基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力蓄電池智慧運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

李瀟 何子驥

（新疆信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司）

0 引言

電力蓄電池是電力系統(tǒng)的最后一道防線，在交流電故障狀態(tài)下，能夠可靠地為站內(nèi)電力通信設(shè)備和重要的一二次設(shè)備提供電源，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要條件。近年來由于蓄電池質(zhì)量下降，蓄電池維護(hù)手段單一，蓄電池的安全隱患突出。隨著蓄電池投運(yùn)年限的提升，運(yùn)行風(fēng)險逐年加大，應(yīng)在運(yùn)行維護(hù)保障和管理措施上使用新的技術(shù)手段，提升電力蓄電池運(yùn)行的安全可靠性。為此，本文提出一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池智慧運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計理念，通過物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的方式來解決目前電力蓄電池日常運(yùn)維遇到的相關(guān)問題，提高了蓄電池的管理水平和智能化程度。

1 電力蓄電池的維護(hù)要求及現(xiàn)狀

目前大部分變電站仍然使用的是閥控式鉛酸蓄電池，閥控式鉛酸蓄電池主要由正極板、負(fù)極板、電解液、隔板、匯流排、安全閥、電池外殼、極柱等組成，鉛酸蓄電池的充放電是由正極板上的活性物質(zhì)二氧化鉛（PbO2）和負(fù)極板上的活性物質(zhì)海綿狀的純鉛（Pb）與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來完成的[1]。在電力行業(yè)，目前針對鉛酸蓄電池常用的標(biāo)準(zhǔn)包括：DL/T856—2018《電力用直流電源和一體化電源監(jiān)控裝置》、DL/T1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》、DL/T724《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》、DL/T637—2019《電力用固定型閥控式鉛酸蓄電池》等標(biāo)準(zhǔn)，同時國家電網(wǎng)還發(fā)布了《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》，對蓄電池的日常運(yùn)維均提出了明確的要求，主要由日常檢查及年度檢查組成。

1）日常檢查：清除灰塵，檢查連接條、外殼、極柱，測量電壓[2]。

2）年度檢查：核準(zhǔn)容量放電試驗，放電電流為I10恒流。當(dāng)單體電壓為終止電壓1.8V時，停止放電，放電過程中，記下蓄電池組的端電壓、每個蓄電池端電壓、電解液密度。若蓄電池組第一次核對性放電，就放出了額定容量，不再放電，充滿容量后便可投入運(yùn)行。若放充三次均達(dá)不到額定容量的80%，可判此組蓄電池使用年限已到，并安排更換[3]。

但閥控式鉛酸蓄電池在經(jīng)過5～8年的使用后，會出現(xiàn)容量下降、內(nèi)阻增大并最終失效的情況。目前蓄電池運(yùn)維存在的主要問題包括以下幾方面。

1.1 安全問題

蓄電池引起的非正常掉電、起火、爆炸、直流母線脫離、交流竄入等問題；蓄電池核容時需要現(xiàn)場接線，有安全隱患。

1.2 效率問題

運(yùn)維工作量大，人工檢查繁瑣，蓄電池長期浮充串聯(lián)使用，易出現(xiàn)單只落后整組失效的問題；目前維護(hù)手段單一，自動化程度低，核容放電時需要人工到現(xiàn)場操作，費(fèi)時費(fèi)力、效率不高。

1.3 預(yù)警問題

在蓄電池兩次核容的空白期間，蓄電池也會發(fā)生失效的風(fēng)險，如開路、漏液、短路等。應(yīng)該實時地對蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，由事故搶修、消缺變?yōu)闋顟B(tài)維修。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力蓄電池運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)是物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)是通過利用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(xiàn)物品的識別與信息的共享。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使得物與物直接對話，省去了人工環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)平臺整體架構(gòu)可分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層和交互層[4]，將其應(yīng)用到電力蓄電池的運(yùn)維中，從而實現(xiàn)了蓄電池的智能運(yùn)維，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層：物聯(lián)網(wǎng)的感知層負(fù)責(zé)完成信息的采集和捕獲，并對信息進(jìn)行有效的融合和壓縮；在設(shè)計上，鉛酸蓄電池傳感器、鋰電池模塊、UPS電源設(shè)備的通信端口均屬于感知層的范疇。

網(wǎng)絡(luò)層：物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)IP尋址和路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，通常使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)起到數(shù)據(jù)通信，上傳下達(dá)的作用，并支持解析各類智能設(shè)備的能力。

系統(tǒng)層：通過Redis、MQ對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、解析，根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯判斷設(shè)備運(yùn)行狀況，并可下發(fā)遠(yuǎn)程操作指令。

應(yīng)用層：直接為終端用戶應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、計算、分析。實現(xiàn)諸如容量管理、遠(yuǎn)程控制、均衡性分析、數(shù)據(jù)計算、告警燈功能。

交互層：以各種視覺輸出設(shè)備如PC、本地監(jiān)控屏等形式，將硬件數(shù)據(jù)以各類數(shù)據(jù)、柱形圖、曲線圖等形式呈現(xiàn)出來。

鉛酸蓄電池是通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電的，可以不依賴任何管理系統(tǒng)，所以失效的偶然性大，很難從外表上對其性能進(jìn)行分辨。但如果給它加裝蓄電池傳感器，通過匯總采集的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中就可直接判斷出它的狀態(tài)。電力蓄電池智慧運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計理念也正是利用先進(jìn)的信息化技術(shù)，對硬件設(shè)備采集的蓄電池數(shù)據(jù)通過專家系統(tǒng)進(jìn)行邏輯分析、處理，將蓄電池狀態(tài)進(jìn)行實時診斷，實現(xiàn)軟硬件數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展現(xiàn)，蓄電池隱患及時處理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

3 蓄電池智慧運(yùn)維系統(tǒng)的功能

蓄電池智慧運(yùn)維系統(tǒng)包括主站系統(tǒng)及子站兩部分組成，主站系統(tǒng)是指監(jiān)控中心服務(wù)器及系統(tǒng)軟件，子站是指變電站終端的采集設(shè)備，如圖2所示。平臺功能的設(shè)計主要遵循實用性、先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的原則，以蓄電池安全運(yùn)維為核心，系統(tǒng)軟件由站點(diǎn)信息及監(jiān)測、大數(shù)據(jù)計算、告警管理、統(tǒng)計分析和權(quán)限管理這五大功能組成。

圖2 系統(tǒng)組成圖

3.1 系統(tǒng)主站

系統(tǒng)主站平臺對各子站點(diǎn)進(jìn)行集中統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化管理，可通過客戶端實時查詢信息數(shù)據(jù)，主要功能包括：

1）蓄電池監(jiān)測診斷，自動實時獲取電池組及單體電池數(shù)據(jù)，并存儲至服務(wù)器端；記錄數(shù)據(jù)內(nèi)容包含：單體電壓、內(nèi)阻、溫度、組端電壓、電流等，以柱形圖、曲線圖等形式實時呈現(xiàn)電壓、內(nèi)阻、電流、電壓均衡性、平均溫度、充放電電壓、充放電電流曲線等數(shù)據(jù)。

2）蓄電池相關(guān)告警推送，如蓄電池高壓低壓監(jiān)測告警、電池連接條螺絲松動監(jiān)測告警、蓄電池極柱溫度監(jiān)測告警、蓄電池極板短路/開路監(jiān)測告警、蓄電池漏液監(jiān)測告警、蓄電池絕緣監(jiān)測告警等。

3）蓄電池容量管理，對子站進(jìn)行遠(yuǎn)程主動放電及被動監(jiān)測停電，對蓄電池充電、放電狀態(tài)實時監(jiān)控，記錄充放電實時電壓、電流，并計算充電放電電量。根據(jù)歷史充放電記錄，對蓄電池容量、備電能力進(jìn)行預(yù)估。

4）設(shè)備臺賬管理，記錄設(shè)備詳情信息，支持電池品牌、型號、批次、標(biāo)稱容量、標(biāo)稱內(nèi)阻、單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓、電池節(jié)數(shù)等數(shù)據(jù)的設(shè)置。

5）電源設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，通信電源、直流電源、UPS是提供穩(wěn)定電源的關(guān)鍵設(shè)備，平臺可對電源設(shè)備內(nèi)部整流器、逆變器、電池、旁路、負(fù)載等各部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視，一旦有部件發(fā)生故障，系統(tǒng)會自動報警，并切換到相關(guān)報警界面。

6）環(huán)境監(jiān)測，通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器，時刻監(jiān)測機(jī)房內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)，監(jiān)測機(jī)房內(nèi)是否有煙霧產(chǎn)生，以直觀的畫面實時記錄和顯示機(jī)房各區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)及變化曲線，以及越界報警信息處理。

7）大數(shù)據(jù)分析，通過監(jiān)測電池組歷史充放電狀態(tài)、時長、電量、電壓、電流、溫度等，綜合設(shè)備臺賬信息、實時數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、衍生分析數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計、歸類、分析、呈現(xiàn)出各種數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)深層價值。

3.2 子站設(shè)備

在變電站端安裝子站設(shè)備，通過電力通信通道，主站可對子站設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測及控制。除了在蓄電池端安裝的傳感器模塊外，子站以機(jī)柜的形態(tài)進(jìn)行部署，內(nèi)置了蓄電池監(jiān)控通訊模塊、蓄電池智能充放電模塊、蓄電池效能保障模塊等設(shè)備，可以實現(xiàn)蓄電池網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、在線修復(fù)維護(hù)管理和核容放電等功能，并有多種保護(hù)措施，包括過欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)、反接保護(hù)、輸出短路保護(hù)等。

3.3 系統(tǒng)部署

在服務(wù)部署層面采用前后端分離的部署方式，前端工程獨(dú)立，動靜分離的部署方式，提高系統(tǒng)性能。在訪問層采用負(fù)載均衡+業(yè)務(wù)服務(wù)器的方式部署，支持業(yè)務(wù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的橫向擴(kuò)容的集群式部署，以支持更大的訪問量、并發(fā)量，當(dāng)單臺服務(wù)器中斷服務(wù)時，負(fù)載均衡將請求自動分發(fā)到其他服務(wù)器，業(yè)務(wù)不中斷，實現(xiàn)服務(wù)的高可用，可滿足省內(nèi)全部變電站接入的數(shù)據(jù)負(fù)載。

4 應(yīng)用效果

近幾年，受“新冠”疫情影響，新疆電網(wǎng)各地州供電公司運(yùn)維班組外出工作多有不便。蓄電池方面的傳統(tǒng)運(yùn)維工作需要人員攜帶設(shè)備乘車前往現(xiàn)場進(jìn)行操作。新疆電網(wǎng)變電站分布廣、數(shù)量大，疫情管控期間難以按照規(guī)程要求開展工作。通過本系統(tǒng)平臺的應(yīng)用，最大化發(fā)揮了人力資源效能，降低了人力資源投入。運(yùn)維人員通過物聯(lián)網(wǎng)平臺即可遠(yuǎn)程查看各項運(yùn)行數(shù)據(jù)和開展蓄電池核容放電測試，完成絕大部分蓄電池運(yùn)維工作。如蓄電池內(nèi)阻測試、蓄電池電壓測量等工作，以及在蓄電池核容放電測試工作。傳統(tǒng)上站方式每次需要使用2名檢修人員及1名司機(jī)、車輛1臺，通過使用該數(shù)字化物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)，只需要1人在系統(tǒng)上進(jìn)行監(jiān)控看管即可完成，并且規(guī)避了倒閘操作不當(dāng)、接線錯誤導(dǎo)致的設(shè)備風(fēng)險、人身安全風(fēng)險、行車風(fēng)險等多項風(fēng)險。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的推出和發(fā)展，對電力蓄電池的運(yùn)維將起到革命性的改變，對運(yùn)維效果也將有質(zhì)的飛躍。本文所設(shè)計的平臺，也將會隨著技術(shù)的進(jìn)步和用戶的需求再進(jìn)行功能提升，目的是使電力系統(tǒng)運(yùn)維更便捷，運(yùn)行更可靠。