蓄電池遠(yuǎn)程回饋式放電及大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管控技術(shù)的研究及應(yīng)用

肖 灑，張子康，陳 黎，曹 沖，彭云志

(1.國(guó)網(wǎng)孝感供電公司，湖北 孝感 432001；2.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432001)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的閥控式鉛酸蓄電池被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中[1-2]。近幾年國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)生多起蓄電池開路故障，導(dǎo)致變電站保護(hù)拒動(dòng)、越級(jí)跳閘，甚至還引起大面積停電事故；在不少省份電力系統(tǒng)蓄電池短路造成的蓄電池組燒毀事件時(shí)有發(fā)生；甚至發(fā)生多起蓄電池及直流母線失壓事故，導(dǎo)致主變燒毀嚴(yán)重后果[3-4]。

目前，蓄電池的維護(hù)方法主要是每年1次周期性核容性放電，對(duì)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度、容量等參數(shù)進(jìn)行跟蹤檢查，每次放電試驗(yàn)由繼電保護(hù)人員帶著直流系統(tǒng)綜合測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，笨重的設(shè)備加上人工短缺讓蓄電池的維護(hù)非常困難，但是這種試驗(yàn)不能實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能對(duì)蓄電池的各項(xiàng)重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，給蓄電池的運(yùn)行安全帶來隱患[5-6]。

如果結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)研制一種遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)的直流系統(tǒng)綜合測(cè)試儀，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程核容放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池重要數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)，還能夠大大降低維護(hù)人員工作量，提高工作效率。

1 蓄電池監(jiān)控現(xiàn)狀

1.1 計(jì)劃性維護(hù)

按照DL/T 724—2021《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》，4年內(nèi)投運(yùn)的蓄電池每2年進(jìn)行1次維護(hù)，運(yùn)行4年后的蓄電池每年進(jìn)行1次維護(hù)。220 kV含雙套電源電池組進(jìn)行全核放電，110 kV及以下單套電池組進(jìn)行半核對(duì)性充放電。這種計(jì)劃性維護(hù)時(shí)間間隔長(zhǎng)，對(duì)蓄電池的性能及運(yùn)行狀況不能實(shí)時(shí)掌握。另外，由于放電時(shí)間一般為5～10 h，時(shí)間較長(zhǎng)，放電過程中很容易造成直流失壓[7]。

1.2 通過蓄電池電壓來監(jiān)測(cè)蓄電池

目前很多供電公司通過單一的蓄電池電壓來判斷蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，這種判斷方法存在較大弊端，因?yàn)楹芏嘈铍姵卦诓粠е绷髫?fù)荷時(shí)，其端電壓是正常的。但是一旦投運(yùn)或接入負(fù)載，其端電壓迅速降低，不能滿足直流供電需求[8]。

1.3 定期內(nèi)阻測(cè)試

隨著國(guó)際上直流標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，蓄電池維護(hù)中進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試已經(jīng)逐漸取代單純的電壓檢測(cè)。電池內(nèi)阻基本被用來正確反映電池性能好壞的因素[9]。電池主要故障都會(huì)通過內(nèi)阻增大表現(xiàn)出來。蓄電池內(nèi)阻根據(jù)廠家不同、型號(hào)不同、批次不同，沒有固定定值或明確判斷標(biāo)準(zhǔn)，且由于測(cè)量設(shè)備、原理、測(cè)試人員不同，測(cè)試結(jié)果也不盡相同，因此一般要內(nèi)阻明顯增加或減少，才會(huì)引起維護(hù)人員注意，對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，也沒有縱向數(shù)據(jù)分析，主要通過測(cè)量結(jié)果橫向比較。

1.4 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

一般只測(cè)量端電壓及部分測(cè)量單體電池內(nèi)阻，極少測(cè)量單體電池的溫度，主要存在問題為沒有專人長(zhǎng)期跟蹤分析在線測(cè)量數(shù)據(jù)，到目前為止，還未見報(bào)道由蓄電池在線監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)落后電池，設(shè)備的精度、可靠性不夠，維護(hù)人員對(duì)其信任度不足也導(dǎo)致關(guān)注度不夠[10]。

2 蓄電池組核容現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于蓄電池核容檢測(cè)主要分為以下3種。

2.1 在線式測(cè)量法

a.在直流電源系統(tǒng)中，由蓄電池組給站內(nèi)直流負(fù)荷供電，根據(jù)電池巡檢模塊找出容量最低、電壓最低的蓄電池作為試驗(yàn)對(duì)象；

b.投入充電模塊對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，待蓄電池充滿后繼續(xù)充電1 h以上；

c.充電完成后，對(duì)蓄電池組進(jìn)行放電試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)放電時(shí)間10 h進(jìn)行，放電過程中，每小時(shí)對(duì)試驗(yàn)蓄電池進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，包括端電壓、溫度、內(nèi)阻；

d.放電結(jié)束后，通過整流模塊給蓄電池重新充電；

e.根據(jù)測(cè)量記錄數(shù)據(jù)繪制放電曲線。

2.2 核對(duì)性放電試驗(yàn)法

a.在直流電源系統(tǒng)中，通過充電模塊輸出電壓給直流母線供電，同時(shí)蓄電池輸出到直流負(fù)荷，蓄電池放電前后記錄蓄電池端電壓、單只電池電壓及實(shí)際核容，放出額定容量的30%～40%為止；

b.放電結(jié)束后，要對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，充電過程中一般先均充，均充至定值時(shí)轉(zhuǎn)浮充直至充滿；

c.根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，由直流系統(tǒng)綜合測(cè)試儀自動(dòng)繪制放電曲線，之后再進(jìn)行放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以判斷蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 定期核容放電

周期為1～2年，放電容量為80%×C10，使用放電電流0.1C負(fù)載型放電，發(fā)熱大、風(fēng)險(xiǎn)高。如果某只電池小于80%×C10，進(jìn)行活化處理并更換新電池。

現(xiàn)有蓄電池核容方法操作比較繁瑣，首先至少需要2名維護(hù)人員，復(fù)雜的直流系統(tǒng)綜合測(cè)試儀以及接線都會(huì)給核容工作帶來很大困擾，而且還存在復(fù)雜的開票手續(xù)。另外，隨著每個(gè)地市供電公司對(duì)直流系統(tǒng)的重視程度不同，很多蓄電池并不在定檢周期內(nèi)完成，很多都是超期進(jìn)行試驗(yàn)，這給蓄電池的管理維護(hù)帶來較大弊端。為解決蓄電池定期放電核容管理問題，蓄電池遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)的使用在未來幾年勢(shì)在必行。

3 蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)

本文提到的一種蓄電池遠(yuǎn)程回饋式放電及大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管控技術(shù)的研究及應(yīng)用，主要通過研制一套蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)裝置應(yīng)用于各變電站。該維護(hù)系統(tǒng)主要分為兩大功能，分別是監(jiān)測(cè)功能和維護(hù)功能，主要對(duì)充電模塊的輸出電壓、蓄電池組端電壓及端電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池組滿足放電要求時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池自動(dòng)脫離直流母線，接入系統(tǒng)自帶的逆變裝置，通過自動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)放電。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到放電時(shí)間及放電電壓達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接入逆變裝置，同時(shí)接入直流母線，進(jìn)行充電，充滿后浮充一段時(shí)間后自動(dòng)投入運(yùn)行。這種在線維護(hù)及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠解決蓄電池長(zhǎng)時(shí)間充電而無法放電問題，能夠監(jiān)測(cè)蓄電池的實(shí)際運(yùn)行情況。并且該項(xiàng)目研究的裝置能把安全性在線放電放出的電量通過逆變回饋到電網(wǎng)，符合綠色環(huán)保要求。

3.1 蓄電池在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)蓄電池組端電壓、單體電壓、內(nèi)阻及蓄電池組溫度、環(huán)境溫度等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的告警動(dòng)作，與蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)裝置配合完成蓄電池充放電、核容等維護(hù)工作，并記錄保存運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的在線監(jiān)測(cè)，支持對(duì)蓄電池的自動(dòng)化維護(hù)工作。

系統(tǒng)由1組蓄電池、1套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及安裝在蓄電池室的電池在線監(jiān)測(cè)單元和霍爾電流傳感器、監(jiān)測(cè)信息顯示查詢系統(tǒng)、蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)、蓄電池單體監(jiān)測(cè)模塊組成，2組蓄電池的監(jiān)測(cè)信息顯示查詢系統(tǒng)共用1臺(tái)主機(jī)，安裝在控制室屏柜，具有3路RS485、1路RJ45網(wǎng)口、告警干接點(diǎn)輸出。

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)：每個(gè)蓄電池正極或負(fù)極都連接有巡檢模塊，主要用來采集蓄電池電壓及內(nèi)阻和溫度，并通過專用通信總線和專有規(guī)約與蓄電池在線監(jiān)測(cè)單元通信。蓄電池在線監(jiān)測(cè)單元通信安裝在蓄電池附近，將蓄電池組的組端電壓、組端電流及交流竄入電壓采集處理后，從單體模塊收上來的單體狀態(tài)一起打包上傳給蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)。蓄電池在線監(jiān)測(cè)單元將當(dāng)前的蓄電池工作狀態(tài)與蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)下發(fā)的各個(gè)狀態(tài)量閾值進(jìn)行比較，當(dāng)某些狀態(tài)量超出閾值時(shí)，進(jìn)行聲光告警，并將狀態(tài)量與告警信息打包上傳給蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置及當(dāng)前電池工作狀態(tài)，智能判定充放電過程，計(jì)算充放電容量，檢測(cè)蓄電池組開路故障。并支持與CAC主站、放電裝置，交竄直監(jiān)測(cè)告警裝置通信，記錄電池維護(hù)和故障的歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)波形，并支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)，供電站的維護(hù)人員參考，給后續(xù)投資、建設(shè)及維護(hù)工作提供依據(jù)。

3.2 蓄電池遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)

蓄電池遠(yuǎn)程充放電系統(tǒng)主要包含能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行遠(yuǎn)程充放電的成套設(shè)備、監(jiān)控裝置、放電設(shè)備、采集終端、操作終端、組合電器等。

遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái):通過網(wǎng)絡(luò)訪問登陸進(jìn)行蓄電池遠(yuǎn)端設(shè)備監(jiān)測(cè)及控制的用戶終端。

蓄電池監(jiān)控裝置:采集直流母線電壓、蓄電池組電壓、蓄電池單體電壓/溫度/內(nèi)阻、放電模塊溫度等參數(shù)信息，并上傳至上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)異常狀況自動(dòng)預(yù)警，同時(shí)接受上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)控制與調(diào)節(jié)命令的設(shè)備。

逆變器放電設(shè)備:采用逆變并網(wǎng)技術(shù)，將放電的電能轉(zhuǎn)換成交流電并網(wǎng)到站用交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組無熱量放電的一種電子裝置。

集中控制單元:安裝在廠站內(nèi)的蓄電池遠(yuǎn)程充放電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制中心，協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他設(shè)備工作以實(shí)現(xiàn)蓄電池監(jiān)測(cè)的設(shè)備，可連接遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)提供數(shù)據(jù)上行、下行功能。

雙組切換裝置:連接2組蓄電池組與逆變器放電，將其中1組蓄電池接入逆變器放電設(shè)備形成放電保護(hù)回路的設(shè)備。

離線式遠(yuǎn)程放電:通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)蓄電池與直流母線脫離進(jìn)行放電。

間接在線式遠(yuǎn)程放電:進(jìn)行遠(yuǎn)程放電時(shí)，蓄電池組依然作為后備電源，當(dāng)母線失壓時(shí)，具備向直流母線供電的能力，但同時(shí)直流母線無法向蓄電池組進(jìn)行供電，保證蓄電池組核對(duì)容量的獨(dú)立性。

在線式遠(yuǎn)程放電:在遠(yuǎn)程進(jìn)行充放電時(shí)，蓄電池組和直流母線隨時(shí)連通，根據(jù)實(shí)際要求可隨意相互連通。

結(jié)構(gòu)組成：由蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)主機(jī)、在線放電切換裝置、充電屏狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、母聯(lián)屏狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置組成、在線回饋式放電裝置、電控母聯(lián)開關(guān)和其他電控?cái)嗦菲髑袚Q裝置等具有3路RS485、1路RJ45網(wǎng)口、告警干接點(diǎn)輸出。

3.3 蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)適用于2組蓄電池組、2組充電機(jī)的變電站。K1-K9均為電控帶輔助觸點(diǎn)斷路器，K1為2組蓄電池母聯(lián)斷路器，K2、K5為充電機(jī)到母線斷路器，K3、K4為蓄電池到母線斷路器，K6、K7為充電機(jī)到蓄電池?cái)嗦菲鳎琄8、K9為蓄電池到逆變電源斷路器，以上所有開關(guān)都能電控操作，并且?guī)в休o助觸點(diǎn)。蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蓄電池綜合監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

放電前準(zhǔn)備：以蓄電池組1放電作業(yè)為例，合閘母聯(lián)斷路器K1，分閘斷路器K2、K3， 即可保證母線I段正常運(yùn)行。

開始放電作業(yè)：以蓄電池組1放電作業(yè)為例，合閘斷路器K8即可開始放電。

放電完成恢復(fù)：放電結(jié)束后，分閘斷路器K8，合閘斷路器K6，用充電機(jī)對(duì)蓄電池1進(jìn)行均充充電，均充完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充，浮充完成后斷開斷路器K6靜置待蓄電池，待蓄電池電壓與母線電壓之差絕對(duì)值小于5 V即可投入斷路器K3，再投入斷路器K2，斷開斷路器K1，結(jié)束放電過程。

4 結(jié)論

a.蓄電池遠(yuǎn)程回饋式放電及大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示蓄電池組端電壓、電流，單體電池的電壓、溫度、內(nèi)阻，并根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行告警；將電池的歷史電壓、內(nèi)阻、溫度數(shù)據(jù)記錄保存。

b.實(shí)現(xiàn)蓄電池在線自動(dòng)維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)容量不足的蓄電池，全自動(dòng)遠(yuǎn)程安全性放電控制策略，有效防范蓄電池放電過程的異常，并大大提高工作效率和質(zhì)量。

c.實(shí)現(xiàn)蓄電池組安全性在線放電放出的電量通過逆變回饋到交流電網(wǎng)，放電發(fā)熱量大大減少，符合綠色環(huán)保要求。

d.研究基于大數(shù)據(jù)的蓄電池監(jiān)測(cè)信息管控技術(shù)，綜合分析蓄電池的溫度、內(nèi)阻、端電壓、電動(dòng)勢(shì)及充放電狀態(tài)下的多種變量，記錄蓄電池全生命周期，分析電池多變量變化趨勢(shì)橫向、縱向智能對(duì)比準(zhǔn)確預(yù)判蓄電池狀態(tài)，形成智能分析策略，通過橫向、縱向?qū)Ρ却髷?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。

e.研究基于云平臺(tái)的二次檢修安全風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)管控與預(yù)警方法，全面記錄蓄電池在線監(jiān)測(cè)信息歷史數(shù)據(jù)，記錄蓄電池全生命周期大數(shù)據(jù)，利用其多變量變化趨勢(shì)橫向、縱向智能對(duì)比準(zhǔn)確預(yù)判蓄電池狀態(tài)，針對(duì)預(yù)置的告警、故障、危險(xiǎn)點(diǎn)，實(shí)時(shí)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提前預(yù)警以及危險(xiǎn)故障，并推送到指定檢修站點(diǎn)的便攜接入端。