蓄電池在線監測裝置及系統探究

張九天　劉健宏　趙丁鋒　黃偉納　梁杉

摘要：蓄電池可以為變電站提供低壓直流電源，作為整個電網不可或缺的重要組成部分，對蓄電池的研究一直未停止，尤其是對蓄電池在線監測裝置的研究對于變電站事故應急處置，確保電網穩定安全運行具有十分重要意義，本文著重就這一課題展開研究，希望能給相關專業人士以參考。

關鍵詞：蓄電池;在線監測;裝置系統

引言

隨著國家大數據戰略的發展，對于電力系統技術的革新發展無疑是巨大的。對于蓄電池在線監測的研究不僅僅可以實現蓄電池的的無人值守管理，還可以實現其集約化管理，基于大數據技術，電力系統開展了一系列的變電站蓄電池在線健康維護試點工作，為實現遠程化和區域化蓄電池管理提供可借鑒的技術和經驗，也大幅度降低了運行維護管理的成本，提升了安全運行的水平，增強了電網的可靠性。

一、變電站蓄電池簡介

從當前變電站蓄電池使用情況來看，閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡稱蓄電池）由于其優越的性能被大量廣泛使用，被市場接受認可度較高，其主要作用為：當變電站電源失去電力時，蓄電池可以為斷路器等內部設備提供斷路動能。所以蓄電池的性能直接關聯著整個電網的安全穩定，必須引起高度重視。但從實際運行維護情況來看，目前還存在很多不確定因素導致蓄電池壽命縮短和性能降低，必須針對問題癥結，優化維護手段，提升蓄電池的可靠性。本文所研究的對于蓄電池再現監測裝置的研究就是其中較為有效的手段之一。

變電站內的蓄電池組是電力系統的最后防線，作為應急狀態下供電的儲能設備，在交流電供電常態下，其處于浮充電滿容量狀態，當直流負載瞬時超過充電機額定輸出電流情況下，其即時提供無延時的負載電流，確保母線電壓正常。蓄電池作為故障狀態下為站內一級、二級設備提供電源的重要設備，必須高度重視其自身質量的好壞，因為其應用價值遠遠高于其本身的價值。從理論上分析，絕大多數蓄電池是免維護的，設計壽命已經達到了或接近于12年，但從工作實踐來看，理論值難以達到，一般平均壽命為6至8年。由于蓄電池發生故障導致電網事故的不勝枚舉。2013年貴州電網的I 級事故，主要是貴州電網的濫壩站220k V I 段母線發生短路，而該線上所有的斷路器全部拒動，造成濫壩站全站失壓。事后分析原因，主要是蓄電池組很久未得到徹底科學的維護，造成自身內阻的增大，一些蓄電池內阻竟然達到2500μΩ，電壓達到5V 以上，基本呈現開路狀態。

二、當前蓄電池維護上存在的問題

“預防性維修”、“周期性維護”是當前對于蓄電池維護的基礎理論依據，但基于這一理論的實踐還存在以下矛盾問題。

一是工作量大且需要停電試驗，根據國家電網有關蓄電池的管理規定，必須每兩至三年就要實施一次核對性放電試驗、測量單體內阻必須每三個月落實一次、測量浮充電壓必須每月一次，連續運行6年及以上的蓄電池組，必須落實每年一次核對性放電試驗。根據這一規定，以一個普通的地市為例，需要對350多個蓄電池組，核對性放電試驗每年必須落實160 組/次以上，每次試驗需要耗費時間數10小時，每次試驗需要耗費人力資源4 人/次，按此計算，每年就是6400小時左右，耗費了大量的人力物力資源，目前電網蓄電池組的數量還處于上升階段，真正其維護量還在不斷上升。

二是蓄電池組在檢修狀態下，不能真正反映其缺陷。這與傳統的蓄電池巡檢儀息息相關，該儀器采集數據精度較差，僅具有單一的告警功能，維護人員無法真實掌握電池性能情況。

三是周期性維護有其固有缺陷，故障大概率發生在兩次維護期間內，維護時故障已經存在一段時間，維護修復的時效性較差。

四是對于一些嚴重問題，周期性維護無法真正發現處置。主要原因是：少數蓄電池組出廠時就有其固有缺陷，如制造工藝問題，設計問題等等，這些問題極易導致正極板鼓脹生長等問題，出現高阻接觸時則會導致短路現象，嚴重的甚至會導致金屬性爆炸起火，小電流放電也會導致容量虧空，形成蓄電池開路。

五是周期性維修有時也會導致資源的浪費，造成過度維修。為了對這一周期性問題實施彌補，目前提出的“蓄電池狀態檢修”理論可以較好的解決這一問題，其原理是：蓄電池的老化、起鼓等問題是具有階段性的，表現為物理的、化學的漸變的過程，可以采取持續采樣的方式實施處理分析，對其容量和性能也可以實時進行判斷，提前處理故障，較好的彌補周期性維修的缺陷。

三、蓄電池在線監測裝置及系統研究

對蓄電池實施在線監測需要實時掌握蓄電池性能，但必須破除以往監測花費時間長，耗費資源等問題，必須對監測系統進行重新的構建，在系統功能上，不僅僅只能實現在線實時監測，還需實現設計維護維修、風險評估等功能，從而使檢修更為順暢。

（一）系統架構與功能

系統架構圖具體如圖1 所示，實現主要功能如下：

一是在線監測。其在線監測主要實現以下內容：一個是單體電池電壓電流，另一個是蓄電池的電阻;再一個是環境與溫度參數等。

二是測試性放電，其主要內容包括蓄電池組的放電充電及運行狀態的監測與切換，對直流系統進行遠程監測。

三是充電機監控。主要包括直流母線、交流輸入和充電裝置警報以及絕緣故障;模塊輸出的電流電壓、輸入電壓;開換機及電壓的調整與切換等。

四是狀態評價。主要包括信息數據的統計，一般以圖表形式呈現;放電情況和具體分析判斷;電壓變化參數、離散情況;放電電壓的自動監測和曲線圖繪制;對異常情況的全面評價和分析;完成對蓄電池組的報告評價。并以此評價為依據，針對性制定維修維護舉措。

五是制定預防措施。實施自動均衡處理，確保電池電壓始終保持相對一致，從而延長蓄電池的在線監測管理系統使用期限。

（二）實施狀態檢修

所謂“狀態檢修”主要指對于故障的及時識別后，制定科學的維修計劃，并選擇科學的維修時間和計劃，一般來說包括以下幾個步驟：

一是實施信息的收集。這一步驟一般在狀態檢修前完成，主要包括設備制作資料、運行資料、檢修和維護資料等等，這些數據信息可以為評價提供有力的支撐，此外，對于信息的準確性和完整性也高度重視，必要時必須反復核查，消除數據偏差和誤差。

二是實施狀態評價。對獲取的設備維修運行的各項數據資料進行追蹤管理與整理分析，掌握準確的運行情況，分析運作趨勢。

（三）實施科學的風險評估

其主要目的是掌握設備運行過程中隱藏的風險，并制定出科學的解決方案，進行風險預測。并對可能發生的風險概率和損害做出判斷并加以控制。

（四）科學制定策略

在掌握風險評估和評價之后就可對設備實施全面排查，要根據檢修的要求科學制定檢修方案。并以評估結果作為依據，進一步明確檢修部位和檢修方式。

四、蓄電池在線監測發展前景展望

（一）電池數據實時傳輸和4G網絡融合裝置研究

以往電池放電過程的電壓監測采集須將電壓采集模塊一一對應的夾在蓄電池正負極兩端，本項目省去取下、放回蓄電池防塵罩工作過程;省去安放、取下電壓采集模塊的工作過程，從而減少工作量，提高工作效率，降低工作成本; 規避了因安放、取下電壓采集模塊產生的人身觸電傷亡的風險;規避了蓄電池短路燒損的風險;規避因人身觸電、蓄電池短路造成的直流系統異常，保護裝置誤動、拒動的情況出現。能實時監測電池電壓和內阻數據，解決數據遠距離傳輸問題，將4G網絡技術、現場數據處理技術和無線技術相融合，實現網絡化管理，在現有裝置上再創新，使接收終端和負責人員可以實時掌握電池狀況，減少工作強度，減低投資成本，更充分保障系統運行安全。

（二）研發新型蓄電池管理系統

研發新型電池管理系統，對于儲能行業的監測具有重大的意義。近年來，大數據技術的普及給蓄電池的在線監測分析提供了一條新道路。大數據分析可以在以下四個方面發揮作用：一是數據挖掘算法;二是可視化分析;三是預測性分析能力;四是數據質量和數據管理等。各級電力部門也結合工作實際提出了3V和3E的電力行業大數據分析要求，這些必將助推電池管理走上自動化、智能化的道路。

五、結語

綜上所述，蓄電池作為電網系統的重要設備，其維護管理實時監測等功能的實現不僅僅是自身的需要，更是整個電網安全穩定運行的需要。本文本著問題導向，分析了當前蓄電池維護管理上的一系列問題，對在線監測裝置的系統構架和功能實現進行了闡述，最后提出了展望，必將為助推該裝置的研發，也必將有較好的市場應用前景。

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