基于機房動力環境監測及實際負載放電的蓄電池在線核容監測系統研究

張曉光 譚理珂 沈秋宇

（廣東能源集團天一電廠）

0 引言

現有的蓄電池核容測試及維護運維存在一些缺點。主要靠人工現場測量、巡查、記錄，維護人員的工作強度高、效率低；蓄電池組在浮充狀態時，即使整組蓄電池端電壓正常，也可能存在個別落后單體，只有離線測試才能發現問題，如果不能及時發現蓄電池的異常，則無法保障蓄電池直流系統運行的可靠性和穩定性；現有電池容量評估方法精準度低，無法及時發現隱患電池。而基于機房動力環境監測及實際負載放電的蓄電池在線核容監測系統可實現配電終端蓄電池組的全在線無人值守智能化監控管理，降低維護人員的勞動強度，減少維護成本開支，由遠程監控自動完成在線蓄電池充放電的容量測試，及時掌控機房內所有直流系統蓄電池組容量及保障供電時長的數據，實時監測蓄電池組的運行情況，發現異常即時告警，提高電力系統的運行質量、可靠性和穩定性，延長蓄電池組使用壽命。

1 蓄電池在線核容監測系統介紹

1.1 傳統的蓄電池維護方法及存在的缺點

傳統的蓄電池維護，主要靠人工現場測量、巡查、記錄。維護人員的工作強度高、效率低，且具有一定的風險性；蓄電池組連接充電機，處于浮充狀態時，即使整組電池的端電壓顯示正常，也不能排除有個別單體電池的電壓異常，即個別單體電池的異常狀況被隱藏了；傳統的蓄電池核容測試，對蓄電池的容量算法精確度較低，從而不能準確地評估蓄電池的健康狀況。

1.2 蓄電池在線核容監測系統研究思路

傳統的蓄電池運維模式，是人工到現場進行測量記錄，然后根據數據人為地判斷蓄電池的健康狀況。蓄電池放電核容也是由人工操作蓄電池放電儀，需要斷開原來的蓄電池接線，先將蓄電池離線后，再進行蓄電池放電核容，并人工記錄數據。工作量較大，維護工作效率較低，人力消耗嚴重，如果操作不當會有一定的風險，并且無法在核容過程中出現停電情況及時切換回在線狀態。

隨著信息處理技術、物理傳感器技術、物理信息交互技術的發展與成熟，可以將智能傳感器技術、信息處理技術加入蓄電池運維系統中，將環境監控、數據采集、數據分析等工作交給機器和計算機去執行，從而極大地減少工作量，同時還可以提高數據采集和分析的客觀性和準確性。智能運維系統通過不斷優化的計算模型及運行規則，使工作人員進行操作時都能具備專業的運維技術，使蓄電池組的運維工作效率高、質量優、投入小。工作人員可以通過遠程管理平臺，與現場的蓄電池監測維護裝置通信，獲取蓄電池信息和發送遙控指令，便捷安全地進行遠程運維。

1.3 系統組成

1.3.1 通信電源蓄電池在線核容裝置

通過串聯升壓器（DC/DC）抬高蓄電池電壓，略高于電源，承擔一部分負載電流，并通過升壓大小來調整放電電流，經由二極管保護實現在電池不脫離電源系統的情況下進行遠程放電。避免裝置熱失控。

串聯升壓器（DC/DC）串聯于蓄電池組與高頻開關電源之間，采取高頻開關電源的48V 直流供電，實時檢測高頻開關電源的電壓情況，將輸入的48V 電壓經過DC/DC 變換轉化為一個較小的電壓，并進行高頻判斷調節，使蓄電池與此DC/DC 模塊串聯電壓始終保持略高于高開電源電壓的水平，控制蓄電池能夠按照電流設定值對實際負載進行電流輸出，保證蓄電池在模塊接入期間進行恒流放電。整個放電過程中，蓄電池電壓持續降低，串聯升壓器（DC/DC）接入電壓實時升高，其間通過軟件監測實時調控。系統中由常閉接觸器K1 來控制串聯升壓器（DC/DC）是否接入蓄電池電路中進行升壓放電，由二極管D1保證蓄電池在核容試驗過程中，突發高開電源停電后，蓄電池能夠瞬間切換回默認狀態，直接為用電負載供電。

技術原理如圖1 所示。

圖1 通信電源蓄電池在線核容裝置原理圖

核容系統未核容時，常閉接觸器KO 閉合，常開接觸器KM 斷開，核容系統通過常閉接觸器K1 恢復電源系統按日常方式運行。

測試時，常閉接觸器KO 斷開，常開接觸器KM閉合，系統將蓄電池經過高頻DC/DC 升壓電路模塊升壓給用戶負載供電；系統電源取自蓄電池組，保證系統工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負載的供電不間斷。

校準結束后自動復位，由整流器給設備充電，高頻DC/DC 電池組穩流充電電路模塊工作，系統自動調節充電電流到設定的值并穩流；蓄電池組開始使用原有的整流器進行穩流充電，當蓄電池轉入浮充狀態時，常開接觸器KM 斷開，常閉接觸器KO 閉合。

核容裝置輔以蓄電池在線監測功能，能夠實時監測蓄電池工作狀態、蓄電池容量、蓄電池組總電壓、單體電池電壓、充/放電電流、蓄電池極柱溫度、蓄電池內阻（電導）、續航時間預估等參數。并加之內阻監測單元能夠更加精準地開展蓄電池在線容量校驗工作。核容裝置各個模塊對于電流進行實時監測，通過主控平臺程序輔助對蓄電池容量進行測算，通過對蓄電池放電電流和時間進行積分，也就是對放電電流與采樣時長的乘積值進行求和運算，最終結果乘以蓄電池容量修正系數，即可得到準確的蓄電池容量值。

1.3.2 UPS 蓄電池在線核容裝置

逆變式蓄電池組遠程智能運維裝置采用逆變并網技術，裝置將電池組直流電能逆變成交流電能，回饋到電網中。實現電池組全面監測、智能告警、遠程核容作業，助力直流電源智能化運維。使用DC/AC 逆變模塊，交流逆變并網功能，將蓄電池電能經過轉換回饋到電網中，并保證電池組對外恒流放電，安全、節能、環保。蓄電池狀態通過切換模塊控制，同時切換正負極，適用于多套電源共用核容裝置。

控制蓄電池組充放電母線線路切換，采用二極管單向導通原理，實現無縫切換，保證蓄電池實時在線，實現蓄電池全在線放充電測試。

技術原理如圖2 所示。

圖2 UPS 蓄電池在線核容裝置原理圖

放電時，常閉接觸器KO 斷開，常開接觸器KM、KC 閉合，系統將蓄電池經過DC/AC 逆變模塊并入電網中，實現蓄電池對電網放電；當放電停止條件到時自動轉為預充電狀態，系統內穩流充電電路模塊開始工作，充電電流小于浮充電流時結束充電，蓄電池直接恢復在線，由整流器直接給蓄電池浮充充電。

系統電源采用雙路設計，保證系統工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負載的供電不間斷。

1.3.3 遠程運維管理主站平臺

通過與監控主站平臺聯動，將蓄電池在線監測核容裝置的數據進行分析、排查、診斷，并自動控制核容裝置進行告警排查電壓、內阻異常情況的核容，定期充放電等功能，如圖3 所示。

圖3 遠程運維管理主站功能分解圖

管理軟件統計的遙測量有以下幾類。電池組：容量、總壓、充放電電流、環境溫度；電池單體：電壓、內阻、單體溫度、觸頭溫度；模塊：輸入電壓、電流，輸出電壓、電流；開始放電時間、結束放電時間，放電時長，放出容量。

遙信量有以下幾種：電池組充放電狀態，充放電組別，停止充放電原因，市電故障，電池巡檢儀通訊狀態，總電壓過高過低，單體電壓過高過低，單體溫度過高過低，環境溫度過高過低，充電電流過高過低，放電電流過高過低，遠近端狀態；站端信息、電池信息、工作模式、通訊狀態等。

遙控量有以下幾種：作業開始/停止、作業預制、設備重啟/關機等。

遙調量有以下幾種：充放電參數：總電壓下限、單體電壓下限、溫度上限、放出容量、放電時長、充電時長、充電總壓、充電截止電流。

處理最終以圖標的形式展現，支持Word、Excel、PDF 等格式導出；支持各種定制化功能開發。

系統網絡拓撲圖如圖4 所示，自上而下分為三層：應用層、網絡層、感知層。由智輔系統、協轉模塊、蓄電池信息采集部分、核容裝置等組成。

每個本地監控裝置通過RS485 總線將站端感知層的原有監控系統、核容裝置等連接到一起，通過它們采集通信電源系統蓄電池的各種運行數據，如電源的運行狀態、母線電壓和電流、電池電壓、溫度和內阻、核容裝置的狀態等，收集到一起統一管理，并通過協轉模塊將采集到的所有信息傳送到監控主站平臺，可對任意一個變電站的信息及參數進行更改設置，并提供蓄電池核容功能的相關遠程控制。手持式顯示系統可以查詢現場通信電源的信息并支持自動導出數據的功能。

主要功能如下：

（1）在線監控和3D 機房展示

運用數字孿生技術，平臺配備了對機房的3D 建模及相關數據的展示功能，將實際機房的具體現實場景實時映射到運維管理主站平臺?；A數字孿生架構如圖5 所示，主要包括物理空間、虛擬空間以及這些空間之間的連接三部分。

圖5 基礎數字孿生架構

如圖5 所示，機房的3D 建模上注入對應的實時監控數據，構成現實機房的數字孿生體。直觀生動地展現了機房內的設備與環境、線纜的走線與結構、各設備之間的物理時空關系、實時運行狀態。如圖6 所示，選中與實體對應蓄電池的3D 模型，即可顯示出其實體的所有實時監控信息、物理時空信息。線纜的3D 模型可動態顯示電流方向和狀態。機房內蓄電池或相關設備有異常告警時，其對應的3D 模型會自動高亮顯示并且提示告警信息，工作人員可迅速定位異常點的位置。

圖6 3D 機房模型

如圖7 所示，除蓄電池機房外，數字孿生和3D建模進一步擴展到其他機房、樓層、樓棟。

圖7 3D 機房— 樓棟模型

（2）實時監測及核容試驗

可遠程控制蓄電池核容，實時監控核容過程中的系統信息。圖8 為核容試驗的拓撲圖，直觀顯示電路狀態。

圖8 核容系統設備運行情況拓撲圖

（3）數據管理和報表統計

蓄電池信息管理：對各站點蓄電池組的品牌、型號、容量、生產日期、投運日期、配置情況等數據進行登記記錄，對蓄電池基礎健康數據進行登記管理。

機房信息管理：機房定位信息管理管理各個站點的地理位置信息，通過站點地理信息為首頁電子地圖提供數據支撐。

蓄電池信息統計分析：電池信息統計分析，對放電數據進行統計，多維度地對數據進行分析（電池品牌、型號、使用年限，機房續航時長），從而分析出同品牌隨著使用年限的增長電池衰變的速度。同使用年限下不同品牌的劣化狀態。為運維人員及領導層后期選擇優秀的電池廠家提供數據支持。

蓄電池后臺監控管理平臺報表統計方面具備以下功能：

蓄電池組統計分析：依據每年核容試驗數據展現逐年容量，展現蓄電池隨著投運時間的延長，蓄電池容量衰減的趨勢。系統可以查詢任一站點、任一組蓄電池、某節蓄電池的容量衰減趨勢，橫向對比蓄電池容量趨勢，以圖片的形式展現出同品牌、同批次、不同品牌、不同批次蓄電池性能對比，為管理人員及運維人員提供后期運維依據。

蓄電池組性能評估：對各品牌蓄電池組的投運日期、放電次數、歷史最高容量、歷史最低容量、最近一次核容試驗容量進行統計展示，分析展現蓄電池使用壽命。

蓄電池實時狀態查詢：模塊著重對蓄電池組落后單體數據進行集中展現，對所管轄變電站蓄電池組落后單體篩選，使運維人員有目的性地進行定位運維，節省運維人員的精力及時間。

蓄電池續航能力查詢：電池續航能力查詢功能，是通過以往的蓄電池運維數據，為運維人員展現各個站點蓄電池的實際續航能力，當出現緊急情況時，運維人員可以第一時間了解相關站點的蓄電池續航能力，為處理緊急情況提供時間依據。

（4）用戶管理

電池后臺監控管理平臺用戶管理方面具備以下功能：

用戶信息管理：平臺可根據實際需求建立多個賬號，方便不同的管理角色對平臺的管理，同時給每個賬號授予不同的管理操作權限。

權限管理：針對不同的用戶分配相應的管理權限、監測權限、運維權限，根據每個用戶角色下發相關功能模塊權限。

2 結束語

基于機房動力環境監測及實際負載放電的蓄電池在線核容監測系統在人力成本，操作安全，維護便利性，維護效率等多方面優于傳統的蓄電池維護方式。

在蓄電池監測設備、蓄電池核容設備以及遠程監測運維主站三方面的協同下，可以實現在線監測蓄電池組及其電源端的各項參數信息，及時準確發現存在異常的蓄電池；可遠程控制蓄電池核容測試，核容測試過程中記錄詳細的蓄電池實時數據，核容測試結束時使用優化的算法計算蓄電池剩余容量，精確判斷蓄電池健康指標；3D 機房展示當前蓄電池組的詳情物理配置信息，與告警系統相結合，更加直觀展示蓄電池異常位置，幫助運維人員高效進行蓄電池維護，極大地提高了蓄電池系統運行的穩定性和可靠性。