蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)研究及價(jià)值分析

熊惠敏

（南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099）

0 引言

蓄電池組在變電站直流供電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其穩(wěn)定性、可靠性對(duì)于變電站電力設(shè)備的安全運(yùn)行有非常重要意義。目前變電站閥控式蓄電池放電運(yùn)維技術(shù)多樣，文獻(xiàn)[1-5]分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)蓄電池的電流、電壓、溫度等主要參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，然后通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，對(duì)蓄電池的綜性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)給信息負(fù)責(zé)人，以此方式來保障整個(gè)變電站蓄電池組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是沒有進(jìn)行核容放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)放電過程的節(jié)能環(huán)保，將能量回饋電網(wǎng)目的。文獻(xiàn)[6-10]均實(shí)現(xiàn)了一鍵式啟動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人值班模式下，變電站蓄電池的集約化管理，但是沒有設(shè)計(jì)二次設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，風(fēng)險(xiǎn)管理以及檢修決策。本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變電站蓄電池組的遠(yuǎn)程在線智能節(jié)能核容放電，可以對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的在線監(jiān)控，若后臺(tái)發(fā)現(xiàn)蓄電池發(fā)生故障能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理。同時(shí)利用本系統(tǒng)的獨(dú)有放電模式提高放電試驗(yàn)的安全性、智能性、環(huán)保節(jié)能等，并提高放電效率，減輕核容放電過程的人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 主站端系統(tǒng)架構(gòu)

蓄電池核容放電系統(tǒng)主站可分為：遠(yuǎn)程在線控制系統(tǒng)、二次設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)、二次狀態(tài)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)。將三個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組件進(jìn)行統(tǒng)一，共同建立數(shù)據(jù)庫，把蓄電池的故障案例與狀態(tài)監(jiān)測的歷史狀況儲(chǔ)存在里面，與外在的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行緊密制約交流。其核容放電系統(tǒng)主站軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站蓄電池核容放電系統(tǒng)主站軟件架構(gòu)

1.2 變電站站端系統(tǒng)架構(gòu)

變電站站端系統(tǒng)收集變電站直流系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)，主要包含：蓄電池電壓、蓄電池組電流、蓄電池組溫度、單體電池電壓、單體電池電流等。按照直流系統(tǒng)維護(hù)的要求進(jìn)行核容放電的參數(shù)設(shè)置。

然后將實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫里面，建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，得出變電站直流系統(tǒng)是否工作在正常狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)故障就可以及時(shí)的采取相應(yīng)的措施。其核容放電系統(tǒng)站端主監(jiān)控單元軟件構(gòu)架如圖2所示。

圖2 變電站蓄電池核容放電系統(tǒng)站端主監(jiān)控單元軟件架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能

2.1 直流系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與評(píng)價(jià)主站系統(tǒng)研究

隨著變電站智能化的發(fā)展，無人值守的模式也在不斷應(yīng)用，變電站的直流在線監(jiān)測系統(tǒng)功能也在升級(jí)。

針對(duì)當(dāng)前主站系統(tǒng)只具有蓄電池組核容放電的監(jiān)盤，可以查詢放電歷史記錄，但不具備遠(yuǎn)程放電控制功能。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)放電遙控、遙信功能，使得運(yùn)維人員可以使用主站系統(tǒng)的放電監(jiān)控功能模塊，實(shí)現(xiàn)蓄電池組在線核容放電遠(yuǎn)程控制功能。同時(shí)蓄電池直流系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，直接涉及變電站控制系統(tǒng)的后備電源穩(wěn)定可靠，因此放電模式也需要升級(jí)開發(fā)，增加放電安全控制。本系統(tǒng)還對(duì)放電模式設(shè)置包括放電終止組端電壓、單體終止電壓、放電容量、放電時(shí)間、蓄電池組正負(fù)極溫度和環(huán)境溫度限值等定值設(shè)置，綜合多個(gè)定值參數(shù)確保放電安全。根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，蓄電池組核容放電過程需要滿足可控性，并在放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，包括電壓、電流和內(nèi)阻等。按照核容實(shí)驗(yàn)計(jì)劃生成放電記錄報(bào)表，對(duì)放電過程中發(fā)現(xiàn)容量不足問題，需反復(fù)試驗(yàn)，參考放電曲線及放電模型提供科學(xué)依據(jù)，輸出相應(yīng)的報(bào)表以便后續(xù)問題處理和存檔。出于安全性考慮，蓄電池組的單體電池參數(shù)對(duì)放電過程控制重要性非常高，單體電壓作為放電終止條件之一需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 變電站側(cè)總監(jiān)控單元研究

當(dāng)前總監(jiān)控單元提供就地的核容放電操控功能，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線控制，需要擴(kuò)展放電遙控和遙信功能。本系統(tǒng)主要是對(duì)通信前置機(jī)的協(xié)議擴(kuò)展，接收主站系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，并通過命令解析實(shí)現(xiàn)指令轉(zhuǎn)換并控制站端核容放電執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程核容放電。升級(jí)開發(fā)變電站側(cè)就地放電模型處理功能，增加單充單蓄深度放電模式和雙充雙蓄全核容模式，兩種模式可遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)切換。放電截止參數(shù)除了傳統(tǒng)的蓄電池組電壓、單體電池電壓、放電時(shí)長和放電容量外，還增加了蓄電池組正負(fù)極溫度越限及故障狀態(tài)下的自動(dòng)停止放電，并恢復(fù)蓄電池投入。升級(jí)開發(fā)對(duì)核容放電動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的處理，在放電過程中總監(jiān)控實(shí)時(shí)記錄蓄電池組的電壓、電流、正負(fù)極溫度、環(huán)境溫度、單體電壓等數(shù)據(jù)，其中測試和試驗(yàn)過程中的無效數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)模型自動(dòng)過濾，然后上送到直流電源狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)。

2.3 變電站側(cè)在線放電控制單元研究

改造在線放電控制單元的動(dòng)態(tài)在線放電邏輯，使用新的硬件模塊開發(fā)相應(yīng)的功能，滿足單充單蓄變電站的動(dòng)態(tài)深度放電和雙充雙蓄全核容放電需求。根據(jù)靜態(tài)全核容放電規(guī)程，增加放電控制器通過切換控制回路的開關(guān)，使蓄電池組臨時(shí)脫離直流母線進(jìn)行全核容，待核容完畢再投入進(jìn)行蓄電池充電，按規(guī)程反復(fù)進(jìn)行3次并記錄放電容量。對(duì)于單充單蓄變電站，蓄電池組不能脫離母線進(jìn)行全核容，增加放電控制器的控制功能，使蓄電池保持始終在線，通過逆變模塊的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)在線核容放電。在母線故障和交流失電的情況下，平滑過渡到蓄電池供電。考慮到網(wǎng)絡(luò)通信故障或總監(jiān)控單元故障情況下，如果以集中式進(jìn)行放電，即放電模型全部由總監(jiān)控單元完成，會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)放電控制器的升級(jí)開發(fā)，增加模塊的獨(dú)立運(yùn)行保護(hù)功能，實(shí)時(shí)判斷網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，異常情況下快速停止核容放電，避免由于蓄電池過放造成直流系統(tǒng)故障下不能有效供電。新的放電控制器與變電站側(cè)主監(jiān)控單元通信功能實(shí)現(xiàn)，包括通信協(xié)議定義、點(diǎn)表設(shè)置、狀態(tài)同步機(jī)制、通信異常處理等。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有高度精細(xì)化，影響蓄電池穩(wěn)定運(yùn)行不僅僅電池本身狀態(tài)，還涉及直流系統(tǒng)的其他相關(guān)設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)維，本系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括蓄電池組端電壓、組端電流、單體電壓、單體內(nèi)阻、單體容量、蓄電池組正負(fù)極溫度、環(huán)境溫度、紋波系數(shù)；以及充電裝置輸出電壓、電流、充電裝置輸入電壓、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、均流系數(shù)；直流母線電壓、電流；饋電屏饋線支路對(duì)地電阻、對(duì)地電壓等等。

系統(tǒng)能夠全面顯示狀態(tài)異常及告警信息，如蓄電池組電壓異常（充電過壓、欠壓或放電欠壓）、單只蓄電池電壓異常、蓄電池溫度異常、環(huán)境溫度異常、蓄電池組輸出斷路器脫扣、流饋線斷路器脫扣總告警、饋線開關(guān)狀態(tài)、直流母線電壓異常（過壓、欠壓）、直流母線絕緣異常（絕緣電阻降低或接地）、交流進(jìn)線電源異常、交流母線電壓異常、交流輸入電源異常（過壓、欠壓、缺相、零線故障）、高頻整流模塊異常（輸入輸出保護(hù)告警或故障）、直流饋線斷路器脫扣總告警、饋線開關(guān)狀態(tài)；支路絕緣異常、監(jiān)控裝置故障等等。通過此在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)定位故障，排除隱患，保障安全基于多頻點(diǎn)交流放電法檢測技術(shù)，檢測單體電池電壓、極柱溫度、內(nèi)阻（極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻）、極化電容等，異常情況系統(tǒng)報(bào)警；快速定位故障與落后電池，預(yù)留維護(hù)準(zhǔn)備時(shí)間。

系統(tǒng)具有定時(shí)電池自動(dòng)安全巡檢功能，能夠保障電池系統(tǒng)有效與安全，準(zhǔn)確了解電池運(yùn)行狀態(tài)，休眠設(shè)定、取電值低，不傷電池；檢測自動(dòng)化，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時(shí)此遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)還具有使得數(shù)據(jù)采集方式更靈活；系統(tǒng)分布式模塊化設(shè)計(jì)，安裝方便省力；精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理，減少電池浪費(fèi)，節(jié)約成本；獨(dú)創(chuàng)在線均衡專利技術(shù)，少量故障電池更換方案等特點(diǎn)。

使用RS485或采用載波（PLC）技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)就地采集，PLC方式不需要任何通信線，也不采用對(duì)其他設(shè)備影響較大的無線通信方式。采用快速接頭，多種安裝模式，分布式模塊智能化配置，即插即用。現(xiàn)場的安裝時(shí)間和費(fèi)用大幅降低，支持電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)變電站的不同直流系統(tǒng)配置和接線方式，分組模塊下實(shí)施，一組電池可以控制在10分鐘內(nèi)安裝完畢。基于電池組運(yùn)行數(shù)據(jù)的離散性特點(diǎn)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，準(zhǔn)確判斷電池狀態(tài)，估算單體電SOH與SOC健康數(shù)值。便于制定合理更換方案，減少良性電池浪費(fèi)；減少維護(hù)和管理人力支出。在線均衡電池管理，主動(dòng)+被動(dòng)組合均衡模式，矯正異常，延長電池使用壽命；少量更換新電池，通過均衡與原電池組趨于一致，延長電池組壽命。

3.2 蓄電池遠(yuǎn)程在線核容放電維護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)

蓄電池核遠(yuǎn)程在線核容放電維護(hù)實(shí)驗(yàn)方式相比于傳統(tǒng)的核容方式會(huì)更安全可靠，系統(tǒng)支持蓄電池在線不脫離核容放電，在交流輸入異常、直流母線失去電壓或電壓過低時(shí)，蓄電池組0秒投入確保直流系統(tǒng)安全。其放電模式多樣，滿足不同電壓等級(jí)蓄電池核容放電規(guī)程，本系統(tǒng)支持單充單蓄變電站蓄電池組在線深度放電，同時(shí)也支持多充多蓄配置的變電站進(jìn)行全核容放電試驗(yàn)，放電模式更靈活。

核容放電過程具有高度的可控性，可以通過系統(tǒng)進(jìn)行放電參數(shù)設(shè)置，包括放電終止組端電壓、單體終止電壓、放電容量、放電時(shí)間、蓄電池組正負(fù)極溫度和環(huán)境溫度限值、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)等，以及網(wǎng)絡(luò)通信故障、交流輸入故障、直流母線欠壓等異常狀況下自動(dòng)停止放電試驗(yàn)，并恢復(fù)充電，使放電過程安全可控。-同時(shí)保證放電過程的節(jié)能環(huán)保，采用高頻整流技術(shù)，能量回饋電網(wǎng)，無熱量，安全可靠，效率可達(dá)85%。注入電網(wǎng)的電流為正弦波，失真度不大于5%。交流端具備限流、短路、缺相等保護(hù)功能，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。

4 系統(tǒng)價(jià)值分析

從多人工用時(shí)、安全性、放電科學(xué)性、充電科學(xué)性、節(jié)能、維護(hù)便利性多方面比較，蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)維護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢如表1所示：

表1 蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)與傳統(tǒng)維護(hù)技術(shù)的比較

蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)從人力安全、充放電科學(xué)性、節(jié)能、維護(hù)便利等方面各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)維護(hù)技術(shù)。其作用是節(jié)能核對(duì)性放電準(zhǔn)確的掌握電池組容量，智能兩組均充有效的避免電池組過充現(xiàn)象發(fā)生，準(zhǔn)確預(yù)判電池組的續(xù)航能力為停電調(diào)度作出正確依據(jù)，嚴(yán)格把關(guān)電池初裝及質(zhì)保期內(nèi)合格率。

從成本上分析蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)成品生產(chǎn)定型后，硬件成本、管理平臺(tái)軟件、生產(chǎn)線調(diào)試及現(xiàn)場安裝費(fèi)用比市場上的大部分廠商要優(yōu)惠，但存在少數(shù)功能簡化的廠商同類產(chǎn)品價(jià)格比蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)低，成本控制較好。BRES系統(tǒng)定位是：做好監(jiān)測智能控制運(yùn)維，為用戶提供蓄電池的即時(shí)續(xù)航能力。應(yīng)基于提高產(chǎn)品質(zhì)量下可適當(dāng)降低生產(chǎn)成本，不應(yīng)犧牲質(zhì)量而提高性價(jià)比，關(guān)乎安全生產(chǎn)應(yīng)重視。

5 結(jié)語

蓄電池運(yùn)維系統(tǒng)具備很好的優(yōu)勢，變電站采用本系統(tǒng)是全過程技術(shù)監(jiān)督的其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是入網(wǎng)檢測的一個(gè)環(huán)節(jié)，有利于產(chǎn)品把關(guān)和后續(xù)服務(wù)。通過技術(shù)監(jiān)督手段對(duì)整個(gè)變電站直流電源系統(tǒng)功能定位及運(yùn)維需求獲得更詳細(xì)的產(chǎn)品需求性理解和技術(shù)思考，蓄電池遠(yuǎn)程智能節(jié)能運(yùn)維系統(tǒng)可作技術(shù)的部分拓展，滲透到變電站站用交直流一體化成套系統(tǒng)設(shè)備和服務(wù)，分散產(chǎn)品市場風(fēng)險(xiǎn)，提高服務(wù)競爭力。