池，但存在判斷標準問題，核容放電雖直觀明了，但麻煩且不能保證及時性。

（2）電池容量不能及時掌握：電池容量目前只能依賴核對性放電試驗才能掌握，而核對性放電絕大多數只能人工定期進行，由于工作量大且麻煩，現場一般都開展得不好，電池還有多少容量不是很清楚，往往要等到故障時直流系統崩潰才能發現，嚴重威脅電網的安全運行。

（3）在線自動核對放電安全性差：目前有些變電站試點采用遠程或自動核對性充放電，需要接入放電電阻，更改直流二次回路，存在直流充放電回路重構、放電電阻柜內發熱等可靠性、安全性風險，推廣應用困難。

（4）電池活化存在問題：目前電池活化主要依賴均衡充電和核對性放電試驗，如果核對性放電試驗開展不好，則只有均充時的部分活化功能了，電池活化需要充和放雙向進行，如果核對性放電欠缺，則電池只剩充電活化了，長期這樣是會影響蓄電池壽命的，同時核對性放電試驗過深、過頻，也會影響蓄電池壽命；目前對落后電池的單體活化更是開展不力，落后電池會逐步劣化，內阻逐漸增大，直至開路，蓄電池容量降為零。

2 蓄電池狀態監測維護新思路

要解決上述運維蓄電池存在的問題，最根本的方法是完善蓄電池的狀態監測和在線維護，即有效解決蓄電池的在線核容和在線活化問題。

蓄電池狀態監測：除常規監測電池電壓外，還需考慮監測蓄電池的內阻、表面溫度和容量，并對劣化電池、容量缺失等及時告警。目前電池電壓、內阻、溫度監測已比較成熟，問題主要在不改變現有直流二次回路、保證安全的條件下校核蓄電池的容量。

自動在線核容：本方案采用更改充電機的均充程序，在均充前增加帶負荷放電流程。具體方法是在均充程序啟動時自動降低充電機的浮充電壓設置，從而讓蓄電池對負荷進行放電（這時亦可外接電阻進行I10放電），放電到新設定的浮充電壓后，充電機自動恢復原浮充電壓設置，蓄電池自動轉為均充。在放電過程中，采用積分的方法計算蓄電池放出的容量，并對歷次放電進行縱向比對，結合內阻測試等估算蓄電池的實際容量，對容量不足進行預警。

自動在線活化：活化分整體活化和單體活化，定期對蓄電池進行均衡充電（先放電再充電），完成蓄電池的整組活化和均衡；依靠掛接在每個蓄電池上的多功能模塊，在浮充狀態下對落后單體電池進行活化，及時對過充的電池進行放電，對欠充的電池進行補充，從而完成對蓄電池的在線活化處理。

3 實施方法

3.1 系統構建

系統由監控主機、監控終端和測控模塊組成，如圖1所示，每個電池配一模塊，以便測溫、測壓、測內阻和單體活化，模塊采集的信息通過CAN數據總線上傳到監控終端，再通過485總線和監控主機進行通信，完成蓄電池狀態數據采集工作；同時接受監控主機下發的內阻測試等命令，由監控終端輸出低頻交流信號并協調各模塊對電池進行內阻測試，采用交流法測試內阻，能更好地保證測試精度。

圖1 系統構建圖Fig.1 DC system structure

3.2 劣化電池判斷

提前預警劣化電池，是蓄電池狀態監測的一個重要功能。本裝置能夠在各種充放電狀態下，監測蓄電池的狀態參數，并對其進行狀態分析，判斷出劣化電池，并發出預警信號。

3.2.1 浮充電狀態下劣化電池判斷

浮充電狀態下可以根據蓄電池內阻和單體電壓判斷劣化電池，當某蓄電池內阻和其平均值相比高很多時（可整定），則發出電池劣化預警，一般內阻高30%，其容量就會不滿足要求，因此可按130%～150%進行整定。

根據浮充電壓判斷劣化電池一般比較困難，主要是劣化電池單體電壓變化較小，而電壓測量誤差較大的原因，一般可按高（低）于平均值的10%～15%進行整定，需要注意的是該判據只適應于浮充電狀態，因此需根據電壓或電流判斷電池所處的狀態，當I≤-0.1I10或U≤2.22N（N為電池只數）時判為放電狀態；當I≥0.1I10或U≥2.28N時判為充電狀態；兩者均不滿足時判為浮充電狀態。

3.2.2 充放電狀態下劣化電池判斷

充放電狀態下可以根據蓄電池單體電壓和溫度判斷劣化電池，充放電狀態采用電壓判斷劣化電池要比浮充電時更容易，因為劣化電池在充放電狀態下電壓變化更靈敏，更容易和平均電壓拉開距離，判斷會更加準確，其判斷門檻在放電時可縮小一倍（5.0%～7.5%自動調整），在充電時可保持不變；過溫判斷劣化電池也是和其平均值相比，當高于定值時則預警（一般可整定10～20℃）。

3.3 蓄電池狀態可視化

通過一張圖表直接反映蓄電池的實際狀態及其變化過程如圖2所示，蓄電池在整個投運過程中相關狀態的變化能夠在這一張圖中得到完整反映。

圖2 蓄電池狀態變化數據Fig.2 Battery varied status measurement data

圖中曲線反映相同放電終止電壓條件下的充放電容量變化，每季度均充時生成一次充放電數據，可縱向比對歷次充放電容量，當放電容量小于設定容量時，裝置將發出告警信號；圖中左側表格反映當前和最初投運時蓄電池的相關狀態，更直接表明蓄電池的充放電容量、內阻、溫度和相關電流電壓的變化情況。

3.4 蓄電池實時數據監測

更人性化展示蓄電池的實時狀態如圖3所示，裝置能夠實時測量蓄電池的電壓、內阻和溫度，自動判斷其最大值、最小值和平均值，并對異常電池著色，方便對眾多單體電池測量數據進行查看；點擊電池編號，可生成該電池的內阻歷史曲線。

圖3 蓄電池實測數據Fig.3 Battery real-time detection data

3.5 蓄電池放電記錄

如圖4所示，裝置能夠按核對性放電試驗要求自動生成放電試驗記錄，并可導出試驗報告，按“曲線”按鈕，能自動生成放電曲線，并能再現放電初期電壓陡降復升現象，根據陡降復升現象的強弱，完全可以初步判斷蓄電池的容量是否滿足要求。

圖4 蓄電池放電數據Fig.4 Battery discharge data

4 結語

加強蓄電池的狀態監測，實現在線核容和在線活化功能，及時對劣化電池、容量缺失等進行告警，可有效減少或不再進行蓄電池的核容放電、內阻測試等工作，降低運維檢修人員的工作量，真正實現蓄電池的免維護，達到直流系統狀態檢修的目的。

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Wei Ruhai,Chen Dan.Brief Analysis on the Application of the Single Battery on Line Activation Technology in the Large Hydropower Station[J].Science and Technology Entrepre?neurs,2012(15):139.

Study on Condition Monitoring and On-line Capacity Checking and Activation for Substation Battery

SONG Huiping1,YANG Dongxun1,LU Ping2,YANG Ming2, XU Yufeng3,LI Yongxiang3
（1.Jingzhou Power Supply Company of State Grid Hubei Electric Power Company,Jingzhou Hubei 434002,China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China; 3.Guangzhou Qianshun Electronic Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 511430,China)

The existing maintenance problems of substation battery are analyzed in this paper, and a new method of condition monitoring and on-line capacity checking and activation for substa?tion battery is proposed,which effectively achieved timely alarm for degradation and capacity loss of battery.Not only the safe operation of substation is insured,but also work of annual capacity checking and discharging is replaced,which truly realizes the free maintenance of battery.

substation battery;condition monitoring;on-line capacity checking

TM912;TM63

A

1006-3986(2016)04-0029-03

10.19308/j.hep.2016.04.007

2016-03-01

宋會平（1965），男，湖北荊州人，高級工程師。

湖北省電力公司2015年度科技項目（編號5215J014006U）。