發電廠閥控鉛酸蓄電池智能維護技術研究與實踐

王 聰

（廣東粵瀧發電有限責任公司，廣東 羅定 527200）

0 引 言

法國人普蘭特早在1859年就發明了鉛酸蓄電池，經過近160年的不斷發展，以AGM和GEL兩種具有先進代表性的閥控密封式鉛酸蓄電池，在交通運輸、國防軍事、電力能源、網絡通信等各個領域得到廣泛應用。但實踐證明，發電廠在蓄電池的使用過程中，因為監測技術和維護條件限制，嚴重影響蓄電池的使用壽命。需要應用智能維護平臺，可靠監測和及時發現蓄電池運行中出現的問題，并給出有針對性的維護方案。這對延長蓄電池的使用壽命、提高經濟效益、減少環境污染都有極其重要的意義[1]。

1 發電廠蓄電池維護技術現狀

1.1 早期蓄電池使用情況

閥控密封式鉛酸蓄電池在發電廠得到了廣泛應用，以羅定電廠為例，全廠包括有兩臺機組直流系統、220 kV配電直流系統、通信直流系統、UPS等共9組不同容量、不同電壓等級的蓄電池組，早期由于沒有在線監測系統，維護技術落后，基本靠人工定期測量電池電壓、溫度等運行參數，使得蓄電池使用壽命大大縮短，雖然使用國際知名品牌的蓄電池，但投入運行后，整組蓄電池平均5～8年容量就低于80%，無法達到廠家設計壽命。

1.2 發電廠蓄電池維護技術發展

隨著智能高頻開關電源和蓄電池監測裝置的應用，電廠蓄電池維護水平明顯提升，主要表現在如下3點。

（1）電廠內使用的蓄電池組長期處于浮充狀態，浮充電流既要補充鉛酸蓄電池自放電損失，還要維持鉛酸蓄電池內部的氧循環，若能夠精確控制浮充電壓，就意味著能夠嚴格控制氫氣的產生，避免閥控密封式鉛酸蓄電池過早失水。目前，大多數智能高頻開關電源都具有溫度補償功能，用戶能夠根據蓄電池廠家的技術指導設置溫度補償系數，高頻開關電源能夠隨著蓄電池溫度變化進行自動調節。

（2）電廠內使用的蓄電池組大多為在線式浮充供電，即高頻開關電源一方面給負載供電，另一方面要滿足蓄電池浮充供電要求，當負載電流變化較大時，智能高頻開關電源能夠穩定浮充電壓，使得鉛酸蓄電池有較長的浮充使用壽命。

（3）用蓄電池在線監測裝置代替人工定期測量模式，實時采集單體電池電壓、溫度數據，并且通過直流法或交流法定期測量蓄電池內阻，可以及時了解到蓄電池運行情況，為在線分析評估蓄電池容量提供數據支撐，有利于開展針對性的維護工作[2]。

1.3 蓄電池維護目前仍存在的主要問題

（1）仍以羅定電廠為例，電廠內多達9組不同電壓等級、不同容量的蓄電池組，智能高頻開關電源、蓄電池監測裝置品牌不一，兼容性差，無法集中管理，為數據采集分析帶來很大困難。

（2）通過定期進行全容量核對性放電測試，結合在線評估蓄電池運行狀態，可以明顯延長蓄電池組的使用壽命。但很多蓄電池在線監測技術僅通過測量閥控密封式鉛酸蓄電池內阻來推斷蓄電池容量，然而試驗結果表明，在蓄電池容量不低于80%時，內阻變化并不明顯，在加上蓄電池內阻測量精度不高，不能同蓄電池容量量化對應，要分析判斷蓄電池早期容量下降較為困難[3]。

2 蓄電池智能維護系統研究

基于目前電廠內閥控密封式鉛酸蓄電池使用條件，充分利用現有資源進行監控和數據傳遞，通過實時采集蓄電池電壓、電流、內阻、溫度、運行時間等參數，建立整組蓄電池分析數據庫，從新蓄電池投運開始，使用統計學方法，建立數學模型，綜合對比分析采集數據，得出蓄電池容量評估結論，提早發現容量下降較快的蓄電池，進而采取單體修復方案，延長整組蓄電池的使用壽命[4]。

2.1 系統構架

蓄電池智能維護系統結構如圖1所示，整個系統分為3個部分，即數據采集區、數據分析處理區和數據應用區。

數據采集區：主要將現場直流高頻開關電源監控模塊、蓄電池在線監控裝置、絕緣監測裝置采集計算后的數據，通過裝置自身RS485串口或TCP網絡端口，由串口服務器和網絡服務器統一轉換成以太網信號，接入數據分析系統。

數據分析處理區：分析系統將現場采集的數據進行有效分析，確認數據真實性后，根據系統數據庫IO點進行存儲；利用統計學方法，將數據進行建模；通過方差分析，找出離散度變化明顯的數據組，對應單體電池各種采集數據，進行整組蓄電池均勻性分析；結合閥控密封式鉛酸蓄電池出廠參數和廠家指導建議，給出綜合性結論。

數據應用區：建立與電廠集控室、設備維護后臺、電廠數據大區（SIS）的信息傳遞，提供豐富的展示界面和報表、報警、歷史數據查詢等功能；可以根據發電廠需要進行定制信息發布，為發電廠蓄電池維護建立智能數據平臺；同時，提供電力通信專網接口，支持直流系統數據發送調度數據網。

圖1 蓄電池智能維護系統

2.2 主要功能及特點

（1）蓄電池實時監控。電廠內所有蓄電池組按系統進行分類，分組顯示電池整組電壓、電流及單體電壓、溫度、內阻等運行狀態，提供歷史曲線和報表查詢功能。

（2）直流屏實時監控。能夠采集直流高頻開關電源實時數據，包括整流模塊信息、交流電源信息、直流母線及負載信息、絕緣監測等，同時支持告警信息、歷史數據和報表查詢。

（3）蓄電池核容試驗。支持在定期進行蓄電池核容試驗時，自動投入假負載，并穩定控制放電電流；同時，采集整組及單體蓄電池電壓、電流、溫度、內阻等數據，建立蓄電池核容試驗分析報表和數據曲線。

（4）蓄電池趨勢分析。根據采集的蓄電池浮充運行數據、蓄電池核容試驗數據、蓄電池帶負載放電數據進行綜合分析，建立蓄電池性能變化趨勢模型，同時將綜合數據變化明顯的蓄電池進行標注，提示維護人員進行檢查和進行單體修復。

（5）GPS對時功能。可接入IRIG-B碼對時信號，實現GPS硬對時。

（6）系統采用Linux操作系統，提高系統安全防護水平；設計充分考慮現有資源，節約成本；采用先進數據網絡傳輸技術，兼容性強，能夠接入現場不同品牌型號的采集設備。

2.3 關鍵技術應用

2.3.1 蓄電池性能分析技術

在系統軟件中建立電池性能變化趨勢模型，通過采集蓄電池浮充、均充、放電時的各項數據，方差分析單體電池電壓離散度的變化、整組蓄電池電壓離散度變化、溫度離散度變化以及單體電池內阻值變化，得出蓄電池性能變化結論。通過長期運行統計分析及核容試驗數據分析可知，蓄電池性能出現劣化的初期表現，都伴有自身電壓離散度變大、相對整組電壓離散度變大及內阻值變大，在充電后期溫度也有明顯升高，隨著蓄電池使用的增加，電池性能不斷劣化，所表現出的離散度也逐漸增大。基于這樣的變化規律，建立數學分析模型，將各種分析數據進行關聯，并通過模糊算法，根據一定時間的數據分析，修正查表計算參數，提高系統自適應性，從而提高了分析的準確性。然后對比利用蓄電池內阻變化進行分析判斷的方案，更加科學、準確和有效。

2.3.2 蓄電池智能維護系統設計

發電廠使用多組不同電壓、不同容量的蓄電池組，智能高頻開關電源、蓄電池在線監測裝置品牌不一，這些裝置本身的數據類型和接口都有差別，為數據采集帶來諸多困難。這就需要建立兼容性很強的數據系統，并且能夠接受多種數據傳輸類型。系統采用先進的串口轉換服務器及網絡服務器，將多種傳輸類型轉換成統一的TCP以太網模式；應用先進的數據傳輸協議透明技術，解決各種協議兼容性問題；通過特殊編碼，使得數據中心用戶可以極為方便的進行在線配置，數據傳輸過程中不在進行解碼，完全透明轉發；在今后進行設備改造或新增設備時，不需要針對現場設備進行過多組態。系統配置簡單實用，用戶容易接受，有很好的推廣應用價值。

3 效益分析

蓄電池智能維護系統的投入運行，不再需要人工進行測量和核容試驗，提高了企業管理水平和工作效能。同時，通過先進的智能維護技術，提早發現并解決蓄電池早期劣化問題，從而延長蓄電池整組使用壽命。以1 000 A時蓄電池組為例，目前采用國際知名品牌，價格一般在30～50萬元不等，若使用智能維護系統，蓄電池可以達到12～15年的設計壽命，每組蓄電池每年節約資金1.5萬元。

從節能環保方面考慮，以羅定電廠為例，蓄電池平均壽命延長5年計算，電廠使用蓄電池總容量為6 000 A時，5年共減少3 750 A時蓄電池更換，相當于節約用電6×105kW·h，節水0.4 t，節約鉛合金520 t，減少廢水3 600 t，鉛污染物0.1 t，節能減排效果顯著。

4 結論和展望

閥控密封式鉛酸蓄電池是發電廠直流系統的關鍵后備電源，蓄電池智能維護系統的投入使用，取代了傳統蓄電池維護測試方法，解決了蓄電池維護過程中長期存在的主要問題，實現真正的智能化、網絡化、數據化管理。維護系統通過建立數據分析模型，開展蓄電池早期診斷，及時發現并修復容量降低的蓄電池，延長整組蓄電池使用壽命，從而提高發電廠直流系統運行可靠性，降低維護成本，減少環境污染。蓄電池智能維護系統具有較強的經濟效益和社會效益，是發電廠蓄電池智能維護管理的積極探索和嘗試，具有較大的推廣應用價值。