基于機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)際負(fù)載放電的蓄電池在線核容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張曉光 譚理珂 沈秋宇

（廣東能源集團(tuán)天一電廠）

0 引言

現(xiàn)有的蓄電池核容測(cè)試及維護(hù)運(yùn)維存在一些缺點(diǎn)。主要靠人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、巡查、記錄，維護(hù)人員的工作強(qiáng)度高、效率低；蓄電池組在浮充狀態(tài)時(shí)，即使整組蓄電池端電壓正常，也可能存在個(gè)別落后單體，只有離線測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)問題，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的異常，則無法保障蓄電池直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性；現(xiàn)有電池容量評(píng)估方法精準(zhǔn)度低，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患電池。而基于機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)際負(fù)載放電的蓄電池在線核容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配電終端蓄電池組的全在線無人值守智能化監(jiān)控管理，降低維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少維護(hù)成本開支，由遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)完成在線蓄電池充放電的容量測(cè)試，及時(shí)掌控機(jī)房內(nèi)所有直流系統(tǒng)蓄電池組容量及保障供電時(shí)長的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常即時(shí)告警，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量、可靠性和穩(wěn)定性，延長蓄電池組使用壽命。

1 蓄電池在線核容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

1.1 傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方法及存在的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)，主要靠人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、巡查、記錄。維護(hù)人員的工作強(qiáng)度高、效率低，且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性；蓄電池組連接充電機(jī)，處于浮充狀態(tài)時(shí)，即使整組電池的端電壓顯示正常，也不能排除有個(gè)別單體電池的電壓異常，即個(gè)別單體電池的異常狀況被隱藏了；傳統(tǒng)的蓄電池核容測(cè)試，對(duì)蓄電池的容量算法精確度較低，從而不能準(zhǔn)確地評(píng)估蓄電池的健康狀況。

1.2 蓄電池在線核容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究思路

傳統(tǒng)的蓄電池運(yùn)維模式，是人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量記錄，然后根據(jù)數(shù)據(jù)人為地判斷蓄電池的健康狀況。蓄電池放電核容也是由人工操作蓄電池放電儀，需要斷開原來的蓄電池接線，先將蓄電池離線后，再進(jìn)行蓄電池放電核容，并人工記錄數(shù)據(jù)。工作量較大，維護(hù)工作效率較低，人力消耗嚴(yán)重，如果操作不當(dāng)會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)，并且無法在核容過程中出現(xiàn)停電情況及時(shí)切換回在線狀態(tài)。

隨著信息處理技術(shù)、物理傳感器技術(shù)、物理信息交互技術(shù)的發(fā)展與成熟，可以將智能傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)加入蓄電池運(yùn)維系統(tǒng)中，將環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等工作交給機(jī)器和計(jì)算機(jī)去執(zhí)行，從而極大地減少工作量，同時(shí)還可以提高數(shù)據(jù)采集和分析的客觀性和準(zhǔn)確性。智能運(yùn)維系統(tǒng)通過不斷優(yōu)化的計(jì)算模型及運(yùn)行規(guī)則，使工作人員進(jìn)行操作時(shí)都能具備專業(yè)的運(yùn)維技術(shù)，使蓄電池組的運(yùn)維工作效率高、質(zhì)量優(yōu)、投入小。工作人員可以通過遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，與現(xiàn)場(chǎng)的蓄電池監(jiān)測(cè)維護(hù)裝置通信，獲取蓄電池信息和發(fā)送遙控指令，便捷安全地進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維。

1.3 系統(tǒng)組成

1.3.1 通信電源蓄電池在線核容裝置

通過串聯(lián)升壓器（DC/DC）抬高蓄電池電壓，略高于電源，承擔(dān)一部分負(fù)載電流，并通過升壓大小來調(diào)整放電電流，經(jīng)由二極管保護(hù)實(shí)現(xiàn)在電池不脫離電源系統(tǒng)的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程放電。避免裝置熱失控。

串聯(lián)升壓器（DC/DC）串聯(lián)于蓄電池組與高頻開關(guān)電源之間，采取高頻開關(guān)電源的48V 直流供電，實(shí)時(shí)檢測(cè)高頻開關(guān)電源的電壓情況，將輸入的48V 電壓經(jīng)過DC/DC 變換轉(zhuǎn)化為一個(gè)較小的電壓，并進(jìn)行高頻判斷調(diào)節(jié)，使蓄電池與此DC/DC 模塊串聯(lián)電壓始終保持略高于高開電源電壓的水平，控制蓄電池能夠按照電流設(shè)定值對(duì)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行電流輸出，保證蓄電池在模塊接入期間進(jìn)行恒流放電。整個(gè)放電過程中，蓄電池電壓持續(xù)降低，串聯(lián)升壓器（DC/DC）接入電壓實(shí)時(shí)升高，其間通過軟件監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)控。系統(tǒng)中由常閉接觸器K1 來控制串聯(lián)升壓器（DC/DC）是否接入蓄電池電路中進(jìn)行升壓放電，由二極管D1保證蓄電池在核容試驗(yàn)過程中，突發(fā)高開電源停電后，蓄電池能夠瞬間切換回默認(rèn)狀態(tài)，直接為用電負(fù)載供電。

技術(shù)原理如圖1 所示。

圖1 通信電源蓄電池在線核容裝置原理圖

核容系統(tǒng)未核容時(shí)，常閉接觸器KO 閉合，常開接觸器KM 斷開，核容系統(tǒng)通過常閉接觸器K1 恢復(fù)電源系統(tǒng)按日常方式運(yùn)行。

測(cè)試時(shí)，常閉接觸器KO 斷開，常開接觸器KM閉合，系統(tǒng)將蓄電池經(jīng)過高頻DC/DC 升壓電路模塊升壓給用戶負(fù)載供電；系統(tǒng)電源取自蓄電池組，保證系統(tǒng)工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負(fù)載的供電不間斷。

校準(zhǔn)結(jié)束后自動(dòng)復(fù)位，由整流器給設(shè)備充電，高頻DC/DC 電池組穩(wěn)流充電電路模塊工作，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流到設(shè)定的值并穩(wěn)流；蓄電池組開始使用原有的整流器進(jìn)行穩(wěn)流充電，當(dāng)蓄電池轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)時(shí)，常開接觸器KM 斷開，常閉接觸器KO 閉合。

核容裝置輔以蓄電池在線監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池工作狀態(tài)、蓄電池容量、蓄電池組總電壓、單體電池電壓、充/放電電流、蓄電池極柱溫度、蓄電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）、續(xù)航時(shí)間預(yù)估等參數(shù)。并加之內(nèi)阻監(jiān)測(cè)單元能夠更加精準(zhǔn)地開展蓄電池在線容量校驗(yàn)工作。核容裝置各個(gè)模塊對(duì)于電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過主控平臺(tái)程序輔助對(duì)蓄電池容量進(jìn)行測(cè)算，通過對(duì)蓄電池放電電流和時(shí)間進(jìn)行積分，也就是對(duì)放電電流與采樣時(shí)長的乘積值進(jìn)行求和運(yùn)算，最終結(jié)果乘以蓄電池容量修正系數(shù)，即可得到準(zhǔn)確的蓄電池容量值。

1.3.2 UPS 蓄電池在線核容裝置

逆變式蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維裝置采用逆變并網(wǎng)技術(shù)，裝置將電池組直流電能逆變成交流電能，回饋到電網(wǎng)中。實(shí)現(xiàn)電池組全面監(jiān)測(cè)、智能告警、遠(yuǎn)程核容作業(yè)，助力直流電源智能化運(yùn)維。使用DC/AC 逆變模塊，交流逆變并網(wǎng)功能，將蓄電池電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換回饋到電網(wǎng)中，并保證電池組對(duì)外恒流放電，安全、節(jié)能、環(huán)保。蓄電池狀態(tài)通過切換模塊控制，同時(shí)切換正負(fù)極，適用于多套電源共用核容裝置。

控制蓄電池組充放電母線線路切換，采用二極管單向?qū)ㄔ?，?shí)現(xiàn)無縫切換，保證蓄電池實(shí)時(shí)在線，實(shí)現(xiàn)蓄電池全在線放充電測(cè)試。

技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 UPS 蓄電池在線核容裝置原理圖

放電時(shí)，常閉接觸器KO 斷開，常開接觸器KM、KC 閉合，系統(tǒng)將蓄電池經(jīng)過DC/AC 逆變模塊并入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)電網(wǎng)放電；當(dāng)放電停止條件到時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為預(yù)充電狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)流充電電路模塊開始工作，充電電流小于浮充電流時(shí)結(jié)束充電，蓄電池直接恢復(fù)在線，由整流器直接給蓄電池浮充充電。

系統(tǒng)電源采用雙路設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負(fù)載的供電不間斷。

1.3.3 遠(yuǎn)程運(yùn)維管理主站平臺(tái)

通過與監(jiān)控主站平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，將蓄電池在線監(jiān)測(cè)核容裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、排查、診斷，并自動(dòng)控制核容裝置進(jìn)行告警排查電壓、內(nèi)阻異常情況的核容，定期充放電等功能，如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)程運(yùn)維管理主站功能分解圖

管理軟件統(tǒng)計(jì)的遙測(cè)量有以下幾類。電池組：容量、總壓、充放電電流、環(huán)境溫度；電池單體：電壓、內(nèi)阻、單體溫度、觸頭溫度；模塊：輸入電壓、電流，輸出電壓、電流；開始放電時(shí)間、結(jié)束放電時(shí)間，放電時(shí)長，放出容量。

遙信量有以下幾種：電池組充放電狀態(tài)，充放電組別，停止充放電原因，市電故障，電池巡檢儀通訊狀態(tài)，總電壓過高過低，單體電壓過高過低，單體溫度過高過低，環(huán)境溫度過高過低，充電電流過高過低，放電電流過高過低，遠(yuǎn)近端狀態(tài)；站端信息、電池信息、工作模式、通訊狀態(tài)等。

遙控量有以下幾種：作業(yè)開始/停止、作業(yè)預(yù)制、設(shè)備重啟/關(guān)機(jī)等。

遙調(diào)量有以下幾種：充放電參數(shù)：總電壓下限、單體電壓下限、溫度上限、放出容量、放電時(shí)長、充電時(shí)長、充電總壓、充電截止電流。

處理最終以圖標(biāo)的形式展現(xiàn)，支持Word、Excel、PDF 等格式導(dǎo)出；支持各種定制化功能開發(fā)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4 所示，自上而下分為三層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。由智輔系統(tǒng)、協(xié)轉(zhuǎn)模塊、蓄電池信息采集部分、核容裝置等組成。

每個(gè)本地監(jiān)控裝置通過RS485 總線將站端感知層的原有監(jiān)控系統(tǒng)、核容裝置等連接到一起，通過它們采集通信電源系統(tǒng)蓄電池的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電源的運(yùn)行狀態(tài)、母線電壓和電流、電池電壓、溫度和內(nèi)阻、核容裝置的狀態(tài)等，收集到一起統(tǒng)一管理，并通過協(xié)轉(zhuǎn)模塊將采集到的所有信息傳送到監(jiān)控主站平臺(tái)，可對(duì)任意一個(gè)變電站的信息及參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)置，并提供蓄電池核容功能的相關(guān)遠(yuǎn)程控制。手持式顯示系統(tǒng)可以查詢現(xiàn)場(chǎng)通信電源的信息并支持自動(dòng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的功能。

主要功能如下：

（1）在線監(jiān)控和3D 機(jī)房展示

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，平臺(tái)配備了對(duì)機(jī)房的3D 建模及相關(guān)數(shù)據(jù)的展示功能，將實(shí)際機(jī)房的具體現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)映射到運(yùn)維管理主站平臺(tái)。基礎(chǔ)數(shù)字孿生架構(gòu)如圖5 所示，主要包括物理空間、虛擬空間以及這些空間之間的連接三部分。

圖5 基礎(chǔ)數(shù)字孿生架構(gòu)

如圖5 所示，機(jī)房的3D 建模上注入對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)成現(xiàn)實(shí)機(jī)房的數(shù)字孿生體。直觀生動(dòng)地展現(xiàn)了機(jī)房內(nèi)的設(shè)備與環(huán)境、線纜的走線與結(jié)構(gòu)、各設(shè)備之間的物理時(shí)空關(guān)系、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。如圖6 所示，選中與實(shí)體對(duì)應(yīng)蓄電池的3D 模型，即可顯示出其實(shí)體的所有實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、物理時(shí)空信息。線纜的3D 模型可動(dòng)態(tài)顯示電流方向和狀態(tài)。機(jī)房內(nèi)蓄電池或相關(guān)設(shè)備有異常告警時(shí)，其對(duì)應(yīng)的3D 模型會(huì)自動(dòng)高亮顯示并且提示告警信息，工作人員可迅速定位異常點(diǎn)的位置。

圖6 3D 機(jī)房模型

如圖7 所示，除蓄電池機(jī)房外，數(shù)字孿生和3D建模進(jìn)一步擴(kuò)展到其他機(jī)房、樓層、樓棟。

圖7 3D 機(jī)房— 樓棟模型

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及核容試驗(yàn)

可遠(yuǎn)程控制蓄電池核容，實(shí)時(shí)監(jiān)控核容過程中的系統(tǒng)信息。圖8 為核容試驗(yàn)的拓?fù)鋱D，直觀顯示電路狀態(tài)。

圖8 核容系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況拓?fù)鋱D

（3）數(shù)據(jù)管理和報(bào)表統(tǒng)計(jì)

蓄電池信息管理：對(duì)各站點(diǎn)蓄電池組的品牌、型號(hào)、容量、生產(chǎn)日期、投運(yùn)日期、配置情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行登記記錄，對(duì)蓄電池基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行登記管理。

機(jī)房信息管理：機(jī)房定位信息管理管理各個(gè)站點(diǎn)的地理位置信息，通過站點(diǎn)地理信息為首頁電子地圖提供數(shù)據(jù)支撐。

蓄電池信息統(tǒng)計(jì)分析：電池信息統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)放電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，多維度地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（電池品牌、型號(hào)、使用年限，機(jī)房續(xù)航時(shí)長），從而分析出同品牌隨著使用年限的增長電池衰變的速度。同使用年限下不同品牌的劣化狀態(tài)。為運(yùn)維人員及領(lǐng)導(dǎo)層后期選擇優(yōu)秀的電池廠家提供數(shù)據(jù)支持。

蓄電池后臺(tái)監(jiān)控管理平臺(tái)報(bào)表統(tǒng)計(jì)方面具備以下功能：

蓄電池組統(tǒng)計(jì)分析：依據(jù)每年核容試驗(yàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)逐年容量，展現(xiàn)蓄電池隨著投運(yùn)時(shí)間的延長，蓄電池容量衰減的趨勢(shì)。系統(tǒng)可以查詢?nèi)我徽军c(diǎn)、任一組蓄電池、某節(jié)蓄電池的容量衰減趨勢(shì)，橫向?qū)Ρ刃铍姵厝萘口厔?shì)，以圖片的形式展現(xiàn)出同品牌、同批次、不同品牌、不同批次蓄電池性能對(duì)比，為管理人員及運(yùn)維人員提供后期運(yùn)維依據(jù)。

蓄電池組性能評(píng)估：對(duì)各品牌蓄電池組的投運(yùn)日期、放電次數(shù)、歷史最高容量、歷史最低容量、最近一次核容試驗(yàn)容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示，分析展現(xiàn)蓄電池使用壽命。

蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢：模塊著重對(duì)蓄電池組落后單體數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展現(xiàn)，對(duì)所管轄變電站蓄電池組落后單體篩選，使運(yùn)維人員有目的性地進(jìn)行定位運(yùn)維，節(jié)省運(yùn)維人員的精力及時(shí)間。

蓄電池續(xù)航能力查詢：電池續(xù)航能力查詢功能，是通過以往的蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)，為運(yùn)維人員展現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)蓄電池的實(shí)際續(xù)航能力，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，運(yùn)維人員可以第一時(shí)間了解相關(guān)站點(diǎn)的蓄電池續(xù)航能力，為處理緊急情況提供時(shí)間依據(jù)。

（4）用戶管理

電池后臺(tái)監(jiān)控管理平臺(tái)用戶管理方面具備以下功能：

用戶信息管理：平臺(tái)可根據(jù)實(shí)際需求建立多個(gè)賬號(hào)，方便不同的管理角色對(duì)平臺(tái)的管理，同時(shí)給每個(gè)賬號(hào)授予不同的管理操作權(quán)限。

權(quán)限管理：針對(duì)不同的用戶分配相應(yīng)的管理權(quán)限、監(jiān)測(cè)權(quán)限、運(yùn)維權(quán)限，根據(jù)每個(gè)用戶角色下發(fā)相關(guān)功能模塊權(quán)限。

2 結(jié)束語

基于機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)際負(fù)載放電的蓄電池在線核容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在人力成本，操作安全，維護(hù)便利性，維護(hù)效率等多方面優(yōu)于傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方式。

在蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備、蓄電池核容設(shè)備以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)維主站三方面的協(xié)同下，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)蓄電池組及其電源端的各項(xiàng)參數(shù)信息，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)存在異常的蓄電池；可遠(yuǎn)程控制蓄電池核容測(cè)試，核容測(cè)試過程中記錄詳細(xì)的蓄電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，核容測(cè)試結(jié)束時(shí)使用優(yōu)化的算法計(jì)算蓄電池剩余容量，精確判斷蓄電池健康指標(biāo)；3D 機(jī)房展示當(dāng)前蓄電池組的詳情物理配置信息，與告警系統(tǒng)相結(jié)合，更加直觀展示蓄電池異常位置，幫助運(yùn)維人員高效進(jìn)行蓄電池維護(hù)，極大地提高了蓄電池系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。