苗俊杰

(國網(wǎng)河北省電力公司運(yùn)維檢修部，河北石家莊050000)

智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

苗俊杰

(國網(wǎng)河北省電力公司運(yùn)維檢修部，河北石家莊050000)

鉛酸蓄電池在電力系統(tǒng)中起著提供能源的重要作用，而在應(yīng)用過程中呈現(xiàn)的問題比較多，由其引起的事故損失大，亟需一套完備的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管，防患于未然。由于大多數(shù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品存在一定的問題，不能與鉛酸蓄電池良好結(jié)合，在安裝方式、監(jiān)測(cè)方式、監(jiān)測(cè)效果方面不能滿足要求，監(jiān)測(cè)裝置品質(zhì)不一，導(dǎo)致其產(chǎn)生的效益也不盡相同。通過調(diào)研選取功能較齊全，結(jié)構(gòu)較合理且操作簡(jiǎn)單的智能型鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)各方面的數(shù)據(jù)，著重從基建成本、維護(hù)成本、安全成本、投資成本方面對(duì)其運(yùn)行后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。對(duì)鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展加以剖析，指出設(shè)計(jì)合理的智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展前景，加強(qiáng)對(duì)智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)價(jià)值的認(rèn)識(shí)。

經(jīng)濟(jì)效益；智能型；鉛酸蓄電池；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鉛酸蓄電池在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在直流系統(tǒng)中更是承擔(dān)著緊急提供能源的重?fù)?dān)，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬閥控式鉛酸蓄電池，憑著成本低、全密封安全性好、安裝簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)、維護(hù)量小、污染少等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

然而閥控式鉛酸蓄電池也有不足之處，其本身是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)體，性能取決于多種因素，不易判斷內(nèi)部情況，常發(fā)生電池失效現(xiàn)象，大多數(shù)電池壽命不及預(yù)期，運(yùn)行期間單個(gè)電池質(zhì)量下降往往導(dǎo)致整個(gè)電池組健康狀況迅速下降；在不間斷供電系統(tǒng)故障中，由蓄電池問題引發(fā)的故障占比例大，損失嚴(yán)重。隨著閥控式鉛酸蓄電池的廣泛應(yīng)用，維護(hù)好蓄電池，增加蓄電池的服役期限，延緩使用壽命已經(jīng)成為提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性的必要[1]。本文對(duì)應(yīng)用于直流系統(tǒng)的鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品(主要是閥控式鉛酸蓄電池)做研究，以下蓄電池均指鉛酸蓄電池。

1 鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品現(xiàn)狀

現(xiàn)在的通信、電力系統(tǒng)的備用電源大部分均采用VRLA電池[2]。針對(duì)其在應(yīng)用中的諸多不足，各廠家技術(shù)人員從原理上進(jìn)行分析，對(duì)蓄電池的端電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻、紋波等加以監(jiān)測(cè)并研發(fā)出多種產(chǎn)品，目前市場(chǎng)上的蓄電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品種類繁多，監(jiān)測(cè)種類和精度各不相同，分析方法及算法也存在一定的差異。

國內(nèi)外早已加大了對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)研究的投入[3－4]，并且取得了一些客觀成績(jī)，部分成果已經(jīng)投入應(yīng)用[5]。但目前大多數(shù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品都存在一定的問題，不能與蓄電池良好的結(jié)合，在安裝方式、監(jiān)測(cè)方式、監(jiān)測(cè)效果方面不能滿足要求。例如應(yīng)用比較廣泛的集中式監(jiān)測(cè)，需要從所有電池極柱引出測(cè)量線集中于監(jiān)控器，這種安裝方式會(huì)因電池串聯(lián)積壓導(dǎo)致測(cè)量引線之間具有高電壓差，造成安全隱患；多數(shù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品選用斷電方式，由人工操作，監(jiān)測(cè)方式不合理，操作麻煩，維護(hù)工作量巨大，并且存在時(shí)效性問題而無法滿足監(jiān)測(cè)需求；有的在監(jiān)測(cè)過程中用到瞬間大電流，對(duì)電池本身和其他裝置造成影響；還有一部分監(jiān)測(cè)產(chǎn)品雖監(jiān)測(cè)功能較為齊全，安裝后顯現(xiàn)出一些問題，不能準(zhǔn)確分析出蓄電池的健康狀態(tài)，對(duì)“落后電池”的識(shí)別能力差，其本身壽命短等，均對(duì)監(jiān)測(cè)過程造成一定的負(fù)擔(dān)。

2 智能型鉛酸蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能蓄電池是指能以某種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池各參數(shù)的在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，并能遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)至運(yùn)維人員。其相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)智能蓄電池技術(shù)研發(fā)的一種與電池可構(gòu)成完整系統(tǒng)的產(chǎn)品，可自動(dòng)收集并處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)上送結(jié)果并有完備的告警機(jī)制。本文針對(duì)一款新型的蓄電池及蓄電池在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品作效益分析，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在測(cè)量電路與蓄電池殼體相結(jié)合，一體化生產(chǎn)，并且著重于溫度、內(nèi)阻監(jiān)測(cè)技術(shù)的突破，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并不對(duì)電池和其它設(shè)備產(chǎn)生影響。

較其他類型的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：測(cè)量參數(shù)齊全，測(cè)量精度高，測(cè)量電路內(nèi)置，與蓄電池良好結(jié)合；創(chuàng)新的簡(jiǎn)潔化對(duì)外接口接線方式，施工安裝簡(jiǎn)單，安全性能高；實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)分析并上送結(jié)果，具備多種參數(shù)設(shè)定及查詢功能；具備詳盡的限值設(shè)定及告警功能，實(shí)現(xiàn)劣化狀態(tài)的提前預(yù)警；完備的后臺(tái)管理軟件，友好的人機(jī)界面。

目前，此智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步安裝應(yīng)用在110 kV變電站及通訊基站，運(yùn)行數(shù)月，狀態(tài)穩(wěn)定，各項(xiàng)功能正常，數(shù)據(jù)采集完整，精度滿足需求。其成功投運(yùn)給變電站的運(yùn)行帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 智能型鉛酸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益是多方面的，除了從本身制造到投運(yùn)過程的成本得到了有效控制外，在運(yùn)維、安全等方面也有比較突出的優(yōu)勢(shì)。

3.1 基建成本

按照單體電池更換計(jì)算：根據(jù)國家電網(wǎng)華北分公司2013年中標(biāo)公告顯示，邢臺(tái)供電公司靜安110 kV變電站使用的216塊2 200 Ah的蓄電池，蓄電池平均中標(biāo)價(jià)格是400元，每個(gè)變電站蓄電池購置需要8.64萬元。根據(jù)邢臺(tái)供電公司靜安110 kV變電站提供數(shù)據(jù)得知，蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)平均中標(biāo)價(jià)格是10萬元，平均每塊電池承擔(dān)863元，相當(dāng)于普通蓄電池成本的216%。變電站安裝普通的蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，總體投資在8.64+10=18.64萬元。

圖1為不同蓄電池站投資成本對(duì)比。智能型鉛酸蓄電池價(jià)格為普通蓄電池的120%左右，加上配套設(shè)備，一套基于智能蓄電池的智能型鉛酸在線監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格相當(dāng)于普通蓄電池的130%。同一個(gè)變電站換裝智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，總體投資為8.64萬元的130%即11.232萬元，與18.64萬元投資的普通蓄電池監(jiān)控所起到的效果是相同的。此外，安裝成本上，每塊電池集中式安裝成本約25元，智能型蓄電池安裝成本約2元，每個(gè)站安裝成本可節(jié)約0.49萬元。如果將一套110 kV普通蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)換裝為能夠達(dá)到同樣效果的智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，可節(jié)省7.9萬元。

圖1 投資成本對(duì)比圖

全國2015年計(jì)劃新建110 kV智能變電站3 710座，改造630座普通110 kV變電站。若全部替換為智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)。總共能夠節(jié)省3.43億元。

另外由于智能型鉛酸蓄電池高可靠性，容量可監(jiān)測(cè)性，使12 V大容量蓄電池在電力系統(tǒng)普及成為了可能。以邢臺(tái)靜安110 kV變電站使用的2 V200 Ah為例，采購價(jià)格保守估計(jì)為400元/只，全站216塊投資為：86 400元。普通12 V200 Ah電池采購價(jià)格保守估計(jì)為1 500元/只，智能蓄電池成本高出30%即為1 950元左右，全站只需投入36塊12 V200 Ah智能蓄電池，可節(jié)約成本為：基站2 V200 Ah電池投資總價(jià)－基站12 V200 Ah智能蓄電池投資總價(jià)，即86 400元－1 950× 36=16 200元。由此可知，使用普通2 V200 Ah蓄電池的110 kV變電站，在改用12 V200 Ah的智能蓄電池后，無需其他另外的投資，不但能完成蓄電池在線監(jiān)控改造，還可節(jié)省約1.62萬元資金。若推廣到全國，2015年4 340個(gè)110 kV變電站，可節(jié)省約7 300萬元(如圖2所示，普通電池3.75億元，智能電池3.046億元)。

圖2 普通電池與智能電池的投資對(duì)比

3.2 運(yùn)維成本

目前安裝普通蓄電池的變電站主要依靠人工巡視和檢修方式來維護(hù)，過程繁瑣，耗費(fèi)人員力量比較大：巡視工作主要包括人工測(cè)量端電壓、測(cè)量組電壓、測(cè)量電池溫度、檢查電池連接及受腐蝕情況、對(duì)腐蝕情況作出判斷及相應(yīng)操作；檢修工作主要包括準(zhǔn)備工具材料、申請(qǐng)并通過通信調(diào)度批準(zhǔn)、觀察電池電壓確定其狀態(tài)、確定電池導(dǎo)線及電池之間聯(lián)接是否牢固、電池溫度是否正常、檢查外觀及漏液現(xiàn)象、測(cè)電池組及單體電池電壓、停電檢查兩組電池帶電負(fù)載能力及電池保險(xiǎn)是否完好、對(duì)出現(xiàn)問題匯報(bào)并處理、清理現(xiàn)場(chǎng)并按要求填寫記錄。巡視工作每工作日進(jìn)行，檢修周期約每季度一次。

按照此規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，以邢臺(tái)靜安110 kV變電站配備一名人員，成本3 000元/月計(jì)算，其每年大約耗費(fèi)巡視成本3.6萬元；每年四次檢修，每次耗費(fèi)車輛使用及損耗300元，人員(至少兩人)成本500元，每年耗費(fèi)巡檢成本0.32萬元。全國新建和改造的4 340個(gè)110 kV變電站每年耗費(fèi)日常維護(hù)成本保守估計(jì)不低于1.7億元。

而智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，完全可以實(shí)現(xiàn)在辦公室內(nèi)完成蓄電池的日常維護(hù)工作，使得現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作成本幾乎為零。

3.3 投資收益

盡管普通閥控式鉛酸電池理論壽命在10年以上，但受其本身質(zhì)量及運(yùn)行情況的影響例如充電電壓及時(shí)間等，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間往往達(dá)不到預(yù)期。

以邢臺(tái)供電公司靜安110 kV變電站配備216塊2 V 200 Ah電池為例，每塊電池的采購成本大約在400元左右，按目前蓄電池平均壽命5年計(jì)算，平均每個(gè)變電站每年電池組的損耗成本支出為216×400/5=17 280元。而智能型鉛酸蓄電池改造后36塊12 V200 Ah每塊同型號(hào)電池采購成本在1 950元左右，經(jīng)過權(quán)威國家實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，每塊智能蓄電池的壽命比普通電池增長(zhǎng)3年，可達(dá)到平均8年的使用壽命(隨著蓄電池生產(chǎn)技術(shù)完善，還能進(jìn)一步延長(zhǎng)壽命)。平均每個(gè)變電站每年電池組的損耗成本支出為36×1 950/5=8 775元，能夠?yàn)樾铍姵靥峁┬铍姵仉妷?、?nèi)阻、溫度、容量的在線測(cè)量。單純從電池的成本支出一項(xiàng)每年每個(gè)變電站減少17 280－8 775= 8 505元的費(fèi)用，如圖3所示。

圖3 普通電池與智能電池的年損耗對(duì)比

若推廣到全國，2015年新建和改造的4 340個(gè)110 kV變電站，每個(gè)變電站每年節(jié)省3 240元，則全國4 340個(gè)110 kV變電站共節(jié)省3 691萬元。

3.4 安全收益

直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障多會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，目前大多直流電源由主監(jiān)控、充電管理、饋線管理和電池管理四個(gè)單元構(gòu)成[6]，其嚴(yán)重事故通常歸因于充電管理、饋線管理和電池管理三個(gè)單元，可見蓄電池管理不善導(dǎo)致的故障在直流系統(tǒng)故障中占比例相當(dāng)大。據(jù)相關(guān)人員估計(jì)和一些媒體報(bào)道，保守估計(jì)110 kV變電站平均每年重大事故至少在1～2起，事故損失平均高達(dá)2 000萬。

人工維護(hù)蓄電池出現(xiàn)故障主要原因有：時(shí)效性差，不能及時(shí)檢驗(yàn)出電池的故障；人員技術(shù)水平差異大，人為判斷失誤造成維護(hù)不當(dāng)；檢修工具落后，檢修數(shù)據(jù)少，精度低，不便于分析；異常情況處理慢，維護(hù)人員通常距離電站遠(yuǎn)，檢修故障處理不及時(shí)，電池作為后備電源在時(shí)間上有盲區(qū)。

智能型鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠以在線方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的各個(gè)參數(shù)，有效避免了時(shí)效性造成的事故；其監(jiān)測(cè)量包括單體電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻及電池總電壓、電流紋波系數(shù)等重要參數(shù)，且精密的算法能夠確保一致性，有效避免了人為判斷失誤問題；其先進(jìn)的測(cè)量原理及其安裝方式有效保證了各個(gè)參數(shù)的采樣精度，確保分析結(jié)果的正確性；其合理的推斷算法和告警機(jī)制能夠提前3個(gè)月預(yù)報(bào)蓄電池?fù)p壞情況，防止了斷電事故的發(fā)生，為解決事故預(yù)留充分的時(shí)間。

由此估算智能蓄電池的應(yīng)用為直流系統(tǒng)的運(yùn)行帶來的安全收益每年不低于3 000萬元。

4 總結(jié)與展望

綜上，若從全國范圍推廣智能型鉛酸蓄電池替代計(jì)劃，完成全國4 340座110 kV變電站蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)的改造，無需額外投資，還可節(jié)省7 300萬元；每年減少日常維護(hù)成本1.7億元；每年延長(zhǎng)蓄電池壽命收益3 691萬元；此外在環(huán)保和安全方面有著不可估量的隱形效益，保守估計(jì)總收益為千萬級(jí)甚至更高。

隨著鉛酸電池免維護(hù)化的實(shí)現(xiàn)及監(jiān)控、管理手段不斷完善，鉛酸電池在大容量備用電池系統(tǒng)中將繼續(xù)保持良好的市場(chǎng)。一套結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、運(yùn)行安全簡(jiǎn)便的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以解決蓄電池現(xiàn)有缺陷，促使鉛酸蓄電池更好地服務(wù)于直流系統(tǒng)，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益是各個(gè)方面的，并且有些經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。

智能化的監(jiān)管手段將越來越受到業(yè)內(nèi)各界人士的關(guān)注和重視，未來蓄電池產(chǎn)業(yè)將走向清潔化、智能化、安全化、規(guī)范化的道路，同時(shí)鉛酸蓄電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)力，鉛酸蓄電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品也將更加智能化，未來直流系統(tǒng)選用監(jiān)測(cè)產(chǎn)品應(yīng)以安全性、可靠性及智能化程度為首要準(zhǔn)則，保障直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

[1]舒新.蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].南京：河海大學(xué)，2007：8-10.

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[4]張永杰.純電動(dòng)汽車動(dòng)力型鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]盛大雙.基于CCP協(xié)議的電池管理標(biāo)定系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6]趙寶強(qiáng).直流電源系統(tǒng)故障分析與處理[J].電工技術(shù)，2006(4)：20-22.

Econom ic benefitanalysisof intelligent lead-acid battery and its monitoring system

M IAO Jun-jie

(StateGrid HebeiElectric PowerCompanyMaintenance and RepairDepartm ent，Shijiazhuang Hebei050000，China)

Lead-acid battery plays an important role for providing energy in the power system，butmore problems happen in the application process，and the caused accidents are relatively large，needing a setof com pletemonitoring and management system to carry on the supervision，nip in the bud.Since mostmonitoring products have some problems，notw ith the lead-acid battery w ith good，and can notmeet the requirements in the aspects of installation，monitoring methods，monitoring effect.The quality of themonitoring device is different，and the benefits are different. Through the investigation，the intelligent lead-acid battery and itsmonitoring system w ith relatively com plete function，reasonable structure and simple operation were chosen.On the basis of the data，the operation econom ic costwas analyzed from the construction cost，maintenance cost，safety costand investmentcost.The industry developmentof lead-acid battery was analyzed to point out the development prospect of battery w ith reasonable design and strengthen the understanding of the value of the intelligent lead-acid battery and itsmonitoring system.

econom ic benefits;intellectualized type;lead-acid battery;onlinemonitoring system

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1390-03

2015-12-02

苗俊杰(1979—)，男，河北省人，碩士生，主要研究單位為電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。