物聯網技術在電力通信蓄電池維護中的應用

魏繼俊 方珂翔 鄒雅潔 王皓翔 曹潔

（國網新疆電力有限公司昌吉供電公司）

0 引言

蓄電池是直流系統中重要的儲能設備，是電力通信系統可靠運行的核心部件之一，為電力系統的二次系統負載提供穩定的后備電源。蓄電池獨立于其他電源，不受外界影響。鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特（Plante）發明的二次電池。由于具有價格低廉，原料易得，使用可靠，可大電流放電等優點，一直是化學電源中產量大、應用廣泛的產品，在電力系統中也是最廣泛使用的蓄電池[1]。因此，如何保證蓄電池組的運行穩定和實際容量，是電力通信系統維護的重要工作。

1 電力通信蓄電池維護要求

目前在電力系統中，閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）因具有性能穩定、安全性好的特點，其單體電壓一般有2V、6V和12V三種，在變電站中電力通信的蓄電池使用最多的是壽命長、可靠性高的2V電池。電力通信電源系統的蓄電池通常是由24只2V鉛酸蓄電池串聯組成48V的蓄電池組，一般一臺通信電源會配置1～2組蓄電池。蓄電池組通常是在浮充狀態下運行的，即通信電源充電裝置的直流輸出端始終并接著蓄電池和負載，以恒壓充電方式工作。正常運行時充電裝置在承擔經常性負荷的同時向蓄電池補充充電，以補償蓄電池的自放電，使蓄電池組以滿容量的狀態處于備用[2]。閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）在長期的浮充狀態下，會產生硫化現象，造成容量降低、壽命縮短。同時，因其是個“黑匣子”，內部狀態不可見，日常維護除了除塵，檢查連接條、外殼、極柱，測量電壓外，通常需要采用核對性充放電的方式才能獲取其實際容量。

在《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中，對于通信電源蓄電池核對性充放電實驗的要求是：新安裝閥控密封蓄電池組，投運后每2年應進行一次核對性充放電試驗，投運4年后應每年進行一次核對性充放電試驗[3]。

如果通信電源有二組蓄電池組，則一組運行，另一組斷開負荷，進行全核對性放電。放電電流為I10恒流。當單體電壓為終止電壓1.8V時，停止放電，放電過程中，記下蓄電池組的端電壓，每個蓄電池端電壓，電解液密度。若蓄電池組第一次核對性放電，就放出了額定容量，不再放電，充滿容量后便可投入運行。若放充三次均達不到額定容量的80%，可判此組蓄電池使用年限已到，并安排更換[1]。

如果通信電源只有一組蓄電池組，電池組不能退出運行，也不能作全核對性放電，只允許用I10電流放出其額定容量的50%，在放電過程中，單體蓄電池電壓還不能低于1.9V。放電后，應立即用I10電流進行恒流充電，當蓄電池組電壓達到（2.30～2.33）V×N時（N為蓄電池組的電池個數）轉為恒壓充電，當充電電流下降到0.1I10電流時，應轉為浮充電運行[1]。或者通過攜帶一組備用電池，替換掉在線運行的蓄電池，使其脫離下來后進行全核容性放電，判斷依據和方法與兩組蓄電池方式一致[1]。

所以為了使變電站的通信蓄電池達到使用要求，滿足相關標準的規定，采用傳統的維護方式要投入大量的人力、物力，維護工作量大、重復的工作多。且隨著電網發展，變電站數量逐年增加，對供電可靠性的要求越來越高，對電力通信電源系統的安全可靠運行也提出了更高的要求。應利用智能新技術，改變現有運維模式，提高運維效能，這是電力通信專業領域內近年探索的新命題和共識。

2 電力物聯網蓄電池安全運維管理平臺

通過分析電力通信蓄電池的維護需求，筆者認為通過物聯網技術手段，對電力通信蓄電池進行管理，以“物聯網平臺軟件+感知硬件”的方式將能解決目前電力通信蓄電池日常運維遇到的相關問題。

2.1 平臺架構

典型的物聯網平臺架構是由感知層、網絡層、接入層、業務層和應用層組成的，電力物聯網蓄電池安全運維管理平臺也是按此架構，如圖1所示。

圖1 電力物聯網蓄電池安全運維管理平臺架構

感知層為硬件層面加裝的傳感器，用于實時采集蓄電池運行數據。

網絡層為物聯網智能網關，用于對感知層采集的數據進行分析、整合，并負責將整合后的數據提供給接入層。

接入層為數據處理服務器，對網絡層傳輸的數據進行驗證、清洗、存儲并通知業務層處理。

業務層則基于接入層存儲的數據進行解析處理后為應用層提供HTTP數據接口。

應用層即為物聯網平臺Web客戶端，基于業務層提供的數據接口進行頁面數據渲染以及數據呈現。

2.2 平臺功能

針對目前電力通信蓄電池狀態無法全面感知、故障隱患不能及時處理、運維效率不高的問題，電力物聯網蓄電池安全運維管理平臺通過安裝蓄電池監測、應用蓄電池在線修復技術、使用蓄電池遠程核容方式來提高電力通信蓄電池的狀態監測能力、故障自治能力，提升運維效率和精益化管理水平。

蓄電池監測傳感器可實時采集蓄電池組及單體電池的運行數據，包括蓄電池組電壓、電流，單體電池電壓、內阻、極柱溫度等基礎數據。通過監測數據可以提供蓄電池短路、開路、連接條松動、熱失控、漏液及絕緣等實時告警，并傳輸到物聯網平臺。使蓄電池不再是“黑匣子”，運行狀態一目了然。

平臺的蓄電池效能保障模塊輸出的電流型復合諧波脈沖，可自動擊碎分解蓄電池極板上的硫酸鉛晶體，解決蓄電池長期浮充所引起的硫化問題，并實現蓄電池電壓、內阻的均衡一致性，同時提升蓄電池容量，延長蓄電池壽命。在線修復方式可使蓄電池不下線進行修復和保養，免除了因蓄電池修復所引起的停電、搬運等問題。

現場安裝的蓄電池智能維護設備柜內包括放電負載、控制單元、通信單元和顯示單元。通過物聯網平臺進行操作，使運維人不用到現場，通過平臺操作界面即可實現蓄電池核準性容量放電的維護工作，見圖2。

圖2 平臺監控首頁

在各站點通過電力內網接入到電力物聯網蓄電池安全運維管理平臺后，根據平臺的數據計算與統計結果，可將蓄電池全生命周期的運行狀態進行呈現，滿足地市、縣市、站點等不同層級人員對蓄電池的差異性關注。相關數據包括：

1）臺賬類數據，如站點數據，包括不同等級變電站的統計數據、電池數據。

2）運維類數據，通過蓄電池的容量及放電記錄等數據，體現本年度應做放電維護的電池組數量、已放電的電池組數量。

3）實時告警數據，包括實時告警信息和數據統計。

4）站點運行數據，以蓄電池組為單位，對站點的蓄電池實時運行狀況進行圖形可視化呈現，通柱形圖、曲線圖等形式呈現電壓、內阻、電流、電壓均衡性、平均溫度、充放電電壓、充放電電流曲線等數據，并進行分類存儲。

2.3 平臺安全性

在平臺安全性上，主要考慮的包括平臺安全和硬件安全。

平臺安全方面，系統采用國家密碼主管部門要求的加密算法（SM3等）保證鑒別信息和重要業務數據等敏感信息在存儲過程中的保密性；在對關鍵的敏感數據（如用戶密碼等）進行傳輸時，利用公鑰進行加密傳輸，然后在服務端通過私鑰解密；系統通過統一身份認證、授權管理、安全審計、軟件容錯等多方面保障應用層安全。同時系統具備防重放機制、越權訪問控制、數據有效性驗證、惡意代碼防范等安全防護策略，通過數字簽名進行驗證。

因放電操作涉及蓄電池與設備的操控，所以首先要保證放電時不能發生事故，如遇意外停電，蓄電池能夠繼續發揮備電作用。首先在平臺上，放電操作有權限的限制，操作員發起后，需要管理員審核批準。在本地操作時，操作屏也需要管理員的權限登陸后才可進行操作。在硬件方面，放電負載的功耗元件采用新型功耗元件及特殊放電控制方式，在放電開始無沖擊電流，避免對蓄電池造成損壞。機箱內部具有特別冷風道設計，保證機箱內部無限接近于熱平衡的狀態，滿負荷放電10h后，負載內電氣部分溫度不超過40℃，外殼不超過35℃，不會因放電引發事故。同時控制單元、通信單元均有特別設定，如出現設備自檢、通信故障等問題，將不會啟動放電操作或終止放電，保證蓄電池時刻處于備電狀態，確保萬無一失。平臺遠程放電界面如圖3所示。

圖3 平臺遠程放電界面

系統投入運行前，針對蓄電池在浮充、均充、放電狀態下，模擬市電掉電故障、網絡中斷故障、蓄電池智能維護設備柜直流供電、交流供電中斷等情況，分別進行了安全性的測試，驗證了蓄電池的備電安全。在蓄電池放電時，如遇以上情況，蓄電池均可以達到0s切換，不會造成事故。

3 應用效果

通過物聯網技術在生產管理中的推廣應用，最大化發揮了人力資源效能，降低人力資源投入。運維人員通過管理平臺即可遠程查看各項運行數據和開展實驗，“足不出戶”就能完成絕大部分蓄電池運維工作。減少了上站次數，節約了維護時間及成本，并且規避了倒閘操作不當及接線錯誤導致的設備風險、人身安全風險、行車風險等多項風險。

通過平臺的數據挖掘，運維人員可以提前做好更新蓄電池的有關計劃。有效地解決目前蓄電池運維工作中所面臨的實際困難，并提高了蓄電池的可靠性，確保蓄電池安全穩定運行，實現了安全和質量的雙提升。

在大數據的時代，提升運維質量、提高運維效率，促進電力蓄電池運維模式由人工維護向智能設備運維的轉型升級，提高生產組織績效和全員勞動效率將是一種趨勢。