智能變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

宋濤

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

近些年來，隨著智能變電站建設(shè)步伐的加快，大量的智能二次設(shè)備投入應(yīng)用，需要直流系統(tǒng)對其進(jìn)行可靠供電，而蓄電池則是直流系統(tǒng)最后的一道關(guān)卡，在交流失去或者直流系統(tǒng)故障時將帶著直流負(fù)荷運(yùn)行，其重要性顯而易見。現(xiàn)階段智能變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行情況還是存在許多問題，出現(xiàn)故障的地方主要是充電設(shè)備及蓄電池方面，當(dāng)前智能變電站內(nèi)能實(shí)現(xiàn)大部分直流系統(tǒng)信息的采集監(jiān)測，但沒能實(shí)現(xiàn)對蓄電池全方位的監(jiān)測。蓄電池作為直流系統(tǒng)的心臟，在正常運(yùn)行狀況下處于浮充狀態(tài)，采用傳統(tǒng)測量電壓和內(nèi)阻的方法很難確認(rèn)蓄電池的好壞[1]。系統(tǒng)發(fā)生事故，而蓄電池又無法正常工作，產(chǎn)生的后果將無法想像，因此全方位實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測蓄電池對運(yùn)維工作非常重要。本文提出一種智能變電站蓄電池在線監(jiān)測方案，能夠及時地維護(hù)蓄電池，從而達(dá)到提高直流系統(tǒng)的可靠性和安全性的目的。

1 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測功能描述

本文的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對蓄電池運(yùn)行監(jiān)測、內(nèi)阻檢測、核對性充放電試驗(yàn)、蓄電池均衡維護(hù)及性能告警等，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以供現(xiàn)場查詢，還通過局域網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至服務(wù)器，運(yùn)維人員登錄局域網(wǎng)內(nèi)客戶端即可實(shí)時掌握蓄電池運(yùn)行情況，對蓄電池進(jìn)行維護(hù)，提高了直流系統(tǒng)的安全性和可靠性。

通過應(yīng)用蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，變電運(yùn)維人員得以擁有一個能夠?qū)崟r獲取蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)的強(qiáng)大助手，以往蓄電池狀況的識別只能通過現(xiàn)場巡視并用萬用表測量相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)在則可以實(shí)時調(diào)取電池的溫度、內(nèi)阻、電壓、電流、均差等相關(guān)信息[2]，必要時還可以通過靜態(tài)放電測試獲取蓄電池組的容量數(shù)據(jù)，幫助變電運(yùn)維人員有效地掌握蓄電池整體運(yùn)行狀況。

系統(tǒng)通過安裝于現(xiàn)場的蓄電池監(jiān)測模塊，可以控制任一單體電池充放電，從而實(shí)現(xiàn)在線對單體電池浮充電壓進(jìn)行調(diào)整，對電池進(jìn)行補(bǔ)充電或放電，以達(dá)到對蓄電池的在線維護(hù)和活化功能，既可以提高蓄電池使用壽命[3]，又可以節(jié)約成本并且減少對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排增效目標(biāo)。

系統(tǒng)通過安裝于現(xiàn)場的放電模塊可直接進(jìn)行蓄電池組核對性充放電工作，省略了以往工作前的費(fèi)事費(fèi)力的先排線后接入工作，能至少節(jié)省1 h，減少了人力成本，使充放電工作更加安全和可靠。

蓄電池專家診斷模型診斷浮充電壓、核對性放電測試數(shù)據(jù)、充電曲線、內(nèi)阻測試值等，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)方法，及時掌握電池性能，并能預(yù)知電池失效狀態(tài)。

隨著蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，可以逐步改變蓄電池的檢修模式，狀態(tài)檢修將逐漸取代定期檢修，優(yōu)化了檢修模式，從而大大提高蓄電池維護(hù)效率，改變蓄電池運(yùn)維的模式，為電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

2 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 位于變電站現(xiàn)場的智能設(shè)備

蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)安裝于變電站現(xiàn)場，對單體電池電壓、內(nèi)阻、核對性容量測試值、電池組端電壓、充放電電流、環(huán)境溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將這些信息轉(zhuǎn)化為滿足通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)包，再通過以太網(wǎng)或其他通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時信息傳送到主站端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中?，F(xiàn)場或后臺機(jī)同時顯示相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)告警和數(shù)據(jù)存儲。直流充電機(jī)監(jiān)測裝置安裝在現(xiàn)場DC屏中，實(shí)時監(jiān)控各個充電模塊的參數(shù)，包括充電電流、充電電壓等。現(xiàn)場還安裝了絕緣監(jiān)測儀和放電裝置等其他智能設(shè)備。

2.2 變電站數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)

傳統(tǒng)變電站的設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集，需要依靠獨(dú)立的通信信道，或者采用現(xiàn)場布置RTU 的方式，設(shè)備數(shù)據(jù)先由現(xiàn)場RTU 完成數(shù)據(jù)解釋工作，進(jìn)而再由RTU整合其他設(shè)備信息，整合完成的數(shù)據(jù)通過同一網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，各類設(shè)備信息再由計算機(jī)軟件進(jìn)行提取，進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)布。而在本系統(tǒng)中，采用了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息采集儀EII-B，利用其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)發(fā)，在整個數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置不需要匹配現(xiàn)場智能設(shè)備的通訊協(xié)議，它僅對與智能單元雙向通信產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)[4]。現(xiàn)場有新增智能設(shè)備時無須更改現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息采集儀相關(guān)參數(shù)，大大節(jié)省了現(xiàn)場施工的時間，也方便了實(shí)際使用。

2.3 位于信息中心的遠(yuǎn)程服務(wù)器“數(shù)據(jù)采集平臺”

遠(yuǎn)程服務(wù)器與各變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息采集儀設(shè)備采用C/S 構(gòu)架，由配套的數(shù)據(jù)采集平臺向現(xiàn)場采集儀發(fā)送通訊命令，現(xiàn)場采集儀完成設(shè)備各種信息數(shù)據(jù)的采集，而平臺接收和處理其反饋的各種數(shù)據(jù)，對此進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)約解釋，最后將處理好的信息存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫。處于信息中心的WEB 服務(wù)器是信息交換的中心，它采用了B/S 構(gòu)架，對后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，等待設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息處理單元查詢，或等待其他系統(tǒng)調(diào)用，此外還提供實(shí)時監(jiān)控告警服務(wù)，將友好的人機(jī)交互界面呈現(xiàn)在用戶面前。變電運(yùn)維人員通過安裝的用戶客戶端即可查看各變電站相關(guān)實(shí)時運(yùn)行信息，還可查看過往的歷史信息，導(dǎo)出分析報表，真正意義上實(shí)現(xiàn)對無人值班變電站蓄電池的綜合管理，減輕了運(yùn)維人員日常巡視的負(fù)擔(dān)，為電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)提供了有力保障。某智能變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖

3 蓄電池在線均衡維護(hù)功能

充電機(jī)對蓄電池進(jìn)行充電過程中，控制的是蓄電池整組電壓而非單體電壓。例如廠家推薦的單體浮充電壓為2.25 Ⅴ時，那么對104 節(jié)蓄電池構(gòu)成的電源系統(tǒng)，其整組浮充電壓應(yīng)該設(shè)為104×2.25=234 Ⅴ。蓄電池的生產(chǎn)過程無法保證每只蓄電池完全一致，細(xì)微的差別導(dǎo)致了每個個體的性能參數(shù)存在一定的差別，無法使每個個體按照設(shè)定的浮充電壓進(jìn)行充電。通過研究單體電壓的浮充電壓數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)在小范圍內(nèi)浮動，變電站運(yùn)行規(guī)程中列出了相關(guān)的條款，規(guī)定其限值是±50 mⅤ（標(biāo)稱2 Ⅴ電池），研究數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)少數(shù)單體電壓并未超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，但其數(shù)值卻長時間偏離設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，這給蓄電池安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了不利影響。

從蓄電池的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：過高的浮充電壓意味著對蓄電池過充，長時間的過充影響很大，會加劇正極板腐蝕，進(jìn)而縮短蓄電池壽命；反之，過低的浮充電壓意味著對蓄電池的欠充，此狀態(tài)會加劇負(fù)極板腐蝕，同樣也會縮短蓄電池壽命；蓄電池組中各單體電池電壓還會相互產(chǎn)生影響，引發(fā)更大的波動，從而加劇過充和欠充現(xiàn)象[5]。

蓄電池平時正常運(yùn)行時處于浮充電狀態(tài)，也就會存在3 種可能的情況，即正常充電、過充、欠充。蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對一段時間內(nèi)的電壓進(jìn)行分析，如單體電壓的變化、單體電壓相對整組平均水平的變化等，再對內(nèi)阻進(jìn)行干預(yù)，之后才能獲得較為準(zhǔn)確的浮充電狀態(tài)。內(nèi)置的蓄電池專家診斷模型對電池參數(shù)的變化進(jìn)行分析，及時了解蓄電池的工作狀況，當(dāng)?shù)贸鲞^充或欠充的結(jié)論時，在線調(diào)節(jié)蓄電池電壓或進(jìn)行活化[6]。維護(hù)程序也可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程下達(dá)指令執(zhí)行。

確認(rèn)過充，予以在線活化。蓄電池長期處于過充狀態(tài)，會帶來很不利的影響，伴隨著正極腐蝕和容量減少。浮充電壓是體現(xiàn)電池是否過充的一個指標(biāo)，在運(yùn)行程序得出過充的結(jié)論后，對過充電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)，讓過充的電池進(jìn)行放電，以達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，就能夠有效改善過充對蓄電池運(yùn)行的不利條件，最終讓蓄電池達(dá)到最理想的浮充狀態(tài)。

確認(rèn)欠充，予以在線補(bǔ)充電。蓄電池長期處于欠充狀態(tài)，也會產(chǎn)生很不利的影響，伴隨著負(fù)極會逐漸腐蝕和容量減少，使得負(fù)極板的PbSO4不發(fā)生原有的反應(yīng)。運(yùn)行程序通過分析蓄電池的浮充電壓數(shù)據(jù)，然后給出蓄電池欠充的結(jié)論后，第一時間進(jìn)行在線補(bǔ)充電的工作，能有效改善可能出現(xiàn)的負(fù)極板腐蝕現(xiàn)象，最終讓蓄電池恢復(fù)至正常浮充電狀態(tài)。

4 蓄電池失效診斷模型

眾所周知，單體電池落后會影響整組蓄電池的性能，因此及時發(fā)現(xiàn)并處理落后電池是日常維護(hù)工作中非常重要的環(huán)節(jié)。可以通過對蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測來判定蓄電池性能，但這種方式存在很大局限性，即蓄電池容量與內(nèi)阻不存在一一對應(yīng)關(guān)系，此外因?yàn)樾铍姵貎?nèi)阻較小，這就要求測試的精度非常高，而且電池處于不同狀態(tài)下其內(nèi)阻也是不同的，如果蓄電池處于不平衡狀態(tài)下，采用內(nèi)阻測試來診斷失效很容易得到錯誤結(jié)論。蓄電池的實(shí)時性能也無法通過單一的監(jiān)測蓄電池的電壓來體現(xiàn)，蓄電池的容量與蓄電池的浮充電壓也沒有一一對應(yīng)關(guān)系。雖然定期的核對性容量測試和內(nèi)阻測試可以定期地反映蓄電池的性能，但由于人力、時間等方面的原因，無法從理論上保證在下一次做核對性容量測試的一段時間內(nèi)，蓄電池的容量和性能是符合要求的。

本系統(tǒng)中以產(chǎn)生的大量電池運(yùn)行數(shù)據(jù)作為支撐，可以判定電池性能的變化與電池電壓的變化存在相關(guān)性。蓄電池性能隨著蓄電池使用時間的增加而不斷劣化，蓄電池容量會逐漸減少，而此時蓄電池電壓的離散性也會變得越來越明顯。依據(jù)這樣的特點(diǎn)，采用結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)的優(yōu)點(diǎn)的方式，用一種非線性處理的手段，基于某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可得到蓄電池是否失效的結(jié)論，從而建立了蓄電池失效診斷模型。蓄電池失效診斷模型通過幾個月的學(xué)習(xí)，即可給出分析結(jié)果，模型將利用反饋的測試結(jié)果不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)改進(jìn)，分析精度也會隨著時間的推移逐漸提高。診斷模型以柱狀圖、圖表等形式實(shí)時顯示蓄電池的健康狀態(tài)，及時預(yù)測蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)并維護(hù)故障蓄電池。蓄電池性能分析圖如圖2 所示，柱狀圖顯示了各單體電池的性能百分比。

圖2 蓄電池性能分析圖

5 總結(jié)

本文對蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行描述，蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施能夠讓變電站的蓄電池管理更加高效，可減少巡視次數(shù)，提高了蓄電池容量的續(xù)航能力，延長了蓄電池組使用壽命，使蓄電池的運(yùn)行更加安全，降低了發(fā)生事故的概率；節(jié)省了變電運(yùn)維工作的人力物力，提升運(yùn)維工作效率，并且符合智能化和自動化的時代發(fā)展需求；可大大提升變電站精益化運(yùn)維水平，保證了變電站直流系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。