變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池組核容技術(shù)研究

金爛聚，賈 平，周鴻喜，賀 琛，何勁池，鄭 益

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 信息通信分公司，浙江 杭州 310007；2.國家電網(wǎng)有限公司 信息通信分公司，北京 100761；3.杭州高特電子設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

直流系統(tǒng)作為變電站重要組成部分，在供電系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。目前，大部分變電站采用免維護的閥控式鉛酸蓄電池，其日常維護工作量較大[2]。隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展，原有的變電站直流系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當前需求，需要不斷探索應(yīng)用新產(chǎn)品、新材料以及新技術(shù)，也急需采取更加經(jīng)濟科學(xué)的策略對其進行改造。

直流系統(tǒng)電源為變電站的核心路由器和交換機等設(shè)備提供直流工作電源，它的正常與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)通信是否安全可靠。直流系統(tǒng)電源中又以蓄電池組尤為重要，在交流系統(tǒng)因故障停電時，蓄電池組的正常運行是通信系統(tǒng)繼續(xù)運行的保障[3-5]。

受相關(guān)技術(shù)的局限，傳統(tǒng)的電力運行管控手段不夠完善，智能監(jiān)控系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)全覆蓋，系統(tǒng)維護主要依靠人工定期巡視檢查各站點直流系統(tǒng)后備蓄電池運行狀態(tài)，重點是核對蓄電池容量。蓄電池容量核對一般耗時較長，這就造成大量人力浪費。同時，在變電站數(shù)量和蓄電池數(shù)量不斷增加的情況下，運維人員并未對應(yīng)增加，很難對每一組蓄電池做到最佳維護。一旦出現(xiàn)交流系統(tǒng)失電等故障，設(shè)備將面臨停運的風(fēng)險[3-5]。

1 變電站直流系統(tǒng)組成

變電站直流系統(tǒng)的工作電壓通常為220 V、110 V或48 V，除交流配電外一般由蓄電池、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、直流充電模塊、直流回路以及直流負載等組成，如圖1所示[6-8]。常見的蓄電池有防酸式蓄電池、閥控密封鉛酸蓄電池以及鎘鎳蓄電池3種，目前大量使用的是閥控密封鉛酸蓄電池。充電模塊一般有兩種，即工頻交流整流器和微機模塊化充電機。直流回路由直流母線供給各直流負荷的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)負荷類型和供電路徑又可分為若干獨立分支，例如斷路器合閘供電分支和事故照明供電分支等。直流負載按功能可分為控制負荷和動力負荷兩大類，按性質(zhì)可分為經(jīng)常性負荷、事故負荷以及沖擊負荷。

圖1 直流系統(tǒng)組成

2 遠程核容設(shè)計

2.1 遠程核容系統(tǒng)設(shè)計

本文研究了一種遠程核容系統(tǒng)，不僅適用于單組蓄電池，還適用于多個蓄電池組并聯(lián)的系統(tǒng)，使蓄電池組脫離直流母線遠程核容時不會因交流失電而出現(xiàn)斷電風(fēng)險[9-11]。該系統(tǒng)主要包括核容管理平臺、電池管理模塊、核容模塊以及遠程放電控制盒等，如圖2所示。

圖2 遠程核容系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

遠程放電控制盒組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括二極管、開關(guān)、故障診斷模塊以及電流輸入輸出等，可根據(jù)電池組的容量和電壓等級選用不同型號的電力二極管和直流接觸器。

圖3 遠程放電控制盒組成結(jié)構(gòu)

引入遠程放電控制盒故障診斷機制，正常情況下選用電力二極管的導(dǎo)通壓降在0.5 V，額定電流情況下壓降是1.6 V，選用的直流接觸器的閉合的接觸電阻一般在1 mΩ左右。根據(jù)該診斷機制可以形成二極管與接觸器（即開關(guān)K）是否存在故障的判斷，如表1所示。

表1 遠程放電控制盒故障診斷表

當0.2 V＜Ud＜1.6 V時，控制開關(guān)K閉合：若Ud≤0.2V，可判斷開關(guān)K正常，二極管正常；若0.2 V＜Ud＜1.6 V，可判斷開關(guān)K異常，二極管正常。

當Ud≥1.6 V時，控制開關(guān)K閉合：若Ud≤0.2 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管異常；若Ud≥1.6 V，可判斷開關(guān)K異常，二極管異常。

當Ud≤0.2 V時，此時控制開關(guān)K斷開：若Ud≤0.2 V，可判斷開關(guān)K異常；若0.2 V＜Ud＜1.6 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管正常；若Ud≥1.6 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管異常。

通過以上工作原理，可以實現(xiàn)遠程放電控制盒KD狀態(tài)檢測。

2.2 遠程核容模塊設(shè)計

如圖4所示，采用純消耗型負載核容模塊的設(shè)計中，負載可根據(jù)設(shè)備型號要求由多條電阻條并聯(lián)形成。電阻條采用鎳鉻扁絲（Cr20Ni80）制成，可承受約10 A的電流。若設(shè)備最終要求可承受50 A電流時，可由5個電阻條并聯(lián)形成。消耗型負載核容模塊設(shè)計原理如圖4所示。

圖4 消耗型負載核容模塊設(shè)計原理

在實際使用時，可通過增加MOS管的方式降低單管功耗，即采用增加MOS管的數(shù)量來增加散熱面積，分別獨立由一個恒流電路驅(qū)動。本設(shè)計中，采用了6個相同的單管恒流單元，節(jié)點P+并接、節(jié)點A并接可調(diào)恒流支路負反饋等電路，節(jié)點B接地并連接電流采樣電阻，如圖5所示。當有電流通過時，電流采樣電阻上會產(chǎn)生電壓信號，該信號通過放大后，與電流基準電壓進行誤差比較放大后輸出到A點，作為控制MOS管的開通電壓，繼而控制相應(yīng)的導(dǎo)通電阻，最終控制支路電流。

圖5 恒流控制部分MOS管組合Q中單管恒流單元

此外，本文也研究設(shè)計了新型饋電式放電模塊，主要由純阻性假負載PTC和電源模塊DC/DC等組成，如圖6所示，該DC/DC采用恒流模式的BOOST拓撲，可將核容過程中不斷下降的電壓升高到略大于充電機輸出電壓，保證直流端負載的供電電壓穩(wěn)定。在核容過程中，先使用實際負載進行核容，假負載PTC處于斷開狀態(tài)，電流經(jīng)過DC/DC升壓后供給，當實際負載無法滿足放電電流大小要求時根據(jù)所缺電流啟動假負載。

圖6 新型饋電式放電模塊的內(nèi)部原理圖

在核容過程不調(diào)整充電機輸出電壓的情況下，可以使被測蓄電池組對實際負荷進行恒流供電而達到在線恒流放電目的，而且在此過程中另一組蓄電池組還始終保持滿浮充備份狀態(tài)，最大限度地避免放電過程中系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險。

2.3 遠程核容系統(tǒng)運行流程

在蓄電池組浮充運行下，核容模塊內(nèi)蓄電池組放電開關(guān)（K1、K2）和母聯(lián)開關(guān)K3應(yīng)處于斷開狀態(tài)，遠程放電控制盒內(nèi)蓄電池組輸出開關(guān)（J1、J2）處于閉合狀態(tài)。

核容管理平臺具備遙測、遙信、遙控以及遙調(diào)等基本功能，如核容蓄電池組選擇，核容放電電流、放電容量以及放電時間等參數(shù)的設(shè)置，溫度、電流以及電壓等報警閾值的設(shè)置。首先通過核容管理平臺選擇需遠程核容的蓄電池組，確認沒有異常報警后根據(jù)計劃選擇全容量或設(shè)定容量（或時長）設(shè)置核容參數(shù)；其次電池管理模塊根據(jù)指令控制遠程放電控制盒內(nèi)的蓄電池組輸出開關(guān)斷開，使得蓄電池組停止充電，同時停止對直流系統(tǒng)輸出供電，閉合蓄電池組放電開關(guān)，啟動負載模塊進行放電。通過蓄電池遠程核容平臺下發(fā)指令啟動放電模塊對蓄電池組進行放電，整個過程的基本流程如圖7所示。

圖7 遠程核容系統(tǒng)運行總體流程

模式一：正常核容過程，若未出現(xiàn)交流失電的情況下，結(jié)束后輸出核容分析結(jié)果，之后進入蓄電池電路恢復(fù)的過程（即進行充電過程），控制負載模塊退出后，使蓄電池組充電的同時對直流系統(tǒng)輸出供電，如圖8所示。

圖8 遠程核容系統(tǒng)運行模式一流程

模式二：若核容過程中出現(xiàn)交流失電，則立刻停止核容，進入保障系統(tǒng)安全運行階段。當交流恢復(fù)且進入蓄電池電量恢復(fù)的過程時再根據(jù)計劃進行核容。其中，當滿足多組輸出判斷的啟動條件時，如通過已放出容量結(jié)合單體電壓及其分布情況判斷出單組可能無法繼續(xù)較長時間支撐，閉合母聯(lián)開關(guān)，且遠程放電控制盒內(nèi)蓄電池組輸出開關(guān)要處于斷開狀態(tài)，蓄電池組通過二極管給直流系統(tǒng)供電；并實時檢測交流是否恢復(fù)，若恢復(fù)則斷開母聯(lián)開關(guān)，控制蓄電池組充電的同時對直流系統(tǒng)輸出供電，如圖9所示。

圖9 遠程核容系統(tǒng)運行模式二流程

模式三：若正常核容過程后充電過程中出現(xiàn)交流失電，則立刻進入保障系統(tǒng)安全運行的階段，當交流恢復(fù)后重新進入蓄電池充電過程，充滿后可再根據(jù)計劃進行核容，如圖10所示。

處于核容結(jié)束后的充電過程出現(xiàn)交流失電，當滿足多組輸出判斷的啟動條件時，其與模式二判斷方式類似，基于充電曲線判斷單組是否無法繼續(xù)較長時間支撐。滿足啟動條件時，控制進行多組同時輸出，并實時檢測交流是否恢復(fù)。

2.4 核容評價

現(xiàn)有站點蓄電池核容過程中可能存在交流失電的情況，很多情況下無法進行百分百深度的核容。即使進行了完全放電，但由于鉛酸蓄電池的特性，還是存在大部分蓄電池由于未到截止電壓而無法準確得知其性能的情況，圖11和圖12為某變電站全容量0.1 C放電結(jié)束時刻每節(jié)蓄電池的電壓分布，可能存在較多電池聚集，也可能存在個別電池較差的情況，這就需要采用一定的技術(shù)手段進行數(shù)據(jù)分析來獲得各個蓄電池的性能數(shù)據(jù)。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對此進行分析。

圖11 某變電站a放電結(jié)束時刻電壓分布

圖12 某變電站b放電結(jié)束時刻電壓分布

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的簡單處理單元組成，是一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可描述非線性、多數(shù)據(jù)并行的問題，具有高容錯與可訓(xùn)練學(xué)習(xí)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如信號處理、模式識別、自動控制、輔助決策以及人工智能等。蓄電池核容評價可以認為是模式識別的一種，即針對放電曲線分布和走向情況識別較為合適的性能數(shù)據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要步驟如下：

（1）選擇合適的輸入樣本A和輸出樣本C，并進行歸一化處理。初始化網(wǎng)絡(luò)連接的權(quán)值：輸入與隱層的權(quán)值YWxy、隱層與輸出的權(quán)值SWyz，隱層觸發(fā)閾值θy、輸出觸發(fā)閾值ηz，均為[-1，1]區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)。

（2）隱層By==f(∑YWxy·Ax-θy)，輸出層Cz=f(∑SWyz·By-ηz)。

（3）若誤差大于設(shè)定的預(yù)期誤差，則對權(quán)值和閾值進行修正，修正公式為：

式中，Sez、Yey為輸出層、隱層的校正誤差；α、β為學(xué)習(xí)系數(shù)。

使用MATLAB構(gòu)建一個簡單的一輸入一輸出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用newff函數(shù)創(chuàng)建該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖13所示。第一層二神經(jīng)元，傳遞函數(shù)tansig。第二層一神經(jīng)元，傳遞函數(shù)purelin。訓(xùn)練函數(shù)traingdx，設(shè)置合適迭代次數(shù)，其他參數(shù)默認。

圖13 newff兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)時，采用多輸入學(xué)習(xí)樣本與單輸出教師樣本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖14所示。其中輸出樣本為蓄電池性能數(shù)據(jù)，即當前容量與標稱容量的百分比值，不允許超過100%。

圖14 N輸入M輸出兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

輸入樣本為不同蓄電池性能的放電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度可為21、20、19、...。在大量蓄電池放電的基礎(chǔ)上，將不同蓄電池性能所對應(yīng)的放電曲線數(shù)組作為訓(xùn)練集。當某一次核容放電結(jié)束時，例如放出容量在50%時，應(yīng)選擇每5%即長度11的樣本集進行訓(xùn)練。當放出容量在80%時，應(yīng)選擇每5%即長度17的樣本集進行訓(xùn)練。

由于輸出樣本已經(jīng)處于0～100%之間，無需進一步做歸一化處理，因此針對輸入部分放電電壓數(shù)據(jù)的歸一化處理為：

式中，vmin為放電截止電壓，以2 V鉛酸蓄電池為例即為1.80 V；vmax為完全充滿后起始電壓，以2V鉛酸蓄電池為例，該數(shù)值為均充結(jié)束或浮充時轉(zhuǎn)為放電的起始電壓，一般設(shè)置為2.15 V，且當f(v)≥1時記為1。

從上述原理來看，此方法無法預(yù)測放電過程中電壓突然變化的情況，應(yīng)再探索研究更多輸入進行補充，如電池內(nèi)阻和長期浮充特征等。

3 結(jié) 論

目前變電站直流系統(tǒng)的蓄電池組大部分情況下還是采用現(xiàn)場人工核容的方式，每年需要投入大量的人力物力來檢查蓄電池組狀態(tài)是否健康。本文研究了具備防護能力的遠程核容技術(shù)，其在脫離直流母線遠程核容時不會因交流失電而出現(xiàn)斷電，可通過遠程控制較早的知道遠程控制盒本身是否存在異常。同時通過算法研究對核容過程中的數(shù)據(jù)進行分析，基本可獲得蓄電池組各個電池的性能情況，具有較好的應(yīng)用效果。