基于電導(dǎo)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

摘 要：分析電導(dǎo)與蓄電池容量之間的相關(guān)性，介紹一種基于電導(dǎo)測(cè)試的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)蓄電池的運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)狀提出改善建議

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)測(cè)試 蓄電池在線監(jiān)測(cè) 蓄電池維護(hù)

中圖分類號(hào)：TM912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（a）-0046-03

在過去的20年里，歐姆測(cè)試技術(shù)作為一種能夠快速判定電池老化情況的解決方案得到了深入的研究，有許多重要研究結(jié)果在專業(yè)雜志上發(fā)表，IEEEStd 1188-1996（1）在“IEEE關(guān)于后備式閥控密閉鉛酸電池的保養(yǎng)、測(cè)試和更換的推薦方法”中將歐姆測(cè)試列為蓄電池的維護(hù)工具之一。在電導(dǎo)/內(nèi)阻值（Conductance）與蓄電池容量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。在北美、歐洲以及亞洲許多國(guó)家，越來越多的通信運(yùn)營(yíng)商開始使用電導(dǎo)內(nèi)阻來進(jìn)行蓄電池維護(hù)，并開始要求在蓄電池制造商在新電池供貨時(shí)候提供這些電池的電導(dǎo)（內(nèi)阻）值。

將電導(dǎo)/內(nèi)阻測(cè)試應(yīng)用于蓄電池在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將有利于提高后備電源系統(tǒng)的保障度，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)為蓄電池系統(tǒng)管理提供可靠有效的管理方法，并將斷電所引起的供電中斷的危險(xiǎn)降到最低。

本文通過對(duì)蓄電池電導(dǎo)與蓄電池容量及健康狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了一種基于B/S結(jié)構(gòu)的蓄電池電導(dǎo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，并在變電站內(nèi)對(duì)多組蓄電池進(jìn)行了集中監(jiān)測(cè)，成功的找出了多節(jié)落后蓄電池。

1 蓄電池電導(dǎo)與容量之間的相關(guān)性介紹

電池電導(dǎo)的測(cè)量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測(cè)量所產(chǎn)生的電流。交流電導(dǎo)值就是與交流電壓同相的交流電流分量與交流電壓的比值。

根據(jù)IEEEStd 1188-1996（1），明顯的歐姆值變化（下降大于20%）就意味著電池性能的變化。

電導(dǎo)測(cè)試法是通過測(cè)量電池極板表面情況，判定其化學(xué)反應(yīng)能力，從而確定蓄電池的健康狀況的方法。

電導(dǎo)和電池的容量很很好的一致性。 對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

（1）電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量>80%，電池健康

（2）電導(dǎo)值下降大于40%：電池明顯落后，需要更換

（3）電導(dǎo)值下降在20～40%之間：電池容量可能<80%，建議進(jìn)行放電試驗(yàn)

2 基于電導(dǎo)測(cè)試的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

將電導(dǎo)測(cè)試應(yīng)用于蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，使直流系統(tǒng)中的每一節(jié)蓄電池均處于可監(jiān)測(cè)狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障后有及時(shí)的反饋信息。

該系統(tǒng)由三個(gè)基礎(chǔ)部分組成，其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示：

系統(tǒng)的核心部分是測(cè)試傳輸模塊，在圖中，在每一只蓄電池極柱部位，測(cè)試傳輸模塊包含了專有的電導(dǎo)測(cè)試線路、電壓和溫度電子測(cè)試線路等，同時(shí)能夠通過無線方式將測(cè)試結(jié)果傳輸出去。

電池組電壓、溫度和電流測(cè)試模塊測(cè)試獲取系統(tǒng)總電壓 （可測(cè)高至 600V）、環(huán)境溫度，以及充電（浮充）/放電電流值：環(huán)境溫度測(cè)量確保蓄電池的溫度、或機(jī)房環(huán)境溫度處于正常水平；放電電流和組電壓測(cè)量使用戶能夠及時(shí)了解電池放電能力狀況。當(dāng)測(cè)試結(jié)果超出預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)出系統(tǒng)告警，以確保系統(tǒng)處于正常水平。

數(shù)據(jù)采集器的作用是從測(cè)試傳輸模塊及電池組電壓、電流環(huán)境溫度采集模塊上獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或串口傳輸出去，最后，通過一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件蓄電池管理系統(tǒng)對(duì)蓄電池健康狀況進(jìn)行管理、預(yù)警和報(bào)告等等。用戶可在任何地點(diǎn)登陸了解蓄電池信息。

2.1 測(cè)試傳輸模塊原理

2.1.1 測(cè)試傳輸模塊電導(dǎo)測(cè)試原理

根據(jù)電導(dǎo)測(cè)試的定義：電池電導(dǎo)的測(cè)量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測(cè)量所產(chǎn)生的電流。交流電導(dǎo)值就是與交流電壓同相的交流電流分量與交流電壓的比值。

設(shè)在蓄電池兩端施加的信號(hào)頻率為V（f），該信號(hào)經(jīng)過蓄電池后產(chǎn)生的電流信號(hào)為I（f），如下圖2所示：

設(shè)V（f）信號(hào)幅值為A，頻率為f，I（f）信號(hào)幅值為B，與電壓信號(hào)具有相同的頻率，I（f）與V（f）之間的相位差為θ，則有關(guān)系式：

根據(jù)歐拉公式變換有：

所以：

因此，測(cè)量電壓與電流信號(hào)的幅值以及其相位差即可計(jì)算出蓄電池電導(dǎo)值。

2.1.2 負(fù)極柱溫度測(cè)試原理

溫度與蓄電池容量有著密切關(guān)系，測(cè)試每節(jié)蓄電池溫度對(duì)于掌握蓄電池的健康狀態(tài)有著很重要意義。測(cè)試傳輸模塊通過將溫度傳感器封裝在連接片上來實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池的負(fù)極柱溫度測(cè)試。

2.1.3 連接條內(nèi)阻測(cè)試原理

連接條內(nèi)阻以微歐為單位，在對(duì)蓄電池進(jìn)行電導(dǎo)測(cè)試的同時(shí)，完成對(duì)連接條內(nèi)阻的測(cè)試，為了避免測(cè)試導(dǎo)線對(duì)測(cè)試精度造成影響，每個(gè)測(cè)試模塊有六條線采用開爾文連接方式與蓄電池連接，如下圖3為測(cè)試傳輸模塊與蓄電池的連接示意圖：

在進(jìn)行電導(dǎo)與連接條內(nèi)阻測(cè)試時(shí)，1、6號(hào)線為信號(hào)生成連接線，2、3號(hào)線為連接條內(nèi)阻采樣線，3、4號(hào)線為蓄電池電導(dǎo)采樣線，5號(hào)線為溫度采樣線。

連接條內(nèi)阻測(cè)試流程如圖4。

測(cè)試傳輸模塊接收到連接條內(nèi)阻測(cè)試指令后，處理器即控制信號(hào)源對(duì)單體蓄電池及其連接條施加電流源信號(hào)，該電流源信號(hào)會(huì)在連接條上產(chǎn)生相同頻率的電壓變化信號(hào)，該電壓信號(hào)通過帶通濾波并放大之后進(jìn)入AD采樣系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)交由處理器計(jì)算分析。處理器根據(jù)輸出信號(hào)輻值與反饋信號(hào)幅值計(jì)算出連接條內(nèi)阻。

2.2 數(shù)據(jù)采集器原理

數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置ZigBee無線通信模塊與測(cè)試傳輸模塊及電壓電流采集模塊通信，將數(shù)據(jù)通過TCP/IP傳輸給服務(wù)器，其工作流程圖如圖5所示。

每個(gè)數(shù)據(jù)采集器有一個(gè)獨(dú)立的IP地址，服務(wù)器通過該IP地址來識(shí)別其所監(jiān)測(cè)的蓄電池組位置。該地址可通過串口進(jìn)行設(shè)置。

3 電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于B/S的三層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)基于Java/JSP構(gòu)建，Tomcat5作為web容器，用戶可以在任何能夠訪問服務(wù)器地點(diǎn)通過WEB瀏覽器使用此系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用Microsoft SQL server 2005，服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows server 2003。

通過該系統(tǒng)可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)每一節(jié)蓄電池的管理，用戶登陸后可以通過瀏覽器樹形結(jié)構(gòu)快速查看所關(guān)心的蓄電池組整組及單個(gè)信息。

該系統(tǒng)人機(jī)交互界面直觀、豐富， 電池信息可以以表格、曲線、柱狀圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)，如圖6所示，一旦有蓄電池出現(xiàn)告警信息后，將以黃色或紅色的警示圖形提醒用戶，并可通過email向用戶發(fā)送告警郵件。

使用該系統(tǒng)對(duì)梧州運(yùn)行維護(hù)局220kV變電站內(nèi)的四組直流電源進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，其中包括兩組220V直流電流系統(tǒng)和兩組48V通信電源系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)對(duì)比及綜合分析，對(duì)站內(nèi)每只蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)有了清楚的認(rèn)識(shí)，明確了蓄電池的維護(hù)方向。

該系統(tǒng)提供了兩個(gè)重要的數(shù)據(jù)對(duì)比手段。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電導(dǎo)橫向?qū)Ρ?/p>

橫向?qū)Ρ鹊暮x為將同一組蓄電池中的某一只蓄電池的電導(dǎo)值與其它蓄電池電導(dǎo)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，其意義表現(xiàn)為：

（1）反映蓄電池的一致性好壞

一組蓄電池中，蓄電池一致性好壞是反映蓄是組性能好壞的重要指標(biāo)，電導(dǎo)差異較大的電池組成一組蓄電池組，由于其特性差異，在長(zhǎng)期的浮充均充過程中，會(huì)造成電壓分配不均導(dǎo)致部分電池提前失效，最后造成整組電池的提前失效。

圖6為該系統(tǒng)所監(jiān)的一組蓄電池中的電導(dǎo)值與浮充電壓的對(duì)比曲線圖。

從圖6可以看出，電導(dǎo)值較低的電池其浮充電壓較高，反之亦然。因此，將蓄電池一致性要求納入新入網(wǎng)蓄電池的一項(xiàng)考核標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)重要。

（2）反映蓄電池健康狀態(tài)

在對(duì)蓄電池電導(dǎo)值的橫向?qū)Ρ冗^程中，如果出現(xiàn)某節(jié)蓄電池與其它蓄電池的電導(dǎo)值明顯低于其它電池電導(dǎo)值，則可判斷該蓄電池為落后蓄電池。

圖7為該系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的一組蓄電池電導(dǎo)值橫向?qū)Ρ葓D。

圖7中，46號(hào)電池的電導(dǎo)值明顯低于其它電池，在對(duì)整組電池放電維護(hù)過程中，其放電容量已不足80%，因此運(yùn)行中的蓄電池電導(dǎo)值的持續(xù)監(jiān)測(cè)非常必要。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電導(dǎo)縱向?qū)Ρ?/p>

蓄電池電導(dǎo)縱向?qū)Ρ仁峭ㄟ^對(duì)蓄電池電導(dǎo)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，對(duì)其在不同時(shí)間段的電導(dǎo)值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷其健康狀態(tài)的一種方法。

建立蓄電池運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫(kù)，將蓄電池長(zhǎng)期運(yùn)行的電導(dǎo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，通過對(duì)其變化趨勢(shì)的分析是判斷蓄電池好壞的重要手段。

圖8為該系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的一組蓄電池電導(dǎo)值縱向?qū)Ρ葓D。

圖8為該系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的一組蓄電池一個(gè)季度內(nèi)蓄電池電導(dǎo)變化趨勢(shì)圖，通過該趨勢(shì)圖形可以很方便的發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)值有明顯下降的蓄電池。

4 蓄電池維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的建立

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了蓄電池電導(dǎo)值與容量之間存在密切的相關(guān)性，在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施過程中也得到了證實(shí)，因此圍繞電導(dǎo)測(cè)試來完善蓄電池現(xiàn)有的維護(hù)方法將大大提高蓄電池維護(hù)的有效性。

該系統(tǒng)為指導(dǎo)電力系統(tǒng)的蓄電池選型配置及蓄電池入網(wǎng)、運(yùn)行維護(hù)、退出運(yùn)行等蓄電池全壽命管理的技術(shù)要求提供了重要的參考依據(jù)；為實(shí)現(xiàn)蓄電池從傳統(tǒng)的定期維護(hù)向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。

4.1 新入網(wǎng)蓄電池驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

a）新電池組單體電導(dǎo)值的偏差不超過±10%；

b）核對(duì)性放電試驗(yàn)，對(duì)電導(dǎo)值偏差滿足±10%以內(nèi)的蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)；（放電試驗(yàn)參照新電池驗(yàn)收核容放電標(biāo)準(zhǔn)）

c）提供蓄電池初始電導(dǎo)值，建立每節(jié)蓄電池從入網(wǎng)到退運(yùn)的管理檔案。

4.2 運(yùn)行中的蓄電池維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于運(yùn)行中的蓄電池除日常的外觀檢測(cè)、電壓測(cè)試外，需增加電導(dǎo)測(cè)試，有針對(duì)性的進(jìn)行放電測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池定期維護(hù)向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。具體包括

a）蓄電池電導(dǎo)測(cè)試間隔每倆個(gè)月一次

●單體電導(dǎo)縱向比較下降5%進(jìn)行告警

●電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康

●電導(dǎo)值下降大于40%：電池明顯落后，退出落后電池

*電導(dǎo)值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

b）核容放電測(cè)試

●電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康，不用進(jìn)行核容放電試驗(yàn)

●電導(dǎo)值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

◆如果電導(dǎo)值處于此區(qū)間的蓄電池?cái)?shù)量超過3只（包括3只）應(yīng)對(duì)整組電池進(jìn)行核容放電試驗(yàn)，將容量不足80%電池逐一退出。

◆如果電導(dǎo)值處于此區(qū)間的蓄電池?cái)?shù)量小于3只，針對(duì)單只蓄電池（活化儀）進(jìn)行在線充放電試驗(yàn)，對(duì)容量不足80%電池予以退出；

●電導(dǎo)值下降大于40%：退出落后電池后對(duì)其它蓄電池組成的電池組進(jìn)行核容放 電，容量>80%即為合格；

c）建立蓄電池?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)數(shù)量龐大的蓄電池系統(tǒng)性的運(yùn)行性能統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析、預(yù)警和質(zhì)量管理，數(shù)據(jù)有效性管理，維護(hù)主動(dòng)、具備預(yù)防性。

4.3 蓄電池退運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)

4.3.1 單節(jié)蓄電池退運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)

a）蓄電池運(yùn)行過程中，測(cè)試其電導(dǎo)值下降大于40%，需退出落后電池，將剩余電池組成電池組；

b）電導(dǎo)值下降在20%～40%之間的，進(jìn)行核容放電試驗(yàn)，如果存在容量<80%的電池需退出，將剩余電池組成電池組；

4.3.2 蓄電池組退運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)單節(jié)蓄電池的退運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)，由2V蓄電池組成的220V直流系統(tǒng)，當(dāng)整組電池中合格電池?cái)?shù)量不足最少充許數(shù)量時(shí)，整組電池年限已到，需進(jìn)行更換。

5 結(jié)語(yǔ)

基于電導(dǎo)的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多年對(duì)蓄電池電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)的研究，并將其應(yīng)用到蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以其獨(dú)有的準(zhǔn)確、安全、快速、全面為蓄電池的健康長(zhǎng)壽及直流電源安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的保障，并為新的蓄電池運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了重要的參考依據(jù)。