陳井軍，黃偉，姜維超

(1. 中國石化銷售股份有限公司 華中分公司,湖北 武漢 430000；2. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司 華中分公司,湖北 武漢430000；3. 福州福光電子有限公司，福建 福州 350000)

在石化行業(yè)中煉油、輸油、發(fā)油等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制設(shè)備、通信設(shè)備、消防設(shè)備會因失電導(dǎo)致重大安全事故，為提高安全性，關(guān)鍵設(shè)備供電必須增加蓄電池組作為后備電源，后備蓄電池組的日常維護(hù)及正常運(yùn)營效果直接關(guān)系到電源系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的能力。因直流系統(tǒng)后備蓄電池組有數(shù)量多、所在站場分散的特點(diǎn)，導(dǎo)致其維護(hù)工作勞動強(qiáng)度高、成本高、風(fēng)險大，使大部分的電池容量放電測試維護(hù)工作未能落實(shí)到位。工作人員對后備蓄電池組的實(shí)際容量不了解，應(yīng)急保障供電時長不清楚，因市電中斷蓄電池不能有效地進(jìn)行供電，往往導(dǎo)致站場通信中斷事故的發(fā)生，蓄電池被提前報廢。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的蓄電池監(jiān)測技術(shù)，僅監(jiān)控蓄電池的浮充電壓、內(nèi)阻、溫度，通過內(nèi)阻值可模糊判斷出電池的容量不足，但是無法準(zhǔn)確地測試出電池的容量，仍然需要人工使用儀器儀表測試電池組容量。而遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)針對目前的蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合在線式自動化核容測試裝置，實(shí)現(xiàn)日常的蓄電池在線監(jiān)測和定期的在線核容測試，在線核容測試是指通過系統(tǒng)放電模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線蓄電池容量放電測試。維護(hù)人員無需到達(dá)現(xiàn)場，通過平臺網(wǎng)絡(luò)即可啟動蓄電池組放電核容測試。在線核容測試全過程無需人員干涉，支持多組蓄電池同時進(jìn)行測試，使蓄電池組的管理、運(yùn)維工作變得簡易、安全、穩(wěn)定、高效。

1 直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)介紹

1.1 傳統(tǒng)離線式運(yùn)維模式和遠(yuǎn)程智能式運(yùn)維模式的對比

傳統(tǒng)離線式運(yùn)維模式和遠(yuǎn)程智能式運(yùn)維模式對比見表1所列。

1.2 研究思路

傳統(tǒng)運(yùn)維演變?yōu)橹悄苓\(yùn)維過程如圖1所示。

傳統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)是通過人的大腦學(xué)習(xí)蓄電池運(yùn)維知識，然后定制運(yùn)維計劃，將核容測試機(jī)器搬運(yùn)到現(xiàn)場和蓄電池組連接，人工操作機(jī)器的交互界面，核容測試機(jī)器執(zhí)行工作，測試結(jié)束后，運(yùn)維人員記錄測試結(jié)果并根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)對比測試記錄的數(shù)據(jù)，判斷電池是否合格，運(yùn)維工作結(jié)束。整個運(yùn)維過程人力投入大，且運(yùn)維結(jié)果完全依靠人工判斷，主觀因素會導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確。

圖1 傳統(tǒng)運(yùn)維演變?yōu)橹悄苓\(yùn)維過程示意

在遠(yuǎn)程智能維護(hù)運(yùn)維模式中利用信息系統(tǒng)和智能制造的特點(diǎn)，增加智能傳感器來代替人的感知器官，開發(fā)自動化機(jī)器來代替人的肢體控制，建立容量核算、內(nèi)阻預(yù)測、剩余容量預(yù)算等數(shù)學(xué)模型來替代人的大腦分析和決策。工作人員操作應(yīng)用層的管理軟件來啟動蓄電池組運(yùn)維工作計劃，軟件根據(jù)設(shè)定好的運(yùn)維策略給安裝在現(xiàn)場的機(jī)器發(fā)送指令，現(xiàn)場機(jī)器根據(jù)指令啟動工作，物理傳感器獲取機(jī)器工作的狀態(tài)信息及蓄電池信息及時反饋給軟件，軟件通過模型來對比數(shù)據(jù)，需要調(diào)整時發(fā)送指令給機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，指導(dǎo)運(yùn)維工作結(jié)束，分析處理運(yùn)維數(shù)據(jù)，并給出運(yùn)維的結(jié)果，全過程數(shù)據(jù)都是客觀的，不存在主觀數(shù)據(jù)，使運(yùn)維工作方便、準(zhǔn)確、安全、穩(wěn)定[3]。

1.3 系統(tǒng)組成

直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)組成示意

蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)由三部分組成：

1)物理感知層。物理感知由采集模塊和遠(yuǎn)程充放電裝置組成，蓄電池監(jiān)測傳感器及充放電核容裝置實(shí)現(xiàn)對電池組每節(jié)電池的電壓、母線電壓、充放電電流、環(huán)境溫度等各項(xiàng)參數(shù)的采集監(jiān)控；可控制本地充放電裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程充放電核容；可設(shè)定本地裝置實(shí)現(xiàn)對電池組的均衡。

2)網(wǎng)絡(luò)交互層。每臺設(shè)備配置協(xié)轉(zhuǎn)模塊，通過光纖或以太網(wǎng)接入公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，由交換機(jī)分配固定端口，監(jiān)控中心設(shè)置數(shù)據(jù)處理服務(wù)器并與各端口的設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、備份。手機(jī)、電腦、平板等終端設(shè)備登入平臺后，可通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問授權(quán)的本地設(shè)備。

3)平臺應(yīng)用層。平臺使用瀏覽器/服務(wù)器模式架構(gòu)B/S(Browser/Server)，使用者無需安裝客戶端，終端或移動設(shè)備，直接通過Web瀏覽器訪問或操作。B/S架構(gòu)直接放在廣域網(wǎng)上，通過不同的訪問權(quán)限訪問相關(guān)授權(quán)內(nèi)容，支持多用戶訪問，交互性較強(qiáng)?，F(xiàn)場維護(hù)人員、監(jiān)控中心運(yùn)維人員、管理者根據(jù)不同的角色授權(quán)，可同時進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)查詢機(jī)操作。

1.4 系統(tǒng)工作原理

直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 直流系統(tǒng)蓄電池組智能運(yùn)維系統(tǒng)工作原理示意

在線監(jiān)控采用分布式在線監(jiān)控方案，即在每一節(jié)蓄電池上安裝一個監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊實(shí)時監(jiān)測蓄電池的電壓、內(nèi)阻、負(fù)極溫度等信息，通過RS-485通信方式將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R集模塊，匯集模塊將收集到的信息上傳至主控摸塊，同時匯集模塊支持內(nèi)阻測試功能。直流系統(tǒng)蓄電池組智能充放電核容系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 直流系統(tǒng)蓄電池組智能充放電核容系統(tǒng)示意

放電時，常閉接觸器K11，K12斷開，常開接觸器K2，K3閉合，將蓄電池組脫離系統(tǒng)由核容放電模塊消耗蓄電池組的電量，通過功率模塊自動調(diào)節(jié)至設(shè)置的放電電流恒流放電。

當(dāng)放電停止條件滿足時自動轉(zhuǎn)為穩(wěn)流充電，核容放電模塊停止工作，K2，K3保持閉合，K1，K4再閉合。限流充電模塊開始工作，充電電流小于浮充電流且蓄電池組和電源壓差小于一定值時結(jié)束充電，常開接觸器K1～K4斷開，常閉接觸器K11，K12閉合，蓄電池恢復(fù)在線狀態(tài)，由整流器直接給蓄電池浮充充電。

該系統(tǒng)電源取自蓄電池組，保證系統(tǒng)工作不受市電影響，在市電斷電后可保證用戶負(fù)載的供電不間斷。該系統(tǒng)具備直流輸入過壓保護(hù)功能和欠壓保護(hù)功能，直流輸入極性反接保護(hù)功能，交流并網(wǎng)逆相序保護(hù)功能，交流并網(wǎng)過壓保護(hù)功能和欠壓保護(hù)功能。

1.5 蓄電池核容測試

參照現(xiàn)行電力規(guī)程要求新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對性放電試驗(yàn)，以后每隔2～3 a進(jìn)行一次核對性試驗(yàn)，運(yùn)行了4 a以后的閥控蓄電池，應(yīng)每年作一次核對性放電試驗(yàn)。蓄電池組進(jìn)行核對性放電后應(yīng)及時充電。備用擱置的閥控蓄電池組，每3個月應(yīng)進(jìn)行一次補(bǔ)充充電。常見的核容測試方法有：

1)主動測試。利用平臺管理控制現(xiàn)場自動核容裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)際負(fù)載使用蓄電池的電量。根據(jù)設(shè)定的核容參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到主動核容的目的。

2)被動測試。通常一些變電站會發(fā)生停電，停電過程中蓄電池會對實(shí)際負(fù)載供電，該過程自動核容裝置會被動進(jìn)行電壓、電流、蓄電池各單體狀態(tài)記錄，實(shí)現(xiàn)被動核容測試。

1.6 數(shù)據(jù)測算與分析

一般規(guī)范要求蓄電池核容測試是采用10 h放電率，在室溫25 ℃下測試，而由于在線實(shí)際負(fù)載測試是非正常放電率，正常室溫下進(jìn)行的，得到的數(shù)據(jù)需要分析，才能估算出電池容量，從而起到“容量測試”的目的[1]。

一般情況下，蓄電池的容量與額定容量的關(guān)系如式(1)所示：

Q=ηQm

(1)

式中：Q——10 h放電率對應(yīng)的蓄電池容量，A·h；Qm——非正常放電率對應(yīng)的蓄電池容量，可通過放電電流與時間的乘積簡單估算；η——蓄電池容量系數(shù)，蓄電池容量系數(shù)與蓄電池放出容量關(guān)系見表2所列，其中Im——m倍放電率對應(yīng)的放電電流，I——10 h放電率對應(yīng)的放電電流[2]。

另外，當(dāng)蓄電池的溫度在10～45 ℃變化范圍內(nèi)，鉛酸蓄電池的容量隨溫度變化而變化，大致遵循關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中：Q25——蓄電池在非25 ℃環(huán)境下的容量,A·h；Qθ——蓄電池在25 ℃環(huán)境下的容量,A·h；θ——蓄電池放電時電解液平均溫度， ℃；K——溫度系數(shù)。10 h放電率下蓄電池容量試驗(yàn)時K=0.006/℃，3 h放電率下蓄電池容量試驗(yàn)時K=0.008/℃，1 h放電率下蓄電池容量試驗(yàn)時K=0.01/℃。

表2 蓄電池容量系數(shù)與放出容量關(guān)系

在不同放電率的情況下，K也會產(chǎn)生對應(yīng)變化，在計算蓄電池容量時需要按照實(shí)際放電率選擇對應(yīng)的K，然后根據(jù)公式即可計算出已放出的容量，并確定是否達(dá)標(biāo)。

實(shí)際工作中，如果僅僅是容量核對性判斷無需進(jìn)行復(fù)雜的容量計算，可根據(jù)同一設(shè)定的終止電壓，實(shí)際放電時間與理論放電時間之比即可得出容量是否明顯差異的定性判斷。平臺軟件已經(jīng)將公式植入，方便在不同方式下的運(yùn)算。輸出有效的測試結(jié)果，并生產(chǎn)Excel報告便于數(shù)據(jù)的分析。

1.7 系統(tǒng)安全及可靠性

系統(tǒng)安全及可靠性情況如下：

1)可靠的測試原理。采用蓄電池的低壓直流通過設(shè)備變成高壓直流的升壓核容測試模式，設(shè)備本身不消耗核容電流，被核容電池組升壓后接替通信電源給實(shí)際負(fù)載供電，不會浪費(fèi)電池的電量，現(xiàn)場不產(chǎn)生熱量，是全程在線安全節(jié)能的核容方案[4]。

2)控制狀態(tài)唯一性原則。用硬件譯碼方式保證同一時間只進(jìn)行一種操作,與軟件控制完全無關(guān)。系統(tǒng)采用獨(dú)特的硬件譯碼技術(shù)，保證即使在程序出錯的情況下，該系統(tǒng)也只能產(chǎn)生一種操作，而不會出現(xiàn)多種操作同時發(fā)生的混亂現(xiàn)象[6]。

3)電路可靠性。設(shè)備內(nèi)置從電池組到母線的大功率、大電流在線續(xù)流二極管，任何時候都能保障蓄電池組對實(shí)際負(fù)載的供電。只要電池有電，實(shí)際負(fù)載就不會出現(xiàn)斷電的情況。

4)工藝可靠性。內(nèi)置在線大功率常閉直流接觸器，設(shè)備處于在線浮充的時候，該直流接觸器和上述大功率二極管一起確保電池組與電源母線處于等電位精密連接狀態(tài)。

5)設(shè)備故障自檢功能。設(shè)備具備在線續(xù)流二極管和在線常閉直流接觸器的在線診斷功能，可遠(yuǎn)程或本地定期測試該二極管和接觸器是否處于正常工作狀態(tài)，并自動上報后臺網(wǎng)管中心，最大程度確保電源系統(tǒng)的安全。

6)設(shè)備報警功能。具備電池采集器故障報警，設(shè)備內(nèi)部溫度異常報警，后臺通信故障報警，市電停電報警等，統(tǒng)統(tǒng)自動上報到后臺網(wǎng)管中心。同時，如果設(shè)備處于核容測試狀態(tài)，遇到報警，設(shè)備會自動終止核容，以最大限度確保電源系統(tǒng)的安全。

7)數(shù)據(jù)可靠性及綜合管理。設(shè)備具備高精度的電池單體電壓、內(nèi)阻和極柱溫度的實(shí)時測量能力，并將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳后臺網(wǎng)管中心，為網(wǎng)管中心的遠(yuǎn)程運(yùn)維提供基礎(chǔ)保障。協(xié)轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)后臺網(wǎng)管中心對本地設(shè)備的遠(yuǎn)程測量功能，遠(yuǎn)程傳輸信號功能，遠(yuǎn)程控制功能，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能。硬件上還具備至少2 h的連續(xù)母線和電池組電壓電流變化的歷史存儲功能。

8)應(yīng)急保電功能。當(dāng)市電停電，遇到蓄電池容量不足時，系統(tǒng)可保證母線電壓不低于50 V，持續(xù)給負(fù)載供電，可選擇啟用或關(guān)閉該功能。

9)可避免蓄電池長期處于浮充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池充電完成，自動斷開K1直流接觸器，二極管一直處于在線狀態(tài)(零切換)，當(dāng)市電停電時K1接觸器瞬間閉合，保證負(fù)載供電的安全性，通過該方法有效避免蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，延長蓄電池使用壽命。

2 應(yīng)用案例介紹

2019年中石化系統(tǒng)內(nèi)開始應(yīng)用直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

平臺軟件通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動或停止智能運(yùn)維終端進(jìn)行充放電、單體內(nèi)阻測試等。智能運(yùn)維終端實(shí)時上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)，可通過本地顯示查看屬地設(shè)備狀態(tài)及蓄電池運(yùn)維情況。

該系統(tǒng)設(shè)備采用一體化安裝能有效地保證系統(tǒng)的完整性。所有裝置實(shí)現(xiàn)自動化控制且具有狀態(tài)監(jiān)控及反饋功能，任何異常情況發(fā)生時系統(tǒng)會及時地啟動自我保護(hù)功能，保障運(yùn)維過程安全、可靠。

該系統(tǒng)主頁面采用實(shí)時地圖模式，從地圖上可直接查看每個站點(diǎn)的情況，站點(diǎn)的顯示圖標(biāo)用“紅、黃、藍(lán)、綠”四種顏色代表了基站的“電池落后機(jī)房、電池報警機(jī)房、電池放電延時機(jī)房、正常機(jī)房”四種狀態(tài)，點(diǎn)擊圖標(biāo)可查看每個站點(diǎn)電池的具體情況。選中具體站點(diǎn)可進(jìn)入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控頁面，點(diǎn)擊啟動核容測試并完成對核容參數(shù)的設(shè)定，可通過監(jiān)控頁面的電路拓?fù)鋱D，觀察各個測試節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)時掌握運(yùn)維過程的細(xì)節(jié)狀態(tài)。

日常定期巡檢工作可通過軟件界面查看，點(diǎn)擊具體站點(diǎn)，查看實(shí)時狀態(tài)，可直觀地看到每節(jié)電池的電壓、溫度、內(nèi)阻信息，信息以表格及柱狀圖顯示，柱狀圖通過橫向?qū)Ρ瓤刹榭礌顟B(tài)最差和最好的電池，點(diǎn)擊想查看的柱狀圖可顯示該電池的歷史測試數(shù)據(jù)，并以時間軸繪制歷史曲線進(jìn)行對比，可直觀地看到電池的變化情況，進(jìn)一步了解電池的健康狀態(tài)。

核容充放電歷史查詢，可查看每組電池的所有充放電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含主動核容和停電核容兩種類型，數(shù)據(jù)顯示了電池組電壓、整流器電壓、電池組電流、各節(jié)電池的電壓、各節(jié)電池的溫度在充放電核容過程中的曲線，同時以柱狀圖展示各節(jié)電池在不同時間點(diǎn)的電壓、溫度、剩余容量等信息。而且蓄電池組所有的充放電核容歷史數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行電子表格輸出及打印。

3 結(jié)束語

采用基于智能傳感器和信息系統(tǒng)開發(fā)的直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)在人員安全、放電科學(xué)性、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)便利性等方面各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)維護(hù)技術(shù)。直流系統(tǒng)蓄電池組遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)的作用是： 核容測試能準(zhǔn)確地掌握電池組性能，智能有效避免電池組過充現(xiàn)象發(fā)生，準(zhǔn)確預(yù)判電池組的續(xù)航能力為停電調(diào)度做出正確判斷，嚴(yán)格把關(guān)電池組初裝及質(zhì)保期內(nèi)合格率，有效篩選出存在問題的蓄電池、減少測試工作量和增加維護(hù)的安全性，大數(shù)據(jù)匯總及分析為決策層提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程蓄電池在線核容測試對于通信電源的安全運(yùn)行有著重要的實(shí)踐意義。