蓄電池遠程回饋式放電及大數據監測管控技術的研究及應用

肖 灑，張子康，陳 黎，曹 沖，彭云志

(1.國網孝感供電公司，湖北 孝感 432001；2.湖北三江航天險峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432001)

隨著電力系統的發展，越來越多的閥控式鉛酸蓄電池被應用到電力系統中[1-2]。近幾年國內電力系統發生多起蓄電池開路故障，導致變電站保護拒動、越級跳閘，甚至還引起大面積停電事故；在不少省份電力系統蓄電池短路造成的蓄電池組燒毀事件時有發生；甚至發生多起蓄電池及直流母線失壓事故，導致主變燒毀嚴重后果[3-4]。

目前，蓄電池的維護方法主要是每年1次周期性核容性放電，對蓄電池的電壓、內阻、溫度、容量等參數進行跟蹤檢查，每次放電試驗由繼電保護人員帶著直流系統綜合測試儀現場測試，笨重的設備加上人工短缺讓蓄電池的維護非常困難，但是這種試驗不能實時對蓄電池進行監測，不能對蓄電池的各項重要參數進行實時掌握，給蓄電池的運行安全帶來隱患[5-6]。

如果結合網絡通信技術、自動控制技術及計算機技術研制一種遠程在線監測的直流系統綜合測試儀，不僅能夠實現遠程核容放電，實現對蓄電池重要數據的在線監測，還能夠大大降低維護人員工作量，提高工作效率。

1 蓄電池監控現狀

1.1 計劃性維護

按照DL/T 724—2021《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》，4年內投運的蓄電池每2年進行1次維護，運行4年后的蓄電池每年進行1次維護。220 kV含雙套電源電池組進行全核放電，110 kV及以下單套電池組進行半核對性充放電。這種計劃性維護時間間隔長，對蓄電池的性能及運行狀況不能實時掌握。另外，由于放電時間一般為5～10 h，時間較長，放電過程中很容易造成直流失壓[7]。

1.2 通過蓄電池電壓來監測蓄電池

目前很多供電公司通過單一的蓄電池電壓來判斷蓄電池運行狀態，這種判斷方法存在較大弊端，因為很多蓄電池在不帶直流負荷時，其端電壓是正常的。但是一旦投運或接入負載，其端電壓迅速降低，不能滿足直流供電需求[8]。

1.3 定期內阻測試

隨著國際上直流標準的出臺，蓄電池維護中進行內阻測試已經逐漸取代單純的電壓檢測。電池內阻基本被用來正確反映電池性能好壞的因素[9]。電池主要故障都會通過內阻增大表現出來。蓄電池內阻根據廠家不同、型號不同、批次不同，沒有固定定值或明確判斷標準，且由于測量設備、原理、測試人員不同，測試結果也不盡相同，因此一般要內阻明顯增加或減少，才會引起維護人員注意，對測試結果沒有明確的判斷標準，也沒有縱向數據分析，主要通過測量結果橫向比較。

1.4 在線監測設備

一般只測量端電壓及部分測量單體電池內阻，極少測量單體電池的溫度，主要存在問題為沒有專人長期跟蹤分析在線測量數據，到目前為止，還未見報道由蓄電池在線監測設備發現落后電池，設備的精度、可靠性不夠，維護人員對其信任度不足也導致關注度不夠[10]。

2 蓄電池組核容現狀

目前，國內外關于蓄電池核容檢測主要分為以下3種。

2.1 在線式測量法

a.在直流電源系統中，由蓄電池組給站內直流負荷供電，根據電池巡檢模塊找出容量最低、電壓最低的蓄電池作為試驗對象；

b.投入充電模塊對蓄電池組進行充電，待蓄電池充滿后繼續充電1 h以上；

c.充電完成后，對蓄電池組進行放電試驗，按照標準放電時間10 h進行，放電過程中，每小時對試驗蓄電池進行數據統計，包括端電壓、溫度、內阻；

d.放電結束后，通過整流模塊給蓄電池重新充電；

e.根據測量記錄數據繪制放電曲線。

2.2 核對性放電試驗法

a.在直流電源系統中，通過充電模塊輸出電壓給直流母線供電，同時蓄電池輸出到直流負荷，蓄電池放電前后記錄蓄電池端電壓、單只電池電壓及實際核容，放出額定容量的30%～40%為止；

b.放電結束后，要對蓄電池組進行充電，充電過程中一般先均充，均充至定值時轉浮充直至充滿；

c.根據測量數據，由直流系統綜合測試儀自動繪制放電曲線，之后再進行放電試驗數據進行對比，以判斷蓄電池運行狀態。

2.3 定期核容放電

周期為1～2年，放電容量為80%×C10，使用放電電流0.1C負載型放電，發熱大、風險高。如果某只電池小于80%×C10，進行活化處理并更換新電池。

現有蓄電池核容方法操作比較繁瑣，首先至少需要2名維護人員，復雜的直流系統綜合測試儀以及接線都會給核容工作帶來很大困擾，而且還存在復雜的開票手續。另外，隨著每個地市供電公司對直流系統的重視程度不同，很多蓄電池并不在定檢周期內完成，很多都是超期進行試驗，這給蓄電池的管理維護帶來較大弊端。為解決蓄電池定期放電核容管理問題，蓄電池遠程自動維護系統的使用在未來幾年勢在必行。

3 蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統

本文提到的一種蓄電池遠程回饋式放電及大數據監測管控技術的研究及應用，主要通過研制一套蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統裝置應用于各變電站。該維護系統主要分為兩大功能，分別是監測功能和維護功能，主要對充電模塊的輸出電壓、蓄電池組端電壓及端電流進行監測，當蓄電池組滿足放電要求時，能夠實現蓄電池自動脫離直流母線，接入系統自帶的逆變裝置，通過自動控制模塊實現放電。當系統檢測到放電時間及放電電壓達到設定的閾值時，系統自動接入逆變裝置，同時接入直流母線，進行充電，充滿后浮充一段時間后自動投入運行。這種在線維護及在線監測系統，能夠解決蓄電池長時間充電而無法放電問題，能夠監測蓄電池的實際運行情況。并且該項目研究的裝置能把安全性在線放電放出的電量通過逆變回饋到電網，符合綠色環保要求。

3.1 蓄電池在線狀態監測系統

蓄電池在線監測系統主要是對蓄電池組端電壓、單體電壓、內阻及蓄電池組溫度、環境溫度等運行狀態參數進行監測，根據運行狀態進行相應的告警動作，與蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統裝置配合完成蓄電池充放電、核容等維護工作，并記錄保存運行數據，實現對蓄電池的在線監測，支持對蓄電池的自動化維護工作。

系統由1組蓄電池、1套監測系統以及安裝在蓄電池室的電池在線監測單元和霍爾電流傳感器、監測信息顯示查詢系統、蓄電池綜合測試系統、蓄電池單體監測模塊組成，2組蓄電池的監測信息顯示查詢系統共用1臺主機，安裝在控制室屏柜，具有3路RS485、1路RJ45網口、告警干接點輸出。

系統組成結構：每個蓄電池正極或負極都連接有巡檢模塊，主要用來采集蓄電池電壓及內阻和溫度，并通過專用通信總線和專有規約與蓄電池在線監測單元通信。蓄電池在線監測單元通信安裝在蓄電池附近，將蓄電池組的組端電壓、組端電流及交流竄入電壓采集處理后，從單體模塊收上來的單體狀態一起打包上傳給蓄電池綜合測試系統。蓄電池在線監測單元將當前的蓄電池工作狀態與蓄電池綜合測試系統下發的各個狀態量閾值進行比較，當某些狀態量超出閾值時，進行聲光告警，并將狀態量與告警信息打包上傳給蓄電池綜合測試系統。蓄電池在線監測系統組成如圖1所示。

圖1 蓄電池在線監測系統組成

蓄電池綜合測試系統根據用戶設置及當前電池工作狀態，智能判定充放電過程，計算充放電容量，檢測蓄電池組開路故障。并支持與CAC主站、放電裝置，交竄直監測告警裝置通信，記錄電池維護和故障的歷史數據，存儲波形，并支持導出數據，供電站的維護人員參考，給后續投資、建設及維護工作提供依據。

3.2 蓄電池遠程自動維護系統

蓄電池遠程充放電系統主要包含能夠對蓄電池進行遠程充放電的成套設備、監控裝置、放電設備、采集終端、操作終端、組合電器等。

遠端監控平臺:通過網絡訪問登陸進行蓄電池遠端設備監測及控制的用戶終端。

蓄電池監控裝置:采集直流母線電壓、蓄電池組電壓、蓄電池單體電壓/溫度/內阻、放電模塊溫度等參數信息，并上傳至上位機監控平臺，對異常狀況自動預警，同時接受上位機監控平臺控制與調節命令的設備。

逆變器放電設備:采用逆變并網技術，將放電的電能轉換成交流電并網到站用交流電，實現對蓄電池組無熱量放電的一種電子裝置。

集中控制單元:安裝在廠站內的蓄電池遠程充放電系統的監測、控制中心，協調系統其他設備工作以實現蓄電池監測的設備，可連接遠端監控平臺提供數據上行、下行功能。

雙組切換裝置:連接2組蓄電池組與逆變器放電，將其中1組蓄電池接入逆變器放電設備形成放電保護回路的設備。

離線式遠程放電:通過遠程控制技術實現蓄電池與直流母線脫離進行放電。

間接在線式遠程放電:進行遠程放電時，蓄電池組依然作為后備電源，當母線失壓時，具備向直流母線供電的能力，但同時直流母線無法向蓄電池組進行供電，保證蓄電池組核對容量的獨立性。

在線式遠程放電:在遠程進行充放電時，蓄電池組和直流母線隨時連通，根據實際要求可隨意相互連通。

結構組成：由蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統主機、在線放電切換裝置、充電屏狀態監測裝置、母聯屏狀態監測裝置組成、在線回饋式放電裝置、電控母聯開關和其他電控斷路器切換裝置等具有3路RS485、1路RJ45網口、告警干接點輸出。

3.3 蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統組成結構

蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統適用于2組蓄電池組、2組充電機的變電站。K1-K9均為電控帶輔助觸點斷路器，K1為2組蓄電池母聯斷路器，K2、K5為充電機到母線斷路器，K3、K4為蓄電池到母線斷路器，K6、K7為充電機到蓄電池斷路器，K8、K9為蓄電池到逆變電源斷路器，以上所有開關都能電控操作，并且帶有輔助觸點。蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統結構如圖2所示。

圖2 蓄電池綜合監測及遠程自動維護系統結構

放電前準備：以蓄電池組1放電作業為例，合閘母聯斷路器K1，分閘斷路器K2、K3， 即可保證母線I段正常運行。

開始放電作業：以蓄電池組1放電作業為例，合閘斷路器K8即可開始放電。

放電完成恢復：放電結束后，分閘斷路器K8，合閘斷路器K6，用充電機對蓄電池1進行均充充電，均充完成后自動轉入浮充，浮充完成后斷開斷路器K6靜置待蓄電池，待蓄電池電壓與母線電壓之差絕對值小于5 V即可投入斷路器K3，再投入斷路器K2，斷開斷路器K1，結束放電過程。

4 結論

a.蓄電池遠程回饋式放電及大數據監測管控系統能夠實時顯示蓄電池組端電壓、電流，單體電池的電壓、溫度、內阻，并根據設定閾值進行告警；將電池的歷史電壓、內阻、溫度數據記錄保存。

b.實現蓄電池在線自動維護，及時發現容量不足的蓄電池，全自動遠程安全性放電控制策略，有效防范蓄電池放電過程的異常，并大大提高工作效率和質量。

c.實現蓄電池組安全性在線放電放出的電量通過逆變回饋到交流電網，放電發熱量大大減少，符合綠色環保要求。

d.研究基于大數據的蓄電池監測信息管控技術，綜合分析蓄電池的溫度、內阻、端電壓、電動勢及充放電狀態下的多種變量，記錄蓄電池全生命周期，分析電池多變量變化趨勢橫向、縱向智能對比準確預判蓄電池狀態，形成智能分析策略，通過橫向、縱向對比大數據，實時判斷蓄電池的運行狀態。

e.研究基于云平臺的二次檢修安全風險精準管控與預警方法，全面記錄蓄電池在線監測信息歷史數據，記錄蓄電池全生命周期大數據，利用其多變量變化趨勢橫向、縱向智能對比準確預判蓄電池狀態，針對預置的告警、故障、危險點，實時對大數據進行數據分析，提前預警以及危險故障，并推送到指定檢修站點的便攜接入端。