謝翔杰 魏桃勝 賀星煚 甘洪麗 許曉艷

變電站蓄電池開路故障定位及集中式續(xù)流方法

謝翔杰1魏桃勝1賀星煚1甘洪麗1許曉艷2

（1. 國網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401147； 2. 國網(wǎng)重慶市電力公司技能培訓(xùn)中心，重慶 401329）

變電站蓄電池開路將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，現(xiàn)有開路續(xù)流裝置通常分散布置于每節(jié)蓄電池，成本、控制難度、可靠性等問題突出。鑒于此，本文提出一種簡易、可靠的變電站蓄電池開路故障定位及集中式續(xù)流方法。首先，比較蓄電池及直流負(fù)載電流，確定蓄電池充放電狀態(tài)。然后，在非人為放電狀態(tài)下，基于蓄電池電壓及內(nèi)阻，檢測并定位開路的蓄電池。最后，利用集中式續(xù)流裝置驅(qū)動二極管至開路的蓄電池，完成精準(zhǔn)、可靠續(xù)流。仿真及實(shí)驗結(jié)果驗證了所提方法的有效性。

蓄電池；開路檢測；故障定位；集中式續(xù)流

0 引言

蓄電池組是變電站直流系統(tǒng)的重要備用電源，在站用交流電源消失后承擔(dān)著為整個變電站內(nèi)繼電保護(hù)等重要設(shè)備供電的任務(wù)。國家電網(wǎng)公司在《國家電網(wǎng)設(shè)備〔2018〕979號文件》中明確提出：站內(nèi)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行時，禁止蓄電池組脫離直流母線。由此可見，蓄電池組故障會嚴(yán)重威脅變電站乃至電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。閥控式密封鉛酸蓄電池因具有污染小、易安裝、易維護(hù)等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各變電站直流系統(tǒng)[3]。然而，受限于電池的生產(chǎn)工藝及使用維護(hù)等因素，長時間使用后蓄電池失效可能性增大，其中以開路失效為主[4]。變電站一組蓄電池數(shù)量通常超過一百節(jié)，且220kV及以上變電站大多裝設(shè)兩組蓄電池，導(dǎo)致單節(jié)蓄電池故障定位困難。目前，蓄電池開路故障的檢測及定位主要依賴技術(shù)人員進(jìn)行電壓、內(nèi)阻、容量測試，缺乏自動、可靠的開路續(xù)流裝置，難以滿足電力系統(tǒng)的高可靠性要求[5]。因此，亟須提出蓄電池開路故障定位及開路續(xù)流方法。

針對蓄電池開路故障的在線檢測及定位，現(xiàn)有研究通常以電壓、內(nèi)阻為判斷依據(jù)[5-8]。然而，故障特征一般出現(xiàn)在短時大電流放電情況下，難以有效診斷長期處于浮充狀態(tài)的故障蓄電池[6]?，F(xiàn)有故障定位方法需要全過程實(shí)時采集蓄電池電壓、內(nèi)阻等參數(shù)，極少判斷蓄電池充放電狀態(tài)，增加了數(shù)據(jù)處理量與運(yùn)行維護(hù)難度。文獻(xiàn)[5]雖然分析了蓄電池充電、放電兩種狀態(tài)的故障定位與續(xù)流方法，但其中涉及的單節(jié)蓄電池反向電流表、短接開關(guān)等裝置都需要新增，且未利用充放電狀態(tài)判斷蓄電池電壓、內(nèi)阻采集的必要性。因此，需要針對蓄電池放電狀態(tài)提出一種簡易、可靠的開路故障定位方法。

現(xiàn)有的蓄電池開路續(xù)流裝置往往分散布置于單節(jié)蓄電池處[5, 7-9]。文獻(xiàn)[7]提出一種基于二極管的蓄電池開路續(xù)流裝置，但續(xù)流方式不具備可控性。文獻(xiàn)[8]設(shè)計一種防止過放電的續(xù)流裝置，在過放電時斷開蓄電池負(fù)載，續(xù)流方式仍不可控?；诮饘?氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的續(xù)流方式[9]雖然實(shí)現(xiàn)了可控續(xù)流，但成本、控制難度、可靠性等問題突出。因此，分散式續(xù)流裝置難以實(shí)現(xiàn)簡易、可靠的開路續(xù)流。文獻(xiàn)[9]采用兩組蓄電池暗備用的方式，在一組蓄電池故障后采用另一組為負(fù)載供電，但該方法不適用于只有單組蓄電池的變電站，且因單節(jié)蓄電池開路便斷開整組蓄電池，降低了蓄電池利用率；此外，若兩組蓄電池均存在單節(jié)開路故障，該方法將導(dǎo)致蓄電池組脫離直流母線。因此，現(xiàn)有的蓄電池開路續(xù)流裝置難以實(shí)現(xiàn)簡易、可靠的安裝、控制及續(xù)流。

針對分散式續(xù)流裝置難以實(shí)現(xiàn)簡易、可靠的蓄電池開路續(xù)流，本文提出一種開路故障定位及集中式續(xù)流方法。首先，比較蓄電池及直流負(fù)載電流，確定蓄電池充放電狀態(tài)。然后，在非人為放電狀態(tài)下，基于蓄電池電壓及內(nèi)阻，檢測并定位開路故障。最后，利用集中式續(xù)流裝置驅(qū)動二極管至開路蓄電池，完成精準(zhǔn)、可靠續(xù)流，并通過仿真及實(shí)驗驗證所提方法的有效性。由于蓄電池廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、機(jī)車、新能源發(fā)電等系統(tǒng)中[10-12]，本文所提方法有望拓展至其他應(yīng)用場合。

1 蓄電池開路故障定位

1.1 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

110kV及以下變電站直流系統(tǒng)一般僅含單組蓄電池，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，M為直流母線正、負(fù)極電壓差，C為充電模塊輸入的直流電流，B為蓄電池端電壓，B為蓄電池充電電流，M為直流負(fù)載電流。為保障變電站直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需實(shí)時監(jiān)測以上電氣量。220kV及以上變電站大多裝設(shè)兩組蓄電池，但在正常狀態(tài)下，所對應(yīng)的兩套直流系統(tǒng)分列運(yùn)行。因此，正常運(yùn)行時，裝設(shè)兩組蓄電池的直流系統(tǒng)可視為兩組獨(dú)立系統(tǒng)，仍可由圖1進(jìn)行分析。

圖1 變電站直流系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

1.2 開路故障定位

由圖1可知，蓄電池的充放電狀態(tài)可由各電流量確定，分為以下四種情況：

1）放電試驗時，需要將蓄電池組脫離直流母線，則充電電流B=0但M≠0。

2）充電時，蓄電池為浮充或均充狀態(tài)，B＞0。

3）交流失電，蓄電池帶直流負(fù)載時，B＜0。

4）交流失電且蓄電池開路時，B=0且M=0。

上述情況1）中，專業(yè)人員一般在現(xiàn)場，蓄電池狀態(tài)可人為判斷，無需自動續(xù)流；由于蓄電池開路故障一般發(fā)生在大電流短時放電時[6]，充電狀態(tài)下，蓄電池故障特征通常難以暴露，且為防止蓄電池過充，情況2）也無需自動續(xù)流；情況3）和情況4）為交流失電的特殊情況，且通常無專業(yè)人員在場，即非人為放電狀態(tài)，蓄電池須短時大電流放電，容易導(dǎo)致少數(shù)狀態(tài)較差的蓄電池逐漸演變?yōu)殚_路狀態(tài)，此時需要進(jìn)行故障定位并自動續(xù)流開路蓄電池。

由于蓄電池故障特征通常為內(nèi)阻增大、電壓降低或反向增大[6]，本文在情況3）和情況4）下，采集各蓄電池電壓、內(nèi)阻，進(jìn)而定位故障蓄電池。因此，若以V為第節(jié)蓄電池電壓，R為第節(jié)蓄電池內(nèi)阻，則故障定位的判斷條件可表示為

式中：set為單節(jié)蓄電池電壓下限值；set為單節(jié)蓄電池內(nèi)阻上限值。

當(dāng)?shù)诠?jié)蓄電池滿足式（1）所示條件時，即判斷其為開路蓄電池，完成故障定位。故障定位流程如圖2所示。

圖2 故障定位流程

2 集中式續(xù)流方法

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

為避免傳統(tǒng)分散式續(xù)流裝置帶來的成本、控制難度、可靠性等問題，本文提出一種集中式續(xù)流方法，以108節(jié)蓄電池為例，集中式續(xù)流裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。故障定位及續(xù)流裝置采集蓄電池電壓、內(nèi)阻，定位開路故障，再控制電動機(jī)驅(qū)動續(xù)流二極管至對應(yīng)續(xù)流接點(diǎn)，完成開路續(xù)流。

圖3 集中式續(xù)流裝置結(jié)構(gòu)

2.2 續(xù)流方法

為降低續(xù)流控制復(fù)雜度，本文采用單個電動機(jī)負(fù)責(zé)每列12個續(xù)流接點(diǎn)的方法，即圖3所示續(xù)流裝置需要9個電動機(jī)。單節(jié)蓄電池故障時，該方法僅需控制該列的續(xù)流二極管至故障蓄電池即可，為更快地進(jìn)行故障續(xù)流，可將續(xù)流二極管初始位置固定于每列中間。續(xù)流方法示意圖如圖4所示。

圖4 續(xù)流方法示意圖

3 仿真分析

3.1 仿真算例

為驗證所提故障定位及集中式續(xù)流方法的正確性，本文以110kV變電站直流系統(tǒng)108節(jié)200A?h蓄電池為例，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。根據(jù)DL/T 637—2019《電力用固定型閥控式鉛酸蓄電池》，蓄電池放電終止電壓為1.8V，內(nèi)阻上限為1mW，由此確定蓄電池組仿真參數(shù)見表1，其中L為負(fù)載電阻。

表1 蓄電池組仿真參數(shù)

3.2 內(nèi)阻越限

為模擬蓄電池開路故障，在仿真模型中采用時變電阻作為蓄電池內(nèi)阻。蓄電池最初為浮充狀態(tài)，0.1s時交流失電，以第1節(jié)蓄電池故障為例，帶負(fù)載后內(nèi)阻不斷增加，直到超過閾值set=1mW，最終完成故障定位及續(xù)流。內(nèi)阻越限時故障定位及續(xù)流波形如圖5所示。

由圖5可知，浮充狀態(tài)下蓄電池充電電流B幾乎為0，=0.1s交流失電后，B＜0，滿足圖2所示的判斷條件，因此當(dāng)1＞set時，完成故障定位并進(jìn)行續(xù)流。整個過程中，直流負(fù)載電流M變化較小，證明了所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷續(xù)流。

圖5 內(nèi)阻越限時故障定位及續(xù)流波形

3.3 電壓越限

在交流失電后，有B=0且M=0，以第1節(jié)蓄電池故障為例，判斷第1節(jié)蓄電池端電壓越限，即1＜set，完成故障定位及續(xù)流。電壓越限時故障定位及續(xù)流波形如圖6所示，可以看出，M依然變化較小，證明了所提方法的有效性。

圖6 電壓越限時故障定位及續(xù)流波形

若第1節(jié)蓄電池在初始狀態(tài)已發(fā)生開路，則交流失電后，第1節(jié)蓄電池端電壓為負(fù)數(shù)，其絕對值為非故障蓄電池電壓之和，仍有1＜set，完成故障定位及續(xù)流。蓄電池開路故障定位及續(xù)流波形如圖7所示。

圖7 蓄電池開路故障定位及續(xù)流波形

對比圖5～圖7可知，僅圖7所示的情況會造成直流負(fù)載電流M短時中斷，但中斷時間小于1ms，其余情況下均可完成不間斷續(xù)流，證明了所提故障定位及續(xù)流方法的有效性。然而，仿真模型難以有效評估集中式續(xù)流裝置的動作時間及準(zhǔn)確性。為此，本文采用實(shí)驗平臺進(jìn)行驗證。

4 實(shí)驗分析

4.1 實(shí)驗平臺

本文所采用的實(shí)驗裝置為圓盤式續(xù)流裝置，是一種適用于數(shù)量較少蓄電池組的集中式續(xù)流裝置，實(shí)驗平臺如圖8所示。實(shí)驗中采用8節(jié)UXL220—2NFR蓄電池，在第4節(jié)蓄電池兩端裝設(shè)空氣開關(guān)，模擬開路故障。故障定位及續(xù)流裝置采集各蓄電池電壓、內(nèi)阻，檢測并定位開路故障后，通過電動機(jī)控制二極管進(jìn)行故障續(xù)流。蓄電池組實(shí)驗參數(shù)見表2。

4.2 實(shí)驗結(jié)果

由于實(shí)驗難以模擬蓄電池內(nèi)阻越限的情況，本實(shí)驗僅考慮電壓越限，即利用空氣開關(guān)模擬開路故障，實(shí)驗波形如圖9所示，可分為以下四個階段：

圖8 實(shí)驗平臺

表2 蓄電池組實(shí)驗參數(shù)

圖9 蓄電池開路故障定位及續(xù)流實(shí)驗波形

①蓄電池處于浮充階段，B≈0，M≈6A，4≈ 2.25V，M≈18V。

②交流失電后，蓄電池處于放電階段，B≈-5.7A，M≈5.7A，4≈2.1V，M≈17V。

③第4節(jié)蓄電池開路后，蓄電池處于開路階段，B=0，M=0，4≈-15V，M=0。

④故障定位及續(xù)流成功后，蓄電池處于放電階段，B≈-5A，M≈5A，4=0，M≈15V。

上述四個階段分別如圖9所示，可以看出，本文所提方法僅需5s即可完成故障定位及續(xù)流，能夠可靠、精準(zhǔn)、及時地完成故障蓄電池的自動續(xù)流。

5 結(jié)論

針對變電站蓄電池的開路故障風(fēng)險，本文提出了一種簡易、可靠的故障定位及集中式續(xù)流方法，分析了蓄電池充放電狀態(tài)與直流負(fù)載電流的關(guān)系，基于蓄電池電壓及內(nèi)阻，設(shè)計了故障定位方法，利用電動機(jī)控制續(xù)流二極管，實(shí)現(xiàn)了集中式續(xù)流。仿真及實(shí)驗結(jié)果表明，本文所提故障定位方法能夠精準(zhǔn)定位故障蓄電池，從交流失電到續(xù)流成功的總時長約5s，極大地保證了直流負(fù)載正常運(yùn)行，提高了直流系統(tǒng)的可靠性。

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Open-circuit fault localization and centralized freewheeling methods for the substation storage battery

XIE Xiangjie1WEI Taosheng1HE Xingjiong1GAN Hongli1XU Xiaoyan2

(1. State Grid Chongqing Electric Power Company Shibei Power Supply Branch, Chongqing 401147; 2. State Grid Chongqing Electric Power Company Skill Training Center, Chongqing 401329)

The open-circuit fault of substation storage battery critically challenges the steady operation of power grid. Traditional freewheeling device, however, is installed individually on each battery, resulting in cost, control, reliability problems. Thus, simple and reliable open-circuit fault localization and centralized freewheeling methods are proposed in this paper. First, by comparing the currents of battery and DC load, charge and discharge states can be determined. Then, in the state of non-artificial discharge, faulty battery can be detected and localized with the voltage and internal resistance. Finally, the centralized freewheeling device drive a diode to the faulty battery, achieving accurate and reliable freewheeling. Simulation and experimental results demonstrate the validity of the proposed methods.

storage battery; open-circuit detection; fault localization; centralized freewheeling

2023-11-21

2023-11-23

謝翔杰（1993—），男，四川省資陽市人，博士，工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)及變電站二次系統(tǒng)方面的研究工作。