金爛聚，賈 平，周鴻喜，賀 琛，何勁池，鄭 益

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 信息通信分公司，浙江 杭州 310007；2.國家電網(wǎng)有限公司 信息通信分公司，北京 100761；3.杭州高特電子設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

直流系統(tǒng)作為變電站重要組成部分，在供電系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。目前，大部分變電站采用免維護(hù)的閥控式鉛酸蓄電池，其日常維護(hù)工作量較大[2]。隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展，原有的變電站直流系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需求，需要不斷探索應(yīng)用新產(chǎn)品、新材料以及新技術(shù)，也急需采取更加經(jīng)濟(jì)科學(xué)的策略對其進(jìn)行改造。

直流系統(tǒng)電源為變電站的核心路由器和交換機(jī)等設(shè)備提供直流工作電源，它的正常與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)通信是否安全可靠。直流系統(tǒng)電源中又以蓄電池組尤為重要，在交流系統(tǒng)因故障停電時，蓄電池組的正常運(yùn)行是通信系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的保障[3-5]。

受相關(guān)技術(shù)的局限，傳統(tǒng)的電力運(yùn)行管控手段不夠完善，智能監(jiān)控系統(tǒng)還沒有實(shí)現(xiàn)全覆蓋，系統(tǒng)維護(hù)主要依靠人工定期巡視檢查各站點(diǎn)直流系統(tǒng)后備蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)是核對蓄電池容量。蓄電池容量核對一般耗時較長，這就造成大量人力浪費(fèi)。同時，在變電站數(shù)量和蓄電池數(shù)量不斷增加的情況下，運(yùn)維人員并未對應(yīng)增加，很難對每一組蓄電池做到最佳維護(hù)。一旦出現(xiàn)交流系統(tǒng)失電等故障，設(shè)備將面臨停運(yùn)的風(fēng)險[3-5]。

1 變電站直流系統(tǒng)組成

變電站直流系統(tǒng)的工作電壓通常為220 V、110 V或48 V，除交流配電外一般由蓄電池、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、直流充電模塊、直流回路以及直流負(fù)載等組成，如圖1所示[6-8]。常見的蓄電池有防酸式蓄電池、閥控密封鉛酸蓄電池以及鎘鎳蓄電池3種，目前大量使用的是閥控密封鉛酸蓄電池。充電模塊一般有兩種，即工頻交流整流器和微機(jī)模塊化充電機(jī)。直流回路由直流母線供給各直流負(fù)荷的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)負(fù)荷類型和供電路徑又可分為若干獨(dú)立分支，例如斷路器合閘供電分支和事故照明供電分支等。直流負(fù)載按功能可分為控制負(fù)荷和動力負(fù)荷兩大類，按性質(zhì)可分為經(jīng)常性負(fù)荷、事故負(fù)荷以及沖擊負(fù)荷。

圖1 直流系統(tǒng)組成

2 遠(yuǎn)程核容設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究了一種遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)，不僅適用于單組蓄電池，還適用于多個蓄電池組并聯(lián)的系統(tǒng)，使蓄電池組脫離直流母線遠(yuǎn)程核容時不會因交流失電而出現(xiàn)斷電風(fēng)險[9-11]。該系統(tǒng)主要包括核容管理平臺、電池管理模塊、核容模塊以及遠(yuǎn)程放電控制盒等，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程放電控制盒組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括二極管、開關(guān)、故障診斷模塊以及電流輸入輸出等，可根據(jù)電池組的容量和電壓等級選用不同型號的電力二極管和直流接觸器。

圖3 遠(yuǎn)程放電控制盒組成結(jié)構(gòu)

引入遠(yuǎn)程放電控制盒故障診斷機(jī)制，正常情況下選用電力二極管的導(dǎo)通壓降在0.5 V，額定電流情況下壓降是1.6 V，選用的直流接觸器的閉合的接觸電阻一般在1 mΩ左右。根據(jù)該診斷機(jī)制可以形成二極管與接觸器（即開關(guān)K）是否存在故障的判斷，如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程放電控制盒故障診斷表

當(dāng)0.2 V＜Ud＜1.6 V時，控制開關(guān)K閉合：若Ud≤0.2V，可判斷開關(guān)K正常，二極管正常；若0.2 V＜Ud＜1.6 V，可判斷開關(guān)K異常，二極管正常。

當(dāng)Ud≥1.6 V時，控制開關(guān)K閉合：若Ud≤0.2 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管異常；若Ud≥1.6 V，可判斷開關(guān)K異常，二極管異常。

當(dāng)Ud≤0.2 V時，此時控制開關(guān)K斷開：若Ud≤0.2 V，可判斷開關(guān)K異常；若0.2 V＜Ud＜1.6 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管正常；若Ud≥1.6 V，可判斷開關(guān)K正常，二極管異常。

通過以上工作原理，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放電控制盒KD狀態(tài)檢測。

2.2 遠(yuǎn)程核容模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示，采用純消耗型負(fù)載核容模塊的設(shè)計(jì)中，負(fù)載可根據(jù)設(shè)備型號要求由多條電阻條并聯(lián)形成。電阻條采用鎳鉻扁絲（Cr20Ni80）制成，可承受約10 A的電流。若設(shè)備最終要求可承受50 A電流時，可由5個電阻條并聯(lián)形成。消耗型負(fù)載核容模塊設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 消耗型負(fù)載核容模塊設(shè)計(jì)原理

在實(shí)際使用時，可通過增加MOS管的方式降低單管功耗，即采用增加MOS管的數(shù)量來增加散熱面積，分別獨(dú)立由一個恒流電路驅(qū)動。本設(shè)計(jì)中，采用了6個相同的單管恒流單元，節(jié)點(diǎn)P+并接、節(jié)點(diǎn)A并接可調(diào)恒流支路負(fù)反饋等電路，節(jié)點(diǎn)B接地并連接電流采樣電阻，如圖5所示。當(dāng)有電流通過時，電流采樣電阻上會產(chǎn)生電壓信號，該信號通過放大后，與電流基準(zhǔn)電壓進(jìn)行誤差比較放大后輸出到A點(diǎn)，作為控制MOS管的開通電壓，繼而控制相應(yīng)的導(dǎo)通電阻，最終控制支路電流。

圖5 恒流控制部分MOS管組合Q中單管恒流單元

此外，本文也研究設(shè)計(jì)了新型饋電式放電模塊，主要由純阻性假負(fù)載PTC和電源模塊DC/DC等組成，如圖6所示，該DC/DC采用恒流模式的BOOST拓?fù)?，可將核容過程中不斷下降的電壓升高到略大于充電機(jī)輸出電壓，保證直流端負(fù)載的供電電壓穩(wěn)定。在核容過程中，先使用實(shí)際負(fù)載進(jìn)行核容，假負(fù)載PTC處于斷開狀態(tài)，電流經(jīng)過DC/DC升壓后供給，當(dāng)實(shí)際負(fù)載無法滿足放電電流大小要求時根據(jù)所缺電流啟動假負(fù)載。

圖6 新型饋電式放電模塊的內(nèi)部原理圖

在核容過程不調(diào)整充電機(jī)輸出電壓的情況下，可以使被測蓄電池組對實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行恒流供電而達(dá)到在線恒流放電目的，而且在此過程中另一組蓄電池組還始終保持滿浮充備份狀態(tài)，最大限度地避免放電過程中系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險。

2.3 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)運(yùn)行流程

在蓄電池組浮充運(yùn)行下，核容模塊內(nèi)蓄電池組放電開關(guān)（K1、K2）和母聯(lián)開關(guān)K3應(yīng)處于斷開狀態(tài)，遠(yuǎn)程放電控制盒內(nèi)蓄電池組輸出開關(guān)（J1、J2）處于閉合狀態(tài)。

核容管理平臺具備遙測、遙信、遙控以及遙調(diào)等基本功能，如核容蓄電池組選擇，核容放電電流、放電容量以及放電時間等參數(shù)的設(shè)置，溫度、電流以及電壓等報警閾值的設(shè)置。首先通過核容管理平臺選擇需遠(yuǎn)程核容的蓄電池組，確認(rèn)沒有異常報警后根據(jù)計(jì)劃選擇全容量或設(shè)定容量（或時長）設(shè)置核容參數(shù)；其次電池管理模塊根據(jù)指令控制遠(yuǎn)程放電控制盒內(nèi)的蓄電池組輸出開關(guān)斷開，使得蓄電池組停止充電，同時停止對直流系統(tǒng)輸出供電，閉合蓄電池組放電開關(guān)，啟動負(fù)載模塊進(jìn)行放電。通過蓄電池遠(yuǎn)程核容平臺下發(fā)指令啟動放電模塊對蓄電池組進(jìn)行放電，整個過程的基本流程如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)運(yùn)行總體流程

模式一：正常核容過程，若未出現(xiàn)交流失電的情況下，結(jié)束后輸出核容分析結(jié)果，之后進(jìn)入蓄電池電路恢復(fù)的過程（即進(jìn)行充電過程），控制負(fù)載模塊退出后，使蓄電池組充電的同時對直流系統(tǒng)輸出供電，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)運(yùn)行模式一流程

模式二：若核容過程中出現(xiàn)交流失電，則立刻停止核容，進(jìn)入保障系統(tǒng)安全運(yùn)行階段。當(dāng)交流恢復(fù)且進(jìn)入蓄電池電量恢復(fù)的過程時再根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行核容。其中，當(dāng)滿足多組輸出判斷的啟動條件時，如通過已放出容量結(jié)合單體電壓及其分布情況判斷出單組可能無法繼續(xù)較長時間支撐，閉合母聯(lián)開關(guān)，且遠(yuǎn)程放電控制盒內(nèi)蓄電池組輸出開關(guān)要處于斷開狀態(tài)，蓄電池組通過二極管給直流系統(tǒng)供電；并實(shí)時檢測交流是否恢復(fù)，若恢復(fù)則斷開母聯(lián)開關(guān)，控制蓄電池組充電的同時對直流系統(tǒng)輸出供電，如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程核容系統(tǒng)運(yùn)行模式二流程

模式三：若正常核容過程后充電過程中出現(xiàn)交流失電，則立刻進(jìn)入保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的階段，當(dāng)交流恢復(fù)后重新進(jìn)入蓄電池充電過程，充滿后可再根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行核容，如圖10所示。

處于核容結(jié)束后的充電過程出現(xiàn)交流失電，當(dāng)滿足多組輸出判斷的啟動條件時，其與模式二判斷方式類似，基于充電曲線判斷單組是否無法繼續(xù)較長時間支撐。滿足啟動條件時，控制進(jìn)行多組同時輸出，并實(shí)時檢測交流是否恢復(fù)。

2.4 核容評價

現(xiàn)有站點(diǎn)蓄電池核容過程中可能存在交流失電的情況，很多情況下無法進(jìn)行百分百深度的核容。即使進(jìn)行了完全放電，但由于鉛酸蓄電池的特性，還是存在大部分蓄電池由于未到截止電壓而無法準(zhǔn)確得知其性能的情況，圖11和圖12為某變電站全容量0.1 C放電結(jié)束時刻每節(jié)蓄電池的電壓分布，可能存在較多電池聚集，也可能存在個別電池較差的情況，這就需要采用一定的技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析來獲得各個蓄電池的性能數(shù)據(jù)。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對此進(jìn)行分析。

圖11 某變電站a放電結(jié)束時刻電壓分布

圖12 某變電站b放電結(jié)束時刻電壓分布

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的簡單處理單元組成，是一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可描述非線性、多數(shù)據(jù)并行的問題，具有高容錯與可訓(xùn)練學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如信號處理、模式識別、自動控制、輔助決策以及人工智能等。蓄電池核容評價可以認(rèn)為是模式識別的一種，即針對放電曲線分布和走向情況識別較為合適的性能數(shù)據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要步驟如下：

（1）選擇合適的輸入樣本A和輸出樣本C，并進(jìn)行歸一化處理。初始化網(wǎng)絡(luò)連接的權(quán)值：輸入與隱層的權(quán)值YWxy、隱層與輸出的權(quán)值SWyz，隱層觸發(fā)閾值θy、輸出觸發(fā)閾值ηz，均為[-1，1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

（2）隱層By==f(∑YWxy·Ax-θy)，輸出層Cz=f(∑SWyz·By-ηz)。

（3）若誤差大于設(shè)定的預(yù)期誤差，則對權(quán)值和閾值進(jìn)行修正，修正公式為：

式中，Sez、Yey為輸出層、隱層的校正誤差；α、β為學(xué)習(xí)系數(shù)。

使用MATLAB構(gòu)建一個簡單的一輸入一輸出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用newff函數(shù)創(chuàng)建該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖13所示。第一層二神經(jīng)元，傳遞函數(shù)tansig。第二層一神經(jīng)元，傳遞函數(shù)purelin。訓(xùn)練函數(shù)traingdx，設(shè)置合適迭代次數(shù)，其他參數(shù)默認(rèn)。

圖13 newff兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)時，采用多輸入學(xué)習(xí)樣本與單輸出教師樣本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖14所示。其中輸出樣本為蓄電池性能數(shù)據(jù)，即當(dāng)前容量與標(biāo)稱容量的百分比值，不允許超過100%。

圖14 N輸入M輸出兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

輸入樣本為不同蓄電池性能的放電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度可為21、20、19、...。在大量蓄電池放電的基礎(chǔ)上，將不同蓄電池性能所對應(yīng)的放電曲線數(shù)組作為訓(xùn)練集。當(dāng)某一次核容放電結(jié)束時，例如放出容量在50%時，應(yīng)選擇每5%即長度11的樣本集進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)放出容量在80%時，應(yīng)選擇每5%即長度17的樣本集進(jìn)行訓(xùn)練。

由于輸出樣本已經(jīng)處于0～100%之間，無需進(jìn)一步做歸一化處理，因此針對輸入部分放電電壓數(shù)據(jù)的歸一化處理為：

式中，vmin為放電截止電壓，以2 V鉛酸蓄電池為例即為1.80 V；vmax為完全充滿后起始電壓，以2V鉛酸蓄電池為例，該數(shù)值為均充結(jié)束或浮充時轉(zhuǎn)為放電的起始電壓，一般設(shè)置為2.15 V，且當(dāng)f(v)≥1時記為1。

從上述原理來看，此方法無法預(yù)測放電過程中電壓突然變化的情況，應(yīng)再探索研究更多輸入進(jìn)行補(bǔ)充，如電池內(nèi)阻和長期浮充特征等。

3 結(jié) 論

目前變電站直流系統(tǒng)的蓄電池組大部分情況下還是采用現(xiàn)場人工核容的方式，每年需要投入大量的人力物力來檢查蓄電池組狀態(tài)是否健康。本文研究了具備防護(hù)能力的遠(yuǎn)程核容技術(shù)，其在脫離直流母線遠(yuǎn)程核容時不會因交流失電而出現(xiàn)斷電，可通過遠(yuǎn)程控制較早的知道遠(yuǎn)程控制盒本身是否存在異常。同時通過算法研究對核容過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基本可獲得蓄電池組各個電池的性能情況，具有較好的應(yīng)用效果。