基于物聯網技術的電力蓄電池智慧運維系統設計與應用

李瀟 何子驥

（新疆信息產業有限責任公司）

0 引言

電力蓄電池是電力系統的最后一道防線，在交流電故障狀態下，能夠可靠地為站內電力通信設備和重要的一二次設備提供電源，是保障電網安全運行的重要條件。近年來由于蓄電池質量下降，蓄電池維護手段單一，蓄電池的安全隱患突出。隨著蓄電池投運年限的提升，運行風險逐年加大，應在運行維護保障和管理措施上使用新的技術手段，提升電力蓄電池運行的安全可靠性。為此，本文提出一種基于電力物聯網技術的蓄電池智慧運維系統的設計理念，通過物聯網架構的方式來解決目前電力蓄電池日常運維遇到的相關問題，提高了蓄電池的管理水平和智能化程度。

1 電力蓄電池的維護要求及現狀

目前大部分變電站仍然使用的是閥控式鉛酸蓄電池，閥控式鉛酸蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、隔板、匯流排、安全閥、電池外殼、極柱等組成，鉛酸蓄電池的充放電是由正極板上的活性物質二氧化鉛（PbO2）和負極板上的活性物質海綿狀的純鉛（Pb）與電解液中的硫酸（H2SO4）發生化學反應來完成的[1]。在電力行業，目前針對鉛酸蓄電池常用的標準包括：DL/T856—2018《電力用直流電源和一體化電源監控裝置》、DL/T1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》、DL/T724《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》、DL/T637—2019《電力用固定型閥控式鉛酸蓄電池》等標準，同時國家電網還發布了《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》，對蓄電池的日常運維均提出了明確的要求，主要由日常檢查及年度檢查組成。

1）日常檢查：清除灰塵，檢查連接條、外殼、極柱，測量電壓[2]。

2）年度檢查：核準容量放電試驗，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[3]。

但閥控式鉛酸蓄電池在經過5～8年的使用后，會出現容量下降、內阻增大并最終失效的情況。目前蓄電池運維存在的主要問題包括以下幾方面。

1.1 安全問題

蓄電池引起的非正常掉電、起火、爆炸、直流母線脫離、交流竄入等問題；蓄電池核容時需要現場接線，有安全隱患。

1.2 效率問題

運維工作量大，人工檢查繁瑣，蓄電池長期浮充串聯使用，易出現單只落后整組失效的問題；目前維護手段單一，自動化程度低，核容放電時需要人工到現場操作，費時費力、效率不高。

1.3 預警問題

在蓄電池兩次核容的空白期間，蓄電池也會發生失效的風險，如開路、漏液、短路等。應該實時地對蓄電池的運行狀態進行監測，由事故搶修、消缺變為狀態維修。

2 物聯網技術在電力蓄電池運維系統中的應用與設計

物聯網是物與物相連的互聯網，其本質是通過利用無線數據通信技術，實現物品的識別與信息的共享。通過物聯網技術，可以使得物與物直接對話，省去了人工環節。物聯網平臺整體架構可分為：感知層、網絡層、系統層、應用層和交互層[4]，將其應用到電力蓄電池的運維中，從而實現了蓄電池的智能運維，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

感知層：物聯網的感知層負責完成信息的采集和捕獲，并對信息進行有效的融合和壓縮；在設計上，鉛酸蓄電池傳感器、鋰電池模塊、UPS電源設備的通信端口均屬于感知層的范疇。

網絡層：物聯網的網絡層主要負責IP尋址和路由的發現和維護，通常使用物聯網網關起到數據通信，上傳下達的作用，并支持解析各類智能設備的能力。

系統層：通過Redis、MQ對數據進行收集、解析，根據預設邏輯判斷設備運行狀況，并可下發遠程操作指令。

應用層：直接為終端用戶應用進程提供服務，對各類數據進行匯總、計算、分析。實現諸如容量管理、遠程控制、均衡性分析、數據計算、告警燈功能。

交互層：以各種視覺輸出設備如PC、本地監控屏等形式，將硬件數據以各類數據、柱形圖、曲線圖等形式呈現出來。

鉛酸蓄電池是通過內部的化學反應進行充放電的，可以不依賴任何管理系統，所以失效的偶然性大，很難從外表上對其性能進行分辨。但如果給它加裝蓄電池傳感器，通過匯總采集的數據，在系統中就可直接判斷出它的狀態。電力蓄電池智慧運維系統的設計理念也正是利用先進的信息化技術，對硬件設備采集的蓄電池數據通過專家系統進行邏輯分析、處理，將蓄電池狀態進行實時診斷，實現軟硬件數據交互，監測數據實時展現，蓄電池隱患及時處理的物聯網系統。

3 蓄電池智慧運維系統的功能

蓄電池智慧運維系統包括主站系統及子站兩部分組成，主站系統是指監控中心服務器及系統軟件，子站是指變電站終端的采集設備，如圖2所示。平臺功能的設計主要遵循實用性、先進性、可靠性、經濟性的原則，以蓄電池安全運維為核心，系統軟件由站點信息及監測、大數據計算、告警管理、統計分析和權限管理這五大功能組成。

圖2 系統組成圖

3.1 系統主站

系統主站平臺對各子站點進行集中統一網絡化管理，可通過客戶端實時查詢信息數據，主要功能包括：

1）蓄電池監測診斷，自動實時獲取電池組及單體電池數據，并存儲至服務器端；記錄數據內容包含：單體電壓、內阻、溫度、組端電壓、電流等，以柱形圖、曲線圖等形式實時呈現電壓、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。

2）蓄電池相關告警推送，如蓄電池高壓低壓監測告警、電池連接條螺絲松動監測告警、蓄電池極柱溫度監測告警、蓄電池極板短路/開路監測告警、蓄電池漏液監測告警、蓄電池絕緣監測告警等。

3）蓄電池容量管理，對子站進行遠程主動放電及被動監測停電，對蓄電池充電、放電狀態實時監控，記錄充放電實時電壓、電流，并計算充電放電電量。根據歷史充放電記錄，對蓄電池容量、備電能力進行預估。

4）設備臺賬管理，記錄設備詳情信息，支持電池品牌、型號、批次、標稱容量、標稱內阻、單節標準電壓、電池節數等數據的設置。

5）電源設備的遠程監控管理，通信電源、直流電源、UPS是提供穩定電源的關鍵設備，平臺可對電源設備內部整流器、逆變器、電池、旁路、負載等各部件的運行狀態進行實時監視，一旦有部件發生故障，系統會自動報警，并切換到相關報警界面。

6）環境監測，通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器，時刻監測機房內溫度和濕度數據，監測機房內是否有煙霧產生，以直觀的畫面實時記錄和顯示機房各區域的溫濕度數據及變化曲線，以及越界報警信息處理。

7）大數據分析，通過監測電池組歷史充放電狀態、時長、電量、電壓、電流、溫度等，綜合設備臺賬信息、實時數據、歷史運行數據、衍生分析數據綜合統計、歸類、分析、呈現出各種數據，挖掘數據深層價值。

3.2 子站設備

在變電站端安裝子站設備，通過電力通信通道，主站可對子站設備進行數據監測及控制。除了在蓄電池端安裝的傳感器模塊外，子站以機柜的形態進行部署，內置了蓄電池監控通訊模塊、蓄電池智能充放電模塊、蓄電池效能保障模塊等設備，可以實現蓄電池網絡化監控、在線修復維護管理和核容放電等功能，并有多種保護措施，包括過欠壓保護、過溫保護、反接保護、輸出短路保護等。

3.3 系統部署

在服務部署層面采用前后端分離的部署方式，前端工程獨立，動靜分離的部署方式，提高系統性能。在訪問層采用負載均衡+業務服務器的方式部署，支持業務服務器和數據采集服務器的橫向擴容的集群式部署，以支持更大的訪問量、并發量，當單臺服務器中斷服務時，負載均衡將請求自動分發到其他服務器，業務不中斷，實現服務的高可用，可滿足省內全部變電站接入的數據負載。

4 應用效果

近幾年，受“新冠”疫情影響，新疆電網各地州供電公司運維班組外出工作多有不便。蓄電池方面的傳統運維工作需要人員攜帶設備乘車前往現場進行操作。新疆電網變電站分布廣、數量大，疫情管控期間難以按照規程要求開展工作。通過本系統平臺的應用，最大化發揮了人力資源效能，降低了人力資源投入。運維人員通過物聯網平臺即可遠程查看各項運行數據和開展蓄電池核容放電測試，完成絕大部分蓄電池運維工作。如蓄電池內阻測試、蓄電池電壓測量等工作，以及在蓄電池核容放電測試工作。傳統上站方式每次需要使用2名檢修人員及1名司機、車輛1臺，通過使用該數字化物聯網平臺系統，只需要1人在系統上進行監控看管即可完成，并且規避了倒閘操作不當、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。

5 結束語

物聯網、大數據、人工智能等技術的推出和發展，對電力蓄電池的運維將起到革命性的改變，對運維效果也將有質的飛躍。本文所設計的平臺，也將會隨著技術的進步和用戶的需求再進行功能提升，目的是使電力系統運維更便捷，運行更可靠。