蔡 明，伍太萍，姚文昊，陳裕云，黃祎俊

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330052；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西南昌 330077）

0 引言

蓄電池是變電站直流電源系統(tǒng)的核心部分，其在充電裝置交流輸入電源停電時為二次系統(tǒng)直流負荷提供不間斷直流電源。當前，變電站電壓等級不斷提高，直流負荷日益增多，蓄電池的容量呈遞增趨勢，蓄電池在直流電源系統(tǒng)的維護費用占比遠大于充電裝置的維護費用占比。隨著無人值守變電站和智能化變電站的深化發(fā)展，實現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢修的智能化、高效化、無人化亦成為目前迫切需要解決的問題。

基于變電站蓄電池運行維護現(xiàn)狀，本文提出了一種新型蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)使用放電負載儀對離線蓄電池組進行核對性放電的維護方式，實現(xiàn)了單體蓄電池在線電壓巡檢、內阻測試和動態(tài)均衡以及蓄電池組遠程在線核對性放電，并進行工程應用驗證，為變電站蓄電池的運行維護提供有力保障。

1 蓄電池傳統(tǒng)運維模式

目前，變電站蓄電池大多數(shù)采用閥控鉛酸蓄電池（VRLA），其傳統(tǒng)運維模式是運維人員定期測量單體蓄電池電壓，并依據(jù)技術規(guī)程規(guī)定進行核對性放電檢驗其實際容量。核對性放電需要將蓄電池組脫離運行，以10%蓄電池容量的放電電流進行恒流放電，當任意一節(jié)蓄電池達到放電終止電壓值，才停止放電[1]，該方法費時費力，易損傷蓄電池。蓄電池需要多節(jié)串聯(lián)成組來滿足直流母線電壓的要求，這種運行方式存在先天弊病，盡管各節(jié)蓄電池充放電電流相同，蓄電池極板、電解液等部件及自放電卻略有差異，造成蓄電池組的一致性變壞，出現(xiàn)過欠充、容量衰減現(xiàn)象，隨著時間的推移，各節(jié)蓄電池電壓不均衡會逐步加劇，極大地縮短整組蓄電池的使用壽命。目前，針對蓄電池的檢測和維護，普遍采用蓄電池巡檢儀、內阻測試儀、放電負載儀，這些儀器存在只檢測不維護的缺點。為了提升少數(shù)欠充單體蓄電池電壓一致性，恢復其電壓和容量到規(guī)定范圍，傳統(tǒng)的方法是采用充電裝置定期（一般為3個月）自動或手動地對蓄電池組進行均衡充電[1]，實際上卻有損大部分正常單體蓄電池的性能，反而可能縮短蓄電池組的使用壽命。因此，對蓄電池組進行遠程在線核對性放電以及單體蓄電池在線電壓巡檢、內阻測試和動態(tài)均衡維護，是實現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢修的一個重要發(fā)展趨勢。

2 蓄電池維護新技術原理

2.1 蓄電池內阻在線測試原理

以測試模塊為單位，把蓄電池組分為多個單元段，采用直流放電法[2]，依次在每個單元段內測試各節(jié)蓄電池內阻，測試原理如圖1所示。

圖1 蓄電池內阻在線測試原理

基于四線制接線方式，測試模塊通過多路轉換器MUX控制接通放電電阻R0，依次對該單元段各節(jié)蓄電池進行瞬間直流放電，測量各節(jié)蓄電池瞬時放電電流I0，得出放電前后電壓Ui1、Ui2之間的壓降ΔUi，再利用歐姆定理計算各節(jié)蓄電池等效內阻。

由于整組蓄電池個數(shù)遠大于每個單元段蓄電池個數(shù)，充電裝置浮充電對單元段各節(jié)蓄電池放電的影響微乎其微，這樣解決了傳統(tǒng)蓄電池內阻直流放電測試法要求蓄電池組脫離直流母線的弊病，從而實現(xiàn)整套蓄電池內阻在線測試。

2.2 蓄電池動態(tài)均衡原理

在蓄電池組充放電過程中，特別是在蓄電池補充充電、事故放電后充電以及核對性放電后充電，由于充放電電流較大，均衡效果緩慢，長時間的過欠充對某些性能存在差異的單體蓄電池會造成損傷。因此，依據(jù)趨勢預估原理[2]，實時檢測各節(jié)蓄電池與蓄電池組平均單體的電壓偏差，當差值大于設定值時，預測該節(jié)蓄電池有可能過欠充，并提前介入均衡，從而避免造成蓄電池實質性的損傷。

本文采用雙向DC/DC變換器高放低充均衡原理，趨勢預估提前介入控制策略，實現(xiàn)蓄電池組動態(tài)均衡，均衡原理如圖2所示。

圖2 蓄電池動態(tài)均衡原理

雙向DC/DC變換器高壓側連接直流母線KM，低壓側通過K1～Kn開關連接蓄電池組各節(jié)蓄電池。欠充單體蓄電池接通K1～Kn對應開關經(jīng)雙向DC/DC變換器由直流母線KM進行補充充電，過充單體蓄電池接通K1～Kn對應開關經(jīng)雙向DC/DC變換器對直流母線KM進行旁路放電。在均衡過程中，始終甄別電壓偏差最大的單體蓄電池進行操作，依此類推，最終達到整組蓄電池各單體的均衡。

2.3 蓄電池組在線放電原理

傳統(tǒng)的使用放電負載儀對蓄電池組進行核對性放電的維護方式，存在動態(tài)移動性差、維護量大、時效性低、精度和可靠性不高等問題。本文采用DC/DC升壓的方式實現(xiàn)對蓄電池組在線核對性放電維護，DC/DC升壓原理如圖3所示。

圖3 蓄電池組在線放電原理

正常運行時，充電裝置供給蓄電池組浮充電和直流負荷工作電源。當需要用本裝置對蓄電池放電時，由控制器控制整個放電的過程。首先，直流接觸器常閉觸點斷開，DC/DC升壓模塊輸入電壓和輸出電壓疊加，逐漸升高直流負荷兩端電壓，當蓄電池組端電壓和DC/DC模塊輸出電壓之和高于充電裝置輸出電壓時，充電裝置停止輸出電流。此時，直流負載的電流完全由蓄電池提供，控制器采集放電電流，控制蓄電池處于恒流放電狀態(tài)，并計算放電時間和安時數(shù)。放電過程中，控制器時刻監(jiān)測和穩(wěn)定直流母線電壓（此電壓高于充電裝置輸出電壓），通過升高DC/DC模塊輸出電壓，補償蓄電池組降低的端電壓。當交電停電時，直流母線電壓不失電，達到在線放電的目的。

3 蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)

蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)具有功能模塊化、監(jiān)測維護智能化、數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡化的特點，可實現(xiàn)對蓄電池內阻、電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息的在線監(jiān)測，并對單節(jié)蓄電池進行動態(tài)均衡；比較蓄電池內阻相對變化量，及時發(fā)現(xiàn)性能落后的單節(jié)蓄電池并告警，使運維人員實時掌控蓄電池組的運行狀況；對蓄電池組遠程/本地充放電控制，準確得知蓄電池組的實際容量，預判蓄電池組的可備用時間，保證直流電源系統(tǒng)的可靠運行。

蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)由主站系統(tǒng)和分站系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)架構如圖4所示。

圖4 蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)架構

1）主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)負責統(tǒng)一管理、監(jiān)控各分站系統(tǒng)的運行，包含系統(tǒng)服務器和監(jiān)控工作站[3]。系統(tǒng)服務器安裝蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)應用軟件及數(shù)據(jù)庫軟件，監(jiān)控工作站安裝蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)客戶端軟件，通過監(jiān)控工作站監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)APP客戶端采用移動互聯(lián)設計思想，將大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡、移動互聯(lián)、移動客戶端等功能進行系統(tǒng)化設計，可通過手機Web瀏覽器和APP軟件直接瀏覽，具有地理信息管理、站點信息管理、環(huán)境監(jiān)測管理、告警信息管理、維護周期管理、監(jiān)測設備管理等模式，呈現(xiàn)“大數(shù)據(jù)＋移動互聯(lián)”為一體的新模式。

2）分站系統(tǒng)。分站系統(tǒng)負責對蓄電池組運行工況及各分站設備進行實時監(jiān)控，并對蓄電池組核對性放電及均衡充電進行自動控制。分站系統(tǒng)包含蓄電池集控單元、蓄電池監(jiān)測單元、蓄電池維護單元和充電裝置。蓄電池集控單元是各個分站系統(tǒng)的大腦，負責整個分站系統(tǒng)的管理、控制、數(shù)據(jù)遠傳及異常處理。蓄電池監(jiān)測單元包含監(jiān)測裝置、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊和內阻測試模塊，負責實時監(jiān)測各單體蓄電池電壓、內阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度，并通過自行設置各項運行參數(shù)的告警閥值，準確查找硫化、劣化的失效或準失效蓄電池，對所有監(jiān)測信號超限作出告警。分站系統(tǒng)將運行參數(shù)與實時告警信息及時上傳至主站系統(tǒng)平臺，以圖形化界面直觀展現(xiàn)，以分布式、多樣化的手段存儲實時數(shù)據(jù)，便于日常運行維護和歷史數(shù)據(jù)查詢比對。蓄電池維護單元包含維護裝置、動態(tài)均衡模塊和遠程充放電模塊，以各單體蓄電池電壓、內阻及蓄電池組端電壓、充放電電流、溫度為依據(jù)，負責對各節(jié)蓄電池進行動態(tài)均衡維護和蓄電池組進行遠程/本地放電（核對性放電）控制。充電裝置負責對蓄電池組進行遠程/本地充電（均衡充電）控制。

3）蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)采用三級組網(wǎng)方式，第一級由蓄電池監(jiān)測單元、蓄電池維護單元和充電裝置組成，第二級為蓄電池集控單元，第三級為主站系統(tǒng)平臺。其中第一級與第二級采用RS232/485通信方式連接，第二級與第三級采用TCP/IP通信方式連接[3]。

4 工程應用

國網(wǎng)江西檢修公司集控中心的蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)由1套主站系統(tǒng)和23套分站系統(tǒng)組成，通過主站系統(tǒng)遠程在線監(jiān)測和維護23座500 kV變電站的46組蓄電池，可以動態(tài)均衡單節(jié)蓄電池，找出性能落后的單節(jié)蓄電池，精確得知蓄電池組的實際容量，極大地提高蓄電池維護的工作效率。

2016年6月，500 kV永修變電站進行蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)改造。該站直流電源系統(tǒng)采用單母線分段接線，有2組蓄電池和3組充電裝置，配置1套蓄電池集控單元、2套蓄電池監(jiān)測單元和2套蓄電池維護單元。均衡前，蓄電池組最大單體蓄電池壓差為156 mV，遠大于技術規(guī)程規(guī)定的50 mV[1]；均衡后，最大單體蓄電池壓差為25 mV，均衡效果顯著，符合預期目標。

2017年7月，500 kV永修變電站2組蓄電池進行年度核對性放電試驗，單體蓄電池最大開路壓差為22 mV，完成100%容量放電后，單體蓄電池最低電壓為1.82 V，2組蓄電池性能良好，遠超預期目標，達到同類蓄電池組的最佳運行狀態(tài)。

5 蓄電池遠程在線維護技術展望

逆變并網(wǎng)遠程放電是蓄電池遠程在線維護技術發(fā)展方向之一，具有節(jié)約放電核容成本，釋放運維人力；放電過程全程無熱量，安全可靠，適應電力系統(tǒng)自動化的要求，有效規(guī)避人工放電核容的操作風險。

圖5 蓄電池逆變放電關鍵技術線路圖

如圖5所示：圖中的充電模塊是單向線路，當關閉充電模塊時，由于母線電壓比蓄電池組電壓高，蓄電池組進入放電狀態(tài)。當交流電停電或整流器損壞時，導致母線上的充電模塊沒有輸出，蓄電池組通過二極管D即可對母線上的負荷放電，采用這種方式蓄電池組對負荷的供電是無縫接入的，充分保證了直流系統(tǒng)的安全性。二極管D是最核心的器件，是系統(tǒng)電路是否安全可靠關鍵點。

系統(tǒng)采用4個75 A工作電流的快速二極管進行冗余設計。實際測試過程中，即使系統(tǒng)采用200 A的直流負載，關閉充電模塊，蓄電池組通過二極管為負載提供200 A的電流，這些二極管的溫升仍控制在40℃以下。況且電力系統(tǒng)變電站直流負載最大電流一般不超過30 A，這個設計已預留充足冗余，充分保證系統(tǒng)的安全性。

6 結語

蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)的研究及應用，改變了變電站蓄電池的傳統(tǒng)運維模式，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性，增強了變電站反故障措施，實現(xiàn)了直流電源系統(tǒng)的大管理、大維護，顯著提升了直流電源系統(tǒng)的維護水平，從而有效避免直流電源系統(tǒng)事故的發(fā)生，為推進智能電網(wǎng)直流電源系統(tǒng)的智能化、高效化、無人化提供有力的技術和方案支撐。建議在變電站直流電源系統(tǒng)初設階段，考慮配置蓄電池遠程在線維護管理系統(tǒng)，對實測數(shù)據(jù)自動分析，自動預警，積累運行經(jīng)驗后，可逐步延長蓄電池組核對性容量試驗周期，達到有效延長蓄電池組使用壽命，節(jié)約蓄電池定期維護和容量檢驗成本之目的。