蓄電池遠程智能節能運維系統研究及價值分析

熊惠敏

（南昌工程學院，江西南昌 330099）

0 引言

蓄電池組在變電站直流供電系統中發揮著重要作用，其穩定性、可靠性對于變電站電力設備的安全運行有非常重要意義。目前變電站閥控式蓄電池放電運維技術多樣，文獻[1-5]分別設計了相應的遠程在線監測系統，能夠自動的實現蓄電池的電流、電壓、溫度等主要參數的實時采集，然后通過計算機系統對采集到的數據進行實時分析處理，對蓄電池的綜性能指標進行評估，同時通過網絡的方式發給信息負責人，以此方式來保障整個變電站蓄電池組的安全穩定運行。但是沒有進行核容放電系統設計，實現放電過程的節能環保，將能量回饋電網目的。文獻[6-10]均實現了一鍵式啟動運維系統，實現無人值班模式下，變電站蓄電池的集約化管理，但是沒有設計二次設備狀態評價專家系統，進行狀態評估，風險管理以及檢修決策。本系統的研究目標是實現變電站蓄電池組的遠程在線智能節能核容放電，可以對蓄電池的運行狀態進行遠程的在線監控，若后臺發現蓄電池發生故障能夠及時發現并進行處理。同時利用本系統的獨有放電模式提高放電試驗的安全性、智能性、環保節能等，并提高放電效率，減輕核容放電過程的人工勞動強度。

1 系統架構

1.1 主站端系統架構

蓄電池核容放電系統主站可分為：遠程在線控制系統、二次設備在線監控系統、二次狀態評價專家系統。將三個系統的各個組件進行統一，共同建立數據庫，把蓄電池的故障案例與狀態監測的歷史狀況儲存在里面，與外在的生產管理數據庫進行緊密制約交流。其核容放電系統主站軟件架構如圖1所示。

圖1 變電站蓄電池核容放電系統主站軟件架構

1.2 變電站站端系統架構

變電站站端系統收集變電站直流系統的一些數據，主要包含：蓄電池電壓、蓄電池組電流、蓄電池組溫度、單體電池電壓、單體電池電流等。按照直流系統維護的要求進行核容放電的參數設置。

然后將實時監測的數據保存在數據庫里面，建立準確的數據模型進行分析，得出變電站直流系統是否工作在正常狀態，若發現故障就可以及時的采取相應的措施。其核容放電系統站端主監控單元軟件構架如圖2所示。

圖2 變電站蓄電池核容放電系統站端主監控單元軟件架構

2 系統功能

2.1 直流系統狀態監測與評價主站系統研究

隨著變電站智能化的發展，無人值守的模式也在不斷應用，變電站的直流在線監測系統功能也在升級。

針對當前主站系統只具有蓄電池組核容放電的監盤，可以查詢放電歷史記錄，但不具備遠程放電控制功能。本系統主要實現放電遙控、遙信功能，使得運維人員可以使用主站系統的放電監控功能模塊，實現蓄電池組在線核容放電遠程控制功能。同時蓄電池直流系統是變電站的重要組成部分，直接涉及變電站控制系統的后備電源穩定可靠，因此放電模式也需要升級開發，增加放電安全控制。本系統還對放電模式設置包括放電終止組端電壓、單體終止電壓、放電容量、放電時間、蓄電池組正負極溫度和環境溫度限值等定值設置，綜合多個定值參數確保放電安全。根據運行規程，蓄電池組核容放電過程需要滿足可控性，并在放電過程中實時監測設備狀態參數，包括電壓、電流和內阻等。按照核容實驗計劃生成放電記錄報表，對放電過程中發現容量不足問題，需反復試驗，參考放電曲線及放電模型提供科學依據，輸出相應的報表以便后續問題處理和存檔。出于安全性考慮，蓄電池組的單體電池參數對放電過程控制重要性非常高，單體電壓作為放電終止條件之一需要實時監控。

2.2 變電站側總監控單元研究

當前總監控單元提供就地的核容放電操控功能，為實現遠程在線控制，需要擴展放電遙控和遙信功能。本系統主要是對通信前置機的協議擴展，接收主站系統發送的控制命令，并通過命令解析實現指令轉換并控制站端核容放電執行模塊，實現遠程核容放電。升級開發變電站側就地放電模型處理功能，增加單充單蓄深度放電模式和雙充雙蓄全核容模式，兩種模式可遠程動態切換。放電截止參數除了傳統的蓄電池組電壓、單體電池電壓、放電時長和放電容量外，還增加了蓄電池組正負極溫度越限及故障狀態下的自動停止放電，并恢復蓄電池投入。升級開發對核容放電動態數據的處理，在放電過程中總監控實時記錄蓄電池組的電壓、電流、正負極溫度、環境溫度、單體電壓等數據，其中測試和試驗過程中的無效數據通過數據模型自動過濾，然后上送到直流電源狀態監測主站系統。

2.3 變電站側在線放電控制單元研究

改造在線放電控制單元的動態在線放電邏輯，使用新的硬件模塊開發相應的功能，滿足單充單蓄變電站的動態深度放電和雙充雙蓄全核容放電需求。根據靜態全核容放電規程，增加放電控制器通過切換控制回路的開關，使蓄電池組臨時脫離直流母線進行全核容，待核容完畢再投入進行蓄電池充電，按規程反復進行3次并記錄放電容量。對于單充單蓄變電站，蓄電池組不能脫離母線進行全核容，增加放電控制器的控制功能，使蓄電池保持始終在線，通過逆變模塊的調節實現在線核容放電。在母線故障和交流失電的情況下，平滑過渡到蓄電池供電。考慮到網絡通信故障或總監控單元故障情況下，如果以集中式進行放電，即放電模型全部由總監控單元完成，會存在安全風險。通過對放電控制器的升級開發，增加模塊的獨立運行保護功能，實時判斷網絡通信狀態，異常情況下快速停止核容放電，避免由于蓄電池過放造成直流系統故障下不能有效供電。新的放電控制器與變電站側主監控單元通信功能實現，包括通信協議定義、點表設置、狀態同步機制、通信異常處理等。

3 系統特點

3.1 蓄電池在線監測系統特點

蓄電池在線監測系統得到的監測數據具有高度精細化，影響蓄電池穩定運行不僅僅電池本身狀態，還涉及直流系統的其他相關設備。為實現精細化運維，本系統監測數據包括蓄電池組端電壓、組端電流、單體電壓、單體內阻、單體容量、蓄電池組正負極溫度、環境溫度、紋波系數；以及充電裝置輸出電壓、電流、充電裝置輸入電壓、穩壓精度、穩流精度、紋波系數、均流系數；直流母線電壓、電流；饋電屏饋線支路對地電阻、對地電壓等等。

系統能夠全面顯示狀態異常及告警信息，如蓄電池組電壓異常（充電過壓、欠壓或放電欠壓）、單只蓄電池電壓異常、蓄電池溫度異常、環境溫度異常、蓄電池組輸出斷路器脫扣、流饋線斷路器脫扣總告警、饋線開關狀態、直流母線電壓異常（過壓、欠壓）、直流母線絕緣異常（絕緣電阻降低或接地）、交流進線電源異常、交流母線電壓異常、交流輸入電源異常（過壓、欠壓、缺相、零線故障）、高頻整流模塊異常（輸入輸出保護告警或故障）、直流饋線斷路器脫扣總告警、饋線開關狀態；支路絕緣異常、監控裝置故障等等。通過此在線監測系統能夠精準定位故障，排除隱患，保障安全基于多頻點交流放電法檢測技術，檢測單體電池電壓、極柱溫度、內阻（極化內阻和歐姆內阻）、極化電容等，異常情況系統報警；快速定位故障與落后電池，預留維護準備時間。

系統具有定時電池自動安全巡檢功能，能夠保障電池系統有效與安全，準確了解電池運行狀態，休眠設定、取電值低，不傷電池；檢測自動化，確保數據的完整性和準確性。同時此遠程監測系統還具有使得數據采集方式更靈活；系統分布式模塊化設計，安裝方便省力；精準化數據管理，減少電池浪費，節約成本；獨創在線均衡專利技術，少量故障電池更換方案等特點。

使用RS485或采用載波（PLC）技術對數據就地采集，PLC方式不需要任何通信線，也不采用對其他設備影響較大的無線通信方式。采用快速接頭，多種安裝模式，分布式模塊智能化配置，即插即用。現場的安裝時間和費用大幅降低，支持電力系統各電壓等級變電站的不同直流系統配置和接線方式，分組模塊下實施，一組電池可以控制在10分鐘內安裝完畢。基于電池組運行數據的離散性特點，通過神經網絡算法，準確判斷電池狀態，估算單體電SOH與SOC健康數值。便于制定合理更換方案，減少良性電池浪費；減少維護和管理人力支出。在線均衡電池管理，主動+被動組合均衡模式，矯正異常，延長電池使用壽命；少量更換新電池，通過均衡與原電池組趨于一致，延長電池組壽命。

3.2 蓄電池遠程在線核容放電維護系統特點

蓄電池核遠程在線核容放電維護實驗方式相比于傳統的核容方式會更安全可靠，系統支持蓄電池在線不脫離核容放電，在交流輸入異常、直流母線失去電壓或電壓過低時，蓄電池組0秒投入確保直流系統安全。其放電模式多樣，滿足不同電壓等級蓄電池核容放電規程，本系統支持單充單蓄變電站蓄電池組在線深度放電，同時也支持多充多蓄配置的變電站進行全核容放電試驗，放電模式更靈活。

核容放電過程具有高度的可控性，可以通過系統進行放電參數設置，包括放電終止組端電壓、單體終止電壓、放電容量、放電時間、蓄電池組正負極溫度和環境溫度限值、穩壓精度、穩流精度和紋波系數等，以及網絡通信故障、交流輸入故障、直流母線欠壓等異常狀況下自動停止放電試驗，并恢復充電，使放電過程安全可控。-同時保證放電過程的節能環保，采用高頻整流技術，能量回饋電網，無熱量，安全可靠，效率可達85%。注入電網的電流為正弦波，失真度不大于5%。交流端具備限流、短路、缺相等保護功能，對電網無沖擊。

4 系統價值分析

從多人工用時、安全性、放電科學性、充電科學性、節能、維護便利性多方面比較，蓄電池遠程智能節能運維系統相對于傳統維護技術的優勢如表1所示：

表1 蓄電池遠程智能節能運維系統與傳統維護技術的比較

蓄電池遠程智能節能運維系統從人力安全、充放電科學性、節能、維護便利等方面各項指標均優于傳統維護技術。其作用是節能核對性放電準確的掌握電池組容量，智能兩組均充有效的避免電池組過充現象發生，準確預判電池組的續航能力為停電調度作出正確依據，嚴格把關電池初裝及質保期內合格率。

從成本上分析蓄電池遠程智能節能運維系統成品生產定型后，硬件成本、管理平臺軟件、生產線調試及現場安裝費用比市場上的大部分廠商要優惠，但存在少數功能簡化的廠商同類產品價格比蓄電池遠程智能節能運維系統低，成本控制較好。BRES系統定位是：做好監測智能控制運維，為用戶提供蓄電池的即時續航能力。應基于提高產品質量下可適當降低生產成本，不應犧牲質量而提高性價比，關乎安全生產應重視。

5 結語

蓄電池運維系統具備很好的優勢，變電站采用本系統是全過程技術監督的其中一個重要環節，也是入網檢測的一個環節，有利于產品把關和后續服務。通過技術監督手段對整個變電站直流電源系統功能定位及運維需求獲得更詳細的產品需求性理解和技術思考，蓄電池遠程智能節能運維系統可作技術的部分拓展，滲透到變電站站用交直流一體化成套系統設備和服務，分散產品市場風險，提高服務競爭力。