變電站蓄電池組遠程在線核容系統研究

中圖分類號：TP273；TM912 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）14-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.006

0 引言

當前，全國在運的變電站達數萬座，大部分變電站都處于城市郊區，每座變電站的直流供電系統都配置了蓄電池組作為整個變電站的后備電源。隨著蓄電池組使用年限的增加，正極格柵會出現腐蝕和硫化情況，含有的電解液也會減少，里面的活性物質會漸漸變弱，致使蓄電池組的實際容量顯著降低。因此，每隔一段時間到每個變電站對蓄電池組進行充放電試驗，發現蓄電池異常情況并及時更換，才能保證整個蓄電池組的正常工作。隨著電網越來越智能化，變電站的設備相應增加，站內蓄電池的容量也會進一步加大，同時電力系統的運行又要求蓄電池組運維管理必須精細化，這就加重了運維人員的系統維護工作。大部分 110kV 和 220kV 變電站為無人值守變電站，如果站內蓄電池組存在安全風險未及時發現，站內交流供電系統發生故障時，運維人員無法立即到達進行搶修，整個變電站將面臨失壓，對整個電力系統安全可靠運行造成嚴重影響。

本文針對現有變電站蓄電池組核容方式耗費大量的人力物力、效率低下等問題，提出了一種變電站蓄電池組遠程在線核容系統方案，融合軟硬件監控系統，實現對蓄電池組的遠程集中監控和遠程在線核容，方便了變電站直流電源系統存在故障和潛在隱患的消除，提高了工作效率，減輕了基層維護人員工作負擔，降低了人工參與造成的風險，確保了變電站關鍵系統的供電可靠性，為電網的安全可靠運行提供了更好的保障。

1蓄電池遠程在線核容原理

蓄電池遠程核容技術的原理是通過采集設備遠程讀取蓄電池組的關鍵數據，將采集到的關鍵數據傳送到系統監控中心，系統監控中心利用相關算法和數據分析方法對監測數據進行實時分析，從而實現蓄電池容量的準確核定和蓄電池異常狀態的識別[1-4]。

變電站運維人員通過遠程運維工作站對變電站蓄電池組進行維護和充放電操作，可以在線查看蓄電池組單體電池的內阻、電壓和溫度，也可以對單個蓄電池進行均衡充電。遠程在線核容裝置主要由后臺服務器、各種蓄電池采集模塊、遠程運維主機和系統軟件組成。如果在遠程充放電過程中出現異常情況或日常蓄電池組有異常情況，系統會立即報警，并將故障信息通過短信推送給運維人員，運維人員可以及時處理，提高運維效率，保障電力系統可靠和穩定運行。

2變電站蓄電池組遠程在線核容系統

2.1 系統架構

如圖1所示，變電站蓄電池組遠程在線核容系統由三層架構組成：物理感知層、網絡層和應用層。

1）物理感知層：蓄電池組采集模塊和核容匯集模塊實現對每個蓄電池內阻、電壓、溫度、充放電電流和環境溫度等關鍵參數的采集，遠程核容裝置實現遠程和現場蓄電池組充放電核容試驗。

2）網絡層：通過交換機和路由器實現內部網絡與外部網絡的互聯，通過網絡（TCP/IP）將蓄電池組的關鍵參數定時上傳到系統監控中心，為系統監控中心進行數據分析提供原始數據。

3應用層：配置設備服務器、Web服務器以及數據庫。設備服務器的主要功能是負責分析并轉發用戶的操作命令到管理主機，對管理主機上傳的蓄電池數據、狀態以及告警信息等內容進行分析，并存儲至數據庫中。Web服務器主要負責為用戶提供數據瀏覽服務，以及響應用戶的操作命令。

2.2 系統功能

2.2.1 電池單體采集及均衡

采集設備應具有RS-232接口、RJ45網絡接口和USB接口，用于設備采集到的各項參數的本地和網絡化傳輸。電池單體采集及均衡功能負責采集蓄電池數據，并將采集到的蓄電池數據通過RS485總線傳輸給匯集器。除采集蓄電池組總電壓、充放電電流、環境溫度、單體電池電壓等數據外，電池監測裝置還能測試兩個重要的參數：單體電池內阻、單體電池負極極柱溫度，并可對每節單體單獨進行均衡充電。

單體電池監測模塊禁止從電池上取電，而是采用一拖一監測的方案，電池在浮充狀態下，測試內阻時的峰值電流應不超過 1.5A ，以免損壞蓄電池的極柱或極板。單體電池監測模塊應具備自動順序編號的功能，能自動和電池編號一一配對。單體電池電壓測量精度：誤差不超過 ±0.005V ；總電壓測量精度：誤差不超過 ±0.2V ；電流測量精度：誤差不超過 ±1A ；蓄電池容量檢測精度：誤差不超過 ±10% 。

2.2.2 電池內阻檢測

蓄電池的內阻是評估其性能的核心指標之一。研究發現，在閥控式蓄電池中，諸如早期容量衰減、極板腐蝕/變形、電解液干涸、硫酸鹽結晶等典型失效機制，均會引發內阻值的顯著升高。這種內阻變化本質上可作為蓄電池健康狀態的敏感表征參數。該系統采用瞬間脈沖放電來測試電池的內阻，這種測試方法具有測試速度快、精度高、一致性好、對電池無損傷等優點。內阻檢測精度：誤差不超過 ±3% 。

2.2.3 電池溫度檢測

由于蓄電池充電時充電電壓過高，或單體電池存在失水等故障，電池的充電電流與溫度均升高且互相促進，會使電池內部溫度迅速升高，形成熱失控。本系統采用高精度的NTC熱敏電阻來監測蓄電池的溫度，監測點為充電時蓄電池反應最為劇烈的負極柱，這種測試方式具有響應速度快、精度高等優點，可有效監測電池內部溫度，避免電池熱失控現象發生。溫度檢測精度：誤差不超過 ±1^°C 。

2.2.4 系統平臺功能

采用B/S架構，使用瀏覽器訪問，不用單獨安裝客戶端軟件。該系統同時支持多用戶訪問，不同用戶會分配不同的權限，不同的權限對應不同的訪問內容。用戶通過瀏覽器可以查詢設備的工作狀態，瀏覽蓄電池組的數據，查看充放電過程中蓄電池數據（總電壓、放電電流、單體電壓等）的變化曲線。

系統能自動識別浮充、均充、放電、停電放電、內阻測試等電池工況；支持在線放電管理，能記錄蓄電池的放電曲線與放電容量；支持在線查看蓄電池的廠家、型號、位置、工作狀態、容量、投運時間、電流、總電壓、單體電壓、內阻和剩余續航時間等關鍵參數；支持對單個或多個蓄電池組進行遠程在線核容試驗；根據蓄電池的監測數據，建立蓄電池組的健康評估模型；支持曲線、柱狀圖等圖形顯示功能；支持報表功能（月報、季報可自動發送）；具備實時告警功能；支持短信、郵件功能；能接收設備服務器下發的命令，分析并執行，并返回執行結果；定時執行本地數據保存功能（USB或SD卡）；實時分析測量數據，及時產生告警數據，并上報設備服務器。

2.3 系統安全防護要求

2.3.1 感知執行層防護

對于感知執行層的安全防護，采用雙因子認證，對系統訪問人員進行嚴格的保護和管理，這種方式可以很好地保證感知執行層的數據安全。

2.3.2 數據傳輸層防護

在數據傳輸層，為保障數據的完整性，避免數據在傳輸過程中被惡意篡改，采用點對點加密機制，對每個節點的數據實施加密，從而有效降低傳輸數據被解析和破譯的風險，保障數據在跳轉過程中的完整性、安全性。

2.3.3 應用控制層防護

應用控制層的數據安全性和隱私性是最重要的，因為應用控制層是整個應用系統的核心部分。在應用控制層，將系統權限分為系統管理員、高級管理員和維保人員，不同的人員對應不同的瀏覽和操作權限。為抵御惡意攻擊者通過偽裝身份或偽造指令等手段入侵系統實施非法控制，系統采用人臉識別登錄，能有效防止系統遭到違法分子的惡意攻擊，保障應用控制層的安全。

2.4 蓄電池遠程充放電原理

本系統不需要改變變電站原有直流供電系統，只需要在蓄電池組和直流配電屏中間加裝高頻DC/DC轉換設備，就可以實現蓄電池的遠程在線核容，適用于新舊變電站電源改造，也不會給變電站運維人員增加工作任務。

遠程充放電控制原理如圖2、圖3所示，K0為常閉開關，K1、K2、K3、K4為常開開關，高頻DC/DC設備是一個可升壓和降壓BUCK-BOOST的整流設備。

直流供電系統正常給直流負載供電情況下，K0開關一直處于閉合狀態，K1、K2、K3、K4開關一直處于斷開狀態，此時直流供電系統對蓄電池組進行浮充。

當蓄電池組需要進行遠程在線放電試驗時，常閉開關K0斷開，常開開關K3、K4閉合，常開開關K1、K2繼續保持斷開，高頻DC/DC設備處于升壓的工作狀態，會將蓄電池組的電壓升高，達到蓄電池組放電試驗的目的。高頻DC/DC設備會根據直流負載的電流情況實時調整輸出電壓，當達到蓄電池組的放電截止電壓時，高頻DC/DC設備會停止工作，蓄電池組的放電試驗結束。如果在蓄電池組放電過程中出現異常情況，可以人工手動遠程結束放電過程，系統自動記錄放電異常信息。

3 結束語

變電站蓄電池組遠程在線核容系統可以有效測出新投運和未到質保期電池的精確容量，對容量不達標的電池系統會及時提醒，并通知運維人員立即進行更換。定期的遠程在線核容試驗能準確篩選出落后的電池，有效避免單個電池落后，致使整個蓄電池組損壞的情況，極大地延長蓄電池組的使用時間。除此之外，融合電阻、電流、電壓和溫度等關鍵參數，構建了基于大數據的蓄電池全生命周期智能評估系統，可以自動生成最佳的電池維護方案，智能預測電池更換周期，精準計算備品備件需求，實現了蓄電池組管理從粗放式到精細化的轉型升級，為電網安全穩定運行提供了智能化支撐。

本文針對現有變電站蓄電池組核容方式耗費大量的人力物力、效率低下等問題，提出了一種變電站當蓄電池組遠程放電試驗結束后，蓄電池組的電壓會比較低，直流供電系統與蓄電池組的電壓差會比較大，如果直流供電系統直接給蓄電池組充電有可能會損壞蓄電池組。

當蓄電池組需要進行遠程充電試驗時，常閉開關K0保持斷開，常開開關K3、K4由閉合轉斷開，常開開關K1、K2由斷開轉閉合。高頻DC/DC設備處于降壓的工作狀態，會將直流供電系統的電壓降低，達到蓄電池組充電試驗的目的。高頻DC/DC設備會根據蓄電池組的充電電流情況實時調整輸入電壓，當達到蓄電池組的浮充電壓時，高頻DC/DC設備會停止工作，蓄電池組的充電試驗結束，蓄電池組會處于正常浮充狀態。如果在蓄電池組充電過程中出現異常情況，可以人工手動遠程結束充電過程，系統自動記錄充電異常信息。

蓄電池組遠程在線核容系統設計方案，該方案充分考慮了系統網絡安全和人員誤操作風險，不需要對原有的直流供電系統進行改造，只需在蓄電池組和直流配電屏中間加裝高頻DC/DC轉換設備，可用于變電站 48V/110V/220V 直流供電系統的遠程在線核容，方便了目前變電站蓄電池組存在故障和潛在隱患的消除，從而能夠為變電站內各種智能化設備、保護設備和通信設備提供更加可靠的后備電源。

[參考文獻]

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[3]李志興，許志華.基于載波通信的蓄電池組在線監測與控制系統研究[J].機電信息，2022（19）：20-22.

[4]王廷旺，耿保華，魏偉，等.蓄電池組在線遠程核容放電控制技術研究與應用[J].機電信息，2020（9）：24-26.