配網自動化終端蓄電池在線監測系統的設計及應用

周仁才+王棟+屠新強+張蔡洧

摘 要：配網自動化終端是高度智能化器件，其功能的發揮依賴于電源部分的穩定。文章鑒于配網自動化終端中用做后備電源的蓄電池的常見異常，提出建立蓄電池在線監測及維護系統，以使蓄電池問題可得到及時警報，并留有充裕時間進行處理。文章的研究層次清晰、內容詳實，可為配網自動化運維工作的提升提供有效借鑒。

關鍵詞：配網自動化 蓄電池 在線監測 報警

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0005-02

配電自動化終端（DTU）裝置，集遙測、遙信、遙控、保護和通信等功能于一體[1]，廣泛應用于配電室、環網柜、開閉所、柱上開關等場合。DTU各項功能的發揮離不開供電模塊的穩定。DTU的供電一般由外部公網和后備蓄電池共同提供[2]。其中，外部公網負責正常情況下的電能供給；蓄電池負責異常狀態下（即外部公網出現事故）的電能提供。顯然，蓄電池的作用是輔助性質的，但鑒于DTU運行環境的惡劣性，保證蓄電池后備功能的正常是非常重要的。

1 問題的提出

DTU作為配網自動化的基礎設備，為實現配電自動化各項功能打下了堅實的基礎，但是在設備運行過程中，提供后備電源的蓄電池（鉛酸型）在運行一段時間后經常出現以下問題[3]：蓄電池漏液、電池變形、短路、斷路、返極、不可逆硫酸鹽化、單只落后、活性物質脫落、電池充不進電等。目前，對于以上問題尚缺少一種很好的事先預控手段。

鑒于此，筆者在參閱大量文獻基礎上，結合自身工作經驗，設想研發一種可以在線監測/維護DTU裝置內蓄電池部件的設備，該設備可監測到蓄電池的電壓、電流、溫度、內阻等各種參數并實時上傳至后臺系統，經由數學模型辨識后實時異動報警，以提醒運行人員盡快處理。

2 研究現狀

當前關于配電自動化終端后備電源（即蓄電池組）的監測裝置研究有所開展，但其在數據監測上存在以下問題。

（1）對直流系統電流、電壓量的采集、蓄電池浮充電壓的采集時間間隔較寬，通常是按照分鐘、小時級別的間隔來進行采集，不能滿足在故障狀態下數據采集的頻度及精度需求。

（2）對直流系統采集的數據不能長時間保存，特別是對直流系統絕緣狀況的變化、蓄電池浮充電壓的監測數據等需分析變化趨勢的需求不滿足。

（3）對直流電源模塊、蓄電池、直流回路絕緣、直流回路電源質量、直流負載變化等數據的采集分析缺乏綜合分析能力，無法解釋直流電源對保護及自動裝置運行的影響程度。

（4）在線監測的數據大都為一些狀態信息，沒有更深層次的故障模型與故障診斷分析能力，更沒有根據故障原因進行自主維護和修復的能力。

綜上所述，該項研究的要點是：建立一個可靠的、安全的蓄電池數據庫，根據蓄電池組監測數據的類型及特點構建蓄電池性能分析診斷模型，以使落后/異動蓄電池的報警不漏報、不誤報。

3 蓄電池性能分析數學建模的可行性

大量的蓄電池運行經驗告訴我們，隨著電池使用時間的增加，電池性能不斷劣化，電池容量不斷下降，而此時電池電壓的離散性也會變得愈來愈大。找出其中規律，并以一種可用的數學模型表達，即可成為可用的電池測試分析手段。

蓄電池失效數學模型的判定依據如下：

（1）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對于自身的電池電壓離散度將逐步變大。

（2）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對于整組電池的電池電壓離散度將逐步變大。

（3）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對于自身的內阻值將逐步變大。

（4）伴隨著電池性能的劣化，該電池的充放電曲線電壓之差相對于電池組其它電池的值將逐步變大。

由于電池電壓數據每時每刻都在產生，面對海量數據，不能通過簡單的函數關系來進行處理。在蓄電池失效分析數學建模中，筆者認為，可采用模糊數學和人工神經網絡的診斷原理，以一種非線性處理方式，以某種拓撲結構對各種數據進行關聯，并得出判斷結論。

4 項目實施流程及目標期冀

DTU裝置內置蓄電池的在線監測及維護系統的開發是一項復雜工作。

（1）第一步，對蓄電池組監測數據、故障診斷、報警裝置進行需求分析調研，并形成詳細的需求分析報告，這其中包括正常運行監測數據需求和故障狀態監測數據需求分析、故障信息的采集原則和采集方法分析、故障信息采集裝置的需求分析、直流系統各類異常或缺陷特征分析、故障分析系統的建模的需求分析等。

（2）第二步，對蓄電池組自主均衡維護和故障報警功能的需求進行研究，形成分析報告。

（3）第三步，根據以上需求分析，研制蓄電池組監測裝置中實現性能分析、故障診斷、自主均衡維護等功能的硬件。要求以這些硬件為主體的監測裝置可根據運行狀態不同，以快速（失電和故障狀態下）和慢速（正常運行狀態）采集以下各類信息：直流電源輸入輸出電壓、電流曲線；蓄電池組浮充、均充、核對性放電狀態、事故放電狀態下的各類信息；蓄電池組運行環境數據等。

（4）第四步，將研制的蓄電池組故障診斷與自主均衡維護、報警裝置進行現場安裝、調試，試運行，同時做好服務器搭建工作，將信息及時分類存入數據庫，通過狀態分析系統的分析和歸類，逐步建立數據模型和分析原型。

（5）第五步，根據積累的數據，對狀態診斷、分析模型和自主均衡維護進行修正，并擴大應用到其他站點。

目標期冀：①建立一套具備專利技術的并通過大量數據驗證的蓄電池性能分析診斷模型；②形成科學的蓄電池組在線維護機制：在蓄電池組浮充狀態中即可對落后的蓄電池進行均衡維護，且不影響其他正常電池的電壓。

5 設計思路

設計思想主要體現在以下幾個方面：

（1）采用高精度A/D測量蓄電池電壓，有效反映電池電壓的變化。

（2）采用四線制直流內阻測試方法，在線準確測試蓄電池內阻。

（3）內置蓄電池性能分析模型，包含蓄電池電壓分析模型和綜合分析模型。

（4）根據電壓及內阻的變化，及時判斷蓄電池的工作狀態，當發現蓄電池呈現欠充或過充趨勢時，在線進行調整，恢復蓄電池的正常工作狀態，延長蓄電池使用壽命。

（5）采用簡潔的電路設計方案，在保證功能和性能的前提下，實現低成本設計。

6 系統架構

根據以上分析，可建立如圖1所示的系統拓撲圖。由圖1可知，該系統為三層結構，即現場監測層、網絡數據傳輸層和遠程分析層。

（1）現場監測層監測內容與實現。現場安裝蓄電池組監護模塊、控制主機遠程放電模塊、電流傳感器、溫度傳感器等模塊，系統主機與監控模塊通過RS485總線連接，可實時監測蓄電池組充放電數據、浮充電壓數據、內阻數據、核對性放電數據等，并通過控制主機送到遠程系統服務器，實現蓄電池組充放電信息及健康狀況信息的遠程監測與管理。

（2）網絡傳輸層。設備自帶網絡通訊功能，可直接接入局域網，無須通過計算機轉發及現場編程，降低成本投入。

（3）診斷分析與應用層。數據發布應用平臺對存入數據庫的各類數據提供詳細的分類處理、WEB查詢、監測管理等功能。具體來說，就是可實時展示蓄電池組各單體電池充放電曲線、性能值，蓄電池性能分析數學模型根據這些數據進行綜合分析，判斷蓄電池是否已硫化、是否處于過沖或欠充狀態，對已硫化的電池啟動硬件進行充放電除硫處理，對處于過充或欠充的電池啟動在線均衡維護，并可查詢修復后的效果及具體數值。

7 應用情況分析

在該項研究取得成功后，將其應用到東部某供電公司。經過2016年近一年的運行，將所取得的效果與2015年進行比對，詳見表1所示。由表1可知，蓄電池組在線監測維護系統的安裝實現了蓄電池組狀態的實時監測、故障報警、遠程放電維護，減少了維護人員的工作量，同時也排除了測量方式不一致所造成的測量誤差，并使蓄電池的報廢率降低，對環境改善起到正向作用，最終提高了配網自動化系統的運行水平。

8 結語

通過蓄電池組在線監測維護系統，可實時掌握蓄電池內部健康數據，延長蓄電池的生命周期、降低購置成本，減少因報廢電池產生的各種污染物、廢水和廢氣，進而提高DTU直流系統的安全性和可靠性。

參考文獻

[1] 王凱，李瑩瑩.配網電源蓄電池在線檢測管理模塊的實現[J].電子制作，2013，30（4）：32-26.

[2] 黃志新.配網自動化的關鍵技術風險及控制[J].電子世界，2012，25（2）：76-77.

[3] 杜愛賓，劉延泉.關于蓄電池在線監測系統的研究[J].電子測量技術，2013，22（1）：45-46.