變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與在線核容活化研究

宋會(huì)平，楊東熏，盧 萍，楊 銘，徐玉鳳，李永祥

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

變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與在線核容活化研究

宋會(huì)平1，楊東熏1，盧 萍2，楊 銘2，徐玉鳳3，李永祥3

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

通過分析現(xiàn)有蓄電池運(yùn)維存在的問題，提出了蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)告警的嚴(yán)重問題，不僅保證了變電站的安全可靠運(yùn)行，而且可替代年度核容放電工作，真正實(shí)現(xiàn)蓄電池的免維護(hù)。

變電站蓄電池；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；在線核容

0 引言

變電站、發(fā)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(yùn)行的心臟，一旦出現(xiàn)問題，將造成事故擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。然而目前電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)卻存在問題，不能有效發(fā)現(xiàn)蓄電池劣化、開路等嚴(yán)重缺陷，即使蓄電池容量降到零也不能及時(shí)告警，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，由于交流異常充電機(jī)不能正常工作，全站將失去直流，本站保護(hù)將拒動(dòng)，最終導(dǎo)致越級(jí)跳閘或變壓器燒毀。

目前變電站、發(fā)電廠采用的蓄電池雖然多是免維電池，但還是要求定期進(jìn)行核容放電試驗(yàn)，其主要目的是核實(shí)電池的容量，并活化電池，如果這兩個(gè)功能能夠在線自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則將極大提高直流系統(tǒng)的供電可靠性，減少蓄電池的運(yùn)維工作量，真正實(shí)現(xiàn)蓄電池的免維護(hù)。

1 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)維護(hù)存在的問題

目前蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)維護(hù)采用在線和離線相結(jié)合的方法進(jìn)行，在線主要是電壓監(jiān)測(cè)，離線主要有電壓監(jiān)測(cè)、內(nèi)阻測(cè)試、核容放電等，采用這些方式對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、活化及容量校核，存在下列主要問題。

（1）劣化電池不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)驗(yàn)證明發(fā)現(xiàn)劣化電池的主要途徑是內(nèi)阻測(cè)試和核容放電，而不是浮充電壓下的電壓測(cè)量，但配置的電池巡檢裝置多數(shù)只能監(jiān)視電壓，而即使電池內(nèi)阻增加很大，但由于整組浮充電壓的鉗制，測(cè)試的劣化電池單體電壓還是變化不大，更何況多數(shù)巡檢裝置測(cè)量不準(zhǔn)，告警功能多已退出運(yùn)行；人工內(nèi)阻測(cè)試雖可判斷劣化電池，但存在判斷標(biāo)準(zhǔn)問題，核容放電雖直觀明了，但麻煩且不能保證及時(shí)性。

（2）電池容量不能及時(shí)掌握：電池容量目前只能依賴核對(duì)性放電試驗(yàn)才能掌握，而核對(duì)性放電絕大多數(shù)只能人工定期進(jìn)行，由于工作量大且麻煩，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)直流系統(tǒng)崩潰才能發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

（3）在線自動(dòng)核對(duì)放電安全性差：目前有些變電站試點(diǎn)采用遠(yuǎn)程或自動(dòng)核對(duì)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(gòu)、放電電阻柜內(nèi)發(fā)熱等可靠性、安全性風(fēng)險(xiǎn)，推廣應(yīng)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(duì)性放電試驗(yàn)，如果核對(duì)性放電試驗(yàn)開展不好，則只有均充時(shí)的部分活化功能了，電池活化需要充和放雙向進(jìn)行，如果核對(duì)性放電欠缺，則電池只剩充電活化了，長期這樣是會(huì)影響蓄電池壽命的，同時(shí)核對(duì)性放電試驗(yàn)過深、過頻，也會(huì)影響蓄電池壽命；目前對(duì)落后電池的單體活化更是開展不力，落后電池會(huì)逐步劣化，內(nèi)阻逐漸增大，直至開路，蓄電池容量降為零。

2 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)維護(hù)新思路

要解決上述運(yùn)維蓄電池存在的問題，最根本的方法是完善蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和在線維護(hù)，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(tài)監(jiān)測(cè)：除常規(guī)監(jiān)測(cè)電池電壓外，還需考慮監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻、表面溫度和容量，并對(duì)劣化電池、容量缺失等及時(shí)告警。目前電池電壓、內(nèi)阻、溫度監(jiān)測(cè)已比較成熟，問題主要在不改變現(xiàn)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(dòng)在線核容：本方案采用更改充電機(jī)的均充程序，在均充前增加帶負(fù)荷放電流程。具體方法是在均充程序啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)降低充電機(jī)的浮充電壓設(shè)置，從而讓蓄電池對(duì)負(fù)荷進(jìn)行放電（這時(shí)亦可外接電阻進(jìn)行I10放電），放電到新設(shè)定的浮充電壓后，充電機(jī)自動(dòng)恢復(fù)原浮充電壓設(shè)置，蓄電池自動(dòng)轉(zhuǎn)為均充。在放電過程中，采用積分的方法計(jì)算蓄電池放出的容量，并對(duì)歷次放電進(jìn)行縱向比對(duì)，結(jié)合內(nèi)阻測(cè)試等估算蓄電池的實(shí)際容量，對(duì)容量不足進(jìn)行預(yù)警。

自動(dòng)在線活化：活化分整體活化和單體活化，定期對(duì)蓄電池進(jìn)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(gè)蓄電池上的多功能模塊，在浮充狀態(tài)下對(duì)落后單體電池進(jìn)行活化，及時(shí)對(duì)過充的電池進(jìn)行放電，對(duì)欠充的電池進(jìn)行補(bǔ)充，從而完成對(duì)蓄電池的在線活化處理。

3 實(shí)施方法

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控終端和測(cè)控模塊組成，如圖1所示，每個(gè)電池配一模塊，以便測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)內(nèi)阻和單體活化，模塊采集的信息通過CAN數(shù)據(jù)總線上傳到監(jiān)控終端，再通過485總線和監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信，完成蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集工作；同時(shí)接受監(jiān)控主機(jī)下發(fā)的內(nèi)阻測(cè)試等命令，由監(jiān)控終端輸出低頻交流信號(hào)并協(xié)調(diào)各模塊對(duì)電池進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試，采用交流法測(cè)試內(nèi)阻，能更好地保證測(cè)試精度。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建圖Fig.1 DC system structure

3.2 劣化電池判斷

提前預(yù)警劣化電池，是蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要功能。本裝置能夠在各種充放電狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)蓄電池的狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)分析，判斷出劣化電池，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

3.2.1 浮充電狀態(tài)下劣化電池判斷

浮充電狀態(tài)下可以根據(jù)蓄電池內(nèi)阻和單體電壓判斷劣化電池，當(dāng)某蓄電池內(nèi)阻和其平均值相比高很多時(shí)（可整定），則發(fā)出電池劣化預(yù)警，一般內(nèi)阻高30%，其容量就會(huì)不滿足要求，因此可按130%～150%進(jìn)行整定。

根據(jù)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(cè)量誤差較大的原因，一般可按高（低）于平均值的10%～15%進(jìn)行整定，需要注意的是該判據(jù)只適應(yīng)于浮充電狀態(tài)，因此需根據(jù)電壓或電流判斷電池所處的狀態(tài)，當(dāng)I≤-0.1I10或U≤2.22N（N為電池只數(shù)）時(shí)判為放電狀態(tài)；當(dāng)I≥0.1I10或U≥2.28N時(shí)判為充電狀態(tài)；兩者均不滿足時(shí)判為浮充電狀態(tài)。

3.2.2 充放電狀態(tài)下劣化電池判斷

充放電狀態(tài)下可以根據(jù)蓄電池單體電壓和溫度判斷劣化電池，充放電狀態(tài)采用電壓判斷劣化電池要比浮充電時(shí)更容易，因?yàn)榱踊姵卦诔浞烹姞顟B(tài)下電壓變化更靈敏，更容易和平均電壓拉開距離，判斷會(huì)更加準(zhǔn)確，其判斷門檻在放電時(shí)可縮小一倍（5.0%～7.5%自動(dòng)調(diào)整），在充電時(shí)可保持不變；過溫判斷劣化電池也是和其平均值相比，當(dāng)高于定值時(shí)則預(yù)警（一般可整定10～20℃）。

3.3 蓄電池狀態(tài)可視化

通過一張圖表直接反映蓄電池的實(shí)際狀態(tài)及其變化過程如圖2所示，蓄電池在整個(gè)投運(yùn)過程中相關(guān)狀態(tài)的變化能夠在這一張圖中得到完整反映。

圖2 蓄電池狀態(tài)變化數(shù)據(jù)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(shí)生成一次充放電數(shù)據(jù)，可縱向比對(duì)歷次充放電容量，當(dāng)放電容量小于設(shè)定容量時(shí)，裝置將發(fā)出告警信號(hào)；圖中左側(cè)表格反映當(dāng)前和最初投運(yùn)時(shí)蓄電池的相關(guān)狀態(tài)，更直接表明蓄電池的充放電容量、內(nèi)阻、溫度和相關(guān)電流電壓的變化情況。

3.4 蓄電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

更人性化展示蓄電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)如圖3所示，裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度，自動(dòng)判斷其最大值、最小值和平均值，并對(duì)異常電池著色，方便對(duì)眾多單體電池測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查看；點(diǎn)擊電池編號(hào)，可生成該電池的內(nèi)阻歷史曲線。

圖3 蓄電池實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)性放電試驗(yàn)要求自動(dòng)生成放電試驗(yàn)記錄，并可導(dǎo)出試驗(yàn)報(bào)告，按“曲線”按鈕，能自動(dòng)生成放電曲線，并能再現(xiàn)放電初期電壓陡降復(fù)升現(xiàn)象，根據(jù)陡降復(fù)升現(xiàn)象的強(qiáng)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(shù)據(jù)Fig.4 Battery discharge data

4 結(jié)語

加強(qiáng)蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在線核容和在線活化功能，及時(shí)對(duì)劣化電池、容量缺失等進(jìn)行告警，可有效減少或不再進(jìn)行蓄電池的核容放電、內(nèi)阻測(cè)試等工作，降低運(yùn)維檢修人員的工作量，真正實(shí)現(xiàn)蓄電池的免維護(hù)，達(dá)到直流系統(tǒng)狀態(tài)檢修的目的。

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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(huì)平（1965），男，湖北荊州人，高級(jí)工程師。

湖北省電力公司2015年度科技項(xiàng)目（編號(hào)5215J014006U）。