一種變電站用蓄電池在線維護系統的新技術研究

張雨星，王夢齊，王朕偉，徐劍鋒

(1.國網黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，哈爾濱 150070；2.國網黑龍江省電力有限公司興凱湖供電分公司，黑龍江 雞西 158300)

0 引 言

在變電站中，蓄電池組作為儲能設備是電力設備的備用電源，也是變電站中的最后一道防線。電力系統正常運行時，蓄電池與充電機并聯在直流母線上，處于浮充電的狀態，在直流負載瞬時增大時，蓄電池可以無延時地提供較大的負載電流。當變電站失電時，蓄電池可為控制、保護、自動裝置、斷路器和隔離開關等重要的設備供電，保障其可靠動作[1]。由此可見，蓄電池的運行狀態對保障電網安全有著重要意義。對于蓄電池的維護任務，最重要的就是對蓄電池的電壓、內阻、容量等進行實時監測。當發現性能受損的蓄電池對其更換，維持蓄電池組的良好工作狀態。

因此，該文提出一種對蓄電池組進行遠程在線監測和核對性充放電的維護方案，對蓄電池的運行狀態和相關參數進行遠程實時監控。

1 變電站內蓄電池維護現狀

目前，蓄電池的維護主要依靠變電運維人員到設備現場進行測量。傳統的蓄電池檢測方法主要有以下幾種。

1.1 核對性放電

進行核對性放電時，須將蓄電池組脫離供電系統接到負載兩端，以規定的電流對其恒流放電，使蓄電池電壓降到一定值(通常為1.8 V)以下再停止放電[2]。通過放電時間可計算得到電池的容量，計算結果較為準確，可反應大多數電池組存在的問題[3]。但是，在此種方式下僅能給出測試時的蓄電池狀態，無法得到運行時的性能，并且核對性充放電所需時間長，成本高，費時費力，在人力有限時難以有效開展，且對于有兩組及以上蓄電池的變電站，核對性充放電工作較為復雜，如操作不慎，可能會影響變電站的安全運行。

1.2 電壓測量

該方法是由運維人員直接到現場用萬用表測量每節蓄電池的端電壓，其可行性高，但操作較為繁瑣。電壓測量能檢測出蓄電池的開路和短路狀況，但是只能采集電壓，反映問題不夠全面。如實際運行中常出現蓄電池在浮充時電壓正常，但放電時電壓值迅速降低的情況，此方法僅能檢測出嚴重劣化的電池，無法系統全面地了解電池組的運行狀態[4]。

1.3 內阻測量

現階段常用的內阻測量方案為運維人員到現場用內阻測試儀進行測量，可以通過測得蓄電池內阻的大小表征蓄電池狀態的優劣[5]。但是，由于直流內阻測試只能測到內阻中的歐姆阻抗，無法測得極化阻抗，所以無法精確判斷蓄電池的性能好壞[6]，需要結合其他數據進行比對，才可及時預判電池組可能出現的問題。

目前常用的幾種檢測方法都需要運維人員定期到現場進行維護。按照運行規程要求，蓄電池普測須每月進行一次，對于核對性充放電，新安裝的閥控蓄電池在驗收時應進行全容量核對性充放電，之后每2～3 年應進行1次全容量核對性充放電，運行6 年以上的閥控蓄電池，宜每年進行1 次全容量核對性充放電。由于是進行現場定期檢測，所以上述方法存在以下缺點。

1)需要運維人員到所管轄的變電站現場檢測，工作量大，耗費人力和時間成本。

2)受傳統檢測器材精度限制，難以精確掌握蓄電池運行狀態。

3)周期檢測的空窗期不能及時發現問題，容易出現隱患。

4)由于某些型號蓄電池的制造工藝問題，運行中存在的故障早期不易發現[7]。

5)定期檢測得到的是離散數據，無法形成有效的評價體系。

因此，要提高運維站的工作效率，有必要采用基于電力物聯網的遠程充放電和遠程監測技術來解決這一問題

2 系統的開發

該系統主要由負責單體電池數據采集的單體檢測模塊、數據匯總的匯集模塊、和處理數據的主機部分組成。主機可在后臺機的指令下進行核對性放電，并且可以將單節蓄電池的運行狀態實時傳送至后臺機，實現對蓄電池組的在線維護。

2.1 系統的硬件組成

2.1.1 單體檢測模塊

單體檢測模塊是蓄電池組智能在線運維的基礎。它的主要作用是對單節電池的內阻、極柱溫度、電壓進行實時監控，并且指定周期內對電池內阻進行測試。每節電池配置1個單體模塊，用來實時獲取蓄電池組中每節電池的實時運行狀態。其體積為71 mm×55 mm×30 mm，可以方便地貼裝在蓄電池表面，通過8針端子連接電池檢測線纜，線纜再與電池極柱相連，從而實現單體模塊對電池的檢測。其示意圖如圖1所示。

圖1 單體檢測模塊

表1為單體檢測模塊主要測量項的量程。按照規程描述，單節蓄電池電壓在2.25 V左右，運行溫度為5～35 ℃。常用蓄電池容量為300 A·h，內阻為0.7 mΩ。根據上述條件，單體模塊量程滿足蓄電池檢測的需求。

表1 單體檢測模塊主要測量項的量程

2.1.2 匯集模塊

匯集模塊是單體檢測模塊和主機之間的橋梁。其主要作用為收集單體模塊的監控和測試數據，定期啟動單體模塊的內阻測試，上傳數據給主機，接受主機的測試命令，每組蓄電池組配置1個匯集模塊。集模塊體積為260 mm×100 mm×30 mm，可固定在電池架上。其示意圖如圖2所示。

圖2 匯集模塊

表2為匯集模塊的主要參數。一般變電站用蓄電池組組端電壓約為234 V，每組蓄電池約為104節。因此，匯集模塊可以滿足監測需求。

表2 匯集模塊的主要參數

2.1.3 主機部分

主機部分是整個系統的主要處理器。它的作用是實時上傳監控數據，并在測試結束后上傳完成運維數據至后臺設備，還可以在后臺設備的平臺軟件中通過專網遠程啟動或停止，對蓄電池組進行充放電、單體內阻等測試。主機配有顯示屏，也可在現場對其操作。

進行遠程核對性放電時，主機遠程接收后臺設備的指令，通過控制切換模塊來切換不同的開關，使蓄電池對放電模塊的假負載放電。放電試驗結束后，主機可自動控制切換模塊來切換開關，通過充電模塊對蓄電池組充電。

2.1.4 通信與數據傳輸

各模塊之間的通信通過RS-485來實現，其具有通信速率高、距離遠、抗干擾能力強等優點[8]。主機與后臺設備之間的數據傳輸通過內網，可有效防止黑客入侵，增加系統的安全性。

2.2 系統的功能

蓄電池在線維護系統可實現蓄電池組單體電壓、內阻、極柱溫度、組端電壓、組端電流、蓄電池容量等參數的在線監控及告警，使用戶能實時了解蓄電池的性能狀態。配備放電模塊，可實現遠程在線蓄電池放電，測試維護人員無需到測試現場，通過平臺網絡即可啟動蓄電池組放電容量測試。采用目前最先進的全在線充放電技術，實現全在線放電測試。測試過程中蓄電池組實時在線，市電異常時，被測蓄電池組可立即給實際負載供電，保障系統安全；測試結束后，可自動將蓄電池組接回系統，并對充電電流進行監測。在整個測試過程中，平臺自動記錄蓄電池的所有信息，并定制化報表，使運維人員更全面地掌握蓄電池的運行狀態，提高蓄電池組的工作壽命。

實現遠程自動充放電功能的原理圖如圖3所示。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，進行恒流放電。當達到放電停止條件時，放電模塊停止工作，自動切換為恒流充電，此時K2、K3保持閉合，K1、K4隨后閉合。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，蓄電池直接恢復在線狀態，由整流器直接給蓄電池浮充電。

圖3 充放電原理圖

3 系統的應用

該系統現已裝設于中心變電站2號蓄電池組，并對其完成了初步測試。該蓄電池組型號為GMF2-500YR，電池數量為105只。

3.1 硬件安裝

設備現場安裝圖如圖4所示。圖4(a)為設備的主機部分，其中包括主控、充電模塊、放電模塊和切換模塊。圖4(b)為單體檢測模塊，將其安裝到每節電池上監測單節電池運行狀況。系統的各個模塊都安裝在蓄電池室。

圖4 設備現場安裝圖

3.2 蓄電池組在線監測

如圖5所示為后臺設備上顯示的蓄電池組實時運行監測界面。該界面可以實時反映每節蓄電池的組端電壓，并且可以通過綠色和紅色標注出最高和最低值，便于運維人員實時了解蓄電池組的運行狀態。可設置高告警和低告警，當蓄電池電壓達到報警線時發出告警，提醒運維人員將運行狀態差的電池及時退出，保障整個蓄電池組安全運行。除了可以監視電壓之外，還可以通過切換不同的窗口來查看每節蓄電池的內阻、溫度等數據。

圖5 單體電壓數據圖

通過電路拓撲圖還可監測蓄電池組的運行狀態。如圖6所示為在線浮充狀態，此時蓄電池和整流器(充電機)并聯在負載上，充電機在給蓄電池浮充電的同時，又向負載供電。其余設備未接入電路。

圖6 浮充電時電路拓撲圖

如圖7所示為蓄電池組放電狀態時電路拓撲圖。此時蓄電池未連接用電負載，通過放電模塊的假負載來放電，如圖中紫色流向所示。用電負載的電源由整流器單獨供給，如藍色流向所示。若整流器故障，蓄電池可通過續流二極管為用電負載供電。

圖7 放電狀態時電路拓撲圖

如圖8所示為充電狀態時電路拓撲圖。當放電狀態停止后，系統自動對電池進行充電，此時整流器通過充電單元的限流電阻對蓄電池恒流充電。充電完成后自動恢復在線運行狀態，即浮充電狀態。

圖8 充電狀態時電路拓撲圖

3.3 蓄電池組核容測試

如圖9所示為蓄電池組核對性放電測試的參數設置界面。在此界面上，可以按照蓄電池組的具體要求設置放電電流和時間等參數。在啟動放電過程中，系統隨時判斷在線電壓情況。“在線電壓低處理”設置為“停止”，當系統檢測到電源系統在線電壓過低時，系統將停止放電測試；如果設置為“繼續”，當系統檢測到電源系統在線電壓過低時，系統將繼續進行放電測試。以上任一停止放電的條件滿足后，都會停止放電，并上報停止原因。啟動核對性放電測試時，蓄電池拓撲圖顯示為放電狀態。

圖9 放電參數設置界面

4 在線監測對變電站智能運維的影響

功能性方面，可使運維人員及時掌握蓄電池組的運行狀態，通過實時數據與歷史數據的對比對蓄電池可能出現的問題進行預防。在大幅減少運維人員工作量的同時，使運維人員對蓄電池組的實時運行狀態更及時、精準的掌握。而且由于報警系統的存在，使蓄電池組出現問題不會被忽略。

推廣性方面，由于整套系統安裝較為方便，再加上電力物聯網的普及，可以在運維站管轄的較大范圍內的變電站安裝該套設備，使運維人員可在運維站后臺機上監測所有管轄變電站電池組的實時運行狀態。

經濟性方面，既減少了人力勞動成本，又減少了往來各個變電站之間的用車成本，還節約了車程、人員操作和充放電時等待的時間。并且可以通過實時監測及時發現蓄電池組的問題，對隱患早做處理，避免擴大損失，間接帶來經濟效益。

5 結 語

設計了一種變電站用蓄電池遠程維護系統，該系統可以有效地彌補傳統運維方式存在的缺陷。系統主要由采集單體電池數據的單體監測模塊、匯總傳輸電池組數據的匯集模塊和處理數據并與后臺通信的主機組成，可監測蓄電池組的電壓、內阻、溫度等的實時數據，進行遠程核對性充放電。

在實際應用中，該系統可以精準、及時地向遠方的后臺機傳輸蓄電池組的實時運行狀態信息，生成可視化報表，對蓄電池異常告警。對公司節約成本，提升變電站智能運維的工作效率、可靠性和經濟性有著重大意義。