變電站蓄電池管理控制系統研究

馮建國 黃宇辰

摘要：變電站是電網的核心，擔負著所在區域的供電任務，直流系統是變電站繼電保護裝置、開關操作、自動化等設備的供電電源，是保障電力系統安全穩定運行的關鍵設備。

關鍵詞：蓄電池；管理系統；實時監測

目前，電力系統推廣變電站無人值班，雖然監控中心可以獲取變電站運行情況的實時信息，但是對于直流電源部分只能得到少量的重要信息，對于更加詳盡的信息仍舊無法獲得，尤其是當直流系統剛開始出現異常狀況時不能及時得到預警信息，知道異常狀況積累成為故障時才能被發現，此時，事故已經擴大。如果能在異?，F象剛出現時就及時發現并及時處理，就可以避免異常情況擴大。另外，隨著變電站數量的日益增加，蓄電池直流系統的日常檢測維護工作量非常大，主要表現為：

（1）變電站蓄電池日常巡檢時要求每月巡檢一次，由于變電站廣泛采用無人值班方式，有的站離檢修工區路途遙遠，這給巡檢工作造成很多不便。

（2）蓄電池組核對性沖放電試驗耗費大量人力資源，現在普遍采用人工做，運維成本較大。

（3）蓄電池內阻及運行工況不能實時監控及掌握，日常巡檢中缺乏有效檢測手段，易造成直流電源事故。《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中“新安裝的閥控密封蓄電池組，應進行全核對性放電試驗。以后每隔二年進行一次核對性放電試驗。對直流設備的維護需要人員到現場，當變電站數量較多時，必然無法保證按期按量完成維護任務。運行了四年以后的蓄電池組，每年做一次核對性放電試驗”。對于蓄電池充放電試驗，假如一個供電公司下有i00個變電站，每個變電站有2組蓄電池，每組蓄電池充放電時間為2天，每次試驗需要4個人，那么，要完成該公司所有蓄電池組的充放電試驗則需要1600人+天，其工作量是相當龐大的，而這還只不過是直流維護中的一個小小的試驗。由此可見直流維護的工作量是十分龐大的。

變電站蓄電池管理控制系統研究，主要采用計算機、通信、網絡、四遙（遙測、遙信、遙控、遙視）技術，構成一個一體化的網絡監控系統，可以在計算機屏幕上看到監控點的圖形，了解監控點的信息，提高變電站的可靠運行能力，提高維護效率，降低維護成本和勞動強度。

蓄電池在線監測及維護模塊，就是要在電池運行過程中把握電池的真實運行狀態，確保蓄電池能夠提供足夠的后備動力。主要意義包括：預警落后電池；改善電池的使用條件，延長電池的使用壽命；掌握電池的當前狀況，尤其是電池的容量衰減；及時處理有問題的電池，避免停電后設備癱瘓；避免盲目更換電池，減少電池更換費用；降低電池現場維護費用；實現集中監控和網絡化管理，降低維護合管理成本，提高社會效益。

當蓄電池與外電路接通時，在電池電動勢的作用下，電路中便產生電流，放電電流由蓄電池的正極板經外電路流向負極板。在蓄電池內部，電解液內的硫酸分子電離，產生氫正離子和硫酸根負離子，形成離子流。電流的方向是從負極流向正極。在負極板上，硫酸根離子與鉛離子集合生成硫酸鉛，可見蓄電池在放電過程中，正負極板上都形成了硫酸鉛，由于硫酸鉛導電性差，增加極板間的電阻，影響電池容量。電解液中的硫酸逐漸減少，水分增加，因而使電解液的相對密度降低。

鉛酸蓄電池充電時，在電池內部，充電電流由正極流向負極。在電流的作用下，正負極上的硫酸鉛及電解液中的水分被分解。在充電過程中，正極板上的硫酸鉛被硫酸根氧化市區電子而被還原成二氧化鉛，在負極板上的硫酸鉛被陽離子還原為鉛。在化學反應中，吸收了兩個水分子，而析出了兩個硫酸分子。因此充電時，電解液的相對密度增大，電池的內阻減少，電動勢增大。

蓄電池充/放電時，端電壓變化是曲線，在充電初期（段），電壓上升較快，隨后沿電壓緩慢上升，一段時間后，沿段電壓很快上升，水被電解，負極析出氧氣，正極析出氫氣。放電初期（段），電壓急劇下降，到點后，沿電壓緩慢下降，到點后，電壓又急劇下降。

蓄電池的內阻的組成可分為歐姆極化（導體電阻）、電化學極化、濃差極化電阻三個部份。蓄電池的內阻是隨著充放電變化的，一般放電過程內阻增大，充電過程內阻變小。蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號C表示，常用的單位為安培小時，用Ah表示。電池的容量一般可分為標稱容量、額定容量、理論容量和實際容量。

蓄電池放電時間的增長內阻增長較快，端電壓下降的較大，當達到規定的放電終止電壓，應立即停止放電，并按要求充電。否則會導致過放電造成使用壽命縮短。放電電流倍率對使用壽命的也有影響，浮充電壓設置過高，電池將長期處于過充電狀態，當浮充電流過大造成電池的溫度和電流不斷增加的惡性循環；若浮充電壓設置過低，使電池極板硫化而縮短電池壽命。溫度對使用壽命的影響。電池長期在超標溫度環境下運行，一般來說，溫度每升高10℃，蓄電池使用壽命降低一半。，對蓄電池內阻的測量方式主要有兩種，為交流注入法、直流放電法。

對于蓄電池剩余容量的估算方法很多，常見的有密度法、負載電壓法、開路電壓法、阻抗法。

蓄電池的運行狀態監測主要包括單體電壓、單體溫度、電池充/放電電流、連接條電阻、單體容量等，其中單體容量的估算模型是監測的重點和難點。

按照國家電網公司十八項反措管理要求，對于為了檢測蓄電池容量、保證蓄電池質量及確保系統運行安全，對于新安裝的蓄電池投運四年內每兩年進行一次核對性充放電，運行滿四年后每年進行一次核對性充放電，以達到活化蓄電池的 目的。遠程充放電管理程序首先判斷蓄電池是否處在浮充狀態，避免在充電狀態時誤操作導致放電程序啟動。放電前，系統設定好放電終止電壓，啟動放電功能。放電時，遠程放電系統記錄放電時的電池性能參數，顯示屏顯示放電電流、放電容量、放電時間等信息。放電結束后，放電負載與系統斷開，電源切換到充電狀。

國內獨創的M+N電池運行模式，這種工作模式在變電站運維中的運用將是原有動力電池遇到的難點問題得到全面的解決。

現有變電站直流電池面臨的現實情況：

蓄電池不科學的充電方式，單體蓄電池在蓄電池組內充電失衡，從而使蓄電池壽命縮短。整流模塊以浮充串聯方式對蓄電池進行充電。在進行串聯充電時，單體蓄電池中流過電流是一致的，但是蓄電池因為不同因素的影響，普遍存在電池離散性，每個蓄電池自身情況以及原始容量都不盡相同，容量偏差較大。所以，在運行中將單體蓄電池整合作為一個整體來進行一致的浮充，必然造成長期對原始容量小的蓄電池過充電以及對原始容量大的蓄電池欠充電。當蓄電池過充時，因為電解氧化和熱失控而使電池外殼鼓包、漏氣，受到破壞，極易造成容量失效。相反當蓄電池欠充時，正極和負極的化學反應不充分，縮短了蓄電池的使用壽命。不科學的充電方式使蓄電池提早失去效用；監控不到位，過度監控整流模塊，而對蓄電池組缺少監控。當前后臺監控系統中，電力直流控制電源可以完整獲得整流模塊的運行參數，實現對整流模塊的控制和操作。但是，對蓄電池的監控功能運用少而且意義不大甚至無任何相關，并且有些監控效果相反。有些監控僅僅關注蓄電池端的電壓，這是遠遠不夠的。監控系統是否合格標準應該是在蓄電池容量下降與內阻異常增加時及時發出警告；蓄電池的維護結果不理想。對電力直流控制電源，當前大多數的技術人員都能夠按照規定，按時檢測蓄電池組的深度放電容量，一般情況下好的蓄電池占大多數，容量落后的蓄電池占少數，雖然使用儀器對落后的蓄電池容量進行恢復，但是，效果不佳。如果更換為新電池，又會造成組內其他電池惡化更快的情況，最后只得對尚未使用很長時間的整個蓄電池組進行全部更換；蓄電池發生緊急惡性事故時，缺少預防應對能力，系統可靠性低。國家電網公司調查抽樣統計說明蓄電池故障頻發且后果嚴重。不僅要考慮其自身質量問題，充電裝置的安全可靠性也不可忽視，如果不是運用充電裝置對蓄電池過充電，就不會造成其內部壓力升高甚至爆炸，如果在充電裝置中增加自放電電流和溫度監測功能，就可以對蓄電池的熱進行控制使其不致演變為起火的嚴重后果。

綜上所述，對直流系統進行全面的實時遠程監測及智能管理非常必要。變電站在運行過程中，必須建立一個安全的直流系統運行環境，對變電站各種直流設備的運行狀態及影響變電站安全運行的因素實現在線監測，使變電站直流系統實現“可控”、“在控”。本智能監控系統的應用及研究目的是為了保障變電站的安全正常運行，實時監測變電站直流系統的各項指標，使維護人員及時掌握各變電站的運行情況，實現直流電源由“定期檢修”向“狀態檢修”的轉變。

參考文獻：

[1]李立偉，鄒積巖.蓄電池在線監測系統的設計與實現.《電氣應用》，2002（11）：7-9