以實(shí)際負(fù)載放電的蓄電池遠(yuǎn)程核容裝置設(shè)計(jì)

蔡勇超，余勇，曹小冬，呂華良

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引言

通信電源是電力通信系統(tǒng)的重要組成部分，一般由整流器和鉛酸蓄電池并聯(lián)構(gòu)成。鉛酸蓄電池由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特性，長(zhǎng)期處在浮充狀態(tài)下，容易出現(xiàn)內(nèi)部失水和化學(xué)物質(zhì)結(jié)晶鹽化，使蓄電池實(shí)際容量下降或直接為零。若此時(shí)變電站市電失壓，蓄電池為通信設(shè)備供電的能力明顯下降或完全喪失[1-3]。根據(jù)南方電網(wǎng)電源規(guī)范，新裝蓄電池每 2～3 a 應(yīng)進(jìn)行一次全核容檢測(cè)，而運(yùn)行 6 a 以上的蓄電池，每年都應(yīng)做一次核容檢測(cè)[4]。

傳統(tǒng)的蓄電池核容操作，需將蓄電池脫離直流母線，然后再接上專用的蓄電池放電儀作為負(fù)載放電。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在一定操作風(fēng)險(xiǎn)，特別是近年來電力建設(shè)速度加快，變電站數(shù)量越來越多，班組人員的運(yùn)維壓力也不斷加大。目前蓄電池遠(yuǎn)程核容有小規(guī)模的應(yīng)用，主要是采用逆變技術(shù)將蓄電池直流電源經(jīng)有源逆變后反饋至交流電網(wǎng)。這種方式蓄電池電能利用率不高，而且還會(huì)產(chǎn)生電流諧波，對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊[5-6]。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于 DC/DC 變壓技術(shù)的蓄電池遠(yuǎn)程核容裝置，通過將蓄電池電壓升高，使其直接被通信設(shè)備利用，根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)節(jié)放電電流的大小。蓄電池不脫離母線，若放電過程中市電停電或蓄電池異常，能夠立即停止放電，切換成正常工作模式。此外該裝置還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的單體電壓、表面溫度和內(nèi)阻等運(yùn)行參數(shù)，并基于歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫在線診斷蓄電池的健康狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖 1 所示，系統(tǒng)以 MCU 主控單元為核心，主要包括數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程交互及放電控制三大模塊。MCU 是系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)處理采集單元上傳的數(shù)據(jù)，接受遠(yuǎn)程控制命令以及發(fā)出放電指令給放電驅(qū)動(dòng)模塊，并將放電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

數(shù)據(jù)采集模塊包括蓄電池單體采集模塊和母線采集模塊。蓄電單體采集模塊能夠采集單個(gè)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻等參數(shù)。母線采集模塊采集蓄電池母線電壓、電流。系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，判斷能否開展遠(yuǎn)程放電或者是否達(dá)到放電終止條件。遠(yuǎn)程交互模塊將電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至控制中心，并接受及處理控制中心的指令。

放電驅(qū)動(dòng)及控制模塊是執(zhí)行遠(yuǎn)程放電指令的單元，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。其內(nèi)部核心為 DC/DC 變壓模塊，可將蓄電池電壓升高，并讓蓄電池為負(fù)載供電，達(dá)到放電目的。工作電源模塊由兩路來自不同母線的 -48 V 電源供電，并進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)內(nèi)部各部件的電源需求。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括 MCU 軟件設(shè)計(jì)和客戶端軟件設(shè)計(jì)?？蛻舳塑浖饕沁h(yuǎn)程控制中心的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，采用圖形化的設(shè)計(jì)理念。MCU 軟件采用流程化的設(shè)計(jì)思想，主要包括數(shù)據(jù)采集、放電控制、中斷處理和遠(yuǎn)程通信。

2 放電驅(qū)動(dòng)及控制原理

在圖 2 所示核容裝置中，K1 為常閉接觸器，K2 和 K3 為雙切換接觸器，D1 為隔離二極管，高頻 DC/DC 為可調(diào)壓變壓模塊，輸出電壓范圍為直流 40～60 V。正常運(yùn)行方式下，K1 常閉，K2 和K3 斷開，蓄電池處于浮充狀態(tài)，設(shè)備負(fù)載由整流器供電。

圖2 放電驅(qū)動(dòng)及控制原理圖

當(dāng)蓄電池需要放電核容時(shí)，MCU 控制 K1 斷開，K2 投切到 P2，K3 投切到 P3，高頻 DC/DC 變換模塊開始工作，將蓄電池組電壓升高，并根據(jù)設(shè)定的負(fù)載電流大小，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓，直到放電電流與設(shè)備負(fù)載電流的大小相同。此時(shí)負(fù)載完全由蓄電池供電，而整流器空載運(yùn)行。隨著放電過程的持續(xù)，蓄電池的端電壓（B 點(diǎn)）會(huì)逐漸下降。控制電路能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放電時(shí)的電流環(huán)路和電壓環(huán)路，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓范圍，始終保持放電電流值不變，直至放電結(jié)束。

當(dāng)在線升壓放電結(jié)束后，蓄電池組的端電壓較低，而整流器的輸出電壓一般為恒定的 -53.5 V。若直接為蓄電池充電，由于壓差較大會(huì)給蓄電池造成大電流沖擊，因此需要通過 DC/DC 變換模塊為蓄電池恒流充電。此時(shí) K1 繼續(xù)保持?jǐn)嚅_，K2 投切到P1，K3 投切到 P4，整流器輸出電壓經(jīng)過 DC/DC變換模塊后，再給蓄電池充電。剛開始蓄電池端電壓低，DC/DC 模塊輸出電壓也較低，避免電壓差帶來的電流沖擊。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸升高，DC/DC 模塊也動(dòng)態(tài)地調(diào)整輸出電壓，直到充電電流下降到預(yù)設(shè)的閾值。MCU 繼續(xù)調(diào)整DC/DC 模塊輸出電壓和電流，對(duì)蓄電池進(jìn)行均充充電，直至達(dá)到均充結(jié)束條件。最后，MCU 控制K1 閉合，K2、K3 斷開，通信電源恢復(fù)至正常浮充狀態(tài)，一次完整的在線充放電程序結(jié)束。

整個(gè)充放電過程都由 MCU 自動(dòng)控制，蓄電池始終不脫離母線，系統(tǒng)能夠根據(jù)采集的母線電壓、電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整 DC/DC 模塊的輸出電壓和電流，確保整個(gè)過程完全可控，并且當(dāng)遇到意外情況時(shí)能快速切換至正常運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 高頻 DC/DC 模塊設(shè)計(jì)

DC/DC 電路設(shè)計(jì)有多種方案可供選擇，考慮到本系統(tǒng)要求電壓變比范圍大、功率要求高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，所以選擇帶反饋控制的半橋式 DC/DC 變換器[7-8]。如圖 3 所示，變壓器 T 起隔離和傳遞能量的作用，電阻 R1 和 R2 用于分壓。開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，Np 繞組上承載一半的輸入電壓，副邊繞組電壓使二極管 VD3 導(dǎo)通。同理下半個(gè)周期內(nèi)，VT2和 VD4 導(dǎo)通，輸出回路上的二極管 VD3、VD4、電感 L 和電容 C4 共同組成整流濾波電路。

圖3 半橋式 DC/DC 電路原理圖

半橋式 DC/DC 電路能夠降低原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力，使其工作壽命更長(zhǎng)，工作效率更高。C1、C2 用來平衡每個(gè)開關(guān)管的伏秒值，采用高壓鋁電解電容。C3 的作用是濾掉影響伏秒平衡的直流分量部分，一般采用 CBB 電容。VT1 和 VT2 的導(dǎo)通與關(guān)斷由 MUC 控制，通過比較設(shè)定的電壓值和采集的電壓值，自動(dòng)調(diào)整 PWM 波的占空比和頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

3.2 采集電路設(shè)計(jì)

變電站通信電源蓄電池一般由 24 節(jié) 2 V 電池組成，所以需要采集 24 路電壓信號(hào)。按照傳統(tǒng)采集模式，需要用到 24 路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。為減少電路設(shè)計(jì)成本，提高采集效率，采用 8 通道模擬開關(guān)器件，將 24 路模擬信號(hào)通過 8 選 1 模擬開關(guān)選擇后，送至 3 路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，再進(jìn)行采樣處理。

如圖 4 所示，U1、U2、U3 為 8 選 1 模擬開關(guān)芯片。X1～X24 為 24 節(jié)電池電壓信號(hào)。Y1、Y2、Y3 為芯片信號(hào)輸出端，接至 A/D 模塊。A1、A2、A3 為輸出信號(hào)控制線，接入 MCU 的 IO 端口。A1、A2、A3 狀態(tài)從 000 至 111 依次變化，相應(yīng)地X1～X8 信號(hào)被選擇。這樣一個(gè) A/D 模塊就能采集8 路電壓信號(hào)，提高了采樣效率。

圖4 多路采集電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 MCU 軟件設(shè)計(jì)

MCU 軟件設(shè)計(jì)采用流程化、模塊化的設(shè)計(jì)原則，主要包括信號(hào)采集程序、遠(yuǎn)程放電驅(qū)動(dòng)程序、電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)程序、通信接口程序等，使用 MCU自帶開發(fā)環(huán)境和固件函數(shù)庫，減少底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。如圖 5 所示，MCU 模塊上電后完成初始化和自檢，然后采集電池和母線電壓數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)上傳。此時(shí)系統(tǒng)處在監(jiān)控模式狀態(tài)，即通信電源正常工作狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)出啟動(dòng)放電指令或系統(tǒng)預(yù)置的放電周期到時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)放電程序，檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境是否具備放電條件，主要查看蓄電池單體電壓、母線電壓電流、市電輸入等是否正常，確保在電源正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)才能啟動(dòng)放電。

圖5 MCU 軟件流程圖

放電截止條件設(shè)定有多種情況，只要某一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)即可停止放電，主要包括蓄電池單體電壓、總電壓、預(yù)放容量、放電時(shí)間。以 2 V 500 Ah 蓄電池為例，具體設(shè)定值如表 1 所示。

表1 放電截止預(yù)設(shè)值

放電過程中如遇市電停電、溫度過高等突發(fā)情況，系統(tǒng)能夠自動(dòng)立即停止放電，恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，確保放電過程安全可控。監(jiān)控中心也可以隨時(shí)手動(dòng)停止放電。

4.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件是用戶操作和監(jiān)視通信電源的平臺(tái)，采用 B/S 架構(gòu)。用戶只需打開 Web 瀏覽器即可操作，無需安裝客戶端軟件。相關(guān)運(yùn)維人員申請(qǐng)相應(yīng)權(quán)限的賬號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多用戶的使用。

如圖 6 所示，界面采用菜單式和圖形化的設(shè)計(jì)理念，主要包括 6 大板塊。首頁主要是對(duì)系統(tǒng)的整體展示，系統(tǒng)在地圖上的分布情況，通過從地圖上變電站的位置進(jìn)入瀏覽當(dāng)前變電站內(nèi)通信電源的運(yùn)行情況。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)板塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的狀態(tài)及電池組的電壓、內(nèi)阻、溫度等信息，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)，并以連續(xù)變化的曲線圖顯示。統(tǒng)計(jì)報(bào)表板塊基于歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和放電數(shù)據(jù)，預(yù)估蓄電池剩余容量、續(xù)航時(shí)間等，篩選出不滿足要求的電池，為立項(xiàng)更換提供參考依據(jù)。告警管理能夠查詢當(dāng)前和歷史的電源告警信息，包括母線電壓過高或過低告警，蓄電池單體異常告警等。作業(yè)管理實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止遠(yuǎn)程放電，制定放電計(jì)劃，設(shè)置放電參數(shù)，管控放電過程等功能。用戶管理包括賬戶管理、賬號(hào)的申請(qǐng)、權(quán)限的設(shè)置、操作記錄查詢等。

圖6 系統(tǒng)界面示意圖

5 應(yīng)用結(jié)果分析

選取某變電站通信電源作為應(yīng)用對(duì)象，加裝遠(yuǎn)程放電裝置后，對(duì)蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程放電測(cè)試，得到如圖 7 所示放電曲線。放電前母線電壓為 53.5 V，負(fù)載為 15.5 A。啟動(dòng)遠(yuǎn)程放電后，DC/DC 裝置將蓄電池電壓逐步升高，隨之蓄電池開始向負(fù)載供電。當(dāng)電壓升至 53.7 V 時(shí)，負(fù)載完全由蓄電池供電。母線電壓一直穩(wěn)定在 53.7 V，而蓄電池組端電壓隨著放電的深入不斷下降，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程放電且全程無需人工在現(xiàn)場(chǎng)操作的目。

圖7 放電過程電壓電流曲線

放電開始后，放電電流逐步增加，最后穩(wěn)定在負(fù)載電流的數(shù)值，有效防止了大電流放電對(duì)蓄電池的沖擊。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)放電數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，放電會(huì)自動(dòng)終止，避免蓄電池過度放電，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種以實(shí)際負(fù)載電流放電的蓄電池遠(yuǎn)程放電裝置，打破傳統(tǒng)蓄電池放電作業(yè)模式。選取某變電站通信電源作為應(yīng)用對(duì)象的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、放電過程全程可控、安全高效、放電效果良好，可替代傳統(tǒng)的蓄電池人工放電工作，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。