基于電導的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)在變電站中的應用

摘 要：分析電導與蓄電池容量之間的相關性，介紹一種基于電導測試的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，并對蓄電池的運行維護現(xiàn)狀提出改善建議

關鍵詞：電導測試 蓄電池在線監(jiān)測 蓄電池維護

中圖分類號：TM912文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0046-03

在過去的20年里，歐姆測試技術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關于后備式閥控密閉鉛酸電池的保養(yǎng)、測試和更換的推薦方法”中將歐姆測試列為蓄電池的維護工具之一。在電導/內(nèi)阻值（Conductance）與蓄電池容量呈現(xiàn)良好的相關性。在北美、歐洲以及亞洲許多國家，越來越多的通信運營商開始使用電導內(nèi)阻來進行蓄電池維護，并開始要求在蓄電池制造商在新電池供貨時候提供這些電池的電導（內(nèi)阻）值。

將電導/內(nèi)阻測試應用于蓄電池在線實時監(jiān)測系統(tǒng)中，將有利于提高后備電源系統(tǒng)的保障度，延長蓄電池的使用壽命，節(jié)約運營成本，同時為蓄電池系統(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降到最低。

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

1 蓄電池電導與容量之間的相關性介紹

電池電導的測量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測量所產(chǎn)生的電流。交流電導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。

電導測試法是通過測量電池極板表面情況，判定其化學反應能力，從而確定蓄電池的健康狀況的方法。

電導和電池的容量很很好的一致性。 對應關系如下：

（1）電導值下降小于20%：電池容量>80%，電池健康

（2）電導值下降大于40%：電池明顯落后，需要更換

（3）電導值下降在20～40%之間：電池容量可能<80%，建議進行放電試驗

2 基于電導測試的電池監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

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

該系統(tǒng)由三個基礎部分組成，其系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示：

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

電池組電壓、溫度和電流測試模塊測試獲取系統(tǒng)總電壓 （可測高至 600V）、環(huán)境溫度，以及充電（浮充）/放電電流值：環(huán)境溫度測量確保蓄電池的溫度、或機房環(huán)境溫度處于正常水平；放電電流和組電壓測量使用戶能夠及時了解電池放電能力狀況。當測試結(jié)果超出預置標準值，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，通過一個基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫管理軟件蓄電池管理系統(tǒng)對蓄電池健康狀況進行管理、預警和報告等等。用戶可在任何地點登陸了解蓄電池信息。

2.1 測試傳輸模塊原理

2.1.1 測試傳輸模塊電導測試原理

根據(jù)電導測試的定義：電池電導的測量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測量所產(chǎn)生的電流。交流電導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。

設在蓄電池兩端施加的信號頻率為V（f），該信號經(jīng)過蓄電池后產(chǎn)生的電流信號為I（f），如下圖2所示：

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

根據(jù)歐拉公式變換有：

所以：

因此，測量電壓與電流信號的幅值以及其相位差即可計算出蓄電池電導值。

2.1.2 負極柱溫度測試原理

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

2.1.3 連接條內(nèi)阻測試原理

連接條內(nèi)阻以微歐為單位，在對蓄電池進行電導測試的同時，完成對連接條內(nèi)阻的測試，為了避免測試導線對測試精度造成影響，每個測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為測試傳輸模塊與蓄電池的連接示意圖：

在進行電導與連接條內(nèi)阻測試時，1、6號線為信號生成連接線，2、3號線為連接條內(nèi)阻采樣線，3、4號線為蓄電池電導采樣線，5號線為溫度采樣線。

連接條內(nèi)阻測試流程如圖4。

測試傳輸模塊接收到連接條內(nèi)阻測試指令后，處理器即控制信號源對單體蓄電池及其連接條施加電流源信號，該電流源信號會在連接條上產(chǎn)生相同頻率的電壓變化信號，該電壓信號通過帶通濾波并放大之后進入AD采樣系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)交由處理器計算分析。處理器根據(jù)輸出信號輻值與反饋信號幅值計算出連接條內(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傳輸給服務器，其工作流程圖如圖5所示。

每個數(shù)據(jù)采集器有一個獨立的IP地址，服務器通過該IP地址來識別其所監(jiān)測的蓄電池組位置。該地址可通過串口進行設置。

3 電池監(jiān)測系統(tǒng)應用

電池監(jiān)測系統(tǒng)是基于B/S的三層結(jié)構(gòu)，應用服務基于Java/JSP構(gòu)建，Tomcat5作為web容器，用戶可以在任何能夠訪問服務器地點通過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)可以很方便的實現(xiàn)對站內(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)快速查看所關心的蓄電池組整組及單個信息。

該系統(tǒng)人機交互界面直觀、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)對梧州運行維護局220kV變電站內(nèi)的四組直流電源進行了持續(xù)監(jiān)測，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、數(shù)據(jù)對比及綜合分析，對站內(nèi)每只蓄電池的運行狀態(tài)有了清楚的認識，明確了蓄電池的維護方向。

該系統(tǒng)提供了兩個重要的數(shù)據(jù)對比手段。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)電導橫向?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值與其它蓄電池電導測試值進行對比，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，電導差異較大的電池組成一組蓄電池組，由于其特性差異，在長期的浮充均充過程中，會造成電壓分配不均導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值與浮充電壓的對比曲線圖。

從圖6可以看出，電導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)蓄電池的一項考核標準相當重要。

（2）反映蓄電池健康狀態(tài)

在對蓄電池電導值的橫向?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值明顯低于其它電池電導值，則可判斷該蓄電池為落后蓄電池。

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

圖7中，46號電池的電導值明顯低于其它電池，在對整組電池放電維護過程中，其放電容量已不足80%，因此運行中的蓄電池電導值的持續(xù)監(jiān)測非常必要。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)電導縱向?qū)Ρ?/p>

蓄電池電導縱向?qū)Ρ仁峭ㄟ^對蓄電池電導的長時間監(jiān)測，對其在不同時間段的電導值進行對比，從而判斷其健康狀態(tài)的一種方法。

建立蓄電池運行管理數(shù)據(jù)庫，將蓄電池長期運行的電導數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫，通過對其變化趨勢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)測的一組蓄電池電導值縱向?qū)Ρ葓D。

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

4 蓄電池維護標準的建立

國內(nèi)外已經(jīng)有大量的實驗數(shù)據(jù)證明了蓄電池電導值與容量之間存在密切的相關性，在在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施過程中也得到了證實，因此圍繞電導測試來完善蓄電池現(xiàn)有的維護方法將大大提高蓄電池維護的有效性。

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

4.1 新入網(wǎng)蓄電池驗收標準

a）新電池組單體電導值的偏差不超過±10%；

b）核對性放電試驗，對電導值偏差滿足±10%以內(nèi)的蓄電池進行核對性放電試驗；（放電試驗參照新電池驗收核容放電標準）

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

4.2 運行中的蓄電池維護標準

對于運行中的蓄電池除日常的外觀檢測、電壓測試外，需增加電導測試，有針對性的進行放電測試，從而實現(xiàn)蓄電池定期維護向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。具體包括

a）蓄電池電導測試間隔每倆個月一次

●單體電導縱向比較下降5%進行告警

●電導值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康

●電導值下降大于40%：電池明顯落后，退出落后電池

*電導值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

b）核容放電測試

●電導值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康，不用進行核容放電試驗

●電導值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

◆如果電導值處于此區(qū)間的蓄電池數(shù)量超過3只（包括3只）應對整組電池進行核容放電試驗，將容量不足80%電池逐一退出。

◆如果電導值處于此區(qū)間的蓄電池數(shù)量小于3只，針對單只蓄電池（活化儀）進行在線充放電試驗，對容量不足80%電池予以退出；

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

c）建立蓄電池數(shù)據(jù)網(wǎng)絡管理平臺

測試數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)對于現(xiàn)網(wǎng)數(shù)量龐大的蓄電池系統(tǒng)性的運行性能統(tǒng)計、趨勢分析、預警和質(zhì)量管理，數(shù)據(jù)有效性管理，維護主動、具備預防性。

4.3 蓄電池退運標準

4.3.1 單節(jié)蓄電池退運標準

a）蓄電池運行過程中，測試其電導值下降大于40%，需退出落后電池，將剩余電池組成電池組；

b）電導值下降在20%～40%之間的，進行核容放電試驗，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 蓄電池組退運標準

根據(jù)單節(jié)蓄電池的退運標準，由2V蓄電池組成的220V直流系統(tǒng)，當整組電池中合格電池數(shù)量不足最少充許數(shù)量時，整組電池年限已到，需進行更換。

5 結(jié)語

基于電導的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外多年對蓄電池電導測試技術的研究，并將其應用到蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)中，以其獨有的準確、安全、快速、全面為蓄電池的健康長壽及直流電源安全穩(wěn)定運行提供了有效的保障，并為新的蓄電池運行維護標準的建立提供了重要的參考依據(jù)。