包蕊（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

變電站蓄電池在線檢測(cè)、修復(fù)系統(tǒng)研究

包蕊
（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

變電站每年有大量的報(bào)廢蓄電池，這些報(bào)廢的蓄電池加大了環(huán)境處理壓力并污染地下水資源，造成巨大經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。本文根據(jù)變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的重要作用，分析目前變電站蓄電池運(yùn)行、維護(hù)及在線監(jiān)測(cè)裝置的使用現(xiàn)狀，提出了變電站蓄電池在線檢測(cè)、修復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有日常維護(hù)檢測(cè)、在線充放電、在線去硫化修復(fù)、綜合分析、智能管理、自動(dòng)報(bào)警等功能，在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下提升了蓄電池的性能。

變電站；直流系統(tǒng)；廢蓄電池；在線檢測(cè)；在線去硫化修復(fù)；遠(yuǎn)程智能放電

1　概述

在線檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集蓄電池組端電壓、單體電壓、電流、環(huán)境溫度、剩余容量、蓄電池運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)并開(kāi)展在線智能充放電，解決了長(zhǎng)期以來(lái)人工測(cè)試手段落后，工作煩雜，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，只能定時(shí)測(cè)量等諸多問(wèn)題［1］。實(shí)施在線修復(fù)，采用最先進(jìn)的脈沖諧振技術(shù)，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生硫酸鹽化的蓄電池可以起到漸進(jìn)除硫的效果，達(dá)到在線修復(fù)并提升落后蓄電池容量的作用，解決了由于個(gè)別落后蓄電池導(dǎo)致整組蓄電池容量及性能下降的缺點(diǎn)，修復(fù)后部分落后蓄電池得以繼續(xù)在網(wǎng)使用，降低了蓄電池的報(bào)廢數(shù)量，延長(zhǎng)了在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間。

2　在線檢測(cè)研究

2.1硬件設(shè)計(jì)

選用 ARM 系列處理器作為閥控鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)的核心［2］。ARM 處理器是采用 RISC 架構(gòu)的32 位處理器，具有體積小，功耗低，成本低，性能高，能很好地兼容 8 位/16 位器件，尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)量閥控鉛酸蓄電池的主要參數(shù)有蓄電池單體的端電壓、蓄電池單體的內(nèi)阻、蓄電池單體之間的連接內(nèi)阻、整組蓄電池的總電壓、蓄電池組的充放電電流、蓄電池組的環(huán)境溫度等。

2.1.1單體電壓測(cè)量模塊

蓄電池組由多只單體組成，采用光繼電器作為多路輸入開(kāi)關(guān)，如圖1 所示，每只單體蓄電池的正極和負(fù)極作為輸入點(diǎn)，有 n+1 個(gè)輸入通道，n 為蓄電池單體數(shù)量。

2.1.2常規(guī)參數(shù)測(cè)量模塊

采用 TL431 為基準(zhǔn)信號(hào)源（見(jiàn)圖2），用運(yùn)放提高基準(zhǔn)信號(hào)的輸出能力，在運(yùn)放的反饋段接入電位器，調(diào)整電位器可調(diào)整放大系數(shù)，使測(cè)量基準(zhǔn)為2.500 V±1 mV?；鶞?zhǔn)信號(hào)采用電池單體電壓相同的輸入電路，在測(cè)量過(guò)程中，每隔 5 min 測(cè)量一次基準(zhǔn)，可消除環(huán)境溫度等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，達(dá)到自動(dòng)校基準(zhǔn)的目的。由于兩只單體電池之間的輸入信號(hào)是反相的，奇數(shù)通道輸入為正，偶數(shù)通道為負(fù)，為此，基準(zhǔn)輸入電路也分別有正負(fù)，測(cè)量奇數(shù)通道時(shí)，采用正基準(zhǔn)，測(cè)量偶數(shù)通道時(shí)用負(fù)基準(zhǔn)。對(duì)應(yīng) 3 個(gè)量程，共有 9 個(gè)基準(zhǔn)值?；鶞?zhǔn)輸入電路如圖3 所示。

2.1.3充放電電流測(cè)量模塊

蓄電池組的充放電電流的測(cè)量通常采用霍爾電流傳感器測(cè)量方法?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)為-5 V～+5 V 的電壓信號(hào)，與被測(cè)電路電氣隔離，輸入信號(hào) HCurrent+ 與 HCurrent- 通過(guò)分壓進(jìn)行測(cè)量?；魻栯娏鱾鞲衅鳒y(cè)量電流輸入電路如圖4 所示。

2.1.4溫度測(cè)量模塊

通常，采用將溫度傳感器安裝在蓄電池組表面的方法來(lái)測(cè)量蓄電池的溫度。因?yàn)樾铍姵亟M與電源設(shè)備有一定的距離，所以，為了提高抗干擾能力，一般采用 4～20 mA 的電流輸出型溫度傳感器，用1 ‰ 精度的采樣電阻，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。除測(cè)量蓄電池組的表面溫度外，一般還要測(cè)量蓄電池組的環(huán)境溫度，可采用同樣的 4～20 mA 的電流輸出型溫度傳感器，安裝在蓄電池所在環(huán)境的適當(dāng)?shù)奈恢?。溫度傳感器測(cè)量電路如圖5 所示。

2.1.5內(nèi)阻測(cè)量模塊

閥控鉛酸蓄電池大多失效模式都會(huì)引起電池內(nèi)阻的增加，所以根據(jù)電池內(nèi)阻的變化可以檢測(cè)出電池性能的問(wèn)題。通過(guò)監(jiān)測(cè)單體電池內(nèi)阻的變化情況能夠較好地預(yù)測(cè)電池故障，因此可以用來(lái)替代頻繁的放電試驗(yàn)。除非在充放電時(shí)，電池內(nèi)阻的變化不大，所以由內(nèi)阻的增大可以反映出電池容量和性能下降的程度。雖然電池的內(nèi)阻與其容量有關(guān)，可以用來(lái)檢測(cè)電池放電時(shí)的性能，但是這種關(guān)系不是線性的，因此不能用電池的內(nèi)阻來(lái)直接指示電池準(zhǔn)確的容量，但可以作為電池性能好壞的指示信號(hào)。

利用電源系統(tǒng)控制放電電流測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，通過(guò)控制電源系統(tǒng)的充電電壓，使電池組產(chǎn)生不同的放電電流，測(cè)量不同放電電流下的電流和每只蓄電池的電壓，來(lái)測(cè)量電池的內(nèi)阻，本文采用此方法測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻，步驟如下：

第一步：調(diào)低電源對(duì)蓄電池的浮充電壓，假設(shè)蓄電池組有 N 只電池，電壓調(diào)整到 1.8 V×N，此時(shí)完全由蓄電池提供電源負(fù)載電流。如果電池的放電電流較大，大于 4 ×I10，20 s 后測(cè)量蓄電池的放電電流I1和每只電池的端電壓 U1，如果電池的放電電流較小，小于 1×I10， 5 min 后測(cè)量蓄電池的放電電流 I1和每只電池的端電壓 U1。

第二步：把浮充電壓調(diào)回原來(lái)的值，測(cè)量第二點(diǎn)，測(cè)量此時(shí)的電流 I2和每只電池的端電壓 U2。

第三步：用公式 Ri= （U1- U2） / （I2- I1） 計(jì)算每只電池的內(nèi)阻。

2.2軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要分為三部分：硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)測(cè)量采集和處理層、應(yīng)用服務(wù)層。下面對(duì)每一層的主要功能進(jìn)行分析。

2.2.1硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層

硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是三層結(jié)構(gòu)中的最底層。采用硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層可增加硬件驅(qū)動(dòng)的各個(gè)函數(shù)，把與上層服務(wù)的交互接口定義成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，保證了其上的兩層與硬件無(wú)關(guān)，即使更換了 CPU 平臺(tái)，也能保證上層服務(wù)程序的規(guī)范化和可移植性。2.2.2 數(shù)據(jù)采集和處理層

這層是測(cè)量蓄電池參數(shù)的數(shù)據(jù)采集核心層，基本功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)。它向下同硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層交互數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)又把經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的信息通過(guò)交互接口提供給應(yīng)用服務(wù)層使用，因此，這層的功能基本上是固定的；但它實(shí)現(xiàn)的功能多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用模塊化結(jié)構(gòu)方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行模塊劃分，規(guī)范模塊間交互接口，保證模塊間的低耦和度，有利于進(jìn)行模塊測(cè)試和方便維護(hù)，保證軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2.3應(yīng)用服務(wù)層

根據(jù)該層實(shí)現(xiàn)的功能，應(yīng)用服務(wù)層可以分為充電管理模塊、放電管理模塊、蓄電池當(dāng)前容量的預(yù)測(cè)模塊、蓄電池故障診斷模塊、蓄電池修復(fù)模塊、告警處理功能模塊、與后臺(tái)通信模塊、控制命令處理功能模塊、歷史數(shù)據(jù)的記錄查詢及應(yīng)用服務(wù)管理功能模塊。

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)分析，由于功能固定采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互接口的模塊化設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此核心功能部分可通過(guò)增加或減少應(yīng)用服務(wù)層的各功能線程，而不用對(duì)核心程序作任何改動(dòng)，就保證了系統(tǒng)軟件的可靠性和穩(wěn)定性［3］。該層實(shí)現(xiàn)蓄電池管理系統(tǒng)的各種特定功能。它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口從數(shù)據(jù)采集和處理層獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整理，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池的智能檢測(cè)、修復(fù)管理。

3　遠(yuǎn)程智能放電研究

全在線放電技術(shù)可保證被測(cè)電池組放電時(shí)還處于在線狀態(tài)，最大限度地降低遇到市電中斷時(shí)系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)［4］。全在線放電技術(shù)不需要人工到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整或關(guān)閉直流設(shè)備，放電結(jié)束時(shí)不需要人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充電恢復(fù)工作，不需要人工在現(xiàn)場(chǎng)職守，同一系統(tǒng)的兩組蓄電池可共用一個(gè)放電模塊。如圖6所示：正常狀態(tài)下保持 SMR 與通信設(shè)備聯(lián)機(jī)，K1開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)使蓄電池并聯(lián)到供電系統(tǒng)上，K2開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，即 K1 與 K2 開(kāi)關(guān)為聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)；通過(guò)斷路控制模塊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接通 K2 開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)K1 開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)假負(fù)載對(duì)蓄電池組核對(duì)性放電檢測(cè)，并將檢測(cè)參數(shù)記錄上傳；測(cè)試結(jié)束后斷路控制 K2斷開(kāi)，K1 接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組充電恢復(fù)聯(lián)機(jī)?？梢?jiàn)，在測(cè)試期間無(wú)中斷通信設(shè)備電源的風(fēng)險(xiǎn)。

4　在線除硫化技術(shù)研究

采用掃蕩脈沖技術(shù)，通過(guò)主控柜中的在線修復(fù)模塊進(jìn)行除硫化修復(fù)［5］，如圖7 所示。工作原理是主控制模塊通過(guò)共振頻率模塊以可變頻率、寬度及幅度的掃描脈沖對(duì)電池組進(jìn)行掃描，確定落后單體IR 并確定共振狀態(tài)，再以特定頻率、寬度及幅度的脈沖進(jìn)行修復(fù)，對(duì)整組電池不斷發(fā)送掃描脈沖并由特定脈沖依次進(jìn)行修復(fù)，直到整組電池 IR 趨于一致。同步干擾抑制模塊將過(guò)濾掃描脈沖，以防止對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生干擾。通過(guò)實(shí)時(shí)在線修復(fù)，可以對(duì)硫酸鹽化了的電池起到逐漸除硫的效果，以使部分落后電池容量提升，得以繼續(xù)在網(wǎng)使用，而對(duì)于尚未發(fā)生硫酸鹽化的電池可以起到預(yù)防的作用，同時(shí)改善電池的一致性，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低蓄電池的報(bào)廢數(shù)量。

5　小結(jié)

該系統(tǒng)根據(jù)變電站蓄電池不同的實(shí)際應(yīng)用情況，研究蓄電池消耗和物理?yè)p傷的程度，對(duì)在線蓄電池組進(jìn)行各種參數(shù)檢測(cè)，快捷有效地檢測(cè)出失效蓄電池并進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站蓄電池在線參數(shù)檢測(cè)、智能充放電、在線修復(fù)的功能，根據(jù)檢測(cè)情況生成蓄電池日常維護(hù)報(bào)表，大大減少人工現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)并記錄的工作量，減少維護(hù)成本開(kāi)支，減少報(bào)廢蓄電池?cái)?shù)量，降低投資成本，減少報(bào)廢蓄電池對(duì)環(huán)境的污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，并具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 蘇鵬聲， 王歡. 電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)分析［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2003， 27（1）: 61-65.

［2］ 田娟， 王成. 蓄電池在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 微計(jì)算機(jī)信息， 2010， 26（6-2）: 103-104.

［3］ 殷小紅， 王中明， 周維宇， 等. 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［J］. 黑龍江電力， 2015， 37（6）: 547-550.

［4］ 杜愛(ài)賓， 劉延泉. 關(guān)于蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］. 電子測(cè)量技術(shù)， 2009， 32（10）: 95-99.

［5］ 張國(guó)山， 常蓬彬. 變電站直流電源蓄電池智能監(jiān)測(cè)在線均衡除硫?qū)＜夜芾硐到y(tǒng)的研發(fā)［J］. 河南電力，2015（3）: 35-38.

The research on the on-line inspection and repair system for the substation batteries

BAO Rui
（Electric Power Science Research Institute， State Grid Liaoning Electric Power Supply CO.， Ltd.，Shenyang Liaoning 110006， China）

Every year， a large number of used batteries in the substations will increase environmental pressures and pollute groundwater resources， causing an immense waste in the economy. In this paper， based on the important role of storage batteries in substation DC systems， the current status of the battery operation and maintenance and the usage of online monitoring devices are analyzed，so an on-line inspection and repair system for substation batteries is proposed. The system has the functions of daily maintenance detection， online charging and discharging， online desulphurization repair， comprehensive analysis， intelligent management， automatic alarm and so on. On the premise of ensuring safe and reliable operation， the system can improve the performances of the batteries.

substation； DC system； used battery； online inspection； online desulphurization repair；remote intelligent discharge

TM 912.9

A

1006-0847（2016）04-186-04

2016-04-29