變電站蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）14-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.006

0 引言

當(dāng)前，全國(guó)在運(yùn)的變電站達(dá)數(shù)萬(wàn)座，大部分變電站都處于城市郊區(qū)，每座變電站的直流供電系統(tǒng)都配置了蓄電池組作為整個(gè)變電站的后備電源。隨著蓄電池組使用年限的增加，正極格柵會(huì)出現(xiàn)腐蝕和硫化情況，含有的電解液也會(huì)減少，里面的活性物質(zhì)會(huì)漸漸變?nèi)?，致使蓄電池組的實(shí)際容量顯著降低。因此，每隔一段時(shí)間到每個(gè)變電站對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蓄電池異常情況并及時(shí)更換，才能保證整個(gè)蓄電池組的正常工作。隨著電網(wǎng)越來(lái)越智能化，變電站的設(shè)備相應(yīng)增加，站內(nèi)蓄電池的容量也會(huì)進(jìn)一步加大，同時(shí)電力系統(tǒng)的運(yùn)行又要求蓄電池組運(yùn)維管理必須精細(xì)化，這就加重了運(yùn)維人員的系統(tǒng)維護(hù)工作。大部分 110kV 和 220kV 變電站為無(wú)人值守變電站，如果站內(nèi)蓄電池組存在安全風(fēng)險(xiǎn)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)交流供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)維人員無(wú)法立即到達(dá)進(jìn)行搶修，整個(gè)變電站將面臨失壓，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

本文針對(duì)現(xiàn)有變電站蓄電池組核容方式耗費(fèi)大量的人力物力、效率低下等問(wèn)題，提出了一種變電站蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)方案，融合軟硬件監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程在線核容，方便了變電站直流電源系統(tǒng)存在故障和潛在隱患的消除，提高了工作效率，減輕了基層維護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)，降低了人工參與造成的風(fēng)險(xiǎn)，確保了變電站關(guān)鍵系統(tǒng)的供電可靠性，為電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供了更好的保障。

1蓄電池遠(yuǎn)程在線核容原理

蓄電池遠(yuǎn)程核容技術(shù)的原理是通過(guò)采集設(shè)備遠(yuǎn)程讀取蓄電池組的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)監(jiān)控中心，系統(tǒng)監(jiān)控中心利用相關(guān)算法和數(shù)據(jù)分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池容量的準(zhǔn)確核定和蓄電池異常狀態(tài)的識(shí)別[1-4]。

變電站運(yùn)維人員通過(guò)遠(yuǎn)程運(yùn)維工作站對(duì)變電站蓄電池組進(jìn)行維護(hù)和充放電操作，可以在線查看蓄電池組單體電池的內(nèi)阻、電壓和溫度，也可以對(duì)單個(gè)蓄電池進(jìn)行均衡充電。遠(yuǎn)程在線核容裝置主要由后臺(tái)服務(wù)器、各種蓄電池采集模塊、遠(yuǎn)程運(yùn)維主機(jī)和系統(tǒng)軟件組成。如果在遠(yuǎn)程充放電過(guò)程中出現(xiàn)異常情況或日常蓄電池組有異常情況，系統(tǒng)會(huì)立即報(bào)警，并將故障信息通過(guò)短信推送給運(yùn)維人員，運(yùn)維人員可以及時(shí)處理，提高運(yùn)維效率，保障電力系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。

2變電站蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，變電站蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)由三層架構(gòu)組成：物理感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

1）物理感知層：蓄電池組采集模塊和核容匯集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)蓄電池內(nèi)阻、電壓、溫度、充放電電流和環(huán)境溫度等關(guān)鍵參數(shù)的采集，遠(yuǎn)程核容裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)蓄電池組充放電核容試驗(yàn)。

2）網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)交換機(jī)和路由器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP）將蓄電池組的關(guān)鍵參數(shù)定時(shí)上傳到系統(tǒng)監(jiān)控中心，為系統(tǒng)監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供原始數(shù)據(jù)。

3應(yīng)用層：配置設(shè)備服務(wù)器、Web服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備服務(wù)器的主要功能是負(fù)責(zé)分析并轉(zhuǎn)發(fā)用戶的操作命令到管理主機(jī)，對(duì)管理主機(jī)上傳的蓄電池?cái)?shù)據(jù)、狀態(tài)以及告警信息等內(nèi)容進(jìn)行分析，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)為用戶提供數(shù)據(jù)瀏覽服務(wù)，以及響應(yīng)用戶的操作命令。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 電池單體采集及均衡

采集設(shè)備應(yīng)具有RS-232接口、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，用于設(shè)備采集到的各項(xiàng)參數(shù)的本地和網(wǎng)絡(luò)化傳輸。電池單體采集及均衡功能負(fù)責(zé)采集蓄電池?cái)?shù)據(jù)，并將采集到的蓄電池?cái)?shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳輸給匯集器。除采集蓄電池組總電壓、充放電電流、環(huán)境溫度、單體電池電壓等數(shù)據(jù)外，電池監(jiān)測(cè)裝置還能測(cè)試兩個(gè)重要的參數(shù)：?jiǎn)误w電池內(nèi)阻、單體電池負(fù)極極柱溫度，并可對(duì)每節(jié)單體單獨(dú)進(jìn)行均衡充電。

單體電池監(jiān)測(cè)模塊禁止從電池上取電，而是采用一拖一監(jiān)測(cè)的方案，電池在浮充狀態(tài)下，測(cè)試內(nèi)阻時(shí)的峰值電流應(yīng)不超過(guò) 1.5A ，以免損壞蓄電池的極柱或極板。單體電池監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)具備自動(dòng)順序編號(hào)的功能，能自動(dòng)和電池編號(hào)一一配對(duì)。單體電池電壓測(cè)量精度：誤差不超過(guò) ±0.005V ；總電壓測(cè)量精度：誤差不超過(guò) ±0.2V ；電流測(cè)量精度：誤差不超過(guò) ±1A ；蓄電池容量檢測(cè)精度：誤差不超過(guò) ±10% 。

2.2.2 電池內(nèi)阻檢測(cè)

蓄電池的內(nèi)阻是評(píng)估其性能的核心指標(biāo)之一。研究發(fā)現(xiàn)，在閥控式蓄電池中，諸如早期容量衰減、極板腐蝕/變形、電解液干涸、硫酸鹽結(jié)晶等典型失效機(jī)制，均會(huì)引發(fā)內(nèi)阻值的顯著升高。這種內(nèi)阻變化本質(zhì)上可作為蓄電池健康狀態(tài)的敏感表征參數(shù)。該系統(tǒng)采用瞬間脈沖放電來(lái)測(cè)試電池的內(nèi)阻，這種測(cè)試方法具有測(cè)試速度快、精度高、一致性好、對(duì)電池?zé)o損傷等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)阻檢測(cè)精度：誤差不超過(guò) ±3% 。

2.2.3 電池溫度檢測(cè)

由于蓄電池充電時(shí)充電電壓過(guò)高，或單體電池存在失水等故障，電池的充電電流與溫度均升高且互相促進(jìn)，會(huì)使電池內(nèi)部溫度迅速升高，形成熱失控。本系統(tǒng)采用高精度的NTC熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池的溫度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為充電時(shí)蓄電池反應(yīng)最為劇烈的負(fù)極柱，這種測(cè)試方式具有響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可有效監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度，避免電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象發(fā)生。溫度檢測(cè)精度：誤差不超過(guò) ±1^°C 。

2.2.4 系統(tǒng)平臺(tái)功能

采用B/S架構(gòu)，使用瀏覽器訪問(wèn)，不用單獨(dú)安裝客戶端軟件。該系統(tǒng)同時(shí)支持多用戶訪問(wèn)，不同用戶會(huì)分配不同的權(quán)限，不同的權(quán)限對(duì)應(yīng)不同的訪問(wèn)內(nèi)容。用戶通過(guò)瀏覽器可以查詢(xún)?cè)O(shè)備的工作狀態(tài)，瀏覽蓄電池組的數(shù)據(jù)，查看充放電過(guò)程中蓄電池?cái)?shù)據(jù)（總電壓、放電電流、單體電壓等）的變化曲線。

系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別浮充、均充、放電、停電放電、內(nèi)阻測(cè)試等電池工況；支持在線放電管理，能記錄蓄電池的放電曲線與放電容量；支持在線查看蓄電池的廠家、型號(hào)、位置、工作狀態(tài)、容量、投運(yùn)時(shí)間、電流、總電壓、單體電壓、內(nèi)阻和剩余續(xù)航時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)；支持對(duì)單個(gè)或多個(gè)蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程在線核容試驗(yàn)；根據(jù)蓄電池的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立蓄電池組的健康評(píng)估模型；支持曲線、柱狀圖等圖形顯示功能；支持報(bào)表功能（月報(bào)、季報(bào)可自動(dòng)發(fā)送）；具備實(shí)時(shí)告警功能；支持短信、郵件功能；能接收設(shè)備服務(wù)器下發(fā)的命令，分析并執(zhí)行，并返回執(zhí)行結(jié)果；定時(shí)執(zhí)行本地?cái)?shù)據(jù)保存功能（USB或SD卡）；實(shí)時(shí)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)產(chǎn)生告警數(shù)據(jù)，并上報(bào)設(shè)備服務(wù)器。

2.3 系統(tǒng)安全防護(hù)要求

2.3.1 感知執(zhí)行層防護(hù)

對(duì)于感知執(zhí)行層的安全防護(hù)，采用雙因子認(rèn)證，對(duì)系統(tǒng)訪問(wèn)人員進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù)和管理，這種方式可以很好地保證感知執(zhí)行層的數(shù)據(jù)安全。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸層防護(hù)

在數(shù)據(jù)傳輸層，為保障數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被惡意篡改，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加密機(jī)制，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)施加密，從而有效降低傳輸數(shù)據(jù)被解析和破譯的風(fēng)險(xiǎn)，保障數(shù)據(jù)在跳轉(zhuǎn)過(guò)程中的完整性、安全性。

2.3.3 應(yīng)用控制層防護(hù)

應(yīng)用控制層的數(shù)據(jù)安全性和隱私性是最重要的，因?yàn)閼?yīng)用控制層是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分。在應(yīng)用控制層，將系統(tǒng)權(quán)限分為系統(tǒng)管理員、高級(jí)管理員和維保人員，不同的人員對(duì)應(yīng)不同的瀏覽和操作權(quán)限。為抵御惡意攻擊者通過(guò)偽裝身份或偽造指令等手段入侵系統(tǒng)實(shí)施非法控制，系統(tǒng)采用人臉識(shí)別登錄，能有效防止系統(tǒng)遭到違法分子的惡意攻擊，保障應(yīng)用控制層的安全。

2.4 蓄電池遠(yuǎn)程充放電原理

本系統(tǒng)不需要改變變電站原有直流供電系統(tǒng)，只需要在蓄電池組和直流配電屏中間加裝高頻DC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的遠(yuǎn)程在線核容，適用于新舊變電站電源改造，也不會(huì)給變電站運(yùn)維人員增加工作任務(wù)。

遠(yuǎn)程充放電控制原理如圖2、圖3所示，K0為常閉開(kāi)關(guān)，K1、K2、K3、K4為常開(kāi)開(kāi)關(guān)，高頻DC/DC設(shè)備是一個(gè)可升壓和降壓BUCK-BOOST的整流設(shè)備。

直流供電系統(tǒng)正常給直流負(fù)載供電情況下，K0開(kāi)關(guān)一直處于閉合狀態(tài)，K1、K2、K3、K4開(kāi)關(guān)一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)直流供電系統(tǒng)對(duì)蓄電池組進(jìn)行浮充。

當(dāng)蓄電池組需要進(jìn)行遠(yuǎn)程在線放電試驗(yàn)時(shí)，常閉開(kāi)關(guān)K0斷開(kāi)，常開(kāi)開(kāi)關(guān)K3、K4閉合，常開(kāi)開(kāi)關(guān)K1、K2繼續(xù)保持?jǐn)嚅_(kāi)，高頻DC/DC設(shè)備處于升壓的工作狀態(tài)，會(huì)將蓄電池組的電壓升高，達(dá)到蓄電池組放電試驗(yàn)的目的。高頻DC/DC設(shè)備會(huì)根據(jù)直流負(fù)載的電流情況實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓，當(dāng)達(dá)到蓄電池組的放電截止電壓時(shí)，高頻DC/DC設(shè)備會(huì)停止工作，蓄電池組的放電試驗(yàn)結(jié)束。如果在蓄電池組放電過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，可以人工手動(dòng)遠(yuǎn)程結(jié)束放電過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)記錄放電異常信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

變電站蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)可以有效測(cè)出新投運(yùn)和未到質(zhì)保期電池的精確容量，對(duì)容量不達(dá)標(biāo)的電池系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提醒，并通知運(yùn)維人員立即進(jìn)行更換。定期的遠(yuǎn)程在線核容試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確篩選出落后的電池，有效避免單個(gè)電池落后，致使整個(gè)蓄電池組損壞的情況，極大地延長(zhǎng)蓄電池組的使用時(shí)間。除此之外，融合電阻、電流、電壓和溫度等關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建了基于大數(shù)據(jù)的蓄電池全生命周期智能評(píng)估系統(tǒng)，可以自動(dòng)生成最佳的電池維護(hù)方案，智能預(yù)測(cè)電池更換周期，精準(zhǔn)計(jì)算備品備件需求，實(shí)現(xiàn)了蓄電池組管理從粗放式到精細(xì)化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了智能化支撐。

本文針對(duì)現(xiàn)有變電站蓄電池組核容方式耗費(fèi)大量的人力物力、效率低下等問(wèn)題，提出了一種變電站當(dāng)蓄電池組遠(yuǎn)程放電試驗(yàn)結(jié)束后，蓄電池組的電壓會(huì)比較低，直流供電系統(tǒng)與蓄電池組的電壓差會(huì)比較大，如果直流供電系統(tǒng)直接給蓄電池組充電有可能會(huì)損壞蓄電池組。

當(dāng)蓄電池組需要進(jìn)行遠(yuǎn)程充電試驗(yàn)時(shí)，常閉開(kāi)關(guān)K0保持?jǐn)嚅_(kāi)，常開(kāi)開(kāi)關(guān)K3、K4由閉合轉(zhuǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)開(kāi)關(guān)K1、K2由斷開(kāi)轉(zhuǎn)閉合。高頻DC/DC設(shè)備處于降壓的工作狀態(tài)，會(huì)將直流供電系統(tǒng)的電壓降低，達(dá)到蓄電池組充電試驗(yàn)的目的。高頻DC/DC設(shè)備會(huì)根據(jù)蓄電池組的充電電流情況實(shí)時(shí)調(diào)整輸入電壓，當(dāng)達(dá)到蓄電池組的浮充電壓時(shí)，高頻DC/DC設(shè)備會(huì)停止工作，蓄電池組的充電試驗(yàn)結(jié)束，蓄電池組會(huì)處于正常浮充狀態(tài)。如果在蓄電池組充電過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，可以人工手動(dòng)遠(yuǎn)程結(jié)束充電過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)記錄充電異常信息。

蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案充分考慮了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全和人員誤操作風(fēng)險(xiǎn)，不需要對(duì)原有的直流供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需在蓄電池組和直流配電屏中間加裝高頻DC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，可用于變電站 48V/110V/220V 直流供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線核容，方便了目前變電站蓄電池組存在故障和潛在隱患的消除，從而能夠?yàn)樽冸娬緝?nèi)各種智能化設(shè)備、保護(hù)設(shè)備和通信設(shè)備提供更加可靠的后備電源。

[參考文獻(xiàn)]

[1］張伯楠，方鳳玲.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池組遠(yuǎn)程在線核容系統(tǒng)的研究［J].農(nóng)機(jī)科技推廣，2024（12：53-56.

[2]韋國(guó)歆.通信系統(tǒng)蓄電池的遠(yuǎn)程核容技術(shù)分析[J].電子技術(shù)，2024，53（12）：30-31.

[3]李志興，許志華.基于載波通信的蓄電池組在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電信息，2022（19）：20-22.

[4]王廷旺，耿保華，魏偉，等.蓄電池組在線遠(yuǎn)程核容放電控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2020（9）：24-26.