殷曉紅,王中明,周維宇,王立杰,唐曉博,馬曉翠

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;2.鶴崗供電公司,黑龍江 鶴崗 154101;3.哈爾濱供電公司,哈爾濱 150010；4.國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150066)

●新技術(shù)與應(yīng)用●

蓄電池智能在線維護(hù)監(jiān)控管理系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

殷曉紅1,王中明2,周維宇2,王立杰3,唐曉博3,馬曉翠4

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;2.鶴崗供電公司,黑龍江 鶴崗 154101;3.哈爾濱供電公司,哈爾濱 150010；4.國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150066)

在闡明鉛酸蓄電池劣化及其修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過整合相關(guān)研究成果的特點(diǎn),開發(fā)了集脈沖除硫→均衡充電→檢測(cè)保護(hù)的三階段蓄電池維護(hù)技術(shù)、多路輸出分時(shí)循環(huán)除硫工作機(jī)制,以及集蓄電池網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控功能于一身的蓄電池智能在線維護(hù)監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了蓄電池的網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理、電池性能準(zhǔn)確甄別和蓄電池在線除硫維護(hù)等功能,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)值,滿足了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求。

直流電源;蓄電池;在線監(jiān)測(cè);在線維護(hù);監(jiān)控管理;變電站

變電站中直流電源系統(tǒng)主要由蓄電池組、充電裝置、絕緣監(jiān)控裝置、電池巡檢裝置以及控制、保護(hù)電源等設(shè)備構(gòu)成。其中,蓄電池對(duì)直流電源系統(tǒng),乃至電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用。因此,防止蓄電池劣化,延長(zhǎng)蓄電池壽命,減少蓄電池的維護(hù)難度,降低運(yùn)行維護(hù)成本,是一項(xiàng)非常值得電網(wǎng)公司探討的課題。

目前,變電站直流電源系統(tǒng)大多使用具有安裝方便、維護(hù)工作量小、對(duì)環(huán)境污染少、可靠性較高的閥控式鉛酸蓄電池。但在實(shí)際使用過程中,由于蓄電池的使用和維護(hù)不當(dāng),如經(jīng)常充電不足,不及時(shí)充電或放電,勢(shì)必引起硫化現(xiàn)象的發(fā)生。因此,為了克服鉛酸蓄電池的硫化,已開發(fā)出多種鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù),如:大電流充電法、負(fù)脈沖法、添加活性劑法、高頻脈沖法、復(fù)合式諧振脈沖法、恒流充放電法等[1-2]。然而這些修復(fù)方法大多是在蓄電池出現(xiàn)“硫化”后采取的補(bǔ)救式修復(fù)方法,而且需要采取退出運(yùn)行的離線式修復(fù),影響了直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行。所以,為了提高修復(fù)效率,更好地服務(wù)于變電站,近年來國內(nèi)各大院校及企事業(yè)科研單位相繼開發(fā)出在線式修復(fù)技術(shù)。文獻(xiàn)[3]提出了脈沖式間歇式充電方式,以降低和延緩蓄電池劣化趨勢(shì),針對(duì)蓄電池在線活化,提出以一定深度的充放電循環(huán)為基礎(chǔ),輔以激勵(lì)信號(hào),有效去除硫酸鹽,抑制蓄電池失效的蓄電池在線活化技術(shù),可以恢復(fù)蓄電池容量10%～35%,同時(shí)分析蓄電池最佳活化時(shí)機(jī),使蓄電池保有容量達(dá)40%以上。文獻(xiàn)[4]開發(fā)了蓄電池實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng),由蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制中心機(jī)構(gòu)成,充分利用變電站中的各種通信資源進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳遞,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能診斷、容量估計(jì)、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。文獻(xiàn)[5]開發(fā)了大集控直流蓄電池監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng),由監(jiān)控主機(jī)、電池電壓采集模塊、放電模塊、通信接口板、服務(wù)器等構(gòu)成,可在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)單體電池電壓、電池組組端電壓、充放電電流和溫度等參數(shù),并通過大網(wǎng)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)分析和診斷,提前預(yù)示電池性能趨勢(shì)。文獻(xiàn)[6]提出一種基于在線診斷技術(shù)的直流電源系統(tǒng)狀態(tài)檢修模式,利用基于狀態(tài)空間預(yù)測(cè)要求的卡爾曼濾波器對(duì)蓄電池剩余容量及狀態(tài)進(jìn)行診斷及預(yù)測(cè)。本文為了進(jìn)一步提升應(yīng)用于變電站的蓄電池在線修復(fù)技術(shù)水平,使其既能在線維護(hù)蓄電池,提高蓄電池性能,又可以遠(yuǎn)程監(jiān)控,提供蓄電池的主動(dòng)維護(hù),開發(fā)了一種新的電力系統(tǒng)直流蓄電池智能在線維護(hù)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的開發(fā)

開發(fā)的系統(tǒng)功能為:

1) 采用脈沖除硫 → 均衡維護(hù)→ 檢測(cè)保護(hù)三階段蓄電池維護(hù)技術(shù),有效提高蓄電池各節(jié)電池充電的均衡性,防止電池的快速劣化,延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,提升電池容量及整組電池供電能力。

2) 采用多路輸出分時(shí)循環(huán)除硫的工作機(jī)制,有效保障蓄電池在線維護(hù)效果,同時(shí)避免因設(shè)備工作時(shí)對(duì)站點(diǎn)其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

3) 有機(jī)整合蓄電池在線維護(hù)功能和蓄電池網(wǎng)絡(luò)化實(shí)施監(jiān)控功能,實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)與監(jiān)控的一體化。

4) 開發(fā)蓄電池在線維護(hù)監(jiān)控管理網(wǎng)管平臺(tái),實(shí)現(xiàn)蓄電池信息的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化管理,蓄電池在線維護(hù)效果分析,以及蓄電池重要信息告警等功能。

該系統(tǒng)由蓄電池在線維護(hù)儀(遠(yuǎn)端硬件)、服務(wù)器(局端硬件)、蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(tái)(局端軟件)三大部分組成。

蓄電池在線維護(hù)儀安裝于蓄電池所在變電站站點(diǎn),采集蓄電池運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)(包括站點(diǎn)供電狀態(tài)、電池組端壓、電池內(nèi)各單體電壓、電池充/放電電流、電池溫度等);將采集到的蓄電池運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至服務(wù)器端,接收服務(wù)器端發(fā)送的各項(xiàng)控制指令;通過設(shè)備與蓄電池端的連接線向蓄電池輸出除硫脈沖和充電電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的均衡充電和在線除硫維護(hù)。

服務(wù)器使用遠(yuǎn)端外網(wǎng)設(shè)備,蓄電池在線維護(hù)儀內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與服務(wù)器端建立數(shù)據(jù)連接,一方面將實(shí)時(shí)采集到的各項(xiàng)電池運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至服務(wù)器端,另一方面負(fù)責(zé)接收服務(wù)器端傳送的各項(xiàng)查詢和控制指令,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(tái)安裝于服務(wù)器內(nèi),負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)的采集、WEB界面顯示、數(shù)據(jù)后臺(tái)分析計(jì)算和存儲(chǔ)等,通過該平臺(tái)對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)蓄電池各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)查看、站點(diǎn)隱患智能分析和維護(hù)指導(dǎo)、電池均勻性變化分析等功能,以指導(dǎo)維護(hù)人員更加科學(xué)高效地維護(hù)蓄電池。

1.1 系統(tǒng)硬件與功能

蓄電池在線維護(hù)儀為系統(tǒng)硬件設(shè)備,應(yīng)用于變電站單體電池為2 V的蓄電池組,最多可管控2 V/24節(jié)單組電池。

1.1.1 在線維護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

以2 V/24節(jié)蓄電池組為例,蓄電池輸出接口為25位端子,輸出線分別接入各節(jié)單體電池的正負(fù)極柱,設(shè)備工作機(jī)制采用脈沖除硫 → 均衡維護(hù)→ 檢測(cè)保護(hù)三階段分時(shí)循環(huán)。

從以上工作機(jī)制來看,脈沖除硫階段對(duì)已經(jīng)硫化的電池恢復(fù)其特性;均衡維護(hù)階段減小電池組各單體電池的差異性,有效阻止再次硫化;檢測(cè)保護(hù)階段使電池始終處于安全狀態(tài),同時(shí)避免過充,當(dāng)再次出現(xiàn)差異時(shí)可以自動(dòng)啟動(dòng)工作。通過這種在線維護(hù)方式將高于平均值的單體電壓拉低(在線維護(hù)降低其內(nèi)阻),將低于平均值的單體抬高(欠充電池補(bǔ)充其能量),從而有效消除電池劣化,使整組電池性能顯著提升。

1.1.2 各項(xiàng)電池?cái)?shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)

蓄電池單體電池電壓和總電壓的采集:蓄電池輸出接口不僅完成對(duì)各節(jié)單體電池在線維護(hù)的功能,還通過該接口采集各節(jié)單體電池的電壓和總電壓。

蓄電池溫度采集:設(shè)備內(nèi)部?jī)?nèi)置溫度傳感器,溫度傳感器采集探頭置于電池附近,即可采集到電池所處環(huán)境溫度。

圖1 設(shè)備級(jí)聯(lián)功能示意圖

蓄電池供電狀態(tài)信息采集:通過電池電壓和電池電流的變化綜合判斷站點(diǎn)是否處于停電狀態(tài),站點(diǎn)停電標(biāo)志包含在上傳數(shù)據(jù)內(nèi)。

1.1.3 設(shè)備級(jí)聯(lián)功能的實(shí)現(xiàn)

單臺(tái)蓄電池在線維護(hù)儀最多只能管控24節(jié)電池,如果單組蓄電池的單體電池節(jié)數(shù)超過24節(jié),就要通過設(shè)備級(jí)聯(lián)接口進(jìn)行擴(kuò)展。

例如站點(diǎn)蓄電池為2 V/108節(jié)單組,則五臺(tái)設(shè)備級(jí)聯(lián)后,1號(hào)設(shè)備作為主設(shè)備管控前24節(jié)電池,2號(hào)設(shè)備作為從設(shè)備管控其余12節(jié)電池,依次類推,所有采集信息均通過級(jí)聯(lián)接口匯總至1號(hào)設(shè)備,通過GPRS/3G模塊發(fā)送至服務(wù)器端。連接示意圖如圖1所示。

1.1.4 數(shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸功能通過設(shè)備上的無線模塊實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)軟件及功能

1.2.1 服務(wù)器端軟件

服務(wù)器端軟件包括Linux操作系統(tǒng)、在線維護(hù)系統(tǒng)采集軟件、Oracle數(shù)據(jù)庫、蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

軟件共分為四層。

表現(xiàn)層:以動(dòng)態(tài)圖形及聲光報(bào)警展現(xiàn)站點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,對(duì)不良蓄電池進(jìn)行聲光報(bào)警和短信發(fā)布。

數(shù)據(jù)交互層:將結(jié)果數(shù)據(jù)通過國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式(xml和json)進(jìn)行傳輸。

數(shù)據(jù)處理層:將采集到的模擬量進(jìn)行分析和存儲(chǔ),并生成分析結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集層:定時(shí)對(duì)各機(jī)房數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并交數(shù)據(jù)處理層處理。

1.2.2 軟件功能

采用Linux5.5版本操作系統(tǒng),是服務(wù)器端各應(yīng)用軟件正常運(yùn)行的基礎(chǔ),具有系統(tǒng)安全性高、網(wǎng)絡(luò)功能豐富、可移植性好等特點(diǎn)。在線維護(hù)系統(tǒng)采集軟件負(fù)責(zé)接收各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳和服務(wù)器端相關(guān)指令的下發(fā)。采用Oracle10.2g版本,對(duì)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

蓄電池在線維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(tái)主要功能為站點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)顯示、曲線分析、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。維護(hù)人員只需訪問該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),即可查看站點(diǎn)蓄電池實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)劣化蓄電池組。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(最大架構(gòu)模式)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

采用雙服務(wù)器一級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)監(jiān)控中心架設(shè)兩臺(tái)服務(wù)器,每臺(tái)服務(wù)器均安裝相應(yīng)的蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、web服務(wù)器軟件,一臺(tái)作為主服務(wù)器,另一臺(tái)作為熱備用服務(wù)器。

服務(wù)器端有一個(gè)廣域網(wǎng)靜態(tài)IP地址,兩臺(tái)服務(wù)器通過路由器與外界連接。蓄電池端每組電池所配備的智能在線監(jiān)測(cè)維護(hù)儀可通過RJ45端口或GPRS/3G模塊,與服務(wù)器進(jìn)行通訊。各級(jí)蓄電池維護(hù)人員通過本地瀏覽器,按照管轄區(qū)域可對(duì)蓄電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)查看及維護(hù)。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用

經(jīng)研制開發(fā)后,該系統(tǒng)于2014年9月應(yīng)用于鶴南變2 V/104節(jié)蓄電池,并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。鶴南變蓄電池為哈爾濱九州蓄電池生產(chǎn),型號(hào)為GFM-300,標(biāo)稱容量300 AH,電池?cái)?shù)量2 V/104節(jié),2010年投運(yùn)。

初測(cè)于2014年9月4日進(jìn)行,預(yù)測(cè)放電時(shí)長(zhǎng)3.0 h,(放電時(shí)間達(dá)到預(yù)定值時(shí),自動(dòng)停止測(cè)試),預(yù)設(shè)放電電流30 A。放電因預(yù)設(shè)時(shí)間達(dá)到而自動(dòng)停止,放電停止時(shí),第25節(jié)電池電壓最低,為1.980 V。復(fù)測(cè)于2015年4月2日進(jìn)行,預(yù)設(shè)放電時(shí)長(zhǎng)7 h,預(yù)設(shè)放電電流20 A。同樣是在放電時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)定值時(shí),自動(dòng)停止測(cè)試,放電停止時(shí),第80節(jié)電池的電壓最低,為2.066 V。兩次測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 蓄電池初測(cè)、復(fù)測(cè)參數(shù)結(jié)果對(duì)照表

從表1可以看到,通過蓄電池智能在線維護(hù),單體電池電壓均有所提升,如初測(cè)時(shí)的第25節(jié)電池,電壓降至1.980 V,復(fù)測(cè)時(shí)升至2.073 V,提升了電池性能。此外,復(fù)測(cè)最低單體電壓第80節(jié)的單體電壓達(dá)2.066 V,電池電壓的整體均勻性比初測(cè)時(shí)有所提高;整組電池容量得到了提升,提升量達(dá)55.68AH(復(fù)測(cè)容量146.439AH-初測(cè)容量90.758AH),容量提升百分比達(dá)18.56% ((復(fù)測(cè)容量146.439AH-初測(cè)容量90.758)/標(biāo)稱容量200AH×100%),去硫化效率達(dá)61.35%((復(fù)測(cè)容量146.439AH-初測(cè)容量90.758AH)/初測(cè)容量90.758AH×100%)。由此表明,電力系統(tǒng)直流電源蓄電池智能在線維護(hù)監(jiān)控管理系統(tǒng),通過對(duì)放電過程中各單節(jié)電池電壓的監(jiān)測(cè),可及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)整組電池中落后單支電池,從而有效指導(dǎo)維護(hù)人員對(duì)電池進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù),消除故障隱患,消除電池長(zhǎng)期浮充形成的硫化,提高了單體電池電壓均勻性,有效地提升了電池的性能和整組蓄電池供電能力。

3 結(jié) 語

通過蓄電池智能在線維護(hù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā),以及現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、測(cè)試等對(duì)成果的驗(yàn)證,最終實(shí)現(xiàn)了蓄電池的網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理、電池性能準(zhǔn)確甄別和蓄電池在線除硫維護(hù)等功能,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)值,符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要。

由于電力系統(tǒng)使用蓄電池范圍廣、數(shù)量大,本研究推廣意義重大,包括合閘電源、無人值守變電站、UPS供電系統(tǒng)的蓄電池,均可通過該系統(tǒng)進(jìn)行在線維護(hù)和管理,提高現(xiàn)有蓄電池維護(hù)管理水平和維護(hù)效率,降低運(yùn)行維護(hù)成本,減少運(yùn)行維護(hù)人員的維護(hù)強(qiáng)度和維護(hù)難度。此外,從降低電池采購成本和提升電網(wǎng)電池使用壽命的角度,可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Application of intelligent battery online maintenance and monitoring management system in substations

YIN Xiaohong1,WANG Zhongming2,ZHOU Weiyu2, WANG Lijie3,TANG Xiaobo3，MA Xiaocui4

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. Hegang Power Supply Company,Hegang 154101, China; 3.Harbin Power Supply Company, Harbin 150010, China；4.Guodian Harbin. Thermal Power Co.,Ltd，Harbin 150066,China)

On the basis of expounding the lead-acid battery deterioration and restoration technology, through the integration of the relevant research results, this paper developed pulse sets in addition to sulfur, equalizing charge detection and protection of three-phase accumulator maintenance technology, multi-channel output cycle in addition to the working mechanism of sulfur, and battery network of real-time monitoring function in a body of the intelligent battery online monitoring and maintenance management system. The practical application shows that this system realizes network unified management of battery, accurate discrimination of battery performance and battery online desulphurization, which make the technological index reach the target value, meeting the requirement of onsite operation.

DC power source; battery; online monitoring; online maintenance; monitoring management; substation

2015-07-07。

殷曉紅(1965—),女,高級(jí)工程師,從事電力科技環(huán)保監(jiān)測(cè)與研究工作。

TM912

A

2095-6843(2015)06-0547-04