通信蓄電池健康度綜合評價方法研究*

繆巍巍吳海洋施 健呂順利

（1.江蘇省電力公司 南京 210024）（2.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司） 南京 210003）

1 引言

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，電網(wǎng)節(jié)點得到快速增長，使得電力系統(tǒng)的調(diào)度監(jiān)控運行任務(wù)日益繁重，電網(wǎng)大規(guī)模、全過程的監(jiān)視、控制、分析、計算正向著動態(tài)、在線的方向轉(zhuǎn)變。通信系統(tǒng)作為實現(xiàn)智能電網(wǎng)信息傳輸、實時互動的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其高效實時、雙向聯(lián)通的特性為智能電網(wǎng)提高供電性能效率、有效運用資源、安全穩(wěn)定運行提供了堅實的技術(shù)支撐和傳輸媒體。電力通信蓄電池作為保障通信系統(tǒng)正常運作的最后一道安全保障，是電力系統(tǒng)安全可靠運行必不可少的重要環(huán)節(jié)。

蓄電池作為一種能量轉(zhuǎn)換器，可以在不同條件下將化學(xué)能和電能進行多次重復(fù)循環(huán)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)充電與放電。它被廣泛應(yīng)用于通信、電力、交通、醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域［1～3］。從二十世紀七十時代以來，鉛酸蓄電池經(jīng)過不斷改進完善，在化學(xué)能源領(lǐng)域中占據(jù)著越來越重要的地位。特別是閥控式密封鉛酸蓄電池的出現(xiàn)，因其具有電流放電性能強、電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、使用成本低廉、安全性高等眾多優(yōu)點，使其在絕大多數(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域和一些新興應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了牢不可摧的統(tǒng)治地位［4～6］。

然而近年來，免維護鉛酸蓄電池在實際使用過程中，因蓄電池故障導(dǎo)致的通信重大事故時有發(fā)生，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成極大的安全隱患。傳統(tǒng)的蓄電池日常維護工作通常采用人工方式定期進行，由于電網(wǎng)的通信蓄電池通常分布在不同等級的變電站通信機房中，很難保證做到專人監(jiān)管與檢測，同時也缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，無法對通信蓄電池開展有針對性的健康狀態(tài)評估，并實現(xiàn)潛在風(fēng)險事前預(yù)警。

本文在深入分析蓄電池特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合蓄電池運行狀態(tài)健康的定義，提出了一種針對電力通信蓄電池運行狀況的綜合判定方法，能夠在充電、放電和浮充等不同條件下對蓄電池的運行狀況健康度進行全方位的科學(xué)判定。本方法能夠針對蓄電池的不同狀態(tài)定性地判定蓄電池的健康狀況，從而有效提高蓄電池正常運行的保障水平。

2 蓄電池健康狀況定義

表征蓄電池運行狀況健康度最直接的特性參數(shù)不是額定容量，而是其實際容量大小。通常蓄電池有兩個重要的參數(shù)指標(biāo)，即SOC（State of Charge）和SOH（State ofHealth）［7～8］。

SOC指蓄電池的荷電狀態(tài)，其定義為其中，Cn表示其額定容量，Cr表示其剩余容量，Cu表示其已使用的容量。在蓄電池的實際使用過程中，一般會用蓄電池的實際容量Ca來代替額定容量Cn，從而能夠更準確地反映出蓄電池的真實荷電狀態(tài)。即：

SOH指蓄電池的健康程度（健康狀況），其定義為

其中，Ca表示其滿電狀態(tài)下的實際容量，Cn為表示其額定容量。

由于蓄電池的額定容量在出廠時便已明確，故在生產(chǎn)環(huán)境中判定蓄電池的健康狀況，主要是指對其實際真實容量進行估算與預(yù)測。當(dāng)前國內(nèi)外對于蓄電池實際真實容量的估算方法主要有傳統(tǒng)的電池內(nèi)阻法、安時計量法、開路電壓法等，也有新型的Kalman濾波法、灰色理論預(yù)測方法、模糊邏輯理論法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［9～13］。但在電力通信蓄電池的現(xiàn)場環(huán)境中，蓄電池實際容量估算會受到廠家品牌、充放電電流大小、溫度變化等眾多因素影響，使得蓄電池的實際容量變化計算是一個復(fù)雜的過程，現(xiàn)有的這些蓄電池實際容量的估算方法都有自身的優(yōu)缺點，且數(shù)據(jù)多在離線狀態(tài)下通過充放電測試獲取，難以實現(xiàn)在線條件下蓄電池容量的精確預(yù)測和估算。

3 蓄電池健康狀況綜合判定方法

3.1 蓄電池健康狀況綜合判定方法

在電力通信蓄電池現(xiàn)場環(huán)境中，蓄電池作為站房內(nèi)電力設(shè)備的后備電源，通常長期處于浮充工作條件下。只有在交流電源故障或停電的情況下蓄電池才會進行充放電操作。長期處于浮充狀態(tài)的蓄電池容易出現(xiàn)了老化、容量下降等需要更換的情況。實驗表明蓄電池的剩余容量與內(nèi)阻存在著負相關(guān)性，即蓄電池的剩余容量越高，其內(nèi)阻越小；反之蓄電池的剩余容量越低，其內(nèi)阻越大［14～15］。由于受到眾多因素影響，實際的蓄電池剩余容量與其內(nèi)阻之間的關(guān)系并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，不同品牌和不同型號的蓄電池之間存在較大差異，即使是同一品牌同類型號的蓄電池也會因生產(chǎn)批次不同產(chǎn)生較大的內(nèi)阻差值。所以，實際蓄電池單體的內(nèi)阻數(shù)據(jù)只能根據(jù)與其自身的歷史采樣數(shù)據(jù)進行縱向比較和綜合分析。

利用改進的安時法，并結(jié)合傳統(tǒng)的內(nèi)阻法，本文提出了一種針對通信蓄電池綜合判定其健康狀況的計算方法，在充放電期間進行蓄電池剩余容量的定量計算，記錄每個蓄電池單體在不同剩余容量下的內(nèi)阻值，從而為浮充期間定性分析蓄電池健康狀況提供了依據(jù)。

圖1 健康度綜合判定流程圖

3.2 放電條件下SOC的計算

傳統(tǒng)的安時法對蓄電池剩余容量的計算方法是通過對電流進行積分的方式來定量地計算剩余容量大小。其可表示為

然而蓄電池在不同的放電電流下，放電的時間會隨著放電的終止電壓不同而不同，最終使得蓄電池的實際剩余容量與安時法計算得到的估算電量存在較大差異。

因此，在剩余容量計算過程中，需要有針對性地修正不同的放電電流和不同的溫度所產(chǎn)生的測量誤差，以提高計算的精度。本文在傳統(tǒng)的安時法基礎(chǔ)上引入了K(A)作為修正因子，其計算公式如下：

其中，A為放電電流速率，K為影響因子。

設(shè)F(A)為蓄電池放電電流速率的系數(shù)，其與不同廠商、不同型號的蓄電池放電特性，以及實際放電時的放電電流速率A有關(guān)。蓄電池的放電特性可參考相應(yīng)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊。因此對于在放電期間的蓄電池剩余容量估算，只需要持續(xù)不斷地對放電電流進行監(jiān)測采樣，并通過一系列的計算就可以得到相對準確的蓄電池剩余容量值。

設(shè)δT為某工作溫度T下的蓄電池放電容量百分數(shù)，根據(jù)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊，可通過曲線擬合得出δT與工作溫度T之間的關(guān)系：

在放電條件下，K與F(A)成正比，與δT(T)成反比。通過放電期間對放電電流速率和工作溫度的持續(xù)監(jiān)測，即可計算出蓄電池的放電大小，進而得到剩余容量Cu。

根據(jù)式（2），則可計算出放電條件下的SOC：

其中，Cp為放電前的蓄電池剩余容量。若放電前蓄電池處于浮沖狀態(tài)時，則Cp=Ca。

3.3 充電條件下SOC的計算

在充電條件下，蓄電池剩余容量的估算精度會受到輸出效率的影響。輸出效率是指在一定條件下，蓄電池在放電期間所提供的電量輸出與再充電時達到滿荷電狀態(tài)時所需電量輸入的比值。輸出效率依賴于蓄電池的充電策略，通常有兩種基本的充電策略，恒壓充電和恒流充電。

在恒壓充電時，電路以恒定的充電電壓為蓄電池充電，當(dāng)時間達到某一限定值或者充電電流降至某一閾值時就會終止；在恒流充電時，電路以恒定的電流為蓄電池充電，當(dāng)電壓達到某一閾值時會終止。在恒壓充電和恒流充電時，輸出效率分別為充電電壓和充電電流的函數(shù)。根據(jù)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊，通過曲線擬合，可得出輸出效率與充電電壓和充電電流的關(guān)系為

其中，β(%)為輸出效率，Vi為恒壓充電時的充電電壓，Ai為恒流充電時的充電電流。

在充電條件下，K與β(%)、δT(T)均成正比，充電過程中蓄電池增加的容量可計算為

根據(jù)式（2），則可計算出充電條件下的SOC：

其中，Cp為充電前的剩余容量。

3.4 充放電條件下的SOH計算

1）放電條件下SOH計算

蓄電池在放電條件下，當(dāng)端電壓下降低于截止電壓時表明當(dāng)前蓄電池處于滿放狀態(tài)，此時蓄電池實際容量為Ca=Cu(max)，則SOH計算如下：

2）充電條件下SOH計算

蓄電池在充電條件下，當(dāng)充電電流小于最大浮充電流時表明當(dāng)前蓄電池處于浮充狀態(tài)，此時蓄電池實際容量為Ca=Cr(max)，則SOH計算如下：

3.5 浮充條件下蓄電池健康判定

電力通信現(xiàn)場的蓄電池長期處于浮充條件下，因此在浮充狀態(tài)下對蓄電池進行在線健康狀況的評價，即不影響蓄電池的正常保障，又可有效避免潛在隱患引起的生產(chǎn)事故。

在浮充狀態(tài)下，可根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的變化定性地評判蓄電池的健康狀態(tài)。本文采用開爾文四線檢測法來測量蓄電池的內(nèi)阻，即在兩個電流引線中引入低頻正弦交流電流信號，實時量測兩條電壓引線上正弦交流電流信號所形成的形成的電位差為URX。設(shè)定蓄電池等效內(nèi)阻為RX，根據(jù)不同容量下采樣蓄電池電阻的阻值，監(jiān)測當(dāng)前采樣電阻和蓄電池兩端的正弦交流信號峰值，則可計算出RX，其計算公式如下：

其中，RS為采集電阻，URX為該采樣電阻下的蓄電池電位差，URS為該采樣電阻下的采樣電阻電位差。

蓄電池的內(nèi)阻受廠家、型號和溫度等眾多因素影響，導(dǎo)致取值差異很大，同時由于監(jiān)測設(shè)備精度和測量方法的不同也會造成監(jiān)測的內(nèi)阻數(shù)據(jù)不同。因此，為保障蓄電池健康狀態(tài)的科學(xué)精確判定，可將每個蓄電池單體的內(nèi)阻歷史數(shù)據(jù)作為取值依據(jù)。同時，為確保采樣數(shù)據(jù)的歸一化和一致性，需將不同溫度下監(jiān)測的蓄電池內(nèi)阻換算成標(biāo)準溫度下的蓄電池內(nèi)阻，以盡可能減少由于溫度因素造成的精度誤差。

設(shè)定標(biāo)準溫度為Ts=20℃，通過對采樣數(shù)據(jù)的分析擬合出溫度與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系：其中，T為蓄電池工作溫度，R為蓄電池內(nèi)阻。

由于蓄電池單體內(nèi)阻與蓄電池單體SOC之間會呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，即SOC增大時，其內(nèi)阻會逐漸變小；SOC減小時，其內(nèi)阻會逐漸增大。因此，通過在充放電過程中的數(shù)據(jù)采樣，可建立每個蓄電池單體的SOC與內(nèi)阻數(shù)據(jù)模型，其對應(yīng)關(guān)系表如表1。

表1 SOC與內(nèi)阻映射關(guān)系表

在浮充條件下，健康狀態(tài)的蓄電池剩余容量應(yīng)等于蓄電池的實際容量，即其內(nèi)阻應(yīng)等于充放電條件下SOC為100%時的內(nèi)阻大小。通過采集浮充條件下的內(nèi)阻值，并與表1進行比對，即可快速檢索出當(dāng)前蓄電池的實際容量大小，從而能夠?qū)Ω〕錀l件下的蓄電池健康狀況進行定性。

根據(jù)固定設(shè)備用的閥調(diào)節(jié)鉛酸蓄電池的維修、試驗和更換的推薦實施規(guī)程要求，當(dāng)蓄電池的實際容量不到額定容量的80%時，蓄電池則應(yīng)該被替換。由此，當(dāng)蓄電池的內(nèi)阻大于SOC為80%時對應(yīng)的充電或放電內(nèi)阻時，表征蓄電池健康狀況已經(jīng)發(fā)生惡化，此時可提醒運維人員對蓄電池及時做出檢測與維護。

4 算法實現(xiàn)

根據(jù)蓄電池在充放電以及浮充條件下的健康狀況判定方法可知，對于蓄電池的監(jiān)測可以首先量測蓄電池的電流，判定該蓄電池所處的運行狀態(tài)，然后計算或預(yù)測蓄電池具體的SOC和SOH值。在健康度綜合評價過程中，持續(xù)監(jiān)測蓄電池電流的采樣頻率可根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境需要設(shè)定為0.5s/次或1s/次。蓄電池健康狀況綜合判定方法監(jiān)測的詳細工作流程如圖2所示。

圖中，Ib為監(jiān)測到的蓄電池電流；Vb為監(jiān)測到的蓄電池電壓；Ve為根據(jù)放電電流不同所設(shè)定的蓄電池終止電壓；If為根據(jù)實際應(yīng)用場景具體所設(shè)定的蓄電池浮充電流；Cp為監(jiān)測前的蓄電池剩余容量初始值，通常在蓄電池投運前進行監(jiān)測，若為投運后蓄電池為滿電狀態(tài)，則其與實際容量相同，即Cp=Ca。

5 結(jié)語

長期以來，投運后的通信蓄電池缺乏專人監(jiān)管與值守，難以有效保障蓄電池的正常可靠運行。本文針對電力通信的工作環(huán)境與運行方式，通過對蓄電池健康狀況定義的研究，提出了一種蓄電池健康度綜合評價方法，在充電、放電和浮充條件下對蓄電池進行全方位的健康狀況評定。在充放電條件下，利用改進安時法修正了放電速率、輸出效率和溫度對容量的影響，實現(xiàn)了蓄電池容量的精確計算，可定量地判定蓄電池的健康狀況；在浮充條件下，構(gòu)建了蓄電池的剩余容量與內(nèi)阻之間的在線動態(tài)模型，通過精確測量蓄電池的內(nèi)阻進而定性地判定蓄電池的健康狀況。最后本文給出運用該綜合判定方法的蓄電池健康狀況監(jiān)測工作流程。本方法具有適用性強、準確度高、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。但由于實驗條件限制，沒有對該方法進行大規(guī)模、大范圍的驗證分析。在后續(xù)的研究中，可以通過實際場景下的試點應(yīng)用，對該方法進行不斷地完善補充，進一步提高蓄電池實際容量的測量精度和健康狀況判定的準確性與通用性。

圖2 蓄電池健康狀況綜合判定方法流程圖