鐵路變配電所蓄電池智能在線監(jiān)護裝置研究與應(yīng)用

邢 挺，范增盛，馬君梁，田豐虎，劉啟能，劉 苗

0 引言

鐵路變配電所直流電源由交流輸入、充電裝置、蓄電池組、監(jiān)控單元、絕緣監(jiān)測、降壓硅鏈（可選）、蓄電池巡檢單元（可選）及饋線網(wǎng)絡(luò)等組成，為站內(nèi)電力系統(tǒng)控制、保護、信號傳輸、操作等提供穩(wěn)定的電源。當(dāng)交流電網(wǎng)正常時，由交流電網(wǎng)通過充電裝置為直流負荷供電，同時對蓄電池組浮充電；當(dāng)交流電網(wǎng)故障時，由蓄電池組為直流負荷供電。

如圖1所示，直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是以蓄電池組安全可靠為基礎(chǔ)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地或相間短路等故障時，必然伴隨著交流輸入異常，導(dǎo)致充電裝置輸出中斷；如此時蓄電池組存在容量不足、開路等故障，將使直流母線失壓，無法及時切除故障，引起設(shè)備燒毀、鐵路供電系統(tǒng)停電等嚴(yán)重事故。據(jù)供電段直流電源設(shè)備運行情況統(tǒng)計，因蓄電池相關(guān)缺陷導(dǎo)致的直流電源故障約占站用直流電源故障的30%，且隨應(yīng)用海拔高度的增加，故障率呈升高趨勢。

圖1 鐵路變電所直流電源系統(tǒng)組成

1 蓄電池運維的難點

為了確保站用直流電源的可靠運行，DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、TB/T 2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》等相關(guān)規(guī)程對蓄電池組核對性放電周期、均衡充電周期、內(nèi)阻測試周期等維護工作均提出了明確要求。在實際運維過程中，由于電源點多、分布分散、人員不足且運維自動化程度較低等因素限制，各電源點普遍存在維護不及時、不到位等現(xiàn)象，給直流系統(tǒng)的可靠運行帶來極大安全隱患。經(jīng)調(diào)研，蓄電池運維的主要難點如下。

（1）缺乏可靠的蓄電池健康狀態(tài)在線監(jiān)測手段，不能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池隱患。蓄電池健康狀態(tài)的分析判斷需基于蓄電池內(nèi)阻、端電壓、極柱溫度及歷史數(shù)據(jù)的比對，一般情況下，單節(jié)蓄電池出現(xiàn)上述運行參數(shù)異常時，需要人工對蓄電池進行核對性充放電試驗以確定該節(jié)蓄電池是否需要更換。在實際運行過程中，由于蓄電池組長期處于浮充狀態(tài)，存在隱患的蓄電池往往表現(xiàn)出正常的內(nèi)阻及端電壓數(shù)據(jù)，而在應(yīng)急放電過程中則出現(xiàn)端電壓大幅跌落、內(nèi)阻突然增大的現(xiàn)象。

（2）不具備蓄電池自動在線核容功能，人工離線操作耗時長、成本高。對于長期浮充電運行的蓄電池，尚無有效的方法判斷其現(xiàn)有容量、內(nèi)部是否失水或干裂。只有對蓄電池進行核對性放電試驗，才能正確評估蓄電池實際容量，發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，對于新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應(yīng)進行全容量核對性放電試驗，以后每2年至少進行1次核對性試驗；對于運行4年以后的閥控蓄電池，應(yīng)每年進行1次容量核對性放電試驗[1]。實際運行中，蓄電池核容普遍采用人工、離線方式進行，操作繁瑣、耗時長（核容放電電流為0.1C10，C10為10 h放電電流），放電時間10 h，至截止電壓后蓄電池充滿需10 h以上，一次核容需耗時20 h以上，且過程需定期記錄蓄電池組及各單體蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)）。對于單電單充的直流系統(tǒng)，核容時需在直流母線接入備用蓄電池組，進一步增加了蓄電池定期核容的難度和風(fēng)險。

（3）缺乏蓄電池主動均衡技術(shù)，組內(nèi)單體普遍存在過充過放現(xiàn)象。由于蓄電池原材料和生產(chǎn)工藝的偏差，不可避免地存在單體差異，且隨著運行時間的增加，單體不一致性將逐步加大。蓄電池整組充電時，容量小的電池容易產(chǎn)生過充；放電時，容量小的電池又容易產(chǎn)生過放，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致個別蓄電池性能過早劣化，影響蓄電池整組容量及使用壽命。

（4）單只蓄電池失效影響整組輸出性能?，F(xiàn)有直流電源均采用串行連接的蓄電池組，任一單體電池故障或失效將影響整組輸出性能，嚴(yán)重時將導(dǎo)致直流母線失壓（蓄電池串聯(lián)數(shù)量越多，單體故障概率越高）。

基于上述問題，開發(fā)一種高效、智能的蓄電池監(jiān)護技術(shù)，在不改變原直流電源系統(tǒng)接線方式及運行參數(shù)的基礎(chǔ)上，解決蓄電池自動在線核容、主動均衡、脈沖去硫及隱患預(yù)警等問題，對降低蓄電池運維成本、提升鐵路安全運行水平具有重要意義。

2 蓄電池智能在線監(jiān)護裝置設(shè)計

蓄電池智能在線監(jiān)護裝置除具有常規(guī)蓄電池巡檢儀、蓄電池在線監(jiān)測裝置的功能外，重點研發(fā)以DC/DC雙向變換電路及其控制軟件為核心的充放電管理單元，以蓄電池通過中心抽頭分成的若干個小的蓄電池組為單位，實現(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動化在線核容、主動均衡等自維護功能。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2所示，以DC 220 V直流系統(tǒng)為例，蓄電池組由18節(jié)12 V鉛酸蓄電池組成。

圖2 蓄電池智能在線監(jiān)護裝置原理

2.1 蓄電池運行狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)通過為每節(jié)12 V鉛酸蓄電池配置1個采集模塊，實時采集該節(jié)蓄電池的運行狀態(tài)，包括端電壓、內(nèi)阻、正負極柱溫度等，經(jīng)智能監(jiān)護主機對數(shù)據(jù)進行橫向及縱向比對。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)狀態(tài)異常時，系統(tǒng)發(fā)出告警并根據(jù)程序設(shè)定自動進入該節(jié)蓄電池的核容程序，對異常蓄電池進行進一步的性能測試，確保及時、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池運行隱患。

2.2 蓄電池自動在線核容設(shè)計

蓄電池自動在線核容采用分組核容方式，通過控制DC/DC雙向變換電路，依次對18個蓄電池分組按順序進行核對性充放電試驗，放電能量經(jīng)智能監(jiān)護主機饋入直流母線由負載消耗，如圖3所示。該過程采用一鍵順控方式進行，任一時刻僅允許對單一蓄電池分組進行核容操作，保證核容過程蓄電池容量不低于整組額定容量的17/18，以確保系統(tǒng)的供電可靠性。系統(tǒng)共設(shè)計3種核容啟動方式：按設(shè)定的蓄電池核容周期自動啟動（周期按照蓄電池運行年限依規(guī)程進行設(shè)定）、根據(jù)觸發(fā)條件自動啟動（如蓄電池內(nèi)阻超限、端電壓超限等）和手動啟動蓄電池分組核容。

圖3 蓄電池自動在線核容設(shè)計原理

進入核容程序后，系統(tǒng)通過主機控制將DC/DC雙向變換電路母線側(cè)輸出電壓調(diào)高，以維持該蓄電池分組以0.1C10恒流放電，至截止電壓10.8 V后停止放電并計算放電容量[2]。以單節(jié)蓄電池浮充電壓13.5 V計算，單組蓄電池放電至截止電壓時，蓄電池組總電壓為(13.5×17 + 10.8) V =240.3 V，符合相關(guān)規(guī)程要求。蓄電池放電截止后即轉(zhuǎn)入0.1C10恒定電流充電程序，并按設(shè)定依次對該蓄電池分組進行恒流恒壓浮充充電，其中恒壓充電轉(zhuǎn)浮充充電默認按達到設(shè)定電流值后延時3 h設(shè)計。

為避免蓄電池分組核容時產(chǎn)生環(huán)流影響測試精度，在蓄電池組與直流母線間串入隔離開關(guān)及防反二極管。當(dāng)系統(tǒng)進入核容程序時，由智能監(jiān)護主機驅(qū)動隔離開關(guān)分閘斷開蓄電池組充電回路，以消除環(huán)流影響；當(dāng)出現(xiàn)交流失電時，蓄電池組經(jīng)防反二極管無縫接入直流母線實現(xiàn)應(yīng)急供電，同時由智能監(jiān)護主機驅(qū)動隔離開關(guān)合閘恢復(fù)蓄電池組放電回路。蓄電池核容切換電路工作原理如圖4所示。

圖4 核容切換電路工作原理

（1）對電池B1進行核容時，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進行判斷，確保均處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)K11和K12，電池B1通過DC/DC雙向充放電板升壓后，以恒定電流對母線M+、M-放電。當(dāng)電池B1電壓達到截止電壓時，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B1進行充電，充電完成后，斷開通道切換開關(guān)K11和K12。

（2）對電池B2進行核容時，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進行判斷，確保所有通道切換開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)K21和K22，電池B2通過DC/DC雙向充放電板升壓后，以恒定電流對母線M+、M-放電。當(dāng)電池B2電壓達到截止電壓時，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B2充電。

（3）對BN電池進行核容時，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進行判斷，確保處于斷開狀態(tài)，吸合通道切換開關(guān)KN1和KN2，電池BN通過DC/DC雙向充放電板升壓后以恒定電流對母線M+、M-放電。當(dāng)電池BN電壓達到截止電壓時，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給電池B2進行充電。

（4）當(dāng)蓄電池組中某一節(jié)蓄電池虧電時，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對所有通道切換開關(guān)的狀態(tài)進行判斷，確保處于斷開狀態(tài)，吸合對應(yīng)通道切換開關(guān)，母線電壓通過DC/DC雙向充放電板降壓后以恒定電流給該電池充電，使該電池與其他蓄電池電壓一致。

（5）當(dāng)蓄電池組中某一節(jié)蓄電池過壓時，CPU控制板發(fā)送命令，斷開所有通道切換開關(guān)，并對所有通道切換開關(guān)狀態(tài)進行判斷，確保均處于斷開狀態(tài)，吸合對應(yīng)通道切換開關(guān)，該電池通過DC/DC雙向充放電板升壓后以恒定電流對母線M+、M-放電，使該電池與其他蓄電池電壓一致。

考慮極端情況下蓄電池組的供電可靠性，設(shè)計應(yīng)急補電功能，即當(dāng)某蓄電池分組核容放電至截止電壓時系統(tǒng)出現(xiàn)交流失電，此時仍需保證蓄電池組可靠輸出。如圖5所示，上述情況發(fā)生時，蓄電池組退出核容程序并經(jīng)主回路放電，DC/DC雙向變換電路通過直流母線取電向該蓄電池分組進行補充電，并維持該蓄電池分組充電電流大于放電電流，避免其電壓過低限制整組輸出。

圖5 應(yīng)急補電設(shè)計原理

2.3 蓄電池主動均衡設(shè)計

裝置實時采集各分組蓄電池電壓，并與智能監(jiān)護主機計算的平均電壓進行比對，當(dāng)電壓偏差大于設(shè)定值時系統(tǒng)進入主動均衡程序。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，正常浮充運行的蓄電池與平均電壓的偏差值應(yīng)不大于±300 mV。裝置通過控制DC/DC雙向變換電路及內(nèi)置于采集模塊的放電電阻，使電壓高的蓄電池分組放電、電壓低的蓄電池分組充電，從而實現(xiàn)組內(nèi)電壓均衡。

2.4 蓄電池脈沖去硫設(shè)計

裝置通過對蓄電池施加短時大電流的脈沖波，使單體電池內(nèi)部的硫酸鉛晶體重新轉(zhuǎn)化為晶體細小、電化學(xué)性高的可逆硫酸鉛，使其能正常參與充放電反應(yīng)過程。該過程默認在核對性放電試驗的充電過程后自動進行，無需人工干預(yù)即可定期對各單體蓄電池進行修復(fù)。

2.5 軟件流程設(shè)計

軟件流程設(shè)計如圖6所示。

S1：開始，數(shù)據(jù)初始化。主機及采集模塊上電后，對母線電壓、交流輸入電壓、單節(jié)電池電壓、正負極柱溫度、充放電電流、接線端子溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)初始化。

S2：判斷是否滿足系統(tǒng)核容條件（無Ⅰ類報警）。Ⅰ類報警為影響系統(tǒng)整體核容的報警，包括交流電源異常、直流母線電壓異常、環(huán)境溫度異常、接線端子溫度異常等。當(dāng)交流電源停電、直流母線電壓過低、環(huán)境溫度過高、接線端子溫度過高時，為了保障電源系統(tǒng)安全可靠運行，當(dāng)前核容操作將不被執(zhí)行。

S3：判斷是否滿足單節(jié)核容條件。Ⅱ類報警為影響單體電池活化的報警，包括電池欠壓、電池極柱高低溫等。當(dāng)電池欠壓、電池極柱高低溫時，為了保障當(dāng)節(jié)蓄電池安全，核容操作將不被執(zhí)行。

S4—S6：單節(jié)蓄電池通道合閘及判斷。吸合該節(jié)蓄電池對應(yīng)采集模塊的通道繼電器，單電池母線和當(dāng)前蓄電池連通。通過通道繼電器吸合輔助輸出信號，判斷當(dāng)前采集模塊通道繼電器是否吸合。

S7—S9：預(yù)充管理及判斷。對當(dāng)前蓄電池進行核容前預(yù)充電，確保核容開始前當(dāng)節(jié)電池已完全充滿電。對充電電壓及充電電流進行設(shè)置：充電電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置，且具有充電浮充電壓溫度補償功能；充電電流一般根據(jù)電池的容量，按0.1C10進行設(shè)置，如電池容量設(shè)置為100 AH，則充電電流按0.1C10，即10 A。通過當(dāng)前蓄電池電壓和充電電流判斷該電池是否已經(jīng)充滿。如電壓達到浮充設(shè)定電壓，電流小于設(shè)定值，即蓄電池已充滿。

S10—S12：放電管理及判斷。對當(dāng)前蓄電池進行核容放電。可對放電電流和放電截止電壓進行設(shè)置：放電電流一般根據(jù)電池的容量，按0.1C10進行放電，如電池容量設(shè)置為100 AH，則放電電流按0.1C10，即10 A；放電截止電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置。通過電池電壓判斷該電池是否已經(jīng)放電完成，當(dāng)電壓達到放電截止電壓，則放電完成。

S13—S15：補充充電管理及判斷。對當(dāng)前完成放電的蓄電池進行充電。充電電壓及充電電流可設(shè)置，充電電壓按蓄電池規(guī)格書設(shè)置，且具有充電浮充電壓溫度補償功能。通過當(dāng)前蓄電池電壓和充電電流判斷該電池是否已經(jīng)充滿電。如電壓達到浮充設(shè)定電壓，電流小于設(shè)定值，即蓄電池已充滿。

S17—S20：脈沖去硫管理及判斷。根據(jù)蓄電池當(dāng)前內(nèi)阻值判斷是否需要脈沖去硫，內(nèi)阻值超過設(shè)定值則進行脈沖去硫，低于設(shè)定值則不需要脈沖去硫。電壓和電流按蓄電池脈沖去硫標(biāo)準(zhǔn)要求進行設(shè)置。通過時間判斷脈沖去硫是否完成。

S23：返回處理，并返回錯誤類型。錯誤類型包含交流電源異常、直流母線電壓異常、環(huán)境溫度異常、接線端子溫度異常、電池欠壓、電池極柱高低溫等。

3 應(yīng)用分析

研制的蓄電池智能在線監(jiān)護裝置已先后在青藏公司管內(nèi)格爾木、錫鐵山、察爾汗、樂都、海石灣、哈爾蓋等9處配電所部署，于所內(nèi)直流電源系統(tǒng)蓄電池組上安裝應(yīng)用，運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7，在線核容測試曲線見圖8。其與傳統(tǒng)運維方式的對比見表1。經(jīng)驗證，裝置蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動在線核容、主動均衡及脈沖去硫等功能均滿足設(shè)計要求，設(shè)備運行良好，符合預(yù)期效果。

圖7 蓄電池運行狀態(tài)實時監(jiān)測

圖8 蓄電池自動在線核容測試曲線

4 結(jié)語

本文基于鐵路變配電所直流電源蓄電池運維現(xiàn)狀分析，設(shè)計了一種基于DC/DC雙向變換電路的蓄電池智能在線監(jiān)護裝置，在不改變原直流電源系統(tǒng)接線方式及運行參數(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蓄電池健康狀態(tài)監(jiān)測、自動在線核容、主動均衡及脈沖去硫等功能。該裝置具有實時、自動、高效等特點，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池運行過程出現(xiàn)的容量下降、過欠壓、內(nèi)阻越限等運行隱患，并通過自動化手段實現(xiàn)對劣化電池的智能維護與集中管理。上述技術(shù)的應(yīng)用，可進一步提高鐵路變配電所直流電源蓄電池組精細化運維和可視化管理水平，有效延長蓄電池使用壽命，對降低蓄電池運維成本、提高鐵路安全運行水平具有顯著意義。