直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置的研制與應用分析

宋延輝

（國網江蘇省電力有限公司 建湖縣供電分公司，江蘇 建湖 224700）

0 引 言

在變電站中，直流系統的用電負荷是極為重要的。在外部交流電中斷的情況下，蓄電池組一旦無法繼續可靠地為工作設備提供直流工作電源，就可能會造成整站癱瘓的嚴重故障，從而引起重大事故。直流蓄電池可靠與否對整站和電網的安全運行起著至關重要的作用，是安全運行的保證。

1 直流蓄電池設備運行管理現狀分析

目前，直流系統監測裝置常規監測數據主要包括蓄電池組電壓、母線電壓、充放電電流、浮充電流、單體電壓、單體內阻、容量以及開關位置等參數。裝置對參數進行對比判斷，在參數異常時發出報警信號。對蓄電池組的運行維護主要靠監測裝置告警和一年一度的核對性充放電試驗[1]。

某公司現有變電站24座，其中不能監測蓄電池組內阻功能的有19座。這些變電站運行年限未達改造周期，蓄電池組的質量和壽命監測只能依靠每年一度的核對性充放電試驗，中間存在空窗期。據統計，2015—2018年發生的直流系統故障中，蓄電池缺陷占比達30%，嚴重影響了系統的運行安全。

目前運行的直流系統基本都具有實時的常規數據在線監測功能，新的甚至增加了內阻監測功能，但只是單純地對數據進行監測和簡單的報警，并沒有充分利用監測數據為蓄電池組提供全壽命周期內的安全管控和檢測，存在著無法實現部分和薄弱環節。本文研制的裝置能彌補目前直流系統蓄電池組運行管理中存在的漏洞，通過實現與現有監測系統的通信，盡可能整合現有監測裝置的數據，并引入新的算法。采用時域和狀態域融合的判斷機制，通過蓄電池狀態在時間域的變化趨勢來預估分析蓄電池性能的變化和健康狀況，時刻監控蓄電池的健康狀況，及時預警，確保交流失電的關鍵時刻能正常給重要負荷供電。

2 直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置的研制

本直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置的研制，主要包括蓄電池剩余容量及健康狀況預估、蓄電池內部及接地故障監測兩項核心功能[2]。

2.1 總體設計思路

總體設計思路和原則是作為目前直流系統的輔助監測，管控直流系統監測中無法實現的部分和薄弱環節，增加直流系統運行的可靠性。劃分蓄電池組運行中需監測的狀態，采用模塊化監測的方式實現蓄電池狀態的完整監測，同時可根據實際需要選擇合適的模塊進行安裝和調試，以適應不同的現場安裝環境。系統具有實時動態評估和分析能力，并采用時域和狀態域融合的判斷機制方式，通過蓄電池狀態在時間域的變化趨勢來預估分析蓄電池性能的變化和健康狀況。本裝置基本功能框架如圖1所示。

圖1 系統基本功能框架圖

2.2 蓄電池工作狀態及性能監測原理分析建模

實時采集并在線監測蓄電池運行的各項數據，并對采集的監測數據進行軟件計算分析,具體技術方案如下。

2.2.1 蓄電池數據軟件智能分析

通過裝置實時在線監測并采集的數據，利用專家分析軟件通過橫向與縱向對比進行智能分析，判斷蓄電池的性能和狀態是否正常，及時發現開路和性能下降的蓄電池，并給出對應的維護建議。

蓄電池內阻的數據分析采用自身測量值縱向對比的方式定期自動進行。當某節蓄電池內阻增長幅度超過30%時，其容量絕大部分是不符合要求的。當某節蓄電池內阻增長幅度超過50%時，應對該節蓄電池進行核對性放電以驗證是否存在開路風險。對于這些異常變化，裝置會給出明確指導意見，進一步做現場實測以確認異常狀態。蓄電池內阻縱向變化曲線如圖2所示。

2.2.2 采用直流分組瞬間放電法測試蓄電池內阻

采用直流分組瞬間放電法測試蓄電池內阻的工作原理是將一組蓄電池組分成多個小組順序放電。通過分組，使內阻測試過程不影響直流母線電壓，不影響充電裝置工作狀態，同時測得的內阻值也不會受到充電裝置輸出的影響。分組測試原理如圖3所示。

圖2 蓄電池內阻縱向變化曲線

圖3 分組測試原理

直流瞬間放電法的工作原理如圖4所示。其通過瞬間向負載恒流放電，快速測量斷電前后電壓的變化計算內阻。直流瞬間放電法放電時間比較短，不會對直流系統產生額外的附加信號，避免對繼電保護等重要設備造成不良影響。

圖4 直流瞬間放電原理

實時監測蓄電池組內部運行狀態，得出單體蓄電池縱向對比曲線圖，解決單純的電壓巡檢無法支撐蓄電池性能的預測和蓄電池組運行狀態掌握不充分等問題。

2.3 核心功能實施方案確定

2.3.1 蓄電池剩余容量及健康狀況預估

采用自跟蹤和自適應的多維變量分析模型，預估蓄電池組的剩余容量及健康狀況，為延長蓄電池的可用時長和使用壽命提供依據。

實施技術方案中，蓄電池剩余容量SOC值估算采用安時積分法，如式（1）所示。蓄電池健康狀況的SOH估算則基于內阻值和容量值，即取式（2）和式（3）的均值作為當前的SOH值。通過隨時監測蓄電池的剩余容量和健康狀況，從而實現對蓄電池使用壽命的預估。

2.3.2 蓄電池內部及接地故障監測

當系統發生蓄電池接地時，設備可發出蓄電池接地的告警信息，并能選出接地的具體電池節數，計算出蓄電池接地電阻的大小。實施過程中，裝置可通過在增大CT的情況下檢測蓄電池接地電阻的大小。對地電阻的測量范圍為0～200 kΩ。據此可以檢測蓄電池絕緣降低或接地故障，并且能選出接地蓄電池號，誤差不超過±1節，解決了蓄電池內部接地故障無法識別的問題，防止接地故障造成短路。

2.4 直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置研制成果

本文研制了一套裝置實現對直流電源系統蓄電池組運行狀態監測的完整性設計，實現對蓄電池組運行方式、性能、剩余容量以及健康狀況的全天候實時診斷，并且當系統發生蓄電池接地時，可發出接地告警信息，能選出接地的具體電池節數，計算出蓄電池接地電阻的大小，為蓄電池組提供全壽命全周期的專家級管控。

3 直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置的現場調試改進

在35 kV直流系統上進行現場試驗，當蓄電池單體容量明顯降低和單組蓄電池額定容量大幅減小時，裝置均能發出蓄電池剩余容量告警。蓄電池組中各電池單體特性差異增大、內阻差異增大、電池參數差異增大以及蓄電池組老化嚴重時，裝置均能發出蓄電池健康狀況告警。此外，蓄電池接線柱存在不同程度的腐蝕現象或漏液時，裝置能發出蓄電池內部故障告警。試運行期間對蓄電池組進行了一次核對性充放電并觀察實驗過程中裝置的反應情況，基本能得到正常回應。

本裝置充分利用目前直流系統具有的實時在線監測數據進行整合。新裝置與變電站內現有監測系統進行連接和通信聯調，通過軟件實時分析和監測蓄電池，提前診斷異常情況，發出告警信號。通過通信聯調上送監控系統和調度主站，對35 kV直流系統蓄電池監控的改造處理使運行狀況有明顯好轉，但在與現有監控裝置的通信融合方面還存在不足和需要改進的地方。

4 結 論

本文研制的具有多口通信功能的直流系統蓄電池健康狀況及內部故障監測裝置，彌補了目前直流監控裝置中存在的漏洞，與現有裝置互相補充，對于目前直流系統蓄電池設備的運行管理具有重要的現實意義。改進和處理裝置現場調試中發現的問題，以求與各種現有監測系統完美融合，補足現有監測系統中的不足，從而使本裝置更加實用。