一種變電站用蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)的新技術(shù)研究

張雨星，王夢(mèng)齊，王朕偉，徐劍鋒

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，哈爾濱 150070；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司興凱湖供電分公司，黑龍江 雞西 158300)

0 引 言

在變電站中，蓄電池組作為儲(chǔ)能設(shè)備是電力設(shè)備的備用電源，也是變電站中的最后一道防線。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池與充電機(jī)并聯(lián)在直流母線上，處于浮充電的狀態(tài)，在直流負(fù)載瞬時(shí)增大時(shí)，蓄電池可以無(wú)延時(shí)地提供較大的負(fù)載電流。當(dāng)變電站失電時(shí)，蓄電池可為控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等重要的設(shè)備供電，保障其可靠動(dòng)作[1]。由此可見(jiàn)，蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)保障電網(wǎng)安全有著重要意義。對(duì)于蓄電池的維護(hù)任務(wù)，最重要的就是對(duì)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、容量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)性能受損的蓄電池對(duì)其更換，維持蓄電池組的良好工作狀態(tài)。

因此，該文提出一種對(duì)蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和核對(duì)性充放電的維護(hù)方案，對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 變電站內(nèi)蓄電池維護(hù)現(xiàn)狀

目前，蓄電池的維護(hù)主要依靠變電運(yùn)維人員到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的蓄電池檢測(cè)方法主要有以下幾種。

1.1 核對(duì)性放電

進(jìn)行核對(duì)性放電時(shí)，須將蓄電池組脫離供電系統(tǒng)接到負(fù)載兩端，以規(guī)定的電流對(duì)其恒流放電，使蓄電池電壓降到一定值(通常為1.8 V)以下再停止放電[2]。通過(guò)放電時(shí)間可計(jì)算得到電池的容量，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可反應(yīng)大多數(shù)電池組存在的問(wèn)題[3]。但是，在此種方式下僅能給出測(cè)試時(shí)的蓄電池狀態(tài)，無(wú)法得到運(yùn)行時(shí)的性能，并且核對(duì)性充放電所需時(shí)間長(zhǎng)，成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在人力有限時(shí)難以有效開(kāi)展，且對(duì)于有兩組及以上蓄電池的變電站，核對(duì)性充放電工作較為復(fù)雜，如操作不慎，可能會(huì)影響變電站的安全運(yùn)行。

1.2 電壓測(cè)量

該方法是由運(yùn)維人員直接到現(xiàn)場(chǎng)用萬(wàn)用表測(cè)量每節(jié)蓄電池的端電壓，其可行性高，但操作較為繁瑣。電壓測(cè)量能檢測(cè)出蓄電池的開(kāi)路和短路狀況，但是只能采集電壓，反映問(wèn)題不夠全面。如實(shí)際運(yùn)行中常出現(xiàn)蓄電池在浮充時(shí)電壓正常，但放電時(shí)電壓值迅速降低的情況，此方法僅能檢測(cè)出嚴(yán)重劣化的電池，無(wú)法系統(tǒng)全面地了解電池組的運(yùn)行狀態(tài)[4]。

1.3 內(nèi)阻測(cè)量

現(xiàn)階段常用的內(nèi)阻測(cè)量方案為運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)用內(nèi)阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，可以通過(guò)測(cè)得蓄電池內(nèi)阻的大小表征蓄電池狀態(tài)的優(yōu)劣[5]。但是，由于直流內(nèi)阻測(cè)試只能測(cè)到內(nèi)阻中的歐姆阻抗，無(wú)法測(cè)得極化阻抗，所以無(wú)法精確判斷蓄電池的性能好壞[6]，需要結(jié)合其他數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，才可及時(shí)預(yù)判電池組可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

目前常用的幾種檢測(cè)方法都需要運(yùn)維人員定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)。按照運(yùn)行規(guī)程要求，蓄電池普測(cè)須每月進(jìn)行一次，對(duì)于核對(duì)性充放電，新安裝的閥控蓄電池在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行全容量核對(duì)性充放電，之后每2～3 年應(yīng)進(jìn)行1次全容量核對(duì)性充放電，運(yùn)行6 年以上的閥控蓄電池，宜每年進(jìn)行1 次全容量核對(duì)性充放電。由于是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定期檢測(cè)，所以上述方法存在以下缺點(diǎn)。

1)需要運(yùn)維人員到所管轄的變電站現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，工作量大，耗費(fèi)人力和時(shí)間成本。

2)受傳統(tǒng)檢測(cè)器材精度限制，難以精確掌握蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。

3)周期檢測(cè)的空窗期不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，容易出現(xiàn)隱患。

4)由于某些型號(hào)蓄電池的制造工藝問(wèn)題，運(yùn)行中存在的故障早期不易發(fā)現(xiàn)[7]。

5)定期檢測(cè)得到的是離散數(shù)據(jù)，無(wú)法形成有效的評(píng)價(jià)體系。

因此，要提高運(yùn)維站的工作效率，有必要采用基于電力物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程充放電和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題

2 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)主要由負(fù)責(zé)單體電池?cái)?shù)據(jù)采集的單體檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)匯總的匯集模塊、和處理數(shù)據(jù)的主機(jī)部分組成。主機(jī)可在后臺(tái)機(jī)的指令下進(jìn)行核對(duì)性放電，并且可以將單節(jié)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送至后臺(tái)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的在線維護(hù)。

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

2.1.1 單體檢測(cè)模塊

單體檢測(cè)模塊是蓄電池組智能在線運(yùn)維的基礎(chǔ)。它的主要作用是對(duì)單節(jié)電池的內(nèi)阻、極柱溫度、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且指定周期內(nèi)對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)試。每節(jié)電池配置1個(gè)單體模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)獲取蓄電池組中每節(jié)電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。其體積為71 mm×55 mm×30 mm，可以方便地貼裝在蓄電池表面，通過(guò)8針端子連接電池檢測(cè)線纜，線纜再與電池極柱相連，從而實(shí)現(xiàn)單體模塊對(duì)電池的檢測(cè)。其示意圖如圖1所示。

圖1 單體檢測(cè)模塊

表1為單體檢測(cè)模塊主要測(cè)量項(xiàng)的量程。按照規(guī)程描述，單節(jié)蓄電池電壓在2.25 V左右，運(yùn)行溫度為5～35 ℃。常用蓄電池容量為300 A·h，內(nèi)阻為0.7 mΩ。根據(jù)上述條件，單體模塊量程滿足蓄電池檢測(cè)的需求。

表1 單體檢測(cè)模塊主要測(cè)量項(xiàng)的量程

2.1.2 匯集模塊

匯集模塊是單體檢測(cè)模塊和主機(jī)之間的橋梁。其主要作用為收集單體模塊的監(jiān)控和測(cè)試數(shù)據(jù)，定期啟動(dòng)單體模塊的內(nèi)阻測(cè)試，上傳數(shù)據(jù)給主機(jī)，接受主機(jī)的測(cè)試命令，每組蓄電池組配置1個(gè)匯集模塊。集模塊體積為260 mm×100 mm×30 mm，可固定在電池架上。其示意圖如圖2所示。

圖2 匯集模塊

表2為匯集模塊的主要參數(shù)。一般變電站用蓄電池組組端電壓約為234 V，每組蓄電池約為104節(jié)。因此，匯集模塊可以滿足監(jiān)測(cè)需求。

表2 匯集模塊的主要參數(shù)

2.1.3 主機(jī)部分

主機(jī)部分是整個(gè)系統(tǒng)的主要處理器。它的作用是實(shí)時(shí)上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并在測(cè)試結(jié)束后上傳完成運(yùn)維數(shù)據(jù)至后臺(tái)設(shè)備，還可以在后臺(tái)設(shè)備的平臺(tái)軟件中通過(guò)專網(wǎng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)或停止，對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電、單體內(nèi)阻等測(cè)試。主機(jī)配有顯示屏，也可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其操作。

進(jìn)行遠(yuǎn)程核對(duì)性放電時(shí)，主機(jī)遠(yuǎn)程接收后臺(tái)設(shè)備的指令，通過(guò)控制切換模塊來(lái)切換不同的開(kāi)關(guān)，使蓄電池對(duì)放電模塊的假負(fù)載放電。放電試驗(yàn)結(jié)束后，主機(jī)可自動(dòng)控制切換模塊來(lái)切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)充電模塊對(duì)蓄電池組充電。

2.1.4 通信與數(shù)據(jù)傳輸

各模塊之間的通信通過(guò)RS-485來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具有通信速率高、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8]。主機(jī)與后臺(tái)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)內(nèi)網(wǎng)，可有效防止黑客入侵，增加系統(tǒng)的安全性。

2.2 系統(tǒng)的功能

蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蓄電池組單體電壓、內(nèi)阻、極柱溫度、組端電壓、組端電流、蓄電池容量等參數(shù)的在線監(jiān)控及告警，使用戶能實(shí)時(shí)了解蓄電池的性能狀態(tài)。配備放電模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線蓄電池放電，測(cè)試維護(hù)人員無(wú)需到測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)即可啟動(dòng)蓄電池組放電容量測(cè)試。采用目前最先進(jìn)的全在線充放電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全在線放電測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中蓄電池組實(shí)時(shí)在線，市電異常時(shí)，被測(cè)蓄電池組可立即給實(shí)際負(fù)載供電，保障系統(tǒng)安全；測(cè)試結(jié)束后，可自動(dòng)將蓄電池組接回系統(tǒng)，并對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，平臺(tái)自動(dòng)記錄蓄電池的所有信息，并定制化報(bào)表，使運(yùn)維人員更全面地掌握蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，提高蓄電池組的工作壽命。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)充放電功能的原理圖如圖3所示。放電時(shí)，常閉接觸器K11、K12斷開(kāi)，常開(kāi)接觸器K2、K3閉合，將蓄電池組脫離系統(tǒng)，由放電模塊消耗蓄電池組的電量，通過(guò)功率模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)至設(shè)置的放電電流，進(jìn)行恒流放電。當(dāng)達(dá)到放電停止條件時(shí)，放電模塊停止工作，自動(dòng)切換為恒流充電，此時(shí)K2、K3保持閉合，K1、K4隨后閉合。限流充電模塊開(kāi)始工作，充電電流小于浮充電流且蓄電池組和電源壓差小于一定值時(shí)，結(jié)束充電，常開(kāi)接觸器K1～K4斷開(kāi)，常閉接觸器K11、K12閉合，蓄電池直接恢復(fù)在線狀態(tài)，由整流器直接給蓄電池浮充電。

圖3 充放電原理圖

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)現(xiàn)已裝設(shè)于中心變電站2號(hào)蓄電池組，并對(duì)其完成了初步測(cè)試。該蓄電池組型號(hào)為GMF2-500YR，電池?cái)?shù)量為105只。

3.1 硬件安裝

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖4所示。圖4(a)為設(shè)備的主機(jī)部分，其中包括主控、充電模塊、放電模塊和切換模塊。圖4(b)為單體檢測(cè)模塊，將其安裝到每節(jié)電池上監(jiān)測(cè)單節(jié)電池運(yùn)行狀況。系統(tǒng)的各個(gè)模塊都安裝在蓄電池室。

圖4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

3.2 蓄電池組在線監(jiān)測(cè)

如圖5所示為后臺(tái)設(shè)備上顯示的蓄電池組實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面。該界面可以實(shí)時(shí)反映每節(jié)蓄電池的組端電壓，并且可以通過(guò)綠色和紅色標(biāo)注出最高和最低值，便于運(yùn)維人員實(shí)時(shí)了解蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)?？稍O(shè)置高告警和低告警，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到報(bào)警線時(shí)發(fā)出告警，提醒運(yùn)維人員將運(yùn)行狀態(tài)差的電池及時(shí)退出，保障整個(gè)蓄電池組安全運(yùn)行。除了可以監(jiān)視電壓之外，還可以通過(guò)切換不同的窗口來(lái)查看每節(jié)蓄電池的內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)。

圖5 單體電壓數(shù)據(jù)圖

通過(guò)電路拓?fù)鋱D還可監(jiān)測(cè)蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)。如圖6所示為在線浮充狀態(tài)，此時(shí)蓄電池和整流器(充電機(jī))并聯(lián)在負(fù)載上，充電機(jī)在給蓄電池浮充電的同時(shí)，又向負(fù)載供電。其余設(shè)備未接入電路。

圖6 浮充電時(shí)電路拓?fù)鋱D

如圖7所示為蓄電池組放電狀態(tài)時(shí)電路拓?fù)鋱D。此時(shí)蓄電池未連接用電負(fù)載，通過(guò)放電模塊的假負(fù)載來(lái)放電，如圖中紫色流向所示。用電負(fù)載的電源由整流器單獨(dú)供給，如藍(lán)色流向所示。若整流器故障，蓄電池可通過(guò)續(xù)流二極管為用電負(fù)載供電。

圖7 放電狀態(tài)時(shí)電路拓?fù)鋱D

如圖8所示為充電狀態(tài)時(shí)電路拓?fù)鋱D。當(dāng)放電狀態(tài)停止后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)整流器通過(guò)充電單元的限流電阻對(duì)蓄電池恒流充電。充電完成后自動(dòng)恢復(fù)在線運(yùn)行狀態(tài)，即浮充電狀態(tài)。

圖8 充電狀態(tài)時(shí)電路拓?fù)鋱D

3.3 蓄電池組核容測(cè)試

如圖9所示為蓄電池組核對(duì)性放電測(cè)試的參數(shù)設(shè)置界面。在此界面上，可以按照蓄電池組的具體要求設(shè)置放電電流和時(shí)間等參數(shù)。在啟動(dòng)放電過(guò)程中，系統(tǒng)隨時(shí)判斷在線電壓情況?！霸诰€電壓低處理”設(shè)置為“停止”，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電源系統(tǒng)在線電壓過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)將停止放電測(cè)試；如果設(shè)置為“繼續(xù)”，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電源系統(tǒng)在線電壓過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)將繼續(xù)進(jìn)行放電測(cè)試。以上任一停止放電的條件滿足后，都會(huì)停止放電，并上報(bào)停止原因。啟動(dòng)核對(duì)性放電測(cè)試時(shí)，蓄電池拓?fù)鋱D顯示為放電狀態(tài)。

圖9 放電參數(shù)設(shè)置界面

4 在線監(jiān)測(cè)對(duì)變電站智能運(yùn)維的影響

功能性方面，可使運(yùn)維人員及時(shí)掌握蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比對(duì)蓄電池可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防。在大幅減少運(yùn)維人員工作量的同時(shí)，使運(yùn)維人員對(duì)蓄電池組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)更及時(shí)、精準(zhǔn)的掌握。而且由于報(bào)警系統(tǒng)的存在，使蓄電池組出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)被忽略。

推廣性方面，由于整套系統(tǒng)安裝較為方便，再加上電力物聯(lián)網(wǎng)的普及，可以在運(yùn)維站管轄的較大范圍內(nèi)的變電站安裝該套設(shè)備，使運(yùn)維人員可在運(yùn)維站后臺(tái)機(jī)上監(jiān)測(cè)所有管轄變電站電池組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)濟(jì)性方面，既減少了人力勞動(dòng)成本，又減少了往來(lái)各個(gè)變電站之間的用車成本，還節(jié)約了車程、人員操作和充放電時(shí)等待的時(shí)間。并且可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組的問(wèn)題，對(duì)隱患早做處理，避免擴(kuò)大損失，間接帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種變電站用蓄電池遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)運(yùn)維方式存在的缺陷。系統(tǒng)主要由采集單體電池?cái)?shù)據(jù)的單體監(jiān)測(cè)模塊、匯總傳輸電池組數(shù)據(jù)的匯集模塊和處理數(shù)據(jù)并與后臺(tái)通信的主機(jī)組成，可監(jiān)測(cè)蓄電池組的電壓、內(nèi)阻、溫度等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程核對(duì)性充放電。

在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以精準(zhǔn)、及時(shí)地向遠(yuǎn)方的后臺(tái)機(jī)傳輸蓄電池組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，生成可視化報(bào)表，對(duì)蓄電池異常告警。對(duì)公司節(jié)約成本，提升變電站智能運(yùn)維的工作效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重大意義。