變電站蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)研究及應(yīng)用

蔡 明，伍太萍，姚文昊，陳裕云，黃祎俊

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330052；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西南昌 330077）

0 引言

蓄電池是變電站直流電源系統(tǒng)的核心部分，其在充電裝置交流輸入電源停電時(shí)為二次系統(tǒng)直流負(fù)荷提供不間斷直流電源。當(dāng)前，變電站電壓等級(jí)不斷提高，直流負(fù)荷日益增多，蓄電池的容量呈遞增趨勢(shì)，蓄電池在直流電源系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用占比遠(yuǎn)大于充電裝置的維護(hù)費(fèi)用占比。隨著無(wú)人值守變電站和智能化變電站的深化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢修的智能化、高效化、無(wú)人化亦成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。

基于變電站蓄電池運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)狀，本文提出了一種新型蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)使用放電負(fù)載儀對(duì)離線蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電的維護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)了單體蓄電池在線電壓巡檢、內(nèi)阻測(cè)試和動(dòng)態(tài)均衡以及蓄電池組遠(yuǎn)程在線核對(duì)性放電，并進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證，為變電站蓄電池的運(yùn)行維護(hù)提供有力保障。

1 蓄電池傳統(tǒng)運(yùn)維模式

目前，變電站蓄電池大多數(shù)采用閥控鉛酸蓄電池（VRLA），其傳統(tǒng)運(yùn)維模式是運(yùn)維人員定期測(cè)量單體蓄電池電壓，并依據(jù)技術(shù)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行核對(duì)性放電檢驗(yàn)其實(shí)際容量。核對(duì)性放電需要將蓄電池組脫離運(yùn)行，以10%蓄電池容量的放電電流進(jìn)行恒流放電，當(dāng)任意一節(jié)蓄電池達(dá)到放電終止電壓值，才停止放電[1]，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易損傷蓄電池。蓄電池需要多節(jié)串聯(lián)成組來(lái)滿足直流母線電壓的要求，這種運(yùn)行方式存在先天弊病，盡管各節(jié)蓄電池充放電電流相同，蓄電池極板、電解液等部件及自放電卻略有差異，造成蓄電池組的一致性變壞，出現(xiàn)過(guò)欠充、容量衰減現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，各節(jié)蓄電池電壓不均衡會(huì)逐步加劇，極大地縮短整組蓄電池的使用壽命。目前，針對(duì)蓄電池的檢測(cè)和維護(hù)，普遍采用蓄電池巡檢儀、內(nèi)阻測(cè)試儀、放電負(fù)載儀，這些儀器存在只檢測(cè)不維護(hù)的缺點(diǎn)。為了提升少數(shù)欠充單體蓄電池電壓一致性，恢復(fù)其電壓和容量到規(guī)定范圍，傳統(tǒng)的方法是采用充電裝置定期（一般為3個(gè)月）自動(dòng)或手動(dòng)地對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡充電[1]，實(shí)際上卻有損大部分正常單體蓄電池的性能，反而可能縮短蓄電池組的使用壽命。因此，對(duì)蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程在線核對(duì)性放電以及單體蓄電池在線電壓巡檢、內(nèi)阻測(cè)試和動(dòng)態(tài)均衡維護(hù)，是實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢修的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

2 蓄電池維護(hù)新技術(shù)原理

2.1 蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)試原理

以測(cè)試模塊為單位，把蓄電池組分為多個(gè)單元段，采用直流放電法[2]，依次在每個(gè)單元段內(nèi)測(cè)試各節(jié)蓄電池內(nèi)阻，測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)試原理

基于四線制接線方式，測(cè)試模塊通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器MUX控制接通放電電阻R0，依次對(duì)該單元段各節(jié)蓄電池進(jìn)行瞬間直流放電，測(cè)量各節(jié)蓄電池瞬時(shí)放電電流I0，得出放電前后電壓Ui1、Ui2之間的壓降ΔUi，再利用歐姆定理計(jì)算各節(jié)蓄電池等效內(nèi)阻。

由于整組蓄電池個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于每個(gè)單元段蓄電池個(gè)數(shù)，充電裝置浮充電對(duì)單元段各節(jié)蓄電池放電的影響微乎其微，這樣解決了傳統(tǒng)蓄電池內(nèi)阻直流放電測(cè)試法要求蓄電池組脫離直流母線的弊病，從而實(shí)現(xiàn)整套蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)試。

2.2 蓄電池動(dòng)態(tài)均衡原理

在蓄電池組充放電過(guò)程中，特別是在蓄電池補(bǔ)充充電、事故放電后充電以及核對(duì)性放電后充電，由于充放電電流較大，均衡效果緩慢，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)欠充對(duì)某些性能存在差異的單體蓄電池會(huì)造成損傷。因此，依據(jù)趨勢(shì)預(yù)估原理[2]，實(shí)時(shí)檢測(cè)各節(jié)蓄電池與蓄電池組平均單體的電壓偏差，當(dāng)差值大于設(shè)定值時(shí)，預(yù)測(cè)該節(jié)蓄電池有可能過(guò)欠充，并提前介入均衡，從而避免造成蓄電池實(shí)質(zhì)性的損傷。

本文采用雙向DC/DC變換器高放低充均衡原理，趨勢(shì)預(yù)估提前介入控制策略，實(shí)現(xiàn)蓄電池組動(dòng)態(tài)均衡，均衡原理如圖2所示。

圖2 蓄電池動(dòng)態(tài)均衡原理

雙向DC/DC變換器高壓側(cè)連接直流母線KM，低壓側(cè)通過(guò)K1～Kn開(kāi)關(guān)連接蓄電池組各節(jié)蓄電池。欠充單體蓄電池接通K1～Kn對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)經(jīng)雙向DC/DC變換器由直流母線KM進(jìn)行補(bǔ)充充電，過(guò)充單體蓄電池接通K1～Kn對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)經(jīng)雙向DC/DC變換器對(duì)直流母線KM進(jìn)行旁路放電。在均衡過(guò)程中，始終甄別電壓偏差最大的單體蓄電池進(jìn)行操作，依此類推，最終達(dá)到整組蓄電池各單體的均衡。

2.3 蓄電池組在線放電原理

傳統(tǒng)的使用放電負(fù)載儀對(duì)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電的維護(hù)方式，存在動(dòng)態(tài)移動(dòng)性差、維護(hù)量大、時(shí)效性低、精度和可靠性不高等問(wèn)題。本文采用DC/DC升壓的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組在線核對(duì)性放電維護(hù)，DC/DC升壓原理如圖3所示。

圖3 蓄電池組在線放電原理

正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置供給蓄電池組浮充電和直流負(fù)荷工作電源。當(dāng)需要用本裝置對(duì)蓄電池放電時(shí)，由控制器控制整個(gè)放電的過(guò)程。首先，直流接觸器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，DC/DC升壓模塊輸入電壓和輸出電壓疊加，逐漸升高直流負(fù)荷兩端電壓，當(dāng)蓄電池組端電壓和DC/DC模塊輸出電壓之和高于充電裝置輸出電壓時(shí)，充電裝置停止輸出電流。此時(shí)，直流負(fù)載的電流完全由蓄電池提供，控制器采集放電電流，控制蓄電池處于恒流放電狀態(tài)，并計(jì)算放電時(shí)間和安時(shí)數(shù)。放電過(guò)程中，控制器時(shí)刻監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定直流母線電壓（此電壓高于充電裝置輸出電壓），通過(guò)升高DC/DC模塊輸出電壓，補(bǔ)償蓄電池組降低的端電壓。當(dāng)交電停電時(shí)，直流母線電壓不失電，達(dá)到在線放電的目的。

3 蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)

蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)具有功能模塊化、監(jiān)測(cè)維護(hù)智能化、數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻、電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息的在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)單節(jié)蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡；比較蓄電池內(nèi)阻相對(duì)變化量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能落后的單節(jié)蓄電池并告警，使運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌控蓄電池組的運(yùn)行狀況；對(duì)蓄電池組遠(yuǎn)程/本地充放電控制，準(zhǔn)確得知蓄電池組的實(shí)際容量，預(yù)判蓄電池組的可備用時(shí)間，保證直流電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)由主站系統(tǒng)和分站系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

1）主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理、監(jiān)控各分站系統(tǒng)的運(yùn)行，包含系統(tǒng)服務(wù)器和監(jiān)控工作站[3]。系統(tǒng)服務(wù)器安裝蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，監(jiān)控工作站安裝蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)客戶端軟件，通過(guò)監(jiān)控工作站監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)APP客戶端采用移動(dòng)互聯(lián)設(shè)計(jì)思想，將大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)、移動(dòng)客戶端等功能進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，可通過(guò)手機(jī)Web瀏覽器和APP軟件直接瀏覽，具有地理信息管理、站點(diǎn)信息管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)管理、告警信息管理、維護(hù)周期管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理等模式，呈現(xiàn)“大數(shù)據(jù)＋移動(dòng)互聯(lián)”為一體的新模式。

2）分站系統(tǒng)。分站系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)蓄電池組運(yùn)行工況及各分站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)蓄電池組核對(duì)性放電及均衡充電進(jìn)行自動(dòng)控制。分站系統(tǒng)包含蓄電池集控單元、蓄電池監(jiān)測(cè)單元、蓄電池維護(hù)單元和充電裝置。蓄電池集控單元是各個(gè)分站系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)整個(gè)分站系統(tǒng)的管理、控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及異常處理。蓄電池監(jiān)測(cè)單元包含監(jiān)測(cè)裝置、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊和內(nèi)阻測(cè)試模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單體蓄電池電壓、內(nèi)阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度，并通過(guò)自行設(shè)置各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的告警閥值，準(zhǔn)確查找硫化、劣化的失效或準(zhǔn)失效蓄電池，對(duì)所有監(jiān)測(cè)信號(hào)超限作出告警。分站系統(tǒng)將運(yùn)行參數(shù)與實(shí)時(shí)告警信息及時(shí)上傳至主站系統(tǒng)平臺(tái)，以圖形化界面直觀展現(xiàn)，以分布式、多樣化的手段存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于日常運(yùn)行維護(hù)和歷史數(shù)據(jù)查詢比對(duì)。蓄電池維護(hù)單元包含維護(hù)裝置、動(dòng)態(tài)均衡模塊和遠(yuǎn)程充放電模塊，以各單體蓄電池電壓、內(nèi)阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度為依據(jù)，負(fù)責(zé)對(duì)各節(jié)蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡維護(hù)和蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程/本地放電（核對(duì)性放電）控制。充電裝置負(fù)責(zé)對(duì)蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程/本地充電（均衡充電）控制。

3）蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)采用三級(jí)組網(wǎng)方式，第一級(jí)由蓄電池監(jiān)測(cè)單元、蓄電池維護(hù)單元和充電裝置組成，第二級(jí)為蓄電池集控單元，第三級(jí)為主站系統(tǒng)平臺(tái)。其中第一級(jí)與第二級(jí)采用RS232/485通信方式連接，第二級(jí)與第三級(jí)采用TCP/IP通信方式連接[3]。

4 工程應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)江西檢修公司集控中心的蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)由1套主站系統(tǒng)和23套分站系統(tǒng)組成，通過(guò)主站系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和維護(hù)23座500 kV變電站的46組蓄電池，可以動(dòng)態(tài)均衡單節(jié)蓄電池，找出性能落后的單節(jié)蓄電池，精確得知蓄電池組的實(shí)際容量，極大地提高蓄電池維護(hù)的工作效率。

2016年6月，500 kV永修變電站進(jìn)行蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)改造。該站直流電源系統(tǒng)采用單母線分段接線，有2組蓄電池和3組充電裝置，配置1套蓄電池集控單元、2套蓄電池監(jiān)測(cè)單元和2套蓄電池維護(hù)單元。均衡前，蓄電池組最大單體蓄電池壓差為156 mV，遠(yuǎn)大于技術(shù)規(guī)程規(guī)定的50 mV[1]；均衡后，最大單體蓄電池壓差為25 mV，均衡效果顯著，符合預(yù)期目標(biāo)。

2017年7月，500 kV永修變電站2組蓄電池進(jìn)行年度核對(duì)性放電試驗(yàn)，單體蓄電池最大開(kāi)路壓差為22 mV，完成100%容量放電后，單體蓄電池最低電壓為1.82 V，2組蓄電池性能良好，遠(yuǎn)超預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到同類蓄電池組的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

5 蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)技術(shù)展望

逆變并網(wǎng)遠(yuǎn)程放電是蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)技術(shù)發(fā)展方向之一，具有節(jié)約放電核容成本，釋放運(yùn)維人力；放電過(guò)程全程無(wú)熱量，安全可靠，適應(yīng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的要求，有效規(guī)避人工放電核容的操作風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 蓄電池逆變放電關(guān)鍵技術(shù)線路圖

如圖5所示：圖中的充電模塊是單向線路，當(dāng)關(guān)閉充電模塊時(shí)，由于母線電壓比蓄電池組電壓高，蓄電池組進(jìn)入放電狀態(tài)。當(dāng)交流電停電或整流器損壞時(shí)，導(dǎo)致母線上的充電模塊沒(méi)有輸出，蓄電池組通過(guò)二極管D即可對(duì)母線上的負(fù)荷放電，采用這種方式蓄電池組對(duì)負(fù)荷的供電是無(wú)縫接入的，充分保證了直流系統(tǒng)的安全性。二極管D是最核心的器件，是系統(tǒng)電路是否安全可靠關(guān)鍵點(diǎn)。

系統(tǒng)采用4個(gè)75 A工作電流的快速二極管進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，即使系統(tǒng)采用200 A的直流負(fù)載，關(guān)閉充電模塊，蓄電池組通過(guò)二極管為負(fù)載提供200 A的電流，這些二極管的溫升仍控制在40℃以下。況且電力系統(tǒng)變電站直流負(fù)載最大電流一般不超過(guò)30 A，這個(gè)設(shè)計(jì)已預(yù)留充足冗余，充分保證系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，改變了變電站蓄電池的傳統(tǒng)運(yùn)維模式，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，提高了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性，增強(qiáng)了變電站反故障措施，實(shí)現(xiàn)了直流電源系統(tǒng)的大管理、大維護(hù)，顯著提升了直流電源系統(tǒng)的維護(hù)水平，從而有效避免直流電源系統(tǒng)事故的發(fā)生，為推進(jìn)智能電網(wǎng)直流電源系統(tǒng)的智能化、高效化、無(wú)人化提供有力的技術(shù)和方案支撐。建議在變電站直流電源系統(tǒng)初設(shè)階段，考慮配置蓄電池遠(yuǎn)程在線維護(hù)管理系統(tǒng)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，自動(dòng)預(yù)警，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，可逐步延長(zhǎng)蓄電池組核對(duì)性容量試驗(yàn)周期，達(dá)到有效延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命，節(jié)約蓄電池定期維護(hù)和容量檢驗(yàn)成本之目的。