直流系統后備蓄電池組的智能運維裝置研究

陳井軍，黃偉，姜維超

(1. 中國石化銷售股份有限公司 華中分公司,湖北 武漢 430000；2. 國家石油天然氣管網集團有限公司 華中分公司,湖北 武漢430000；3. 福州福光電子有限公司，福建 福州 350000)

在石化行業中煉油、輸油、發油等關鍵環節的控制設備、通信設備、消防設備會因失電導致重大安全事故，為提高安全性，關鍵設備供電必須增加蓄電池組作為后備電源，后備蓄電池組的日常維護及正常運營效果直接關系到電源系統應對突發事件的能力。因直流系統后備蓄電池組有數量多、所在站場分散的特點，導致其維護工作勞動強度高、成本高、風險大，使大部分的電池容量放電測試維護工作未能落實到位。工作人員對后備蓄電池組的實際容量不了解，應急保障供電時長不清楚，因市電中斷蓄電池不能有效地進行供電，往往導致站場通信中斷事故的發生，蓄電池被提前報廢。目前國內外現有的蓄電池監測技術，僅監控蓄電池的浮充電壓、內阻、溫度，通過內阻值可模糊判斷出電池的容量不足，但是無法準確地測試出電池的容量，仍然需要人工使用儀器儀表測試電池組容量。而遠程智能運維系統針對目前的蓄電池在線監測技術進行優化，并結合在線式自動化核容測試裝置，實現日常的蓄電池在線監測和定期的在線核容測試，在線核容測試是指通過系統放電模塊，實現遠程在線蓄電池容量放電測試。維護人員無需到達現場，通過平臺網絡即可啟動蓄電池組放電核容測試。在線核容測試全過程無需人員干涉，支持多組蓄電池同時進行測試，使蓄電池組的管理、運維工作變得簡易、安全、穩定、高效。

1 直流系統蓄電池組遠程智能運維系統介紹

1.1 傳統離線式運維模式和遠程智能式運維模式的對比

傳統離線式運維模式和遠程智能式運維模式對比見表1所列。

1.2 研究思路

傳統運維演變為智能運維過程如圖1所示。

傳統運維系統是通過人的大腦學習蓄電池運維知識，然后定制運維計劃，將核容測試機器搬運到現場和蓄電池組連接，人工操作機器的交互界面，核容測試機器執行工作，測試結束后，運維人員記錄測試結果并根據測試標準對比測試記錄的數據，判斷電池是否合格，運維工作結束。整個運維過程人力投入大，且運維結果完全依靠人工判斷，主觀因素會導致結果的不準確。

圖1 傳統運維演變為智能運維過程示意

在遠程智能維護運維模式中利用信息系統和智能制造的特點，增加智能傳感器來代替人的感知器官，開發自動化機器來代替人的肢體控制，建立容量核算、內阻預測、剩余容量預算等數學模型來替代人的大腦分析和決策。工作人員操作應用層的管理軟件來啟動蓄電池組運維工作計劃，軟件根據設定好的運維策略給安裝在現場的機器發送指令，現場機器根據指令啟動工作，物理傳感器獲取機器工作的狀態信息及蓄電池信息及時反饋給軟件，軟件通過模型來對比數據，需要調整時發送指令給機器進行調整，指導運維工作結束，分析處理運維數據，并給出運維的結果，全過程數據都是客觀的，不存在主觀數據，使運維工作方便、準確、安全、穩定[3]。

1.3 系統組成

直流系統蓄電池組遠程智能運維系統組成如圖2所示。

圖2 直流系統蓄電池組遠程智能運維系統組成示意

蓄電池組遠程智能運維系統由三部分組成：

1)物理感知層。物理感知由采集模塊和遠程充放電裝置組成，蓄電池監測傳感器及充放電核容裝置實現對電池組每節電池的電壓、母線電壓、充放電電流、環境溫度等各項參數的采集監控；可控制本地充放電裝置實現遠程充放電核容；可設定本地裝置實現對電池組的均衡。

2)網絡交互層。每臺設備配置協轉模塊，通過光纖或以太網接入公司內部網絡交換機，由交換機分配固定端口，監控中心設置數據處理服務器并與各端口的設備通信，實現數據處理、備份。手機、電腦、平板等終端設備登入平臺后，可通過內部網絡訪問授權的本地設備。

3)平臺應用層。平臺使用瀏覽器/服務器模式架構B/S(Browser/Server)，使用者無需安裝客戶端，終端或移動設備，直接通過Web瀏覽器訪問或操作。B/S架構直接放在廣域網上，通過不同的訪問權限訪問相關授權內容，支持多用戶訪問，交互性較強。現場維護人員、監控中心運維人員、管理者根據不同的角色授權，可同時進行相關的業務查詢機操作。

1.4 系統工作原理

直流系統蓄電池組遠程智能運維系統工作原理如圖3所示。

圖3 直流系統蓄電池組智能運維系統工作原理示意

在線監控采用分布式在線監控方案，即在每一節蓄電池上安裝一個監控模塊，監控模塊實時監測蓄電池的電壓、內阻、負極溫度等信息，通過RS-485通信方式將監控數據傳輸到匯集模塊，匯集模塊將收集到的信息上傳至主控摸塊，同時匯集模塊支持內阻測試功能。直流系統蓄電池組智能充放電核容系統組成如圖4所示。

圖4 直流系統蓄電池組智能充放電核容系統示意

放電時，常閉接觸器K11，K12斷開，常開接觸器K2，K3閉合，將蓄電池組脫離系統由核容放電模塊消耗蓄電池組的電量，通過功率模塊自動調節至設置的放電電流恒流放電。

當放電停止條件滿足時自動轉為穩流充電，核容放電模塊停止工作，K2，K3保持閉合，K1，K4再閉合。限流充電模塊開始工作，充電電流小于浮充電流且蓄電池組和電源壓差小于一定值時結束充電，常開接觸器K1～K4斷開，常閉接觸器K11，K12閉合，蓄電池恢復在線狀態，由整流器直接給蓄電池浮充充電。

該系統電源取自蓄電池組，保證系統工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負載的供電不間斷。該系統具備直流輸入過壓保護功能和欠壓保護功能，直流輸入極性反接保護功能，交流并網逆相序保護功能，交流并網過壓保護功能和欠壓保護功能。

1.5 蓄電池核容測試

參照現行電力規程要求新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應進行全核對性放電試驗，以后每隔2～3 a進行一次核對性試驗，運行了4 a以后的閥控蓄電池，應每年作一次核對性放電試驗。蓄電池組進行核對性放電后應及時充電。備用擱置的閥控蓄電池組，每3個月應進行一次補充充電。常見的核容測試方法有：

1)主動測試。利用平臺管理控制現場自動核容裝置，實現實際負載使用蓄電池的電量。根據設定的核容參數進行工作，從而達到主動核容的目的。

2)被動測試。通常一些變電站會發生停電，停電過程中蓄電池會對實際負載供電，該過程自動核容裝置會被動進行電壓、電流、蓄電池各單體狀態記錄，實現被動核容測試。

1.6 數據測算與分析

一般規范要求蓄電池核容測試是采用10 h放電率，在室溫25 ℃下測試，而由于在線實際負載測試是非正常放電率，正常室溫下進行的，得到的數據需要分析，才能估算出電池容量，從而起到“容量測試”的目的[1]。

一般情況下，蓄電池的容量與額定容量的關系如式(1)所示：

Q=ηQm

(1)

式中：Q——10 h放電率對應的蓄電池容量，A·h；Qm——非正常放電率對應的蓄電池容量，可通過放電電流與時間的乘積簡單估算；η——蓄電池容量系數，蓄電池容量系數與蓄電池放出容量關系見表2所列，其中Im——m倍放電率對應的放電電流，I——10 h放電率對應的放電電流[2]。

另外，當蓄電池的溫度在10～45 ℃變化范圍內，鉛酸蓄電池的容量隨溫度變化而變化，大致遵循關系如式(2)所示：

(2)

式中：Q25——蓄電池在非25 ℃環境下的容量,A·h；Qθ——蓄電池在25 ℃環境下的容量,A·h；θ——蓄電池放電時電解液平均溫度， ℃；K——溫度系數。10 h放電率下蓄電池容量試驗時K=0.006/℃，3 h放電率下蓄電池容量試驗時K=0.008/℃，1 h放電率下蓄電池容量試驗時K=0.01/℃。

表2 蓄電池容量系數與放出容量關系

在不同放電率的情況下，K也會產生對應變化，在計算蓄電池容量時需要按照實際放電率選擇對應的K，然后根據公式即可計算出已放出的容量，并確定是否達標。

實際工作中，如果僅僅是容量核對性判斷無需進行復雜的容量計算，可根據同一設定的終止電壓，實際放電時間與理論放電時間之比即可得出容量是否明顯差異的定性判斷。平臺軟件已經將公式植入，方便在不同方式下的運算。輸出有效的測試結果，并生產Excel報告便于數據的分析。

1.7 系統安全及可靠性

系統安全及可靠性情況如下：

1)可靠的測試原理。采用蓄電池的低壓直流通過設備變成高壓直流的升壓核容測試模式，設備本身不消耗核容電流，被核容電池組升壓后接替通信電源給實際負載供電，不會浪費電池的電量，現場不產生熱量，是全程在線安全節能的核容方案[4]。

2)控制狀態唯一性原則。用硬件譯碼方式保證同一時間只進行一種操作,與軟件控制完全無關。系統采用獨特的硬件譯碼技術，保證即使在程序出錯的情況下，該系統也只能產生一種操作，而不會出現多種操作同時發生的混亂現象[6]。

3)電路可靠性。設備內置從電池組到母線的大功率、大電流在線續流二極管，任何時候都能保障蓄電池組對實際負載的供電。只要電池有電，實際負載就不會出現斷電的情況。

4)工藝可靠性。內置在線大功率常閉直流接觸器，設備處于在線浮充的時候，該直流接觸器和上述大功率二極管一起確保電池組與電源母線處于等電位精密連接狀態。

5)設備故障自檢功能。設備具備在線續流二極管和在線常閉直流接觸器的在線診斷功能，可遠程或本地定期測試該二極管和接觸器是否處于正常工作狀態，并自動上報后臺網管中心，最大程度確保電源系統的安全。

6)設備報警功能。具備電池采集器故障報警，設備內部溫度異常報警，后臺通信故障報警，市電停電報警等，統統自動上報到后臺網管中心。同時，如果設備處于核容測試狀態，遇到報警，設備會自動終止核容，以最大限度確保電源系統的安全。

7)數據可靠性及綜合管理。設備具備高精度的電池單體電壓、內阻和極柱溫度的實時測量能力，并將數據實時上傳后臺網管中心，為網管中心的遠程運維提供基礎保障。協轉模塊實現設備的通信協議轉換，實現后臺網管中心對本地設備的遠程測量功能，遠程傳輸信號功能，遠程控制功能，遠程調節功能。硬件上還具備至少2 h的連續母線和電池組電壓電流變化的歷史存儲功能。

8)應急保電功能。當市電停電，遇到蓄電池容量不足時，系統可保證母線電壓不低于50 V，持續給負載供電，可選擇啟用或關閉該功能。

9)可避免蓄電池長期處于浮充狀態。當蓄電池充電完成，自動斷開K1直流接觸器，二極管一直處于在線狀態(零切換)，當市電停電時K1接觸器瞬間閉合，保證負載供電的安全性，通過該方法有效避免蓄電池長期處于浮充狀態，延長蓄電池使用壽命。

2 應用案例介紹

2019年中石化系統內開始應用直流系統蓄電池組遠程智能運維系統，該系統網絡拓撲結構如圖5所示。

圖5 系統網絡拓撲示意

平臺軟件通過網絡遠程啟動或停止智能運維終端進行充放電、單體內阻測試等。智能運維終端實時上傳監控數據，可通過本地顯示查看屬地設備狀態及蓄電池運維情況。

該系統設備采用一體化安裝能有效地保證系統的完整性。所有裝置實現自動化控制且具有狀態監控及反饋功能，任何異常情況發生時系統會及時地啟動自我保護功能，保障運維過程安全、可靠。

該系統主頁面采用實時地圖模式，從地圖上可直接查看每個站點的情況，站點的顯示圖標用“紅、黃、藍、綠”四種顏色代表了基站的“電池落后機房、電池報警機房、電池放電延時機房、正常機房”四種狀態，點擊圖標可查看每個站點電池的具體情況。選中具體站點可進入設備狀態監控頁面，點擊啟動核容測試并完成對核容參數的設定，可通過監控頁面的電路拓撲圖，觀察各個測試節點的狀態，實時掌握運維過程的細節狀態。

日常定期巡檢工作可通過軟件界面查看，點擊具體站點，查看實時狀態，可直觀地看到每節電池的電壓、溫度、內阻信息，信息以表格及柱狀圖顯示，柱狀圖通過橫向對比可查看狀態最差和最好的電池，點擊想查看的柱狀圖可顯示該電池的歷史測試數據，并以時間軸繪制歷史曲線進行對比，可直觀地看到電池的變化情況，進一步了解電池的健康狀態。

核容充放電歷史查詢，可查看每組電池的所有充放電數據，數據包含主動核容和停電核容兩種類型，數據顯示了電池組電壓、整流器電壓、電池組電流、各節電池的電壓、各節電池的溫度在充放電核容過程中的曲線，同時以柱狀圖展示各節電池在不同時間點的電壓、溫度、剩余容量等信息。而且蓄電池組所有的充放電核容歷史數據都可以進行電子表格輸出及打印。

3 結束語

采用基于智能傳感器和信息系統開發的直流系統蓄電池組遠程智能運維系統在人員安全、放電科學性、節能環保、維護便利性等方面各項指標均優于傳統維護技術。直流系統蓄電池組遠程智能運維系統的作用是： 核容測試能準確地掌握電池組性能，智能有效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做出正確判斷，嚴格把關電池組初裝及質保期內合格率，有效篩選出存在問題的蓄電池、減少測試工作量和增加維護的安全性，大數據匯總及分析為決策層提供準確的基礎數據。遠程蓄電池在線核容測試對于通信電源的安全運行有著重要的實踐意義。