周仁才+王棟+屠新強(qiáng)+張蔡洧

摘 要：配網(wǎng)自動(dòng)化終端是高度智能化器件，其功能的發(fā)揮依賴于電源部分的穩(wěn)定。文章鑒于配網(wǎng)自動(dòng)化終端中用做后備電源的蓄電池的常見(jiàn)異常，提出建立蓄電池在線監(jiān)測(cè)及維護(hù)系統(tǒng)，以使蓄電池問(wèn)題可得到及時(shí)警報(bào)，并留有充裕時(shí)間進(jìn)行處理。文章的研究層次清晰、內(nèi)容詳實(shí)，可為配網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)維工作的提升提供有效借鑒。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)自動(dòng)化 蓄電池 在線監(jiān)測(cè) 報(bào)警

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（c）-0005-02

配電自動(dòng)化終端（DTU）裝置，集遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)和通信等功能于一體[1]，廣泛應(yīng)用于配電室、環(huán)網(wǎng)柜、開(kāi)閉所、柱上開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合。DTU各項(xiàng)功能的發(fā)揮離不開(kāi)供電模塊的穩(wěn)定。DTU的供電一般由外部公網(wǎng)和后備蓄電池共同提供[2]。其中，外部公網(wǎng)負(fù)責(zé)正常情況下的電能供給；蓄電池負(fù)責(zé)異常狀態(tài)下（即外部公網(wǎng)出現(xiàn)事故）的電能提供。顯然，蓄電池的作用是輔助性質(zhì)的，但鑒于DTU運(yùn)行環(huán)境的惡劣性，保證蓄電池后備功能的正常是非常重要的。

1 問(wèn)題的提出

DTU作為配網(wǎng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化各項(xiàng)功能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，提供后備電源的蓄電池（鉛酸型）在運(yùn)行一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)以下問(wèn)題[3]：蓄電池漏液、電池變形、短路、斷路、返極、不可逆硫酸鹽化、單只落后、活性物質(zhì)脫落、電池充不進(jìn)電等。目前，對(duì)于以上問(wèn)題尚缺少一種很好的事先預(yù)控手段。

鑒于此，筆者在參閱大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)想研發(fā)一種可以在線監(jiān)測(cè)/維護(hù)DTU裝置內(nèi)蓄電池部件的設(shè)備，該設(shè)備可監(jiān)測(cè)到蓄電池的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等各種參數(shù)并實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，經(jīng)由數(shù)學(xué)模型辨識(shí)后實(shí)時(shí)異動(dòng)報(bào)警，以提醒運(yùn)行人員盡快處理。

2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前關(guān)于配電自動(dòng)化終端后備電源（即蓄電池組）的監(jiān)測(cè)裝置研究有所開(kāi)展，但其在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上存在以下問(wèn)題。

（1）對(duì)直流系統(tǒng)電流、電壓量的采集、蓄電池浮充電壓的采集時(shí)間間隔較寬，通常是按照分鐘、小時(shí)級(jí)別的間隔來(lái)進(jìn)行采集，不能滿足在故障狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集的頻度及精度需求。

（2）對(duì)直流系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不能長(zhǎng)時(shí)間保存，特別是對(duì)直流系統(tǒng)絕緣狀況的變化、蓄電池浮充電壓的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等需分析變化趨勢(shì)的需求不滿足。

（3）對(duì)直流電源模塊、蓄電池、直流回路絕緣、直流回路電源質(zhì)量、直流負(fù)載變化等數(shù)據(jù)的采集分析缺乏綜合分析能力，無(wú)法解釋直流電源對(duì)保護(hù)及自動(dòng)裝置運(yùn)行的影響程度。

（4）在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)大都為一些狀態(tài)信息，沒(méi)有更深層次的故障模型與故障診斷分析能力，更沒(méi)有根據(jù)故障原因進(jìn)行自主維護(hù)和修復(fù)的能力。

綜上所述，該項(xiàng)研究的要點(diǎn)是：建立一個(gè)可靠的、安全的蓄電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)蓄電池組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類型及特點(diǎn)構(gòu)建蓄電池性能分析診斷模型，以使落后/異動(dòng)蓄電池的報(bào)警不漏報(bào)、不誤報(bào)。

3 蓄電池性能分析數(shù)學(xué)建模的可行性

大量的蓄電池運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)告訴我們，隨著電池使用時(shí)間的增加，電池性能不斷劣化，電池容量不斷下降，而此時(shí)電池電壓的離散性也會(huì)變得愈來(lái)愈大。找出其中規(guī)律，并以一種可用的數(shù)學(xué)模型表達(dá)，即可成為可用的電池測(cè)試分析手段。

蓄電池失效數(shù)學(xué)模型的判定依據(jù)如下：

（1）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對(duì)于自身的電池電壓離散度將逐步變大。

（2）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對(duì)于整組電池的電池電壓離散度將逐步變大。

（3）伴隨著電池性能的劣化，該電池相對(duì)于自身的內(nèi)阻值將逐步變大。

（4）伴隨著電池性能的劣化，該電池的充放電曲線電壓之差相對(duì)于電池組其它電池的值將逐步變大。

由于電池電壓數(shù)據(jù)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生，面對(duì)海量數(shù)據(jù)，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行處理。在蓄電池失效分析數(shù)學(xué)建模中，筆者認(rèn)為，可采用模糊數(shù)學(xué)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷原理，以一種非線性處理方式，以某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并得出判斷結(jié)論。

4 項(xiàng)目實(shí)施流程及目標(biāo)期冀

DTU裝置內(nèi)置蓄電池的在線監(jiān)測(cè)及維護(hù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜工作。

（1）第一步，對(duì)蓄電池組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障診斷、報(bào)警裝置進(jìn)行需求分析調(diào)研，并形成詳細(xì)的需求分析報(bào)告，這其中包括正常運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求和故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求分析、故障信息的采集原則和采集方法分析、故障信息采集裝置的需求分析、直流系統(tǒng)各類異常或缺陷特征分析、故障分析系統(tǒng)的建模的需求分析等。

（2）第二步，對(duì)蓄電池組自主均衡維護(hù)和故障報(bào)警功能的需求進(jìn)行研究，形成分析報(bào)告。

（3）第三步，根據(jù)以上需求分析，研制蓄電池組監(jiān)測(cè)裝置中實(shí)現(xiàn)性能分析、故障診斷、自主均衡維護(hù)等功能的硬件。要求以這些硬件為主體的監(jiān)測(cè)裝置可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)不同，以快速（失電和故障狀態(tài)下）和慢速（正常運(yùn)行狀態(tài)）采集以下各類信息：直流電源輸入輸出電壓、電流曲線；蓄電池組浮充、均充、核對(duì)性放電狀態(tài)、事故放電狀態(tài)下的各類信息；蓄電池組運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)等。

（4）第四步，將研制的蓄電池組故障診斷與自主均衡維護(hù)、報(bào)警裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試，試運(yùn)行，同時(shí)做好服務(wù)器搭建工作，將信息及時(shí)分類存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)狀態(tài)分析系統(tǒng)的分析和歸類，逐步建立數(shù)據(jù)模型和分析原型。

（5）第五步，根據(jù)積累的數(shù)據(jù)，對(duì)狀態(tài)診斷、分析模型和自主均衡維護(hù)進(jìn)行修正，并擴(kuò)大應(yīng)用到其他站點(diǎn)。

目標(biāo)期冀：①建立一套具備專利技術(shù)的并通過(guò)大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證的蓄電池性能分析診斷模型；②形成科學(xué)的蓄電池組在線維護(hù)機(jī)制：在蓄電池組浮充狀態(tài)中即可對(duì)落后的蓄電池進(jìn)行均衡維護(hù)，且不影響其他正常電池的電壓。

5 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思想主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）采用高精度A/D測(cè)量蓄電池電壓，有效反映電池電壓的變化。

（2）采用四線制直流內(nèi)阻測(cè)試方法，在線準(zhǔn)確測(cè)試蓄電池內(nèi)阻。

（3）內(nèi)置蓄電池性能分析模型，包含蓄電池電壓分析模型和綜合分析模型。

（4）根據(jù)電壓及內(nèi)阻的變化，及時(shí)判斷蓄電池的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)蓄電池呈現(xiàn)欠充或過(guò)充趨勢(shì)時(shí)，在線進(jìn)行調(diào)整，恢復(fù)蓄電池的正常工作狀態(tài)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

（5）采用簡(jiǎn)潔的電路設(shè)計(jì)方案，在保證功能和性能的前提下，實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)。

6 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)以上分析，可建立如圖1所示的系統(tǒng)拓?fù)鋱D。由圖1可知，該系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程分析層。

（1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層監(jiān)測(cè)內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝蓄電池組監(jiān)護(hù)模塊、控制主機(jī)遠(yuǎn)程放電模塊、電流傳感器、溫度傳感器等模塊，系統(tǒng)主機(jī)與監(jiān)控模塊通過(guò)RS485總線連接，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組充放電數(shù)據(jù)、浮充電壓數(shù)據(jù)、內(nèi)阻數(shù)據(jù)、核對(duì)性放電數(shù)據(jù)等，并通過(guò)控制主機(jī)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)蓄電池組充放電信息及健康狀況信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。設(shè)備自帶網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可直接接入局域網(wǎng)，無(wú)須通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)編程，降低成本投入。

（3）診斷分析與應(yīng)用層。數(shù)據(jù)發(fā)布應(yīng)用平臺(tái)對(duì)存入數(shù)據(jù)庫(kù)的各類數(shù)據(jù)提供詳細(xì)的分類處理、WEB查詢、監(jiān)測(cè)管理等功能。具體來(lái)說(shuō)，就是可實(shí)時(shí)展示蓄電池組各單體電池充放電曲線、性能值，蓄電池性能分析數(shù)學(xué)模型根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷蓄電池是否已硫化、是否處于過(guò)沖或欠充狀態(tài)，對(duì)已硫化的電池啟動(dòng)硬件進(jìn)行充放電除硫處理，對(duì)處于過(guò)充或欠充的電池啟動(dòng)在線均衡維護(hù)，并可查詢修復(fù)后的效果及具體數(shù)值。

7 應(yīng)用情況分析

在該項(xiàng)研究取得成功后，將其應(yīng)用到東部某供電公司。經(jīng)過(guò)2016年近一年的運(yùn)行，將所取得的效果與2015年進(jìn)行比對(duì)，詳見(jiàn)表1所示。由表1可知，蓄電池組在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)的安裝實(shí)現(xiàn)了蓄電池組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程放電維護(hù)，減少了維護(hù)人員的工作量，同時(shí)也排除了測(cè)量方式不一致所造成的測(cè)量誤差，并使蓄電池的報(bào)廢率降低，對(duì)環(huán)境改善起到正向作用，最終提高了配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)蓄電池組在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握蓄電池內(nèi)部健康數(shù)據(jù)，延長(zhǎng)蓄電池的生命周期、降低購(gòu)置成本，減少因報(bào)廢電池產(chǎn)生的各種污染物、廢水和廢氣，進(jìn)而提高DTU直流系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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