智能變電站蓄電池狀態監測系統的研究

宋濤

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

近些年來，隨著智能變電站建設步伐的加快，大量的智能二次設備投入應用，需要直流系統對其進行可靠供電，而蓄電池則是直流系統最后的一道關卡，在交流失去或者直流系統故障時將帶著直流負荷運行，其重要性顯而易見。現階段智能變電站直流系統的運行情況還是存在許多問題，出現故障的地方主要是充電設備及蓄電池方面，當前智能變電站內能實現大部分直流系統信息的采集監測，但沒能實現對蓄電池全方位的監測。蓄電池作為直流系統的心臟，在正常運行狀況下處于浮充狀態，采用傳統測量電壓和內阻的方法很難確認蓄電池的好壞[1]。系統發生事故，而蓄電池又無法正常工作，產生的后果將無法想像，因此全方位實時遠程監測蓄電池對運維工作非常重要。本文提出一種智能變電站蓄電池在線監測方案，能夠及時地維護蓄電池，從而達到提高直流系統的可靠性和安全性的目的。

1 蓄電池狀態監測功能描述

本文的蓄電池狀態監測系統通過對蓄電池運行監測、內阻檢測、核對性充放電試驗、蓄電池均衡維護及性能告警等，并對相關數據進行保存以供現場查詢，還通過局域網將現場數據遠傳至服務器，運維人員登錄局域網內客戶端即可實時掌握蓄電池運行情況，對蓄電池進行維護，提高了直流系統的安全性和可靠性。

通過應用蓄電池狀態監測系統，變電運維人員得以擁有一個能夠實時獲取蓄電池組運行狀態的強大助手，以往蓄電池狀況的識別只能通過現場巡視并用萬用表測量相關參數，現在則可以實時調取電池的溫度、內阻、電壓、電流、均差等相關信息[2]，必要時還可以通過靜態放電測試獲取蓄電池組的容量數據，幫助變電運維人員有效地掌握蓄電池整體運行狀況。

系統通過安裝于現場的蓄電池監測模塊，可以控制任一單體電池充放電，從而實現在線對單體電池浮充電壓進行調整，對電池進行補充電或放電，以達到對蓄電池的在線維護和活化功能，既可以提高蓄電池使用壽命[3]，又可以節約成本并且減少對環境的污染，實現節能減排增效目標。

系統通過安裝于現場的放電模塊可直接進行蓄電池組核對性充放電工作，省略了以往工作前的費事費力的先排線后接入工作，能至少節省1 h，減少了人力成本，使充放電工作更加安全和可靠。

蓄電池專家診斷模型診斷浮充電壓、核對性放電測試數據、充電曲線、內阻測試值等，通過人工神經網絡和模糊數學方法，及時掌握電池性能，并能預知電池失效狀態。

隨著蓄電池狀態監測系統的成熟應用，可以逐步改變蓄電池的檢修模式，狀態檢修將逐漸取代定期檢修，優化了檢修模式，從而大大提高蓄電池維護效率，改變蓄電池運維的模式，為電網設備安全穩定運行保駕護航。

2 蓄電池狀態監測系統組成

2.1 位于變電站現場的智能設備

蓄電池監測系統安裝于變電站現場，對單體電池電壓、內阻、核對性容量測試值、電池組端電壓、充放電電流、環境溫度等各項數據進行采集，并將這些信息轉化為滿足通訊協議的數據包，再通過以太網或其他通信網絡將實時信息傳送到主站端服務器的數據庫中。現場或后臺機同時顯示相關信息，并實現狀態告警和數據存儲。直流充電機監測裝置安裝在現場DC屏中，實時監控各個充電模塊的參數，包括充電電流、充電電壓等。現場還安裝了絕緣監測儀和放電裝置等其他智能設備。

2.2 變電站數據透明轉發

傳統變電站的設備數據信息采集，需要依靠獨立的通信信道，或者采用現場布置RTU 的方式，設備數據先由現場RTU 完成數據解釋工作，進而再由RTU整合其他設備信息，整合完成的數據通過同一網絡通道實現數據遠傳，各類設備信息再由計算機軟件進行提取，進行獨立的數據發布。而在本系統中，采用了設備運行狀態信息采集儀EII-B，利用其實現數據的透明轉發，在整個數據傳送過程中，數據透明轉發裝置不需要匹配現場智能設備的通訊協議，它僅對與智能單元雙向通信產生的數據進行透明轉發[4]。現場有新增智能設備時無須更改現場設備運行狀態信息采集儀相關參數，大大節省了現場施工的時間，也方便了實際使用。

2.3 位于信息中心的遠程服務器“數據采集平臺”

遠程服務器與各變電站設備運行狀態信息采集儀設備采用C/S 構架，由配套的數據采集平臺向現場采集儀發送通訊命令，現場采集儀完成設備各種信息數據的采集，而平臺接收和處理其反饋的各種數據，對此進行統一的數據規約解釋，最后將處理好的信息存入相關數據庫。處于信息中心的WEB 服務器是信息交換的中心，它采用了B/S 構架，對后臺數據進行處理、分析，等待設備運行狀態信息處理單元查詢，或等待其他系統調用，此外還提供實時監控告警服務，將友好的人機交互界面呈現在用戶面前。變電運維人員通過安裝的用戶客戶端即可查看各變電站相關實時運行信息，還可查看過往的歷史信息，導出分析報表，真正意義上實現對無人值班變電站蓄電池的綜合管理，減輕了運維人員日常巡視的負擔，為電網運行維護提供了有力保障。某智能變電站蓄電池狀態監測系統如圖1 所示。

圖1 蓄電池狀態監測系統圖

3 蓄電池在線均衡維護功能

充電機對蓄電池進行充電過程中，控制的是蓄電池整組電壓而非單體電壓。例如廠家推薦的單體浮充電壓為2.25 Ⅴ時，那么對104 節蓄電池構成的電源系統，其整組浮充電壓應該設為104×2.25=234 Ⅴ。蓄電池的生產過程無法保證每只蓄電池完全一致，細微的差別導致了每個個體的性能參數存在一定的差別，無法使每個個體按照設定的浮充電壓進行充電。通過研究單體電壓的浮充電壓數據，發現其數據在小范圍內浮動，變電站運行規程中列出了相關的條款，規定其限值是±50 mⅤ（標稱2 Ⅴ電池），研究數據可以發現少數單體電壓并未超過設定的標準，但其數值卻長時間偏離設定的標準，這給蓄電池安全穩定運行帶來了不利影響。

從蓄電池的運行數據可以得出以下結論：過高的浮充電壓意味著對蓄電池過充，長時間的過充影響很大，會加劇正極板腐蝕，進而縮短蓄電池壽命；反之，過低的浮充電壓意味著對蓄電池的欠充，此狀態會加劇負極板腐蝕，同樣也會縮短蓄電池壽命；蓄電池組中各單體電池電壓還會相互產生影響，引發更大的波動，從而加劇過充和欠充現象[5]。

蓄電池平時正常運行時處于浮充電狀態，也就會存在3 種可能的情況，即正常充電、過充、欠充。蓄電池狀態監測系統對一段時間內的電壓進行分析，如單體電壓的變化、單體電壓相對整組平均水平的變化等，再對內阻進行干預，之后才能獲得較為準確的浮充電狀態。內置的蓄電池專家診斷模型對電池參數的變化進行分析，及時了解蓄電池的工作狀況，當得出過充或欠充的結論時，在線調節蓄電池電壓或進行活化[6]。維護程序也可通過網絡遠程下達指令執行。

確認過充，予以在線活化。蓄電池長期處于過充狀態，會帶來很不利的影響，伴隨著正極腐蝕和容量減少。浮充電壓是體現電池是否過充的一個指標，在運行程序得出過充的結論后，對過充電池進行適當的干預，讓過充的電池進行放電，以達到相關技術指標，就能夠有效改善過充對蓄電池運行的不利條件，最終讓蓄電池達到最理想的浮充狀態。

確認欠充，予以在線補充電。蓄電池長期處于欠充狀態，也會產生很不利的影響，伴隨著負極會逐漸腐蝕和容量減少，使得負極板的PbSO4不發生原有的反應。運行程序通過分析蓄電池的浮充電壓數據，然后給出蓄電池欠充的結論后，第一時間進行在線補充電的工作，能有效改善可能出現的負極板腐蝕現象，最終讓蓄電池恢復至正常浮充電狀態。

4 蓄電池失效診斷模型

眾所周知，單體電池落后會影響整組蓄電池的性能，因此及時發現并處理落后電池是日常維護工作中非常重要的環節。可以通過對蓄電池內阻進行監測來判定蓄電池性能，但這種方式存在很大局限性，即蓄電池容量與內阻不存在一一對應關系，此外因為蓄電池內阻較小，這就要求測試的精度非常高，而且電池處于不同狀態下其內阻也是不同的，如果蓄電池處于不平衡狀態下，采用內阻測試來診斷失效很容易得到錯誤結論。蓄電池的實時性能也無法通過單一的監測蓄電池的電壓來體現，蓄電池的容量與蓄電池的浮充電壓也沒有一一對應關系。雖然定期的核對性容量測試和內阻測試可以定期地反映蓄電池的性能，但由于人力、時間等方面的原因，無法從理論上保證在下一次做核對性容量測試的一段時間內，蓄電池的容量和性能是符合要求的。

本系統中以產生的大量電池運行數據作為支撐，可以判定電池性能的變化與電池電壓的變化存在相關性。蓄電池性能隨著蓄電池使用時間的增加而不斷劣化，蓄電池容量會逐漸減少，而此時蓄電池電壓的離散性也會變得越來越明顯。依據這樣的特點，采用結合人工神經網絡和模糊數學的優點的方式，用一種非線性處理的手段，基于某種拓撲結構將各種數據進行關聯，即可得到蓄電池是否失效的結論，從而建立了蓄電池失效診斷模型。蓄電池失效診斷模型通過幾個月的學習，即可給出分析結果，模型將利用反饋的測試結果不斷進行學習改進，分析精度也會隨著時間的推移逐漸提高。診斷模型以柱狀圖、圖表等形式實時顯示蓄電池的健康狀態，及時預測蓄電池的運行狀態并維護故障蓄電池。蓄電池性能分析圖如圖2 所示，柱狀圖顯示了各單體電池的性能百分比。

圖2 蓄電池性能分析圖

5 總結

本文對蓄電池在線監測系統進行了分析與研究，對系統結構和功能進行描述，蓄電池在線監測系統的實施能夠讓變電站的蓄電池管理更加高效，可減少巡視次數，提高了蓄電池容量的續航能力，延長了蓄電池組使用壽命，使蓄電池的運行更加安全，降低了發生事故的概率；節省了變電運維工作的人力物力，提升運維工作效率，并且符合智能化和自動化的時代發展需求；可大大提升變電站精益化運維水平，保證了變電站直流系統可靠穩定運行，為電網安全穩定運行打下了堅實的基礎。