一种变电站用蓄电池在线维护系统的新技术研究
时间：2023-06-13 10:55:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张雨星，王梦齐，王朕伟，徐剑锋
(1.国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司，哈尔滨 150070；
2.国网黑龙江省电力有限公司兴凯湖供电分公司，黑龙江 鸡西 158300)
在变电站中，蓄电池组作为储能设备是电力设备的备用电源，也是变电站中的最后一道防线。电力系统正常运行时，蓄电池与充电机并联在直流母线上，处于浮充电的状态，在直流负载瞬时增大时，蓄电池可以无延时地提供较大的负载电流。当变电站失电时，蓄电池可为控制、保护、自动装置、断路器和隔离开关等重要的设备供电，保障其可靠动作[1]。由此可见，蓄电池的运行状态对保障电网安全有着重要意义。对于蓄电池的维护任务，最重要的就是对蓄电池的电压、内阻、容量等进行实时监测。当发现性能受损的蓄电池对其更换，维持蓄电池组的良好工作状态。
因此，该文提出一种对蓄电池组进行远程在线监测和核对性充放电的维护方案，对蓄电池的运行状态和相关参数进行远程实时监控。
目前，蓄电池的维护主要依靠变电运维人员到设备现场进行测量。传统的蓄电池检测方法主要有以下几种。
1.1 核对性放电
进行核对性放电时，须将蓄电池组脱离供电系统接到负载两端，以规定的电流对其恒流放电，使蓄电池电压降到一定值(通常为1.8 V)以下再停止放电[2]。通过放电时间可计算得到电池的容量，计算结果较为准确，可反应大多数电池组存在的问题[3]。但是，在此种方式下仅能给出测试时的蓄电池状态，无法得到运行时的性能，并且核对性充放电所需时间长，成本高，费时费力，在人力有限时难以有效开展，且对于有两组及以上蓄电池的变电站，核对性充放电工作较为复杂，如操作不慎，可能会影响变电站的安全运行。
1.2 电压测量
该方法是由运维人员直接到现场用万用表测量每节蓄电池的端电压，其可行性高，但操作较为繁琐。电压测量能检测出蓄电池的开路和短路状况，但是只能采集电压，反映问题不够全面。如实际运行中常出现蓄电池在浮充时电压正常，但放电时电压值迅速降低的情况，此方法仅能检测出严重劣化的电池，无法系统全面地了解电池组的运行状态[4]。
1.3 内阻测量
现阶段常用的内阻测量方案为运维人员到现场用内阻测试仪进行测量，可以通过测得蓄电池内阻的大小表征蓄电池状态的优劣[5]。但是，由于直流内阻测试只能测到内阻中的欧姆阻抗，无法测得极化阻抗，所以无法精确判断蓄电池的性能好坏[6]，需要结合其他数据进行比对，才可及时预判电池组可能出现的问题。
目前常用的几种检测方法都需要运维人员定期到现场进行维护。按照运行规程要求，蓄电池普测须每月进行一次，对于核对性充放电，新安装的阀控蓄电池在验收时应进行全容量核对性充放电，之后每2～3 年应进行1次全容量核对性充放电，运行6 年以上的阀控蓄电池，宜每年进行1 次全容量核对性充放电。由于是进行现场定期检测，所以上述方法存在以下缺点。
1)需要运维人员到所管辖的变电站现场检测，工作量大，耗费人力和时间成本。
2)受传统检测器材精度限制，难以精确掌握蓄电池运行状态。
3)周期检测的空窗期不能及时发现问题，容易出现隐患。
4)由于某些型号蓄电池的制造工艺问题，运行中存在的故障早期不易发现[7]。
5)定期检测得到的是离散数据，无法形成有效的评价体系。
因此，要提高运维站的工作效率，有必要采用基于电力物联网的远程充放电和远程监测技术来解决这一问题
该系统主要由负责单体电池数据采集的单体检测模块、数据汇总的汇集模块、和处理数据的主机部分组成。主机可在后台机的指令下进行核对性放电，并且可以将单节蓄电池的运行状态实时传送至后台机，实现对蓄电池组的在线维护。
2.1 系统的硬件组成
2.1.1 单体检测模块
单体检测模块是蓄电池组智能在线运维的基础。它的主要作用是对单节电池的内阻、极柱温度、电压进行实时监控，并且指定周期内对电池内阻进行测试。每节电池配置1个单体模块，用来实时获取蓄电池组中每节电池的实时运行状态。其体积为71 mm×55 mm×30 mm，可以方便地贴装在蓄电池表面，通过8针端子连接电池检测线缆，线缆再与电池极柱相连，从而实现单体模块对电池的检测。其示意图如图1所示。
图1 单体检测模块
表1为单体检测模块主要测量项的量程。按照规程描述，单节蓄电池电压在2.25 V左右，运行温度为5～35 ℃。常用蓄电池容量为300 A·h，内阻为0.7 mΩ。根据上述条件，单体模块量程满足蓄电池检测的需求。
表1 单体检测模块主要测量项的量程
2.1.2 汇集模块
汇集模块是单体检测模块和主机之间的桥梁。其主要作用为收集单体模块的监控和测试数据，定期启动单体模块的内阻测试，上传数据给主机，接受主机的测试命令，每组蓄电池组配置1个汇集模块。集模块体积为260 mm×100 mm×30 mm，可固定在电池架上。其示意图如图2所示。
图2 汇集模块
表2为汇集模块的主要参数。一般变电站用蓄电池组组端电压约为234 V，每组蓄电池约为104节。因此，汇集模块可以满足监测需求。
表2 汇集模块的主要参数
2.1.3 主机部分
主机部分是整个系统的主要处理器。它的作用是实时上传监控数据，并在测试结束后上传完成运维数据至后台设备，还可以在后台设备的平台软件中通过专网远程启动或停止，对蓄电池组进行充放电、单体内阻等测试。主机配有显示屏，也可在现场对其操作。
进行远程核对性放电时，主机远程接收后台设备的指令，通过控制切换模块来切换不同的开关，使蓄电池对放电模块的假负载放电。放电试验结束后，主机可自动控制切换模块来切换开关，通过充电模块对蓄电池组充电。
2.1.4 通信与数据传输
各模块之间的通信通过RS-485来实现，其具有通信速率高、距离远、抗干扰能力强等优点[8]。主机与后台设备之间的数据传输通过内网，可有效防止黑客入侵，增加系统的安全性。
2.2 系统的功能
蓄电池在线维护系统可实现蓄电池组单体电压、内阻、极柱温度、组端电压、组端电流、蓄电池容量等参数的在线监控及告警，使用户能实时了解蓄电池的性能状态。配备放电模块，可实现远程在线蓄电池放电，测试维护人员无需到测试现场，通过平台网络即可启动蓄电池组放电容量测试。采用目前最先进的全在线充放电技术，实现全在线放电测试。测试过程中蓄电池组实时在线，市电异常时，被测蓄电池组可立即给实际负载供电，保障系统安全；
测试结束后，可自动将蓄电池组接回系统，并对充电电流进行监测。在整个测试过程中，平台自动记录蓄电池的所有信息，并定制化报表，使运维人员更全面地掌握蓄电池的运行状态，提高蓄电池组的工作寿命。
实现远程自动充放电功能的原理图如图3所示。放电时，常闭接触器K11、K12断开，常开接触器K2、K3闭合，将蓄电池组脱离系统，由放电模块消耗蓄电池组的电量，通过功率模块自动调节至设置的放电电流，进行恒流放电。当达到放电停止条件时，放电模块停止工作，自动切换为恒流充电，此时K2、K3保持闭合，K1、K4随后闭合。限流充电模块开始工作，充电电流小于浮充电流且蓄电池组和电源压差小于一定值时，结束充电，常开接触器K1～K4断开，常闭接触器K11、K12闭合，蓄电池直接恢复在线状态，由整流器直接给蓄电池浮充电。
图3 充放电原理图
该系统现已装设于中心变电站2号蓄电池组，并对其完成了初步测试。该蓄电池组型号为GMF2-500YR，电池数量为105只。
3.1 硬件安装
设备现场安装图如图4所示。图4(a)为设备的主机部分，其中包括主控、充电模块、放电模块和切换模块。图4(b)为单体检测模块，将其安装到每节电池上监测单节电池运行状况。系统的各个模块都安装在蓄电池室。
图4 设备现场安装图
3.2 蓄电池组在线监测
如图5所示为后台设备上显示的蓄电池组实时运行监测界面。该界面可以实时反映每节蓄电池的组端电压，并且可以通过绿色和红色标注出最高和最低值，便于运维人员实时了解蓄电池组的运行状态。可设置高告警和低告警，当蓄电池电压达到报警线时发出告警，提醒运维人员将运行状态差的电池及时退出，保障整个蓄电池组安全运行。除了可以监视电压之外，还可以通过切换不同的窗口来查看每节蓄电池的内阻、温度等数据。
图5 单体电压数据图
通过电路拓扑图还可监测蓄电池组的运行状态。如图6所示为在线浮充状态，此时蓄电池和整流器(充电机)并联在负载上，充电机在给蓄电池浮充电的同时，又向负载供电。其余设备未接入电路。
图6 浮充电时电路拓扑图
如图7所示为蓄电池组放电状态时电路拓扑图。此时蓄电池未连接用电负载，通过放电模块的假负载来放电，如图中紫色流向所示。用电负载的电源由整流器单独供给，如蓝色流向所示。若整流器故障，蓄电池可通过续流二极管为用电负载供电。
图7 放电状态时电路拓扑图
如图8所示为充电状态时电路拓扑图。当放电状态停止后，系统自动对电池进行充电，此时整流器通过充电单元的限流电阻对蓄电池恒流充电。充电完成后自动恢复在线运行状态，即浮充电状态。
图8 充电状态时电路拓扑图
3.3 蓄电池组核容测试
如图9所示为蓄电池组核对性放电测试的参数设置界面。在此界面上，可以按照蓄电池组的具体要求设置放电电流和时间等参数。在启动放电过程中，系统随时判断在线电压情况。“在线电压低处理”设置为“停止”，当系统检测到电源系统在线电压过低时，系统将停止放电测试；
如果设置为“继续”，当系统检测到电源系统在线电压过低时，系统将继续进行放电测试。以上任一停止放电的条件满足后，都会停止放电，并上报停止原因。启动核对性放电测试时，蓄电池拓扑图显示为放电状态。
图9 放电参数设置界面
功能性方面，可使运维人员及时掌握蓄电池组的运行状态，通过实时数据与历史数据的对比对蓄电池可能出现的问题进行预防。在大幅减少运维人员工作量的同时，使运维人员对蓄电池组的实时运行状态更及时、精准的掌握。而且由于报警系统的存在，使蓄电池组出现问题不会被忽略。
推广性方面，由于整套系统安装较为方便，再加上电力物联网的普及，可以在运维站管辖的较大范围内的变电站安装该套设备，使运维人员可在运维站后台机上监测所有管辖变电站电池组的实时运行状态。
经济性方面，既减少了人力劳动成本，又减少了往来各个变电站之间的用车成本，还节约了车程、人员操作和充放电时等待的时间。并且可以通过实时监测及时发现蓄电池组的问题，对隐患早做处理，避免扩大损失，间接带来经济效益。
设计了一种变电站用蓄电池远程维护系统，该系统可以有效地弥补传统运维方式存在的缺陷。系统主要由采集单体电池数据的单体监测模块、汇总传输电池组数据的汇集模块和处理数据并与后台通信的主机组成，可监测蓄电池组的电压、内阻、温度等的实时数据，进行远程核对性充放电。
在实际应用中，该系统可以精准、及时地向远方的后台机传输蓄电池组的实时运行状态信息，生成可视化报表，对蓄电池异常告警。对公司节约成本，提升变电站智能运维的工作效率、可靠性和经济性有着重大意义。
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