變電站蓄電池管理控制系統(tǒng)研究

馮建國 黃宇辰

摘要：變電站是電網(wǎng)的核心，擔(dān)負(fù)著所在區(qū)域的供電任務(wù)，直流系統(tǒng)是變電站繼電保護(hù)裝置、開關(guān)操作、自動(dòng)化等設(shè)備的供電電源，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

關(guān)鍵詞：蓄電池；管理系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

目前，電力系統(tǒng)推廣變電站無人值班，雖然監(jiān)控中心可以獲取變電站運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)信息，但是對(duì)于直流電源部分只能得到少量的重要信息，對(duì)于更加詳盡的信息仍舊無法獲得，尤其是當(dāng)直流系統(tǒng)剛開始出現(xiàn)異常狀況時(shí)不能及時(shí)得到預(yù)警信息，知道異常狀況積累成為故障時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)，事故已經(jīng)擴(kuò)大。如果能在異?，F(xiàn)象剛出現(xiàn)時(shí)就及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理，就可以避免異常情況擴(kuò)大。另外，隨著變電站數(shù)量的日益增加，蓄電池直流系統(tǒng)的日常檢測(cè)維護(hù)工作量非常大，主要表現(xiàn)為：

（1）變電站蓄電池日常巡檢時(shí)要求每月巡檢一次，由于變電站廣泛采用無人值班方式，有的站離檢修工區(qū)路途遙遠(yuǎn)，這給巡檢工作造成很多不便。

（2）蓄電池組核對(duì)性沖放電試驗(yàn)耗費(fèi)大量人力資源，現(xiàn)在普遍采用人工做，運(yùn)維成本較大。

（3）蓄電池內(nèi)阻及運(yùn)行工況不能實(shí)時(shí)監(jiān)控及掌握，日常巡檢中缺乏有效檢測(cè)手段，易造成直流電源事故。《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中“新安裝的閥控密封蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)。以后每隔二年進(jìn)行一次核對(duì)性放電試驗(yàn)。對(duì)直流設(shè)備的維護(hù)需要人員到現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)變電站數(shù)量較多時(shí)，必然無法保證按期按量完成維護(hù)任務(wù)。運(yùn)行了四年以后的蓄電池組，每年做一次核對(duì)性放電試驗(yàn)”。對(duì)于蓄電池充放電試驗(yàn)，假如一個(gè)供電公司下有i00個(gè)變電站，每個(gè)變電站有2組蓄電池，每組蓄電池充放電時(shí)間為2天，每次試驗(yàn)需要4個(gè)人，那么，要完成該公司所有蓄電池組的充放電試驗(yàn)則需要1600人+天，其工作量是相當(dāng)龐大的，而這還只不過是直流維護(hù)中的一個(gè)小小的試驗(yàn)。由此可見直流維護(hù)的工作量是十分龐大的。

變電站蓄電池管理控制系統(tǒng)研究，主要采用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、四遙（遙測(cè)、遙信、遙控、遙視）技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)一體化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到監(jiān)控點(diǎn)的圖形，了解監(jiān)控點(diǎn)的信息，提高變電站的可靠運(yùn)行能力，提高維護(hù)效率，降低維護(hù)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)及維護(hù)模塊，就是要在電池運(yùn)行過程中把握電池的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，確保蓄電池能夠提供足夠的后備動(dòng)力。主要意義包括：預(yù)警落后電池；改善電池的使用條件，延長電池的使用壽命；掌握電池的當(dāng)前狀況，尤其是電池的容量衰減；及時(shí)處理有問題的電池，避免停電后設(shè)備癱瘓；避免盲目更換電池，減少電池更換費(fèi)用；降低電池現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用；實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理，降低維護(hù)合管理成本，提高社會(huì)效益。

當(dāng)蓄電池與外電路接通時(shí)，在電池電動(dòng)勢(shì)的作用下，電路中便產(chǎn)生電流，放電電流由蓄電池的正極板經(jīng)外電路流向負(fù)極板。在蓄電池內(nèi)部，電解液內(nèi)的硫酸分子電離，產(chǎn)生氫正離子和硫酸根負(fù)離子，形成離子流。電流的方向是從負(fù)極流向正極。在負(fù)極板上，硫酸根離子與鉛離子集合生成硫酸鉛，可見蓄電池在放電過程中，正負(fù)極板上都形成了硫酸鉛，由于硫酸鉛導(dǎo)電性差，增加極板間的電阻，影響電池容量。電解液中的硫酸逐漸減少，水分增加，因而使電解液的相對(duì)密度降低。

鉛酸蓄電池充電時(shí)，在電池內(nèi)部，充電電流由正極流向負(fù)極。在電流的作用下，正負(fù)極上的硫酸鉛及電解液中的水分被分解。在充電過程中，正極板上的硫酸鉛被硫酸根氧化市區(qū)電子而被還原成二氧化鉛，在負(fù)極板上的硫酸鉛被陽離子還原為鉛。在化學(xué)反應(yīng)中，吸收了兩個(gè)水分子，而析出了兩個(gè)硫酸分子。因此充電時(shí)，電解液的相對(duì)密度增大，電池的內(nèi)阻減少，電動(dòng)勢(shì)增大。

蓄電池充/放電時(shí)，端電壓變化是曲線，在充電初期（段），電壓上升較快，隨后沿電壓緩慢上升，一段時(shí)間后，沿段電壓很快上升，水被電解，負(fù)極析出氧氣，正極析出氫氣。放電初期（段），電壓急劇下降，到點(diǎn)后，沿電壓緩慢下降，到點(diǎn)后，電壓又急劇下降。

蓄電池的內(nèi)阻的組成可分為歐姆極化（導(dǎo)體電阻）、電化學(xué)極化、濃差極化電阻三個(gè)部份。蓄電池的內(nèi)阻是隨著充放電變化的，一般放電過程內(nèi)阻增大，充電過程內(nèi)阻變小。蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號(hào)C表示，常用的單位為安培小時(shí)，用Ah表示。電池的容量一般可分為標(biāo)稱容量、額定容量、理論容量和實(shí)際容量。

蓄電池放電時(shí)間的增長內(nèi)阻增長較快，端電壓下降的較大，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的放電終止電壓，應(yīng)立即停止放電，并按要求充電。否則會(huì)導(dǎo)致過放電造成使用壽命縮短。放電電流倍率對(duì)使用壽命的也有影響，浮充電壓設(shè)置過高，電池將長期處于過充電狀態(tài)，當(dāng)浮充電流過大造成電池的溫度和電流不斷增加的惡性循環(huán)；若浮充電壓設(shè)置過低，使電池極板硫化而縮短電池壽命。溫度對(duì)使用壽命的影響。電池長期在超標(biāo)溫度環(huán)境下運(yùn)行，一般來說，溫度每升高10℃，蓄電池使用壽命降低一半。，對(duì)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量方式主要有兩種，為交流注入法、直流放電法。

對(duì)于蓄電池剩余容量的估算方法很多，常見的有密度法、負(fù)載電壓法、開路電壓法、阻抗法。

蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括單體電壓、單體溫度、電池充/放電電流、連接條電阻、單體容量等，其中單體容量的估算模型是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

按照國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)反措管理要求，對(duì)于為了檢測(cè)蓄電池容量、保證蓄電池質(zhì)量及確保系統(tǒng)運(yùn)行安全，對(duì)于新安裝的蓄電池投運(yùn)四年內(nèi)每?jī)赡赀M(jìn)行一次核對(duì)性充放電，運(yùn)行滿四年后每年進(jìn)行一次核對(duì)性充放電，以達(dá)到活化蓄電池的 目的。遠(yuǎn)程充放電管理程序首先判斷蓄電池是否處在浮充狀態(tài)，避免在充電狀態(tài)時(shí)誤操作導(dǎo)致放電程序啟動(dòng)。放電前，系統(tǒng)設(shè)定好放電終止電壓，啟動(dòng)放電功能。放電時(shí)，遠(yuǎn)程放電系統(tǒng)記錄放電時(shí)的電池性能參數(shù)，顯示屏顯示放電電流、放電容量、放電時(shí)間等信息。放電結(jié)束后，放電負(fù)載與系統(tǒng)斷開，電源切換到充電狀。

國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的M+N電池運(yùn)行模式，這種工作模式在變電站運(yùn)維中的運(yùn)用將是原有動(dòng)力電池遇到的難點(diǎn)問題得到全面的解決。

現(xiàn)有變電站直流電池面臨的現(xiàn)實(shí)情況：

蓄電池不科學(xué)的充電方式，單體蓄電池在蓄電池組內(nèi)充電失衡，從而使蓄電池壽命縮短。整流模塊以浮充串聯(lián)方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。在進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)，單體蓄電池中流過電流是一致的，但是蓄電池因?yàn)椴煌蛩氐挠绊懀毡榇嬖陔姵仉x散性，每個(gè)蓄電池自身情況以及原始容量都不盡相同，容量偏差較大。所以，在運(yùn)行中將單體蓄電池整合作為一個(gè)整體來進(jìn)行一致的浮充，必然造成長期對(duì)原始容量小的蓄電池過充電以及對(duì)原始容量大的蓄電池欠充電。當(dāng)蓄電池過充時(shí)，因?yàn)殡娊庋趸蜔崾Э囟闺姵赝鈿す陌?、漏氣，受到破壞，極易造成容量失效。相反當(dāng)蓄電池欠充時(shí)，正極和負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)不充分，縮短了蓄電池的使用壽命。不科學(xué)的充電方式使蓄電池提早失去效用；監(jiān)控不到位，過度監(jiān)控整流模塊，而對(duì)蓄電池組缺少監(jiān)控。當(dāng)前后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中，電力直流控制電源可以完整獲得整流模塊的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流模塊的控制和操作。但是，對(duì)蓄電池的監(jiān)控功能運(yùn)用少而且意義不大甚至無任何相關(guān)，并且有些監(jiān)控效果相反。有些監(jiān)控僅僅關(guān)注蓄電池端的電壓，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。監(jiān)控系統(tǒng)是否合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是在蓄電池容量下降與內(nèi)阻異常增加時(shí)及時(shí)發(fā)出警告；蓄電池的維護(hù)結(jié)果不理想。對(duì)電力直流控制電源，當(dāng)前大多數(shù)的技術(shù)人員都能夠按照規(guī)定，按時(shí)檢測(cè)蓄電池組的深度放電容量，一般情況下好的蓄電池占大多數(shù)，容量落后的蓄電池占少數(shù)，雖然使用儀器對(duì)落后的蓄電池容量進(jìn)行恢復(fù)，但是，效果不佳。如果更換為新電池，又會(huì)造成組內(nèi)其他電池惡化更快的情況，最后只得對(duì)尚未使用很長時(shí)間的整個(gè)蓄電池組進(jìn)行全部更換；蓄電池發(fā)生緊急惡性事故時(shí)，缺少預(yù)防應(yīng)對(duì)能力，系統(tǒng)可靠性低。國家電網(wǎng)公司調(diào)查抽樣統(tǒng)計(jì)說明蓄電池故障頻發(fā)且后果嚴(yán)重。不僅要考慮其自身質(zhì)量問題，充電裝置的安全可靠性也不可忽視，如果不是運(yùn)用充電裝置對(duì)蓄電池過充電，就不會(huì)造成其內(nèi)部壓力升高甚至爆炸，如果在充電裝置中增加自放電電流和溫度監(jiān)測(cè)功能，就可以對(duì)蓄電池的熱進(jìn)行控制使其不致演變?yōu)槠鸹鸬膰?yán)重后果。

綜上所述，對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及智能管理非常必要。變電站在運(yùn)行過程中，必須建立一個(gè)安全的直流系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)變電站各種直流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及影響變電站安全運(yùn)行的因素實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，使變電站直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“可控”、“在控”。本智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及研究目的是為了保障變電站的安全正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站直流系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，使維護(hù)人員及時(shí)掌握各變電站的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)直流電源由“定期檢修”向“狀態(tài)檢修”的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]李立偉，鄒積巖.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).《電氣應(yīng)用》，2002（11）：7-9