鐵路變配電所蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置研究與應(yīng)用

邢 挺，范增盛，馬君梁，田豐虎，劉啟能，劉 苗

0 引言

鐵路變配電所直流電源由交流輸入、充電裝置、蓄電池組、監(jiān)控單元、絕緣監(jiān)測、降壓硅鏈（可選）、蓄電池巡檢單元（可選）及饋線網(wǎng)絡(luò)等組成，為站內(nèi)電力系統(tǒng)控制、保護(hù)、信號(hào)傳輸、操作等提供穩(wěn)定的電源。當(dāng)交流電網(wǎng)正常時(shí)，由交流電網(wǎng)通過充電裝置為直流負(fù)荷供電，同時(shí)對(duì)蓄電池組浮充電；當(dāng)交流電網(wǎng)故障時(shí)，由蓄電池組為直流負(fù)荷供電。

如圖1所示，直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是以蓄電池組安全可靠為基礎(chǔ)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地或相間短路等故障時(shí)，必然伴隨著交流輸入異常，導(dǎo)致充電裝置輸出中斷；如此時(shí)蓄電池組存在容量不足、開路等故障，將使直流母線失壓，無法及時(shí)切除故障，引起設(shè)備燒毀、鐵路供電系統(tǒng)停電等嚴(yán)重事故。據(jù)供電段直流電源設(shè)備運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，因蓄電池相關(guān)缺陷導(dǎo)致的直流電源故障約占站用直流電源故障的30%，且隨應(yīng)用海拔高度的增加，故障率呈升高趨勢。

圖1 鐵路變電所直流電源系統(tǒng)組成

1 蓄電池運(yùn)維的難點(diǎn)

為了確保站用直流電源的可靠運(yùn)行，DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》、TB/T 2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》等相關(guān)規(guī)程對(duì)蓄電池組核對(duì)性放電周期、均衡充電周期、內(nèi)阻測試周期等維護(hù)工作均提出了明確要求。在實(shí)際運(yùn)維過程中，由于電源點(diǎn)多、分布分散、人員不足且運(yùn)維自動(dòng)化程度較低等因素限制，各電源點(diǎn)普遍存在維護(hù)不及時(shí)、不到位等現(xiàn)象，給直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來極大安全隱患。經(jīng)調(diào)研，蓄電池運(yùn)維的主要難點(diǎn)如下。

（1）缺乏可靠的蓄電池健康狀態(tài)在線監(jiān)測手段，不能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池隱患。蓄電池健康狀態(tài)的分析判斷需基于蓄電池內(nèi)阻、端電壓、極柱溫度及歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)，一般情況下，單節(jié)蓄電池出現(xiàn)上述運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)，需要人工對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性充放電試驗(yàn)以確定該節(jié)蓄電池是否需要更換。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于蓄電池組長期處于浮充狀態(tài)，存在隱患的蓄電池往往表現(xiàn)出正常的內(nèi)阻及端電壓數(shù)據(jù)，而在應(yīng)急放電過程中則出現(xiàn)端電壓大幅跌落、內(nèi)阻突然增大的現(xiàn)象。

（2）不具備蓄電池自動(dòng)在線核容功能，人工離線操作耗時(shí)長、成本高。對(duì)于長期浮充電運(yùn)行的蓄電池，尚無有效的方法判斷其現(xiàn)有容量、內(nèi)部是否失水或干裂。只有對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，才能正確評(píng)估蓄電池實(shí)際容量，發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，對(duì)于新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全容量核對(duì)性放電試驗(yàn)，以后每2年至少進(jìn)行1次核對(duì)性試驗(yàn)；對(duì)于運(yùn)行4年以后的閥控蓄電池，應(yīng)每年進(jìn)行1次容量核對(duì)性放電試驗(yàn)[1]。實(shí)際運(yùn)行中，蓄電池核容普遍采用人工、離線方式進(jìn)行，操作繁瑣、耗時(shí)長（核容放電電流為0.1C10，C10為10 h放電電流），放電時(shí)間10 h，至截止電壓后蓄電池充滿需10 h以上，一次核容需耗時(shí)20 h以上，且過程需定期記錄蓄電池組及各單體蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)）。對(duì)于單電單充的直流系統(tǒng)，核容時(shí)需在直流母線接入備用蓄電池組，進(jìn)一步增加了蓄電池定期核容的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

（3）缺乏蓄電池主動(dòng)均衡技術(shù)，組內(nèi)單體普遍存在過充過放現(xiàn)象。由于蓄電池原材料和生產(chǎn)工藝的偏差，不可避免地存在單體差異，且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，單體不一致性將逐步加大。蓄電池整組充電時(shí)，容量小的電池容易產(chǎn)生過充；放電時(shí)，容量小的電池又容易產(chǎn)生過放，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致個(gè)別蓄電池性能過早劣化，影響蓄電池整組容量及使用壽命。

（4）單只蓄電池失效影響整組輸出性能?，F(xiàn)有直流電源均采用串行連接的蓄電池組，任一單體電池故障或失效將影響整組輸出性能，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流母線失壓（蓄電池串聯(lián)數(shù)量越多，單體故障概率越高）。

基于上述問題，開發(fā)一種高效、智能的蓄電池監(jiān)護(hù)技術(shù)，在不改變?cè)绷麟娫聪到y(tǒng)接線方式及運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，解決蓄電池自動(dòng)在線核容、主動(dòng)均衡、脈沖去硫及隱患預(yù)警等問題，對(duì)降低蓄電池運(yùn)維成本、提升鐵路安全運(yùn)行水平具有重要意義。

2 蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置設(shè)計(jì)

蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置除具有常規(guī)蓄電池巡檢儀、蓄電池在線監(jiān)測裝置的功能外，重點(diǎn)研發(fā)以DC/DC雙向變換電路及其控制軟件為核心的充放電管理單元，以蓄電池通過中心抽頭分成的若干個(gè)小的蓄電池組為單位，實(shí)現(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動(dòng)化在線核容、主動(dòng)均衡等自維護(hù)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示，以DC 220 V直流系統(tǒng)為例，蓄電池組由18節(jié)12 V鉛酸蓄電池組成。

圖2 蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置原理

2.1 蓄電池運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)通過為每節(jié)12 V鉛酸蓄電池配置1個(gè)采集模塊，實(shí)時(shí)采集該節(jié)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，包括端電壓、內(nèi)阻、正負(fù)極柱溫度等，經(jīng)智能監(jiān)護(hù)主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向及縱向比對(duì)。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)狀態(tài)異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出告警并根據(jù)程序設(shè)定自動(dòng)進(jìn)入該節(jié)蓄電池的核容程序，對(duì)異常蓄電池進(jìn)行進(jìn)一步的性能測試，確保及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池運(yùn)行隱患。

2.2 蓄電池自動(dòng)在線核容設(shè)計(jì)

蓄電池自動(dòng)在線核容采用分組核容方式，通過控制DC/DC雙向變換電路，依次對(duì)18個(gè)蓄電池分組按順序進(jìn)行核對(duì)性充放電試驗(yàn)，放電能量經(jīng)智能監(jiān)護(hù)主機(jī)饋入直流母線由負(fù)載消耗，如圖3所示。該過程采用一鍵順控方式進(jìn)行，任一時(shí)刻僅允許對(duì)單一蓄電池分組進(jìn)行核容操作，保證核容過程蓄電池容量不低于整組額定容量的17/18，以確保系統(tǒng)的供電可靠性。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)3種核容啟動(dòng)方式：按設(shè)定的蓄電池核容周期自動(dòng)啟動(dòng)（周期按照蓄電池運(yùn)行年限依規(guī)程進(jìn)行設(shè)定）、根據(jù)觸發(fā)條件自動(dòng)啟動(dòng)（如蓄電池內(nèi)阻超限、端電壓超限等）和手動(dòng)啟動(dòng)蓄電池分組核容。

圖3 蓄電池自動(dòng)在線核容設(shè)計(jì)原理

進(jìn)入核容程序后，系統(tǒng)通過主機(jī)控制將DC/DC雙向變換電路母線側(cè)輸出電壓調(diào)高，以維持該蓄電池分組以0.1C10恒流放電，至截止電壓10.8 V后停止放電并計(jì)算放電容量[2]。以單節(jié)蓄電池浮充電壓13.5 V計(jì)算，單組蓄電池放電至截止電壓時(shí)，蓄電池組總電壓為(13.5×17 + 10.8) V =240.3 V，符合相關(guān)規(guī)程要求。蓄電池放電截止后即轉(zhuǎn)入0.1C10恒定電流充電程序，并按設(shè)定依次對(duì)該蓄電池分組進(jìn)行恒流恒壓浮充充電，其中恒壓充電轉(zhuǎn)浮充充電默認(rèn)按達(dá)到設(shè)定電流值后延時(shí)3 h設(shè)計(jì)。

為避免蓄電池分組核容時(shí)產(chǎn)生環(huán)流影響測試精度，在蓄電池組與直流母線間串入隔離開關(guān)及防反二極管。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入核容程序時(shí)，由智能監(jiān)護(hù)主機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)分閘斷開蓄電池組充電回路，以消除環(huán)流影響；當(dāng)出現(xiàn)交流失電時(shí)，蓄電池組經(jīng)防反二極管無縫接入直流母線實(shí)現(xiàn)應(yīng)急供電，同時(shí)由智能監(jiān)護(hù)主機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)合閘恢復(fù)蓄電池組放電回路。蓄電池核容切換電路工作原理如圖4所示。

圖4 核容切換電路工作原理

（1）對(duì)電池B1進(jìn)行核容時(shí)，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對(duì)所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保均處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)K11和K12，電池B1通過DC/DC雙向充放電板升壓后，以恒定電流對(duì)母線M+、M-放電。當(dāng)電池B1電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B1進(jìn)行充電，充電完成后，斷開通道切換開關(guān)K11和K12。

（2）對(duì)電池B2進(jìn)行核容時(shí)，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對(duì)所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保所有通道切換開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)K21和K22，電池B2通過DC/DC雙向充放電板升壓后，以恒定電流對(duì)母線M+、M-放電。當(dāng)電池B2電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B2充電。

（3）對(duì)BN電池進(jìn)行核容時(shí)，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對(duì)所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)KN1和KN2，電池BN通過DC/DC雙向充放電板升壓后以恒定電流對(duì)母線M+、M-放電。當(dāng)電池BN電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B2進(jìn)行充電。

（4）當(dāng)蓄電池組中某一節(jié)蓄電池虧電時(shí)，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對(duì)所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保處于斷開狀態(tài)，吸合對(duì)應(yīng)通道切換開關(guān)，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給該電池充電，使該電池與其他蓄電池電壓一致。

（5）當(dāng)蓄電池組中某一節(jié)蓄電池過壓時(shí)，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對(duì)所有通道切換開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保均處于斷開狀態(tài)，吸合對(duì)應(yīng)通道切換開關(guān)，該電池通過DC/DC雙向充放電板升壓后以恒定電流對(duì)母線M+、M-放電，使該電池與其他蓄電池電壓一致。

考慮極端情況下蓄電池組的供電可靠性，設(shè)計(jì)應(yīng)急補(bǔ)電功能，即當(dāng)某蓄電池分組核容放電至截止電壓時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)交流失電，此時(shí)仍需保證蓄電池組可靠輸出。如圖5所示，上述情況發(fā)生時(shí)，蓄電池組退出核容程序并經(jīng)主回路放電，DC/DC雙向變換電路通過直流母線取電向該蓄電池分組進(jìn)行補(bǔ)充電，并維持該蓄電池分組充電電流大于放電電流，避免其電壓過低限制整組輸出。

圖5 應(yīng)急補(bǔ)電設(shè)計(jì)原理

2.3 蓄電池主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)

裝置實(shí)時(shí)采集各分組蓄電池電壓，并與智能監(jiān)護(hù)主機(jī)計(jì)算的平均電壓進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)電壓偏差大于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入主動(dòng)均衡程序。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，正常浮充運(yùn)行的蓄電池與平均電壓的偏差值應(yīng)不大于±300 mV。裝置通過控制DC/DC雙向變換電路及內(nèi)置于采集模塊的放電電阻，使電壓高的蓄電池分組放電、電壓低的蓄電池分組充電，從而實(shí)現(xiàn)組內(nèi)電壓均衡。

2.4 蓄電池脈沖去硫設(shè)計(jì)

裝置通過對(duì)蓄電池施加短時(shí)大電流的脈沖波，使單體電池內(nèi)部的硫酸鉛晶體重新轉(zhuǎn)化為晶體細(xì)小、電化學(xué)性高的可逆硫酸鉛，使其能正常參與充放電反應(yīng)過程。該過程默認(rèn)在核對(duì)性放電試驗(yàn)的充電過程后自動(dòng)進(jìn)行，無需人工干預(yù)即可定期對(duì)各單體蓄電池進(jìn)行修復(fù)。

2.5 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

S1：開始，數(shù)據(jù)初始化。主機(jī)及采集模塊上電后，對(duì)母線電壓、交流輸入電壓、單節(jié)電池電壓、正負(fù)極柱溫度、充放電電流、接線端子溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)初始化。

S2：判斷是否滿足系統(tǒng)核容條件（無Ⅰ類報(bào)警）。Ⅰ類報(bào)警為影響系統(tǒng)整體核容的報(bào)警，包括交流電源異常、直流母線電壓異常、環(huán)境溫度異常、接線端子溫度異常等。當(dāng)交流電源停電、直流母線電壓過低、環(huán)境溫度過高、接線端子溫度過高時(shí)，為了保障電源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，當(dāng)前核容操作將不被執(zhí)行。

S3：判斷是否滿足單節(jié)核容條件。Ⅱ類報(bào)警為影響單體電池活化的報(bào)警，包括電池欠壓、電池極柱高低溫等。當(dāng)電池欠壓、電池極柱高低溫時(shí)，為了保障當(dāng)節(jié)蓄電池安全，核容操作將不被執(zhí)行。

S4—S6：單節(jié)蓄電池通道合閘及判斷。吸合該節(jié)蓄電池對(duì)應(yīng)采集模塊的通道繼電器，單電池母線和當(dāng)前蓄電池連通。通過通道繼電器吸合輔助輸出信號(hào)，判斷當(dāng)前采集模塊通道繼電器是否吸合。

S7—S9：預(yù)充管理及判斷。對(duì)當(dāng)前蓄電池進(jìn)行核容前預(yù)充電，確保核容開始前當(dāng)節(jié)電池已完全充滿電。對(duì)充電電壓及充電電流進(jìn)行設(shè)置：充電電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置，且具有充電浮充電壓溫度補(bǔ)償功能；充電電流一般根據(jù)電池的容量，按0.1C10進(jìn)行設(shè)置，如電池容量設(shè)置為100 AH，則充電電流按0.1C10，即10 A。通過當(dāng)前蓄電池電壓和充電電流判斷該電池是否已經(jīng)充滿。如電壓達(dá)到浮充設(shè)定電壓，電流小于設(shè)定值，即蓄電池已充滿。

S10—S12：放電管理及判斷。對(duì)當(dāng)前蓄電池進(jìn)行核容放電?？蓪?duì)放電電流和放電截止電壓進(jìn)行設(shè)置：放電電流一般根據(jù)電池的容量，按0.1C10進(jìn)行放電，如電池容量設(shè)置為100 AH，則放電電流按0.1C10，即10 A；放電截止電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置。通過電池電壓判斷該電池是否已經(jīng)放電完成，當(dāng)電壓達(dá)到放電截止電壓，則放電完成。

S13—S15：補(bǔ)充充電管理及判斷。對(duì)當(dāng)前完成放電的蓄電池進(jìn)行充電。充電電壓及充電電流可設(shè)置，充電電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置，且具有充電浮充電壓溫度補(bǔ)償功能。通過當(dāng)前蓄電池電壓和充電電流判斷該電池是否已經(jīng)充滿電。如電壓達(dá)到浮充設(shè)定電壓，電流小于設(shè)定值，即蓄電池已充滿。

S17—S20：脈沖去硫管理及判斷。根據(jù)蓄電池當(dāng)前內(nèi)阻值判斷是否需要脈沖去硫，內(nèi)阻值超過設(shè)定值則進(jìn)行脈沖去硫，低于設(shè)定值則不需要脈沖去硫。電壓和電流按蓄電池脈沖去硫標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)置。通過時(shí)間判斷脈沖去硫是否完成。

S23：返回處理，并返回錯(cuò)誤類型。錯(cuò)誤類型包含交流電源異常、直流母線電壓異常、環(huán)境溫度異常、接線端子溫度異常、電池欠壓、電池極柱高低溫等。

3 應(yīng)用分析

研制的蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置已先后在青藏公司管內(nèi)格爾木、錫鐵山、察爾汗、樂都、海石灣、哈爾蓋等9處配電所部署，于所內(nèi)直流電源系統(tǒng)蓄電池組上安裝應(yīng)用，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7，在線核容測試曲線見圖8。其與傳統(tǒng)運(yùn)維方式的對(duì)比見表1。經(jīng)驗(yàn)證，裝置蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動(dòng)在線核容、主動(dòng)均衡及脈沖去硫等功能均滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)備運(yùn)行良好，符合預(yù)期效果。

圖7 蓄電池運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測

圖8 蓄電池自動(dòng)在線核容測試曲線

4 結(jié)語

本文基于鐵路變配電所直流電源蓄電池運(yùn)維現(xiàn)狀分析，設(shè)計(jì)了一種基于DC/DC雙向變換電路的蓄電池智能在線監(jiān)護(hù)裝置，在不改變?cè)绷麟娫聪到y(tǒng)接線方式及運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動(dòng)在線核容、主動(dòng)均衡及脈沖去硫等功能。該裝置具有實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高效等特點(diǎn)，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池運(yùn)行過程出現(xiàn)的容量下降、過欠壓、內(nèi)阻越限等運(yùn)行隱患，并通過自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)劣化電池的智能維護(hù)與集中管理。上述技術(shù)的應(yīng)用，可進(jìn)一步提高鐵路變配電所直流電源蓄電池組精細(xì)化運(yùn)維和可視化管理水平，有效延長蓄電池使用壽命，對(duì)降低蓄電池運(yùn)維成本、提高鐵路安全運(yùn)行水平具有顯著意義。