基于直流系統(tǒng)的蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用

王有強(qiáng)，豆紅于，王龍龍，沈涵玉，侯毅俠，買爾旦·居熱提，張立

（國網(wǎng)新疆電力有限公司吐魯番供電公司，新疆維吾爾自治區(qū) 吐魯番 838000）

0 引言

中國是蓄電池第一生產(chǎn)大國、消費大國和出口大國。中國蓄電池的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/3——這是該行業(yè)留給大眾最普遍的印象[1]。近年來，在環(huán)保壓力下一些政策法規(guī)相繼實施，要求企業(yè)進(jìn)行清潔化生產(chǎn)，而且一直以來存在的產(chǎn)能過剩、低價競爭、高端產(chǎn)品不足、高端人才匱乏、用工緊張的行業(yè)環(huán)境并未得到有力改善，因此蓄電池企業(yè)面臨的政策環(huán)境和市場環(huán)境也愈發(fā)嚴(yán)苛起來[2]。

蓄電池作為站端事故的重要支撐能源之一，是電網(wǎng)運(yùn)行的堅實后盾。日常站用電來自站用變的輸入，經(jīng)各級差供給各個裝置，但是一旦發(fā)生緊急停電或者電網(wǎng)大波動時，蓄電池可以給整個電站有效的支撐與補(bǔ)給，使檢修人員足夠的時間檢修恢復(fù)供電[3]。

為了保障大電網(wǎng)有序供電，要對蓄電池進(jìn)行日常維護(hù)工作。但是，傳統(tǒng)的人工巡檢、人工放電導(dǎo)致維護(hù)任務(wù)繁重以及放電回路電能的浪費。尤其是，現(xiàn)在的帶負(fù)荷放電仍未解決資源浪費問題。本文中，筆者通過已有的理論結(jié)構(gòu)推演，構(gòu)建了蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)[4]。

1 改造前直流系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

220 kV 交河變電站是最早的一批改造智能變電站。當(dāng)初的直流系統(tǒng)構(gòu)架以單母線分段為基礎(chǔ)骨架，參見圖1。正常情況下，三路雙交流經(jīng)切換分別連至三組逆變模塊，給負(fù)荷供電。每一路都有直流監(jiān)控裝置。一旦發(fā)生失電，由兩組蓄電池進(jìn)行緊急供電?，F(xiàn)在，由于要增設(shè)遠(yuǎn)程充放電功能，最初構(gòu)想在中間一路雙交流進(jìn)行整改，以避免電網(wǎng)再改造期間的波動性，保證電能質(zhì)量在規(guī)定范圍以內(nèi)[5]。

圖1 傳統(tǒng)直流系統(tǒng)原理框圖

2 蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)介紹及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)簡介

蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)是一種新型的用于電站蓄電池的實時在線遠(yuǎn)程控制的智能系統(tǒng)。其獨特的功能有蓄電池監(jiān)控遠(yuǎn)程放電、在線式內(nèi)阻和溫度等數(shù)據(jù)的采集，自動核算蓄電池容量情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并報警[6]。各個發(fā)電廠、變電站以及換流站直流系統(tǒng)所采用的電池的標(biāo)稱容量在 100～1 000 Ah。傳統(tǒng)的電池維護(hù)方式下所采用的放電儀比較笨重，而且采用的是電阻式放熱法。電阻式放熱法是通過將放電電流消耗在電阻上以熱量的形式釋放出來，然后利用裝置內(nèi)的風(fēng)機(jī)排出熱量的方法。雖然電阻式放熱法簡單、有效，但是相比起來，蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)解決了現(xiàn)場放電時局部溫度過高造成的消防隱患，并且減少了阻值受溫度的影響，避免了放電電流不穩(wěn)，而且放電裝置就地化很明顯地減少了勞動強(qiáng)度。同時，該系統(tǒng)采用的是逆變式放電方式，能夠?qū)?90 % 的能源循環(huán)利用，把直流逆變成交流輸送給電網(wǎng)，提高了能源的利用效率，補(bǔ)償回饋電網(wǎng)[7]。

2.2 隔離式雙向 DC/DC 模塊（智能母聯(lián)）基本原理

2.2.1 MOSFET 晶閘管及軟開關(guān)

MOSFET 晶閘管和普通的三極管不一樣之處是它不是由電流控制電流。MOSFET 晶閘管是用電壓的微小變化控制開關(guān)的裝置，基本上用作微開關(guān)，降低功率和保護(hù)電器[8]。它就像是管道系統(tǒng)的閥門一樣，只不過受控制的不是水流而是電流。其結(jié)構(gòu)包含柵極（門極）G、源極 S 和漏極 D。當(dāng)柵極（門極）達(dá)到觸發(fā)導(dǎo)通電壓時，晶閘管就會導(dǎo)通，否則就不會導(dǎo)通，即柵極（門極）和源極的電壓差控制輸入電流。同時，它有 3 種工作狀態(tài)，分別是截止、變阻和飽和（與普通三極管不同。普通三極管達(dá)到飽和之后沒辦法放大信號）。在日常應(yīng)用中，一般希望它達(dá)到飽和狀態(tài)。如果用VTN表示導(dǎo)通電壓，用VGS表示柵極和源極之間的電壓，用VDS表示柵極和漏極之間的電壓，那么：當(dāng)VGS≤VTN時，D 和 S 之間不會有電流，晶閘管不會導(dǎo)通；當(dāng)VGS＞VTN且VDS＜(VGS-VTN) 時，晶閘管導(dǎo)通，處于變阻狀態(tài)，通過 D、S 的電流ID與(VGS-VTN)、VDS有關(guān)；當(dāng)VGS＞VTN且VDS≥(VGSVTN) 時，晶閘管導(dǎo)通，處于飽和狀態(tài)，通過 D、S的電流ID與 (VGS-VTN) 有關(guān)[9]。由于 MOSFET 晶閘管具有以上特性，可以將其作為電路中的一個通斷模塊，起著軟開關(guān)的作用。

2.2.2 DC-DC 變換器

以全橋隔離式 DC-DC 變換器為例，最直接的是兩側(cè)電路無電氣聯(lián)系，不共地，沒有干擾（參見圖2）。下面就用 MATLAB 構(gòu)建雙向隔離 DCDC 開環(huán)模型，如圖3 所示以從左到右為例來模擬零點壓開通的情況[10]。如圖4 所示，建立一個離散系統(tǒng)環(huán)境。整體的采樣時間取 2×10-8s。通過將兩個 MOS 管串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成一個單向的開關(guān)。將這個結(jié)構(gòu)倒置后與倒置前的結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成一個雙向通道，當(dāng)一段母線無電壓時就能導(dǎo)通輸出電壓。

圖2 全橋隔離 DC-DC 變換器

圖3 隔離雙向 DC-DC 圖

圖4 powergui 參數(shù)圖

首先對所用 8 個 MOSFET 管參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。MOSFET 管的電阻為 0.1 Ω。內(nèi)部二極管電阻為0.01 Ω。緩沖電阻為 1×105Ω。門極觸發(fā)電壓具體設(shè)置如圖5 所示。如圖6 所示，設(shè)置一個重復(fù)序列，用來和常數(shù)疊加。設(shè)開關(guān)頻率為 50 kHz，則周期時間T是開關(guān)頻率的倒數(shù)，為 1/50 kHz，在波形圖上取 3 個點，作為起點、中點和終點，并設(shè)置其值分別為 0、3、0。

圖5 MOSFET 參數(shù)圖

圖6 重復(fù)序列參數(shù)圖

按圖7 所示那樣，另外加一個關(guān)系運(yùn)算符（如符號＞）來形成一個矩形方波[11]。接下來是移相，給電感足夠的反饋時間，具體設(shè)置見圖8。圖9 顯示的是移相前后的圖像。通過反向?qū)妷簛韺崿F(xiàn)軟開關(guān)的雙向?qū)?。?dǎo)通電壓大于 1.4 V 的設(shè)置運(yùn)算邏輯值為 0，導(dǎo)通電壓小于 1.4 V 的設(shè)置為1。這樣就產(chǎn)生了其中一組 MOSFET 管正向門極觸發(fā)電壓波形，而反向波形則是由正向波形倒置而成。

圖7 關(guān)系運(yùn)算符參數(shù)圖

圖8 移相參數(shù)圖

圖9 示波器顯示圖

如圖10，從左到右，從上到下依次是門極導(dǎo)通電壓US1、極導(dǎo)通電壓US2、極導(dǎo)通電壓US5、極導(dǎo)通電壓US6、正向晶閘管輸入電壓Ui、正向晶閘管輸出電壓Uo、輸入電感電流iL、輸入電感電壓uL（此電感是為測量電流而安裝）。由于原件本身具有延時，在 0.001 67 s 之前的波形不夠平穩(wěn)，所以采取其后平穩(wěn)段波形來具體講解一個周期的波形變化（參見圖11）：

圖10 整體錄波圖

圖11 局部錄波圖

（1）在 h0～h1時段，US1、US6大于 0，即其對應(yīng)的 4 個晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通，但是電感中流過的電流不能突變?？紤]到晶閘管反并聯(lián)了一個二極管，實質(zhì)是二極管起到了續(xù)流作用，所以流過電感的電流為負(fù)值。輸出端的晶閘管也沒有真正導(dǎo)通，即無電壓和電流，所以實現(xiàn)了無電壓導(dǎo)通。這時候Ui＞0，Uo＜0，uL＞0。電感電流則是從一個負(fù)值開始增加，直至在其中的某一時刻達(dá)到 0 A。

（2）在 h1～h2時段，晶閘管的導(dǎo)通信號不變，且電感電流為正值，所以US1、US6對應(yīng)的晶閘管開始導(dǎo)通。這時候Ui＞0，Uo＜0，uL＞0。電感電流保持遞增速率不變，一直增加至最大值。

（3）在 h2～h3時段，US1、US5大于零，即其對應(yīng)的 4 個晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US6對應(yīng)的晶閘管開始關(guān)斷。但是，電感中流過的電流不能突變，所以US5對應(yīng)晶閘管反并聯(lián)二極管導(dǎo)通了。這時候Ui＞0，Uo＞0，uL＞0。電感電流開始逐漸減小，直至一個極值。

（4）在 h3～h4時段，US2、US5大于 0，即其對應(yīng)的 4 個晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US1對應(yīng)的晶閘管開始關(guān)斷。但是，電感中流過的電流不能突變，所以還是反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通了。這時候Ui＜0，Uo＞0，uL＜0。電感電流下降的速率逐漸增加，直到某一時刻下降至 0 A。

（5）在 h4～h5時段，晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)不變，電感電流開始由零變?yōu)樨?fù)值，US2、US5對應(yīng)的 4 個晶閘管開始導(dǎo)通。這時候Ui＜0，Uo＞0，uL＜0。電感電流減速不變，所以電流值繼續(xù)減小。

（6）在 h5～h6時段，US2、US6大于 0，即其對應(yīng)的 4 個晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US5對應(yīng)的晶閘管開始關(guān)斷，而US2對應(yīng)的晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。US6對應(yīng)晶閘管電感中流過的電流不能突變，導(dǎo)致其二極管導(dǎo)通續(xù)流。

可以根據(jù)現(xiàn)實，按照上述原理將以上所謂的隔離式雙向 DC/DC 模塊優(yōu)化，保持輸入輸出電壓極性不變，只改變電流方向。這樣得到的雙向直直變換器是一種高效的電源轉(zhuǎn)換裝置[12]。

2.3 QKF-01 放電控制裝置

QKF-01 放電控制裝置采取的是在線式放電技術(shù)，可以減輕工作記錄的必要性，自動地將放電記錄通過 U 盤導(dǎo)出，并且為了穩(wěn)定裝置的容錯率，默認(rèn)裝置在任何異常情況下都能準(zhǔn)確停止放電，能夠及時記錄相關(guān)異常問題[13]（包括蓄電池電壓低于充電機(jī)，以及一些裝置參數(shù)設(shè)置異常所帶來的問題）。

蓄電池在放電過程中已鎖死放電電流，保持放電電流均衡，只能有一組蓄電池放電，同時監(jiān)控逆變模塊的狀態(tài)是否良好，保證了電網(wǎng)事故供電的可靠性，具體設(shè)計如圖12、13 所示[14]。

圖12 逆變器工作原理框圖

2.4 逆變模塊

逆變模塊采用數(shù)字信號過程處理和控制技術(shù)、高頻軟開關(guān)采集技術(shù)[15]，具有效率高、可靠性高的優(yōu)點。逆變器直流輸入與交流輸出可實現(xiàn)完全電氣隔離，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。逆變器內(nèi)置 CPU，自帶獨立 LCD 顯示。正常運(yùn)行時逆變模塊處于一個熱備用狀態(tài)，自動檢測交流系統(tǒng)電壓、相位、頻率。當(dāng)接收到放電指令后，根據(jù)檢測到的交流參數(shù)，自動匹配逆變交流電壓輸出。交流輸出電壓比系統(tǒng)電壓略高 1～2 V，便于優(yōu)先消耗蓄電池的放電電能。單獨的模塊并不能將大的直流有效逆變[16]，所以采取的是逆變模塊組的形式。工作原理框圖如圖12 所示，電網(wǎng)位置如圖13 所示。放電后輸入直流先經(jīng)過輸入 EMI 濾波器后，通過LLC 全橋諧振變換器，隔離輸出 760 V 左右直流電（± 380 V DC），再通過半橋逆變電路，將 760 V直流電轉(zhuǎn)換為與交流旁路同頻同相和同幅電壓的電流。并網(wǎng)逆變器工作時相當(dāng)于一個交流電流源，按照設(shè)定的功率（電流）將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量回饋到電網(wǎng)中[17-18]。

圖13 遠(yuǎn)程充放電原理框圖

目前，該模塊采用的是全數(shù)字化控制 TI 的DSP 控制器，將整個模塊的故障排查、鎖相、聲光報警集于一體，有很好的抗干擾性和一致性，將整體的效率提高 90 %。另外，逆變裝置的交直流回路完全實現(xiàn)電氣隔離，避免了相互干擾。而且，由于采用的控制算法比較先進(jìn)，一旦受到電網(wǎng)嚴(yán)重波動的影響，逆變裝置就不再輸出交流電，模塊也自動停止回饋。因此，采用該逆變模塊降低了電網(wǎng)再波動的風(fēng)險，滿足一體化電源系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3 遠(yuǎn)程充放電功能的基本原理

如圖13 所示，Q1、Q2 為單向?qū)ǘO管，K1、K4 為兩個常閉的電操，K2、K3、K5、K6 為常開直流接觸器?？諝忾_關(guān) 1、2、3、4 處于閉合狀態(tài)，充電機(jī)與蓄電池組并聯(lián)[19]。正常運(yùn)行時，只有蓄電池組的充電回路正在運(yùn)行。同時，放電負(fù)載回路由于 K2、K3、K5、K6 為常開已被切斷，使系統(tǒng)在浮充狀態(tài)下能安全運(yùn)行。

需要 1 組蓄電池放電時，放電控制裝置將控制K1 斷開，而 K2、K3 閉合。蓄電池組放電時，利用二極管（Q1）的反向截止特性阻止充電機(jī)的充電電流流向蓄電池組，使充電機(jī)無法向蓄電池組進(jìn)行充電，也不能讓放電負(fù)載進(jìn)行放電。逆變裝置將放電電流下發(fā)至逆變模塊組。此時，由逆變模塊組進(jìn)行 0.1C電流放電至站內(nèi)電網(wǎng)，以實現(xiàn)在線放電時不需要脫離母線也能達(dá)到放電效果[20]。

4 遠(yuǎn)程核放電的工程應(yīng)用

結(jié)合理論推演，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制定了圖14所示改造方案。實施過程包括：⑴ 安裝及固定蓄電池在線放電屏；⑵ 敷設(shè)電纜；⑶ 安裝 I 段直流系統(tǒng)設(shè)備，做安全措施（母聯(lián)操作，合上聯(lián)絡(luò)斷路器，退第 1 組蓄電池）；⑷ 測量核對蓄電池組電壓，確保蓄電池已退出直流系統(tǒng)；⑸ 接入放電屏 I 段母線；⑹ 令兩段直流系統(tǒng)退出母聯(lián)，恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)；⑺ 安裝 II 段直流系統(tǒng)設(shè)備，方法同 I 段直流系統(tǒng)設(shè)備安裝過程；⑻ 恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)；⑼ 接入逆變交流電源；⑽ 調(diào)試站端設(shè)備整體；⑾ 最后，接入整體通信后臺告警信號，部署蓄電池遠(yuǎn)程維護(hù)管理平臺。

圖14 110 kV 改造方案部分原理圖

5 遠(yuǎn)程核放電通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

向主站申請對應(yīng)區(qū)網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)，申請 3 個 IP地址。其中 2 個 IP 地址用于在線放電屏，另 1 個IP 地址用于服務(wù)器電腦。修改接入設(shè)備的 IP 地址[21]。將在線放電屏后臺網(wǎng)口和后臺服務(wù)器電腦接入同一網(wǎng)區(qū)交換機(jī)。通過遠(yuǎn)程控制維護(hù)管理平臺控制蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程蓄電池核對性試驗（參見圖15）。在蓄電池核對性試驗過程中，需核對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及通信穩(wěn)定性，保證蓄電池遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求后，將系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 24 h 以上。若無異常，則調(diào)試、試驗結(jié)束[22]。

圖15 110 kV 變電站監(jiān)控后臺畫面

6 結(jié)束語

現(xiàn)行蓄電池放電技術(shù)中遠(yuǎn)程放電功能是智慧化變電站發(fā)展的先導(dǎo)，而在線遠(yuǎn)程監(jiān)控是確保電網(wǎng)智慧運(yùn)行，不間斷測控的關(guān)鍵因素，對于數(shù)量龐大或人員緊缺來說，是一個良好的釋壓渠道。蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)集遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動調(diào)控、危機(jī)缺陷上報為一體，在綜合主站監(jiān)控、安排運(yùn)維、對點消缺上有卓越的優(yōu)點。如果采用蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)，那么每年例行的蓄電池放電計劃就可以適當(dāng)集中縮減，也就減少了維護(hù)量和管控成本。

目前站端控制可調(diào)，下一步要實施的工作是站內(nèi)入網(wǎng)，實現(xiàn)省內(nèi)監(jiān)控，優(yōu)化全網(wǎng)監(jiān)控主結(jié)構(gòu)，縮減檢修人員的時間，以及提高主電網(wǎng)后背能源的可靠性。