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(guó)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(guó)是蓄電池第一生產(chǎn)大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)和出口大國(guó)。中國(guó)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(lái)，在環(huán)保壓力下一些政策法規(guī)相繼實(shí)施，要求企業(yè)進(jìn)行清潔化生產(chǎn)，而且一直以來(lái)存在的產(chǎn)能過(guò)剩、低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)、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(chǎng)環(huán)境也愈發(fā)嚴(yán)苛起來(lái)[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(jiān)實(shí)后盾。日常站用電來(lái)自站用變的輸入，經(jīng)各級(jí)差供給各個(gè)裝置，但是一旦發(fā)生緊急停電或者電網(wǎng)大波動(dòng)時(shí)，蓄電池可以給整個(gè)電站有效的支撐與補(bǔ)給，使檢修人員足夠的時(shí)間檢修恢復(fù)供電[3]。

為了保障大電網(wǎng)有序供電，要對(duì)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(fèi)。尤其是，現(xiàn)在的帶負(fù)荷放電仍未解決資源浪費(fèi)問(wèn)題。本文中，筆者通過(guò)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(jiàn)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(dòng)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(jiǎn)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(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程控制的智能系統(tǒng)。其獨(dú)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(dòng)核算蓄電池容量情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并報(bào)警[6]。各個(gè)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(guò)將放電電流消耗在電阻上以熱量的形式釋放出來(lái)，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(jiǎn)單、有效，但是相比起來(lái)，蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)系統(tǒng)解決了現(xiàn)場(chǎng)放電時(shí)局部溫度過(guò)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(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，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(kāi)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(kāi)關(guān)的裝置，基本上用作微開(kāi)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(guò)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(shí)，晶閘管就會(huì)導(dǎo)通，否則就不會(huì)導(dǎo)通，即柵極（門極）和源極的電壓差控制輸入電流。同時(shí)，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(méi)辦法放大信號(hào)）。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(shí)，D 和 S 之間不會(huì)有電流，晶閘管不會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)VGS＞VTN且VDS＜(VGS-VTN) 時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，處于變阻狀態(tài)，通過(guò) D、S 的電流ID與(VGS-VTN)、VDS有關(guān)；當(dāng)VGS＞VTN且VDS≥(VGSVTN) 時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，處于飽和狀態(tài)，通過(guò) 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(gè)通斷模塊，起著軟開(kāi)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(wú)電氣聯(lián)系，不共地，沒(méi)有干擾（參見(jiàn)圖2）。下面就用 MATLAB 構(gòu)建雙向隔離 DCDC 開(kāi)環(huán)模型，如圖3 所示以從左到右為例來(lái)模擬零點(diǎn)壓開(kāi)通的情況[10]。如圖4 所示，建立一個(gè)離散系統(tǒng)環(huán)境。整體的采樣時(shí)間取 2×10-8s。通過(guò)將兩個(gè) MOS 管串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)單向的開(kāi)關(guān)。將這個(gè)結(jié)構(gòu)倒置后與倒置前的結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)雙向通道，當(dāng)一段母線無(wú)電壓時(shí)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(duì)所用 8 個(gè) 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(gè)重復(fù)序列，用來(lái)和常數(shù)疊加。設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為 50 kHz，則周期時(shí)間T是開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù)，為 1/50 kHz，在波形圖上取 3 個(gè)點(diǎn)，作為起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)，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(gè)關(guān)系運(yùn)算符（如符號(hào)＞）來(lái)形成一個(gè)矩形方波[11]。接下來(lái)是移相，給電感足夠的反饋時(shí)間，具體設(shè)置見(jiàn)圖8。圖9 顯示的是移相前后的圖像。通過(guò)反向?qū)妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)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(cè)量電流而安裝）。由于原件本身具有延時(shí)，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(lái)具體講解一個(gè)周期的波形變化（參見(jiàn)圖11）：

圖10 整體錄波圖

圖11 局部錄波圖

（1）在 h0～h1時(shí)段，US1、US6大于 0，即其對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通，但是電感中流過(guò)的電流不能突變?？紤]到晶閘管反并聯(lián)了一個(gè)二極管，實(shí)質(zhì)是二極管起到了續(xù)流作用，所以流過(guò)電感的電流為負(fù)值。輸出端的晶閘管也沒(méi)有真正導(dǎo)通，即無(wú)電壓和電流，所以實(shí)現(xiàn)了無(wú)電壓導(dǎo)通。這時(shí)候Ui＞0，Uo＜0，uL＞0。電感電流則是從一個(gè)負(fù)值開(kāi)始增加，直至在其中的某一時(shí)刻達(dá)到 0 A。

（2）在 h1～h2時(shí)段，晶閘管的導(dǎo)通信號(hào)不變，且電感電流為正值，所以US1、US6對(duì)應(yīng)的晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通。這時(shí)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(shí)段，US1、US5大于零，即其對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US6對(duì)應(yīng)的晶閘管開(kāi)始關(guān)斷。但是，電感中流過(guò)的電流不能突變，所以US5對(duì)應(yīng)晶閘管反并聯(lián)二極管導(dǎo)通了。這時(shí)候Ui＞0，Uo＞0，uL＞0。電感電流開(kāi)始逐漸減小，直至一個(gè)極值。

（4）在 h3～h4時(shí)段，US2、US5大于 0，即其對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US1對(duì)應(yīng)的晶閘管開(kāi)始關(guān)斷。但是，電感中流過(guò)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(shí)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(shí)刻下降至 0 A。

（5）在 h4～h5時(shí)段，晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)不變，電感電流開(kāi)始由零變?yōu)樨?fù)值，US2、US5對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通。這時(shí)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(shí)段，US2、US6大于 0，即其對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。US5對(duì)應(yīng)的晶閘管開(kāi)始關(guān)斷，而US2對(duì)應(yīng)的晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。US6對(duì)應(yīng)晶閘管電感中流過(guò)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(shí)，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(dòng)地將放電記錄通過(guò) U 盤導(dǎo)出，并且為了穩(wěn)定裝置的容錯(cuò)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(shí)記錄相關(guān)異常問(wèn)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(lái)的問(wèn)題）。

蓄電池在放電過(guò)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(shí)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(jì)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(hào)過(guò)程處理和控制技術(shù)、高頻軟開(kāi)關(guān)采集技術(shù)[15]，具有效率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。逆變器直流輸入與交流輸出可實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離，滿足國(guó)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(dú)立 LCD 顯示。正常運(yùn)行時(shí)逆變模塊處于一個(gè)熱備用狀態(tài)，自動(dòng)檢測(cè)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(cè)到的交流參數(shù)，自動(dòng)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(dú)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(guò)輸入 EMI 濾波器后，通過(guò)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(guò)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(shí)相當(dāng)于一個(gè)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(gè)模塊的故障排查、鎖相、聲光報(bào)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(shí)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(dòng)的影響，逆變裝置就不再輸出交流電，模塊也自動(dòng)停止回饋。因此，采用該逆變模塊降低了電網(wǎng)再波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，滿足一體化電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)常閉的電操，K2、K3、K5、K6 為常開(kāi)直流接觸器。空氣開(kāi)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(shí)，只有蓄電池組的充電回路正在運(yùn)行。同時(shí)，放電負(fù)載回路由于 K2、K3、K5、K6 為常開(kāi)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(shí)，放電控制裝置將控制K1 斷開(kāi)，而 K2、K3 閉合。蓄電池組放電時(shí)，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(wú)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(shí)，由逆變模塊組進(jìn)行 0.1C電流放電至站內(nèi)電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)在線放電時(shí)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(chǎng)實(shí)際情況，制定了圖14所示改造方案。實(shí)施過(guò)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(cè)量核對(duì)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(guò)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(tái)告警信號(hào)，部署蓄電池遠(yuǎn)程維護(hù)管理平臺(tái)。

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(qǐng)對(duì)應(yīng)區(qū)網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)，申請(qǐng) 3 個(gè) IP地址。其中 2 個(gè) IP 地址用于在線放電屏，另 1 個(gè)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(tái)網(wǎng)口和后臺(tái)服務(wù)器電腦接入同一網(wǎng)區(qū)交換機(jī)。通過(guò)遠(yuǎn)程控制維護(hù)管理平臺(tái)控制蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程蓄電池核對(duì)性試驗(yàn)（參見(jiàn)圖15）。在蓄電池核對(duì)性試驗(yàn)過(guò)程中，需核對(duì)監(jiān)測(cè)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 24 h 以上。若無(wú)異常，則調(diào)試、試驗(yàn)結(jié)束[22]。

圖15 110 kV 變電站監(jiān)控后臺(tái)畫面

6 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)控的關(guān)鍵因素，對(duì)于數(shù)量龐大或人員緊缺來(lái)說(shuō)，是一個(gè)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(dòng)調(diào)控、危機(jī)缺陷上報(bào)為一體，在綜合主站監(jiān)控、安排運(yùn)維、對(duì)點(diǎn)消缺上有卓越的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)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(shí)施的工作是站內(nèi)入網(wǎng)，實(shí)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(shí)間，以及提高主電網(wǎng)后背能源的可靠性。