變電站蓄電池遠程在線維護管理系統研究及應用

蔡 明，伍太萍，姚文昊，陳裕云，黃祎俊

（1.國網江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330052；2.國網江西省電力有限公司，江西南昌 330077）

0 引言

蓄電池是變電站直流電源系統的核心部分，其在充電裝置交流輸入電源停電時為二次系統直流負荷提供不間斷直流電源。當前，變電站電壓等級不斷提高，直流負荷日益增多，蓄電池的容量呈遞增趨勢，蓄電池在直流電源系統的維護費用占比遠大于充電裝置的維護費用占比。隨著無人值守變電站和智能化變電站的深化發展，實現蓄電池狀態檢修的智能化、高效化、無人化亦成為目前迫切需要解決的問題。

基于變電站蓄電池運行維護現狀，本文提出了一種新型蓄電池遠程在線維護管理系統，改變了傳統使用放電負載儀對離線蓄電池組進行核對性放電的維護方式，實現了單體蓄電池在線電壓巡檢、內阻測試和動態均衡以及蓄電池組遠程在線核對性放電，并進行工程應用驗證，為變電站蓄電池的運行維護提供有力保障。

1 蓄電池傳統運維模式

目前，變電站蓄電池大多數采用閥控鉛酸蓄電池（VRLA），其傳統運維模式是運維人員定期測量單體蓄電池電壓，并依據技術規程規定進行核對性放電檢驗其實際容量。核對性放電需要將蓄電池組脫離運行，以10%蓄電池容量的放電電流進行恒流放電，當任意一節蓄電池達到放電終止電壓值，才停止放電[1]，該方法費時費力，易損傷蓄電池。蓄電池需要多節串聯成組來滿足直流母線電壓的要求，這種運行方式存在先天弊病，盡管各節蓄電池充放電電流相同，蓄電池極板、電解液等部件及自放電卻略有差異，造成蓄電池組的一致性變壞，出現過欠充、容量衰減現象，隨著時間的推移，各節蓄電池電壓不均衡會逐步加劇，極大地縮短整組蓄電池的使用壽命。目前，針對蓄電池的檢測和維護，普遍采用蓄電池巡檢儀、內阻測試儀、放電負載儀，這些儀器存在只檢測不維護的缺點。為了提升少數欠充單體蓄電池電壓一致性，恢復其電壓和容量到規定范圍，傳統的方法是采用充電裝置定期（一般為3個月）自動或手動地對蓄電池組進行均衡充電[1]，實際上卻有損大部分正常單體蓄電池的性能，反而可能縮短蓄電池組的使用壽命。因此，對蓄電池組進行遠程在線核對性放電以及單體蓄電池在線電壓巡檢、內阻測試和動態均衡維護，是實現蓄電池狀態檢修的一個重要發展趨勢。

2 蓄電池維護新技術原理

2.1 蓄電池內阻在線測試原理

以測試模塊為單位，把蓄電池組分為多個單元段，采用直流放電法[2]，依次在每個單元段內測試各節蓄電池內阻，測試原理如圖1所示。

圖1 蓄電池內阻在線測試原理

基于四線制接線方式，測試模塊通過多路轉換器MUX控制接通放電電阻R0，依次對該單元段各節蓄電池進行瞬間直流放電，測量各節蓄電池瞬時放電電流I0，得出放電前后電壓Ui1、Ui2之間的壓降ΔUi，再利用歐姆定理計算各節蓄電池等效內阻。

由于整組蓄電池個數遠大于每個單元段蓄電池個數，充電裝置浮充電對單元段各節蓄電池放電的影響微乎其微，這樣解決了傳統蓄電池內阻直流放電測試法要求蓄電池組脫離直流母線的弊病，從而實現整套蓄電池內阻在線測試。

2.2 蓄電池動態均衡原理

在蓄電池組充放電過程中，特別是在蓄電池補充充電、事故放電后充電以及核對性放電后充電，由于充放電電流較大，均衡效果緩慢，長時間的過欠充對某些性能存在差異的單體蓄電池會造成損傷。因此，依據趨勢預估原理[2]，實時檢測各節蓄電池與蓄電池組平均單體的電壓偏差，當差值大于設定值時，預測該節蓄電池有可能過欠充，并提前介入均衡，從而避免造成蓄電池實質性的損傷。

本文采用雙向DC/DC變換器高放低充均衡原理，趨勢預估提前介入控制策略，實現蓄電池組動態均衡，均衡原理如圖2所示。

圖2 蓄電池動態均衡原理

雙向DC/DC變換器高壓側連接直流母線KM，低壓側通過K1～Kn開關連接蓄電池組各節蓄電池。欠充單體蓄電池接通K1～Kn對應開關經雙向DC/DC變換器由直流母線KM進行補充充電，過充單體蓄電池接通K1～Kn對應開關經雙向DC/DC變換器對直流母線KM進行旁路放電。在均衡過程中，始終甄別電壓偏差最大的單體蓄電池進行操作，依此類推，最終達到整組蓄電池各單體的均衡。

2.3 蓄電池組在線放電原理

傳統的使用放電負載儀對蓄電池組進行核對性放電的維護方式，存在動態移動性差、維護量大、時效性低、精度和可靠性不高等問題。本文采用DC/DC升壓的方式實現對蓄電池組在線核對性放電維護，DC/DC升壓原理如圖3所示。

圖3 蓄電池組在線放電原理

正常運行時，充電裝置供給蓄電池組浮充電和直流負荷工作電源。當需要用本裝置對蓄電池放電時，由控制器控制整個放電的過程。首先，直流接觸器常閉觸點斷開，DC/DC升壓模塊輸入電壓和輸出電壓疊加，逐漸升高直流負荷兩端電壓，當蓄電池組端電壓和DC/DC模塊輸出電壓之和高于充電裝置輸出電壓時，充電裝置停止輸出電流。此時，直流負載的電流完全由蓄電池提供，控制器采集放電電流，控制蓄電池處于恒流放電狀態，并計算放電時間和安時數。放電過程中，控制器時刻監測和穩定直流母線電壓（此電壓高于充電裝置輸出電壓），通過升高DC/DC模塊輸出電壓，補償蓄電池組降低的端電壓。當交電停電時，直流母線電壓不失電，達到在線放電的目的。

3 蓄電池遠程在線維護管理系統

蓄電池遠程在線維護管理系統具有功能模塊化、監測維護智能化、數據分析網絡化的特點，可實現對蓄電池內阻、電壓、電流、溫度等狀態信息的在線監測，并對單節蓄電池進行動態均衡；比較蓄電池內阻相對變化量，及時發現性能落后的單節蓄電池并告警，使運維人員實時掌控蓄電池組的運行狀況；對蓄電池組遠程/本地充放電控制，準確得知蓄電池組的實際容量，預判蓄電池組的可備用時間，保證直流電源系統的可靠運行。

蓄電池遠程在線維護管理系統由主站系統和分站系統組成，其系統架構如圖4所示。

圖4 蓄電池遠程在線維護管理系統架構

1）主站系統。主站系統負責統一管理、監控各分站系統的運行，包含系統服務器和監控工作站[3]。系統服務器安裝蓄電池遠程在線維護管理系統應用軟件及數據庫軟件，監控工作站安裝蓄電池遠程在線維護管理系統客戶端軟件，通過監控工作站監控整個系統的運行。蓄電池遠程在線維護管理系統APP客戶端采用移動互聯設計思想，將大數據、通信網絡、移動互聯、移動客戶端等功能進行系統化設計，可通過手機Web瀏覽器和APP軟件直接瀏覽，具有地理信息管理、站點信息管理、環境監測管理、告警信息管理、維護周期管理、監測設備管理等模式，呈現“大數據＋移動互聯”為一體的新模式。

2）分站系統。分站系統負責對蓄電池組運行工況及各分站設備進行實時監控，并對蓄電池組核對性放電及均衡充電進行自動控制。分站系統包含蓄電池集控單元、蓄電池監測單元、蓄電池維護單元和充電裝置。蓄電池集控單元是各個分站系統的大腦，負責整個分站系統的管理、控制、數據遠傳及異常處理。蓄電池監測單元包含監測裝置、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊和內阻測試模塊，負責實時監測各單體蓄電池電壓、內阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度，并通過自行設置各項運行參數的告警閥值，準確查找硫化、劣化的失效或準失效蓄電池，對所有監測信號超限作出告警。分站系統將運行參數與實時告警信息及時上傳至主站系統平臺，以圖形化界面直觀展現，以分布式、多樣化的手段存儲實時數據，便于日常運行維護和歷史數據查詢比對。蓄電池維護單元包含維護裝置、動態均衡模塊和遠程充放電模塊，以各單體蓄電池電壓、內阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度為依據，負責對各節蓄電池進行動態均衡維護和蓄電池組進行遠程/本地放電（核對性放電）控制。充電裝置負責對蓄電池組進行遠程/本地充電（均衡充電）控制。

3）蓄電池遠程在線維護管理系統采用三級組網方式，第一級由蓄電池監測單元、蓄電池維護單元和充電裝置組成，第二級為蓄電池集控單元，第三級為主站系統平臺。其中第一級與第二級采用RS232/485通信方式連接，第二級與第三級采用TCP/IP通信方式連接[3]。

4 工程應用

國網江西檢修公司集控中心的蓄電池遠程在線維護管理系統由1套主站系統和23套分站系統組成，通過主站系統遠程在線監測和維護23座500 kV變電站的46組蓄電池，可以動態均衡單節蓄電池，找出性能落后的單節蓄電池，精確得知蓄電池組的實際容量，極大地提高蓄電池維護的工作效率。

2016年6月，500 kV永修變電站進行蓄電池遠程在線維護管理系統改造。該站直流電源系統采用單母線分段接線，有2組蓄電池和3組充電裝置，配置1套蓄電池集控單元、2套蓄電池監測單元和2套蓄電池維護單元。均衡前，蓄電池組最大單體蓄電池壓差為156 mV，遠大于技術規程規定的50 mV[1]；均衡后，最大單體蓄電池壓差為25 mV，均衡效果顯著，符合預期目標。

2017年7月，500 kV永修變電站2組蓄電池進行年度核對性放電試驗，單體蓄電池最大開路壓差為22 mV，完成100%容量放電后，單體蓄電池最低電壓為1.82 V，2組蓄電池性能良好，遠超預期目標，達到同類蓄電池組的最佳運行狀態。

5 蓄電池遠程在線維護技術展望

逆變并網遠程放電是蓄電池遠程在線維護技術發展方向之一，具有節約放電核容成本，釋放運維人力；放電過程全程無熱量，安全可靠，適應電力系統自動化的要求，有效規避人工放電核容的操作風險。

圖5 蓄電池逆變放電關鍵技術線路圖

如圖5所示：圖中的充電模塊是單向線路，當關閉充電模塊時，由于母線電壓比蓄電池組電壓高，蓄電池組進入放電狀態。當交流電停電或整流器損壞時，導致母線上的充電模塊沒有輸出，蓄電池組通過二極管D即可對母線上的負荷放電，采用這種方式蓄電池組對負荷的供電是無縫接入的，充分保證了直流系統的安全性。二極管D是最核心的器件，是系統電路是否安全可靠關鍵點。

系統采用4個75 A工作電流的快速二極管進行冗余設計。實際測試過程中，即使系統采用200 A的直流負載，關閉充電模塊，蓄電池組通過二極管為負載提供200 A的電流，這些二極管的溫升仍控制在40℃以下。況且電力系統變電站直流負載最大電流一般不超過30 A，這個設計已預留充足冗余，充分保證系統的安全性。

6 結語

蓄電池遠程在線維護管理系統的研究及應用，改變了變電站蓄電池的傳統運維模式，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流電源系統的安全可靠性，增強了變電站反故障措施，實現了直流電源系統的大管理、大維護，顯著提升了直流電源系統的維護水平，從而有效避免直流電源系統事故的發生，為推進智能電網直流電源系統的智能化、高效化、無人化提供有力的技術和方案支撐。建議在變電站直流電源系統初設階段，考慮配置蓄電池遠程在線維護管理系統，對實測數據自動分析，自動預警，積累運行經驗后，可逐步延長蓄電池組核對性容量試驗周期，達到有效延長蓄電池組使用壽命，節約蓄電池定期維護和容量檢驗成本之目的。