变电站直流电源监控软件功能设计

李永锋

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

近几年来，国家投入数千亿资金对全国城乡电网进行大规模建设与改造，新建电厂及各类变电站大量增加，形成了电力操作电源设备的广阔市场。随着电网负荷结构的变化，对电能质量提出了较高要求。在直流电源系统中，充电装置和蓄电池的性能直接关系着直流电源的可靠性，而直流电源监控单元因程序容量的限制无法实现某些功能。针对该问题，对软件功能进行了扩充。

1 系统构成

本系统主要由直流电源各级设备、智能放电仪（可选）和一台计算机组成。计算机使用了两个串行通讯口，一个与直流电源监控单元连接，另一个与智能放电仪连接。三者之间可采用RS232或RS485通讯，进行“四遥”操作。原理如图1所示。

2 直流监控单元现有功能

图1 直流系统通讯原理图Fig.1 Schematic diagram of the DC system communication

目前，直流电源监控系统多采用集中管理，分散测量、控制的模式。实时显示设备信息，设置系统参数，如充电参数及各告警值，并根据所采集的数据处理、综合，对各设备执行相应的动作。其中，控制模块具有自动开关机，调节控母电压、均、浮充电压等功能，也可手动控制。对母线电压超、欠、限、绝缘故障、充电故障、交流故障进行监测、显示及发出告警，记录各种故障。监控模块设有RS-232、RS-485通讯接口，方便进行“遥测、遥信、遥控、遥调”四遥操作，对蓄电池自动管理及保护，实时自动完成电池状态检测，然后进行均浮充转换、充电限流、充电电压温度补偿，定时自动均衡充电等功能。

3 需扩充功能

直流监控单元受芯片容量限制，一些功能无法实现或过于简单，需通过监控软件扩充，同时包括一些基本功能，如通讯设置、串行通讯口的选择、系统各遥测量的显示、遥信状态变位以及故障报警等功能。

3.1 蓄电池智能管理

电池组是直流电源系统中重要组成部分，对电池组的维护和监测尤为重要。经扩充，监控单元具有以下电池管理功能：正常充电程序、长期浮充充电程序、交流中断及恢复程序、电池充电电压温度补偿及电池定期均充维护等。可通过巡检仪实时跟踪电池的充、放电过程，采集充、放电流及各电池电压，根据不同的判断标准，进行实时分析、计算，进行等级划分，诊断健康程度，剩余电量估计、剩余电量可维持运行时间估计，电池寿命估计等。

3.1.1 蓄电池维护

蓄电池长期不用或处于浮充状态下时，易产生正极板的活性物质硫化、负极板氧化、电解水损失，导致电池性能下降。因单电池间不均衡性，一些电池持续充电不足，进行深度放电，长时间后，弱的电池会更弱。对此，需要定期进行均充，以活化电池。自动放电，利用遥控关闭所有充电模块，定时进行一定深度放电。一般是几个月进行一次浅度（20%～30%）放电，同时进行放电量计算，放电量达到指定深度（20%～100%）后再遥控所有充电模块启动，进行一次均衡充电，以活化蓄电池组，从而避免电池因长期处于浮充状态引起电池极板的活性物质硫化，或因电池离散性引起的部分电池虚充，导致电池放电能力变低。也可进行深度 10 h率（100%）放电，这种放电一般需用智能放电仪进行放电或手动放电。因此，对电池实际容量计算及各电池10 h率放电曲线的绘制，是向智能管理系统提供的基本数据。进行精确容量计算时应进行温度校正，公式如下：

式中：C25：25 ℃蓄电池放电容量（Ah）；Ct：t℃时蓄电池放电容量；t：放电时环境温度；K：温度系数，10 h率为 0.006/℃。

3.1.2 蓄电池健康程度估算

文中采用了电池内阻、电池放电电压下降率和容量估计相结合的方式准确地反映出蓄电池的性能状况，综合一些判断经验。当配有智能放电仪时，可通过放电仪进行精确容量测试。

1）电池内阻测量

电池内阻能反映蓄电池的容量下降和老化程度，内阻是可直接测量的参数。经测量后，能发现电池的许多问题，尤其是判断严重失效和连接不良的电池。内阻测量已被公认是一种迅速，可靠的诊断电池健康状况的方法。

内阻测量常用方法有2种：

①交流方法 主要是在电池组两端加入一个低频低压交流信号，测量由此信号产生的电压变化即为电池内阻：

式中：Vav：检测到交流信号平均值；Iav：馈入交流电流平均值；

实际中，馈入交流电流信号幅值有限，且电池内阻为毫欧或微欧级，因此产生的电压变化幅值也在微伏级，易受干扰。若加大馈电池的交流幅值，则会在直流电源系统中引入较大纹波，影响电池性能。

②直流方法 是在电池组两端接入一个放电负载，测量电压的变化（U1-U2）和电流值（I），计算电池内阻。

蓄电池从浮充状态切换到放电状态，电压跌落过程为阶梯形变化。即停止充电后，电池电压回落到实际的开路电压，接入放电负载后，电压发生阶跃变化。根据不同电流（I1，I2）下的放电电压变化就可计算电池内阻。

2）电池电压下降率 放电期间，若接入一个阶跃性负载，电池电压下降主要由电池内阻引起，若恒流放电，电池电压下降主要由电池电量下降引起。因些，可利用电池完全活化并达到标准容量后的一些放电曲线作为参考和当前放电曲线进行纵向比较，以判断电池性能，一般情况下，电池电压下降率与电池容量存在一定的反比关系。也可在放电期间，不断算出各节电池电压下降率和去除极限值后的平均值，进行横向比较，选出性能最差电池。一般来说，电压下降率最大的就是性能最差电池，因此，也可设置放电电压下降率差值进行报警。同样，在充电期间，电压上升率最大的也是电池性能最差电池。

3）电池容量测算

①自动容量估算 在系统没有智能放电仪或没有必要进行精确容量测算时，可利用计算机中记录的各节电池及整组电池的所有放电记录，选取当前一段放电曲线的放电电量与标准容量下的同样电压段的历史放电电量的比值，估算出该组电池的容量。该容量是一个近似值，但其对提前告警电池故障比采用单一的电池端电压优越。由于电池开路端电压与电池剩余电量成反比，可近似认为下式成立：

式中：Ct1：本次一段时间的放电电量；Ct2：以前标准的同电压段放电电量；Cn1：本次放电估算出的电池容量；Cn2：以前进行测量的电池标准量。

对同样从12.5 V放电到12 V的一段放电曲线，两条放电曲线放电量之比约等于两条放电曲线放电时电池组实际容量之比，其中也有其他因素影响导致计算误差，比如出现冲击放电，而没有采样冲击放电电流。此时可选用多段曲线进行去除极限值的平均值，或选用近期多次放电曲线进行计算，以提高精确性。这种容量估算只用于电池容量报警，对精确性要求不高时。精确的电池容量计算一般是进行0.1C10放电测量。

②精确容量测量 若需精确容量测量，系统必须配置智能放电仪或手动容量测量。一般在电池性能下降较大时，定时（一般是一年）完成。自动容量测量时，需先遥控关闭所有充电模块，对智能放电仪进行遥调放电电流并遥控启动放电，使电池电压下降到终止电压时停止放电，利用公式（1）进行电池容量的计算，并记录本次的标准放电曲线，以供参考。

3.1.3 蓄电池电量预警

测算蓄电池电量是为在交流停电的情况下，提前通知用户电池电量不足，以切除不重要的负载，维持系统的安全运行。

1）放电告警功能 当系统交流电源中断或人为进入放电状态时，电池电流由正值变为负值，此时，自动进行蓄电池放电量计算，到电池电流变为正值时为止。并设置放电量告警值。当已放电量超过某一阀值时、已放电量占电池容量的百分比超过某一阀值、电池端电压偏低时发出告警，电量计算如下：

式中：C：容量；I：放电电流；T：放电时间。

电池告警选用两个阀值是有不同意义的，如对一组100 Ah的电池来说，设置已放电量超过50 Ah时或放电50%时告警。在标准容量下，两者是同时告警，但电池组使用几年后，实际容量下降到只剩下50 Ah，已放电量50 Ah告警就是100%容量放完才告警，放电50%告警就只放了25 Ah就会告警。

2）剩余电量估计运行时间 上述得到的已放电量和电池组当前实际容量，求出剩余电量，并按当前放电电流，估算出剩余电量维持运行时间，计算公式如下：

式中：T：估计运行时间；Cr：剩余电量；I：放电电流。

3.1.4 蓄电池寿命估算

蓄电池寿命估算，是为提前更换赢得时间。在实际中，影响电池寿命的因素主要有：环境温度、充电电压、放电次数、深度和过放电等，其中以温度和充电电压影响最大。可采用公式，结合以上因素，估算蓄电池寿命。

体现蓄电池寿命的主要指标有：电池容量和电池内阻。电池容量是最直接有效的，但需要精确容量测量。蓄电池失效一般是逐渐的，且都在内阻变化上得到反映。通过对电池内阻、放电电压下降率和电池容量估算，并与以前历史数据比较，得出一个蓄电池组的大致性能指标，判断蓄电池健康程度，综合判断蓄电池寿命。一旦蓄电池性能下降较大时，需要进行精确容量测量。

不提倡在蓄电池性能指标较好时进行100%放电容量测试。蓄电池的寿命与放电深度有很大关系，放电深度越大，蓄电池循环使用次数越小。一般情况下，浅度（20%～30%）放电，活化电池，进行相关测算。

3.2 历史数据库

除一些必要的用于记录各遥测量、当前、历史故障数据表外，为实现上述功能，本系统配置了一个较为复杂的数据库系统。用于记录系统放电记录，并计算或统计出各种相关数据，如电池内阻、放电电压下降率、历次放电的平均放电曲线、一些经典的放电过程详细数据、电池容量、电池温度、充电电压、放电次数、放电深度、过放电次数和一些专家公式等。

3.3 充放电曲线绘制

在进行10 h率放电和随后的充电过程中，可通过采样电池组电压和电流，绘制一个完整的放电和充电过程曲线，并与标准的充放电曲线比较，以判断系统的运行是否正常。

4 结 论

文中所述较大的增强了直流电源系统功能，较好地解决了目前直流电源系统中蓄电池监测与管理的诸多问题。计算机监控软件的实现，对于提高蓄电池的使用性能，及时发现蓄电池故障，提前判断蓄电池劣化，延长蓄电池寿命，具有重要意义。在直流电源计算机监控软件设计中，以智能化为目标，全程监测蓄电池的运行参数（电流、电压、温度）、定时进行电池内阻在线测量和电池放电电压下降率计算，对蓄电池的健康度进行诊断、在放电过程中进行放电量测算，判断电池剩余电量的可运行时间。

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