一種蓄電池在線監測系統的設計與應用

王文琦，侯艷強，李 維

(國網黑龍江省電力有限公司七臺河供電公司，黑龍江 七臺河110179 )

0 引 言

近年來，隨著中國電力工業建設的突飛猛進，現代電力系統正向著大電網、大機組、超高壓、大容量的方向發展。在現代電網建設中，伴隨智能電網的發展和電氣設備自動化程度的提高，直流電源的作用也更加突出。蓄電池不僅是直流電源的重要組成部分，而且是不可缺少的后備電源。當蓄電池出現異常時，會對直流系統造成重大影響，因此為保證系統的安全穩定運行，迫切需要加強對蓄電池的管理，確保在蓄電池出現異常時，能夠被很快發現，并得到及時處理。目前，隨著電力系統智能化發展及變電站數量的迅速增加，直流系統的維護工作量越來越大，蓄電池智能運維的需求也越來越急迫[1-2]。

鉛酸蓄電池經過一段時間使用后，常易因有效活性物質的脫落、電解液干涸、正極柵格腐蝕以及硫化等原因，其容量逐漸減低。為了評估市電中斷后，蓄電池組尚能供電的時間，或者確認所有單體電池的性能是否在正常范圍之內，就必須定期對蓄電池進行核容放電。核容放電是目前評估鉛酸蓄電池性能最科學、準確的方式，按照國際的鉛酸蓄電池維護標準，最低要求是一個季度就必須對電池組進行核容放電，但傳統的核容裝置僅可實現半自動核容，無法實現全自動放電，須投入大量的維護人員進行人工測量單體電壓、組端電壓、放電電流等系列工作，工作量非常大。另外，放電又須采用10小時率核容，人員維護時間較長。

傳統的蓄電池核容放電方式耗費大量的人力和時間，鉛酸蓄電池的用戶無法滿足一個季度核容維護一次的要求。當蓄電池得不到合理的放電維護，其壽命就會大大縮短，而且無法及時發現蓄電池組存在的質量問題，無法規避蓄電池組斷路或者短路失效帶來的安全隱患。

傳統的蓄電池組檢測，通常做法是逐一測量單只電池的電壓，或者定期對蓄電池組進行核對性放電。如果某只電池的狀況變差，在浮充狀態下，所測得的電壓值仍可能在合格范圍內，那么對電壓的測量就不能反映電池的真實狀況。而進行核對性放電，需要將蓄電池組退出運行，在放電過程中，如果系統發生故障，該電池就不能及時投入運行，會導致事故范圍的擴大。因此，為了提高蓄電池的性能，保障系統的安全運行，有必要對電池的單體電壓和容量進行實時監測[3-5]。

目前，國內外許多研究者已經對蓄電池在線監測技術的發展付出了大量的努力，并取得了一定的成績。然而，國內外現有的研究成果仍存在不足，國內的蓄電池在線監測技術不夠成熟，仍需累積大量技術數據，而國外的蓄電池監測方法比較復雜，不利于推廣和應用。因此，該文緊密結合目前蓄電池運行維護中存在的問題，設計一套適合中國電網現階段情況的蓄電池在線監測系統。該系統在蓄電池的工作原理及其基本監測手段的基礎上，對單體蓄電池以多循環的方式進行內阻測試，在線監測核容放電產品，擁有“四遙”功能，通過逆變換流技術將電池釋放的能量轉換為交流電能并回饋給電力供電電網，避免機房局部環境溫升和火災隱患，并通過網絡通訊設備將監測數據實時上傳。此外，所建立的在線監測主站平臺利用計算機技術的分析能力，對蓄電池的數據和運行狀況進行分析，可對蓄電池的使用進行智能管理和預警。

1 蓄電池基本原理及失效機制

1.1 蓄電池的工作原理

蓄電池的工作原理與傳統鉛酸蓄電池類似，以活性PbO2為正極極板，海綿狀活性Pb為負極極板，稀H2SO4為電解液[6]。蓄電池內部的充、放電過程是化學能與電能相互轉化的過程。當發生充、放電時，電池內部的正、負極間會發生如下化學反應。

放電：

PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

(1)

充電：

2PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4+Pb

(2)

在放電過程中，正極所發生的化學反應主要是將PbO2轉化成PbSO4，負極的化學反應主要是將金屬Pb轉化成PbSO4；充電過程則與之相反。另外，在充電過程還伴隨有電解H2O反應，在正極產生O2，在負極產生H2。在放電過程中，由于不斷地生成導電性較差的PbSO4，會使蓄電池的內阻不斷增加。同時H2SO4的消耗和H2O的生成使得溶液中H2SO4的濃度不斷降低，反應的電動勢不斷下降，致使蓄電池的端電壓下降。在充電過程中，則發生與上述情況相反的狀況。PbSO4不斷分解生成H2SO4，同時消耗了溶液中的H2O，使得蓄電池的內阻降低，H2SO4濃度升高，提升了蓄電池端電壓[7-9]。

1.2 蓄電池主要監測參數

蓄電池的主要參數包括電壓、電流、內阻、溫度和容量等[10-12]。

在監測蓄電池電壓時，一要防止蓄電池發生過放電，永久性地損壞蓄電池；二要確保蓄電池的浮充電壓在安全范圍內，盡可能延長蓄電池的使用壽命。蓄電池的電壓監測數據可包括蓄電池的電動勢、開路電壓、初始電壓、終止電壓、充電電壓和浮充電壓等。

蓄電池的電流監測常指充、放電電流的監測。放電電流可以表征蓄電池在有負載情況下的外部電流情況。放電電流過大會導致蓄電池正極的PbSO4松散甚至脫落，影響蓄電池的使用壽命；相應地，蓄電池的充電電流大小也會影響蓄電池的使用壽命，當充電電流高于蓄電池所能接受的最大值時，在極板位置會有大量氣體析出，促使極板表面活性物質剝離至脫落，蓄電池內部壓力增大會致使氣體逸出，蓄電池電解液干枯。

蓄電池的內阻指的是電流通過蓄電池時所受到的阻力。蓄電池的內阻并非常數，會在充、放電的過程中不斷變化，這是因為在充、放電過程中電解液中的活性物質組成、電解液濃度和溫度都在發生變化。若蓄電池內發生活性物質脫落、電解液干涸、正負極板硫酸鹽化等情況，都會使蓄電池內阻不斷增大，從而減小蓄電池容量[9]。

蓄電池由于在充、放電過程中發生化學反應，產生一定熱量，因此會導致其內部溫度升高。溫度的變化會影響電解液的反應活性，同時也會提高電極腐蝕反應的活性。另外，蓄電池的溫度也會影響浮充電壓。

蓄電池的容量是衡量蓄電池性能的重要指標。在一定條件下對電量完全充足的蓄電池進行放電，蓄電池電壓降至截止電壓的過程中所釋放出的電量即為蓄電池的容量。然而，蓄電池的容量是蓄電池的內特性，無法直接測得，目前僅能通過對蓄電池的電壓、電流和內阻等指標進行測量并通過預測來得到。

1.3 蓄電池的失效機制

目前所使用的蓄電池其標稱使用壽命常常遠小于實際使用壽命。實際使用中的蓄電池環境是蓄電池壽命減小的主要原因。在使用過程中，蓄電池極板間的活性物質會發生剝離與脫落現象，電解液中的溶劑濃度隨使用時間的延長而降低，蓄電池浮充時間延長導致鈍化等情況都會降低蓄電池的使用壽命[13-15]。

蓄電池發生過度放電時，會在極板上反應生成大顆粒的PbSO4結晶，使得電解液失去活性，縮短蓄電池的壽命。在蓄電池發生過充時，其內部生成過量的氣體，當達到極限值時，難以被吸收，此時氣體會通過排氣閥向外排出，導致蓄電池總體上失水，致使蓄電池失效。對蓄電池長期浮充，會鈍化極板，增大電池內阻，減小可用容量，進而導致蓄電池使用壽命變短。另外，蓄電池的溫度過高，會增強正極發生的析氧反應，加速正負極板的腐蝕和水的減少，縮短蓄電池的使用壽命。

2 蓄電池在線監測系統的設計

2.1 系統的硬件設計

系統主要由兩大部分組成，一為與通信電源系統連接的遠程充放電管理系統、單體采集模塊、總接收模塊等硬件設備結合所構成得系統蓄電池管理軟件的下位機，二為實現遠程監控的蓄電池管理平臺軟件，通過軟件可以實現一鍵遠程放電功能、蓄電池管理功能。通過硬件與軟件兩個部分緊密結合，實現在線自動監測通信電源的整流器輸出電壓、蓄電池組電壓及電流、單體電池的電壓、極柱溫度、內阻數據，向后臺軟件發出報警信息，并在遠程充電管理系統本地記錄告警信息。蓄電池在線監測系統的結構如圖1所示。

圖1 蓄電池在線監測系統結構圖Fig.1 Structure diagram of battery online monitoring system

蓄電池在線監測系統的核心功能包括蓄電池預充電控制、逆變換流恒流放電控制、蓄電池整組及單體電池的電壓電流內阻溫度數據采集、電壓定期巡檢及數據采集、數據關機及報表等。蓄電池在線監測系統的核心是主控制模塊，對各種數據的處理分析及控制均主要由主控制模塊來完成[11]。在實現對蓄電池的運行數據采集、充電控制及恒流放電控制等功能時，需要蓄電池在線監測模塊來配合完成。數據通訊部件和輸入輸出設備則輔助主監測模塊完成數據上傳及控制信號的向下傳輸。輸入輸出設備保證數據輸入輸出的操作接口，保證界面的友好性。

2.2 主控制模塊

主控制模塊是蓄電池在線監測系統的核心，其功能實現以GCPU為核心，配置輸入輸出回路。主控制模塊主要承擔了對直流系統設備進行全面在線監測管理的任務，包括電池組采樣、充放電控制、故障監測等。

主控制模塊使用ATmegal28單片機作為GCPU，串行芯片為24AA1048，實時時鐘芯片為AMI8563。主控制模塊的功能在于對電池組進行采樣，控制蓄電池放電過程，完成串行通信以及其他的擴展功能。Atmegal28為8位單片機，采用先進的RISC構架，內部具有154條指令系統。采用全靜態的工作模式，提高了對外圍的開發能力。對主控制模塊提供IEC61850標準接口，以適配通訊設備。主控制模塊的結構如圖2所示。

圖2 主控制模塊結構圖Fig.2 Structure diagram of main control module

鑒于傳統蓄電池人工巡檢過程存在的運維難、成本高、不能實時監測等缺點，對主控制模塊建立人工智能決策系統。通過采集的電壓、電流、溫度等數據，建立蓄電池直流系統的故障診斷模型和蓄電池故障診斷分析模型，在完成常規的定時內阻監測、電壓巡檢、容量監測等功能的基礎上，發展故障診斷及報警記錄功能。

2.3 在線監測模塊

在線監測模塊中主要實施作用的有電壓、電流和溫度信號回路，分別對蓄電池的單體及組電壓進行實時采集，并對充放電前后的電壓突降情況施以捕捉，對充放電電流情況實施監測，對環境溫度和蓄電池溫度加以測量。

2.3.1 電壓采集

系統對電壓的信號采集采用的是繼電器切換法。處于浮充狀態的蓄電池組電壓為53.5 V，而在均充狀態下可達56.4 V。因此，在每個單體電池上裝設監測單元，其成本和工作量都大大提高，在輸入通道上實現多路轉換也具有一定難度。提取電壓由光繼電器使用無觸點切換法進行，這種方法易于實現，同時由于采用隔離測量的模式而使得測量的安全性得到保證，也降低了數據采集難度。在進行數據采集時，會直接對單體電池進行采樣，采樣過程會外接分壓電阻，以確保可以得到良好的測量精度。這種采樣模式可以避免電阻過大而導致的參數匹配問題，同時溫度及誤差的影響也相應降低。單體電池的采樣原理如圖3所示。

圖3 單體電池電壓采集原理Fig.3 Method of single battery voltage collection

2.3.2 電流采集

對充放電狀態下的蓄電池進行電流信號采集的功能由電流互感器來完成。該系統選用的是AKH-0.66-Z型電流互感器，其主邊和副邊的額定電流分別為300 A和750 mA，變比為2 000/5。AKH-0.66-Z型電流互感器采用閉環式設計，具有高精度、高線性度的特征，其抗干擾能力和隔離能力也十分優異。

電流轉換電路如圖4所示。圖中i代表由互感器采集到的電流。在運行過程中，采樣電阻會先將電流信號轉換成電壓信號。隨后，放大器對轉換得到的電壓信號進行放大處理，放大信號應當滿足轉換器量程。VOI是進行A/D轉換的電壓，這一數據最終會經由端口進入單片機。

圖4 電流轉換電路Fig.4 Current conversion circuit

2.3.3 內阻采集

蓄電池的內阻包括歐姆電阻和極化內阻。蓄電池中電解液、電池材料及隔膜的電阻為歐姆電阻，蓄電池內兩極發生化學反應所引起的電阻是極化內阻。蓄電池的內阻導致在充放電時其開路電壓與端電壓的不匹配。蓄電池的電阻隨溫度和時間而發生變化，內阻值取決于活性物質、電解液濃度和溫度等因素。

對于內阻的采集，該系統采用多循環法。測量時在一個電池組內劃分出多個循環過程。測量過程由第一個循環放電開始，接著進行第二個循環放電，各個循環依次進行直至結束。單體電池的放電曲線會被采集到系統中，內阻測量在壓降后進行。放電時采用恒流負載的方法，放電電流的穩定性可以得到保證。這一過程可通過系統軟件設置間隔時間實現無人自動測量。

2.3.4 溫度采集

環境溫度對蓄電池中電解液反應活性、溶質的飽和濃度及其在溶液中的擴散速率等有一定的影響，從而對蓄電池的使用性能產生極大的影響，因此，有必要在蓄電池中對環境溫度數據進行采集，根據采集到的數據隨時調整蓄電池充放電參數。該系統采用TMP36溫度傳感器對蓄電池組或環境溫度進行測量，該溫度傳感器具有精度高、反應靈敏及結構簡單等優點。在使用過程中，直接將溫度傳感器與監測端口以數據線相連接，即可實現溫度數據的傳輸。

3 在線監測主站平臺設計

蓄電池在線監測系統能否實現其設計功能并良好運行，除了與系統中硬件電路、硬件配置和電路設計相關外，系統的軟件也十分關鍵。該監測系統包含三個功能層，即主功能層、匯聚傳輸層和數據采集層。

主功能層功能由專業軟件以Web方式發布，該層對采集到的單體蓄電池電壓、組壓、電流和環境溫度等數據進行統籌、分析和輸出，并實施對蓄電池的控制。匯聚傳輸層可實施各變電站蓄電池數據的匯聚和向上傳輸工作。數據采集層負責數據的采集，并向上層平臺傳輸；同時也可將主站平臺的控制指令向蓄電池組傳送。

3.1 主站平臺的功能

結合蓄電池現場的實際運行需求，可對蓄電池在線監測主站平臺的功能進行如下設計。

3.1.1 在線監測功能

后臺軟件-蓄電池遠程放電管理系統(以下簡稱“后臺軟件”)能夠以數據、柱狀圖、曲線等多種形式，展現蓄電池的工作狀態、電池組組端電壓、電池組充放電電流、通信電源母線電壓、各單體電池電壓、單體溫度、單體內阻、核容設備內部溫度、電網電壓、電網電流、電網頻率、逆變電壓、逆變電流等指標的值。

3.1.2 電源、電池故障預警功能

后臺軟件監測到通信電源母線失壓、蓄電池組端電壓、單體電池電壓、核容設備的內部溫度參數異常(過高)時，通過告警的方式在監控端進行提示并記錄。

3.1.3 靜默式在線核容放電測試功能

后臺軟件可以實現對站點蓄電池進行遠程在線容量測試的功能，即通過后臺軟件下發指令，配備放電配置使蓄電池按“0.1C10A”國家電網企業標準進行在線放電[12]，以多重放電配置參數為條件，其中任一參數達到閾值將自動停止放電。系統準確記錄放電時長、放電容量、單體電壓、單體溫度變化情況，并自動生成放電報告。通過上述功能，實現無需維護人員在站點值守即可進行蓄電池核容放電測試。

3.1.4 在線充電監測功能

后臺軟件能夠對放電結束后電池的充電全程進行監測，并以曲線、圖表等多種形式顯示充電過程的充電電流、電池組組端電壓、各單體電壓、單體溫度、電池容量的變化情況。

3.1.5 放電測試報告自動生成功能

后臺軟件具備核容放電測試報告自動生成及導出功能，即能夠對電池放電過程監測的數據通過柱狀圖、變化曲線、數值分析表等多種形式匯總生成蓄電池充放電測試報告，并可以通過Excel格式進行導出。

3.1.6 運行監控功能

后臺軟件通過曲線、柱狀圖、表格等多種形式，顯示和查看各站點設備、蓄電池組的實時和歷史運行信息，且查詢內容可支持報表導出功能。

3.1.7 可回溯可視化展現功能

后臺軟件可對各節單體電池加裝系統設備后的電池電壓變化趨勢進行全程記錄，從而全面消除蓄電池在兩次核容測試間隔的盲區，實現蓄電池全生命周期精細化管理。

3.1.8 報警服務功能

后臺軟件記錄了蓄電池的電壓超限報警、溫度超限報警等，并在后臺軟件界面通過彈出框報警、實時報警、歷史報警等方式來查詢，需要同時以郵件(可選)、短信(可選)、聲光、軟件界面、系統接口推送進行報警，并可實現按不同級別報警的功能。

3.1.9 用戶管理功能

后臺軟件提供了角色組管理策略，不同用戶需具有不同的操作權限，合法的用戶可以登錄本地系統進行相應權限的操作。

3.1.10 日志服務功能

后臺軟件可記錄系統運行過程中的歷史事件，包括設備控制事件和用戶操作事件等。

3.1.11 系統后臺軟件架構

軟件架構采用 B/S 架構。

3.1.12 后臺軟件的跨平臺性和可移植性要求

后臺軟件需具備跨平臺性和可移植性，支持 Windows主流操作系統平臺。

3.2 蓄電池在線監測管理軟件

蓄電池在線監測管理軟件是系統的后臺軟件，該軟件基于B/S模式，管理員只需通過網頁即可訪問登錄，可實現一鍵進行充放電控制，可存儲監控數據指標并形成圖表進行數據分析，可對蓄電池健康情況智能判斷，并及時甄別落后單體。

3.2.1 在線監測功能

蓄電池監控信息如圖5所示，系統可實時監測每節蓄電池的母線電壓、電池組總電壓、電池組充放電電流、單體電池電壓、溫度、內阻等參數，維護管理人員可實時查看蓄電池的上述指標，并計算出單體電壓、單體溫度、單體內阻的最大值、最小值，高效查詢存在異常數據的單體，全面掌握蓄電池的狀況，可對蓄電池進行遠程控制放電、充電，可設置定期放電，以降低維護成本、降低故障率。

圖5 蓄電池監控信息Fig.5 Battery monitoring information

蓄電池遠程控制如圖6所示。在放電頁面，可以通過點擊“啟動放電”按鈕，在彈出的放電參數配置表中，根據現場實際的電池組配置，修改放電配置參數，實現一鍵遠程啟動核容放電。點擊“取消放電”按鈕，可隨時人工終止核容。在放電頁面中，可以查看實時的放電曲線及相關放電狀態下電池組電壓、放電電流、單體電壓、單體問題數據以及相關圖表。

圖6 蓄電池遠程控制Fig.6 Remote control of storage battery

3.2.2 數據分析功能

系統具備強大的數據分析功能，可存儲相關蓄電池遠程運行數據，生成總電壓曲線圖、電流曲線圖、單體電壓條形圖、單體電壓曲線圖、設備溫度曲線，通過相關曲線對電池狀況進行分析；可打印蓄電池相關數據，并以Excel格式導出。

3.2.3 實時報警

系統可對電壓過高、電壓過低、截止電壓、溫度過高等異常情況實時報警提示，使管理員可在“報警歷史”頁面快速查詢該設備最新的報警內容，方便查明故障具體原因，更有效地保護蓄電池組安全。相關的報警內容可通過短信、郵件、電話、系統頁面彈出等多種渠道傳遞給維護人員，協助維護人員及時處理，避免事故的發生，極大地提高了供電系統的安全性和可靠性。

3.2.4 甄別落后單體

單體容量條形圖如圖7所示。在線甄別電池組落后單體，對放電過程中落后的單體標紅顯示，提醒維護人員進行維護，降低因個別蓄電池劣化而造成整組蓄電池損壞的可能性，從而延長蓄電池的使用壽命，保障蓄電池組的長期正常運行。

圖7 單體容量條形圖Fig.7 Monomer capacity bar chart

4 結 語

從硬件和軟件設計方面設計了一套完整的蓄電池在線監測系統，通過模塊化管理，明確了不同模塊的功能實現手段，并詳細介紹了各功能器件的選擇依據。該系統的建立極大地彌補了國內蓄電池監測工作的不足，提高了蓄電池監測及管理效率，規避了人工風險，達到安全高效節能的蓄電池維護效果。

要真正做好蓄電池維護工作，必須實現遠程自動充放電及監控維護，使蓄電池組核容放電變得輕松、簡單，才能實現對蓄電池組的科學、安全、高效、實時地監控維護。