蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng)在變電站中的應用

殷曉紅,王中明,周維宇,王立杰,唐曉博,馬曉翠

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;2.鶴崗供電公司,黑龍江 鶴崗 154101;3.哈爾濱供電公司,哈爾濱 150010；4.國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150066)

●新技術與應用●

蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng)在變電站中的應用

殷曉紅1,王中明2,周維宇2,王立杰3,唐曉博3,馬曉翠4

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;2.鶴崗供電公司,黑龍江 鶴崗 154101;3.哈爾濱供電公司,哈爾濱 150010；4.國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150066)

在闡明鉛酸蓄電池劣化及其修復技術的基礎上,通過整合相關研究成果的特點,開發(fā)了集脈沖除硫→均衡充電→檢測保護的三階段蓄電池維護技術、多路輸出分時循環(huán)除硫工作機制,以及集蓄電池網(wǎng)絡化實時監(jiān)控功能于一身的蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過實際應用驗證表明,該系統(tǒng)實現(xiàn)了蓄電池的網(wǎng)絡化統(tǒng)一管理、電池性能準確甄別和蓄電池在線除硫維護等功能,其技術指標達到了預期的目標值,滿足了現(xiàn)場運行需求。

直流電源;蓄電池;在線監(jiān)測;在線維護;監(jiān)控管理;變電站

變電站中直流電源系統(tǒng)主要由蓄電池組、充電裝置、絕緣監(jiān)控裝置、電池巡檢裝置以及控制、保護電源等設備構成。其中,蓄電池對直流電源系統(tǒng),乃至電力設備的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。因此,防止蓄電池劣化,延長蓄電池壽命,減少蓄電池的維護難度,降低運行維護成本,是一項非常值得電網(wǎng)公司探討的課題。

目前,變電站直流電源系統(tǒng)大多使用具有安裝方便、維護工作量小、對環(huán)境污染少、可靠性較高的閥控式鉛酸蓄電池。但在實際使用過程中,由于蓄電池的使用和維護不當,如經常充電不足,不及時充電或放電,勢必引起硫化現(xiàn)象的發(fā)生。因此,為了克服鉛酸蓄電池的硫化,已開發(fā)出多種鉛酸蓄電池修復技術,如:大電流充電法、負脈沖法、添加活性劑法、高頻脈沖法、復合式諧振脈沖法、恒流充放電法等[1-2]。然而這些修復方法大多是在蓄電池出現(xiàn)“硫化”后采取的補救式修復方法,而且需要采取退出運行的離線式修復,影響了直流電源系統(tǒng)正常運行。所以,為了提高修復效率,更好地服務于變電站,近年來國內各大院校及企事業(yè)科研單位相繼開發(fā)出在線式修復技術。文獻[3]提出了脈沖式間歇式充電方式,以降低和延緩蓄電池劣化趨勢,針對蓄電池在線活化,提出以一定深度的充放電循環(huán)為基礎,輔以激勵信號,有效去除硫酸鹽,抑制蓄電池失效的蓄電池在線活化技術,可以恢復蓄電池容量10%～35%,同時分析蓄電池最佳活化時機,使蓄電池保有容量達40%以上。文獻[4]開發(fā)了蓄電池實時在線監(jiān)控系統(tǒng),由蓄電池監(jiān)測設備和控制中心機構成,充分利用變電站中的各種通信資源進行命令和數(shù)據(jù)的傳遞,實現(xiàn)了實時監(jiān)測、智能診斷、容量估計、遠程維護等功能。文獻[5]開發(fā)了大集控直流蓄電池監(jiān)測網(wǎng)絡化管理系統(tǒng),由監(jiān)控主機、電池電壓采集模塊、放電模塊、通信接口板、服務器等構成,可在線自動監(jiān)測單體電池電壓、電池組組端電壓、充放電電流和溫度等參數(shù),并通過大網(wǎng)上傳到遠程監(jiān)控計算機分析和診斷,提前預示電池性能趨勢。文獻[6]提出一種基于在線診斷技術的直流電源系統(tǒng)狀態(tài)檢修模式,利用基于狀態(tài)空間預測要求的卡爾曼濾波器對蓄電池剩余容量及狀態(tài)進行診斷及預測。本文為了進一步提升應用于變電站的蓄電池在線修復技術水平,使其既能在線維護蓄電池,提高蓄電池性能,又可以遠程監(jiān)控,提供蓄電池的主動維護,開發(fā)了一種新的電力系統(tǒng)直流蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的開發(fā)

開發(fā)的系統(tǒng)功能為:

1) 采用脈沖除硫 → 均衡維護→ 檢測保護三階段蓄電池維護技術,有效提高蓄電池各節(jié)電池充電的均衡性,防止電池的快速劣化,延長蓄電池的使用壽命,提升電池容量及整組電池供電能力。

2) 采用多路輸出分時循環(huán)除硫的工作機制,有效保障蓄電池在線維護效果,同時避免因設備工作時對站點其他設備產生不良影響。

3) 有機整合蓄電池在線維護功能和蓄電池網(wǎng)絡化實施監(jiān)控功能,實現(xiàn)在線維護與監(jiān)控的一體化。

4) 開發(fā)蓄電池在線維護監(jiān)控管理網(wǎng)管平臺,實現(xiàn)蓄電池信息的統(tǒng)一網(wǎng)絡化管理,蓄電池在線維護效果分析,以及蓄電池重要信息告警等功能。

該系統(tǒng)由蓄電池在線維護儀(遠端硬件)、服務器(局端硬件)、蓄電池在線維護系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(局端軟件)三大部分組成。

蓄電池在線維護儀安裝于蓄電池所在變電站站點,采集蓄電池運行的各項參數(shù)(包括站點供電狀態(tài)、電池組端壓、電池內各單體電壓、電池充/放電電流、電池溫度等);將采集到的蓄電池運行參數(shù)發(fā)送至服務器端,接收服務器端發(fā)送的各項控制指令;通過設備與蓄電池端的連接線向蓄電池輸出除硫脈沖和充電電壓,從而實現(xiàn)對蓄電池的均衡充電和在線除硫維護。

服務器使用遠端外網(wǎng)設備,蓄電池在線維護儀內部的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與服務器端建立數(shù)據(jù)連接,一方面將實時采集到的各項電池運行參數(shù)發(fā)送至服務器端,另一方面負責接收服務器端傳送的各項查詢和控制指令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

蓄電池在線維護系統(tǒng)網(wǎng)管平臺安裝于服務器內,負責上傳數(shù)據(jù)的采集、WEB界面顯示、數(shù)據(jù)后臺分析計算和存儲等,通過該平臺對上傳數(shù)據(jù)進行分析處理,可實現(xiàn)站點蓄電池各項參數(shù)的實時查看、站點隱患智能分析和維護指導、電池均勻性變化分析等功能,以指導維護人員更加科學高效地維護蓄電池。

1.1 系統(tǒng)硬件與功能

蓄電池在線維護儀為系統(tǒng)硬件設備,應用于變電站單體電池為2 V的蓄電池組,最多可管控2 V/24節(jié)單組電池。

1.1.1 在線維護功能的實現(xiàn)

以2 V/24節(jié)蓄電池組為例,蓄電池輸出接口為25位端子,輸出線分別接入各節(jié)單體電池的正負極柱,設備工作機制采用脈沖除硫 → 均衡維護→ 檢測保護三階段分時循環(huán)。

從以上工作機制來看,脈沖除硫階段對已經硫化的電池恢復其特性;均衡維護階段減小電池組各單體電池的差異性,有效阻止再次硫化;檢測保護階段使電池始終處于安全狀態(tài),同時避免過充,當再次出現(xiàn)差異時可以自動啟動工作。通過這種在線維護方式將高于平均值的單體電壓拉低(在線維護降低其內阻),將低于平均值的單體抬高(欠充電池補充其能量),從而有效消除電池劣化,使整組電池性能顯著提升。

1.1.2 各項電池數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)

蓄電池單體電池電壓和總電壓的采集:蓄電池輸出接口不僅完成對各節(jié)單體電池在線維護的功能,還通過該接口采集各節(jié)單體電池的電壓和總電壓。

蓄電池溫度采集:設備內部內置溫度傳感器,溫度傳感器采集探頭置于電池附近,即可采集到電池所處環(huán)境溫度。

圖1 設備級聯(lián)功能示意圖

蓄電池供電狀態(tài)信息采集:通過電池電壓和電池電流的變化綜合判斷站點是否處于停電狀態(tài),站點停電標志包含在上傳數(shù)據(jù)內。

1.1.3 設備級聯(lián)功能的實現(xiàn)

單臺蓄電池在線維護儀最多只能管控24節(jié)電池,如果單組蓄電池的單體電池節(jié)數(shù)超過24節(jié),就要通過設備級聯(lián)接口進行擴展。

例如站點蓄電池為2 V/108節(jié)單組,則五臺設備級聯(lián)后,1號設備作為主設備管控前24節(jié)電池,2號設備作為從設備管控其余12節(jié)電池,依次類推,所有采集信息均通過級聯(lián)接口匯總至1號設備,通過GPRS/3G模塊發(fā)送至服務器端。連接示意圖如圖1所示。

1.1.4 數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸功能通過設備上的無線模塊實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)軟件及功能

1.2.1 服務器端軟件

服務器端軟件包括Linux操作系統(tǒng)、在線維護系統(tǒng)采集軟件、Oracle數(shù)據(jù)庫、蓄電池在線維護系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺。

軟件共分為四層。

表現(xiàn)層:以動態(tài)圖形及聲光報警展現(xiàn)站點實時采集的數(shù)據(jù)并進行分析,對不良蓄電池進行聲光報警和短信發(fā)布。

數(shù)據(jù)交互層:將結果數(shù)據(jù)通過國家標準數(shù)據(jù)交換格式(xml和json)進行傳輸。

數(shù)據(jù)處理層:將采集到的模擬量進行分析和存儲,并生成分析結果。

數(shù)據(jù)采集層:定時對各機房數(shù)據(jù)進行采集,并交數(shù)據(jù)處理層處理。

1.2.2 軟件功能

采用Linux5.5版本操作系統(tǒng),是服務器端各應用軟件正常運行的基礎,具有系統(tǒng)安全性高、網(wǎng)絡功能豐富、可移植性好等特點。在線維護系統(tǒng)采集軟件負責接收各站點數(shù)據(jù)的上傳和服務器端相關指令的下發(fā)。采用Oracle10.2g版本,對各站點數(shù)據(jù)進行存儲。

蓄電池在線維護系統(tǒng)網(wǎng)管平臺主要功能為站點上傳數(shù)據(jù)顯示、曲線分析、報表統(tǒng)計等。維護人員只需訪問該網(wǎng)絡平臺,即可查看站點蓄電池實時運行狀況,從而及時發(fā)現(xiàn)劣化蓄電池組。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(最大架構模式)

系統(tǒng)網(wǎng)絡構架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構示意圖

采用雙服務器一級網(wǎng)絡結構,即在網(wǎng)絡維護監(jiān)控中心架設兩臺服務器,每臺服務器均安裝相應的蓄電池數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、web服務器軟件,一臺作為主服務器,另一臺作為熱備用服務器。

服務器端有一個廣域網(wǎng)靜態(tài)IP地址,兩臺服務器通過路由器與外界連接。蓄電池端每組電池所配備的智能在線監(jiān)測維護儀可通過RJ45端口或GPRS/3G模塊,與服務器進行通訊。各級蓄電池維護人員通過本地瀏覽器,按照管轄區(qū)域可對蓄電池組進行實時查看及維護。

2 系統(tǒng)的應用

經研制開發(fā)后,該系統(tǒng)于2014年9月應用于鶴南變2 V/104節(jié)蓄電池,并對其進行了測試。鶴南變蓄電池為哈爾濱九州蓄電池生產,型號為GFM-300,標稱容量300 AH,電池數(shù)量2 V/104節(jié),2010年投運。

初測于2014年9月4日進行,預測放電時長3.0 h,(放電時間達到預定值時,自動停止測試),預設放電電流30 A。放電因預設時間達到而自動停止,放電停止時,第25節(jié)電池電壓最低,為1.980 V。復測于2015年4月2日進行,預設放電時長7 h,預設放電電流20 A。同樣是在放電時間達到預設定值時,自動停止測試,放電停止時,第80節(jié)電池的電壓最低,為2.066 V。兩次測試結果如表1所示。

表1 蓄電池初測、復測參數(shù)結果對照表

從表1可以看到,通過蓄電池智能在線維護,單體電池電壓均有所提升,如初測時的第25節(jié)電池,電壓降至1.980 V,復測時升至2.073 V,提升了電池性能。此外,復測最低單體電壓第80節(jié)的單體電壓達2.066 V,電池電壓的整體均勻性比初測時有所提高;整組電池容量得到了提升,提升量達55.68AH(復測容量146.439AH-初測容量90.758AH),容量提升百分比達18.56% ((復測容量146.439AH-初測容量90.758)/標稱容量200AH×100%),去硫化效率達61.35%((復測容量146.439AH-初測容量90.758AH)/初測容量90.758AH×100%)。由此表明,電力系統(tǒng)直流電源蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng),通過對放電過程中各單節(jié)電池電壓的監(jiān)測,可及時準確發(fā)現(xiàn)整組電池中落后單支電池,從而有效指導維護人員對電池進行有針對性的維護,消除故障隱患,消除電池長期浮充形成的硫化,提高了單體電池電壓均勻性,有效地提升了電池的性能和整組蓄電池供電能力。

3 結 語

通過蓄電池智能在線維護監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā),以及現(xiàn)場的安裝、調試、運行、測試等對成果的驗證,最終實現(xiàn)了蓄電池的網(wǎng)絡化統(tǒng)一管理、電池性能準確甄別和蓄電池在線除硫維護等功能,其技術指標達到了預期的目標值,符合現(xiàn)場運行需要。

由于電力系統(tǒng)使用蓄電池范圍廣、數(shù)量大,本研究推廣意義重大,包括合閘電源、無人值守變電站、UPS供電系統(tǒng)的蓄電池,均可通過該系統(tǒng)進行在線維護和管理,提高現(xiàn)有蓄電池維護管理水平和維護效率,降低運行維護成本,減少運行維護人員的維護強度和維護難度。此外,從降低電池采購成本和提升電網(wǎng)電池使用壽命的角度,可產生較大的經濟效益和社會效益。

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[2] 國家電網(wǎng)生[2005]172號文,直流電源系統(tǒng)運行規(guī)范[S].北京:國家電網(wǎng)公司,2005.

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(責任編輯 郭金光)

Application of intelligent battery online maintenance and monitoring management system in substations

YIN Xiaohong1,WANG Zhongming2,ZHOU Weiyu2, WANG Lijie3,TANG Xiaobo3，MA Xiaocui4

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. Hegang Power Supply Company,Hegang 154101, China; 3.Harbin Power Supply Company, Harbin 150010, China；4.Guodian Harbin. Thermal Power Co.,Ltd，Harbin 150066,China)

On the basis of expounding the lead-acid battery deterioration and restoration technology, through the integration of the relevant research results, this paper developed pulse sets in addition to sulfur, equalizing charge detection and protection of three-phase accumulator maintenance technology, multi-channel output cycle in addition to the working mechanism of sulfur, and battery network of real-time monitoring function in a body of the intelligent battery online monitoring and maintenance management system. The practical application shows that this system realizes network unified management of battery, accurate discrimination of battery performance and battery online desulphurization, which make the technological index reach the target value, meeting the requirement of onsite operation.

DC power source; battery; online monitoring; online maintenance; monitoring management; substation

2015-07-07。

殷曉紅(1965—),女,高級工程師,從事電力科技環(huán)保監(jiān)測與研究工作。

TM912

A

2095-6843(2015)06-0547-04