变电站直流系统蓄电池在线维护技术研究及应用

柴玉红，王润琴，杨爱晟

（国网山西省电力公司晋中供电公司，山西晋中030600）

变电站直流系统蓄电池在线维护技术研究及应用

柴玉红，王润琴，杨爱晟

（国网山西省电力公司晋中供电公司，山西晋中030600）

分析了直流系统蓄电池运行、维护现状，提出了一种新型蓄电池在线电压巡检、内阻测试和动态均衡维护技术方案，实现蓄电池的状态检修；给出了该方案的技术原理，详细阐述了方案的各组成部分，并通过应用实例证明其具有良好的工程实用性。

直流电源；蓄电池；动态均衡；电压巡检；内阻测试

0 引言

直流系统在变电站中为自动化控制、继电保护、信号、事故照明及开关操作等提供直流用电，直流系统的可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是变电站安全运行的保证[1]。现在直流系统一般由充电装置和蓄电池组成，主要采用单母线分段方式接线，集中式分级辐射供电。其中蓄电池是直流系统的关键和核心，是直流电源安全供电的最后保障，一旦出现问题，将造成保护失效、断路器拒动，整个变电站处于无安全防护的瘫痪状态，后果不堪设想。

为此，基于现有直流系统蓄电池运行、维护现状，本文设计了一种新型蓄电池在线维护技术方案，实现了蓄电池的在线电压巡检、内阻测试和动态均衡，并进行了实际应用验证。

1 蓄电池运行及维护现状

目前，变电站直流系统中，阀控式密封铅酸VRLA(Valve Regulated Lead Acid)蓄电池成为主流，具有密封无泄漏、环保无污染、成本低廉、性能稳定、运行经验成熟等优点。维护也相对简单，一般是运维人员定期清扫、电压测量，并依据电力规程进行放电试验核对容量。核对性放电是目前测试蓄电池容量最直接、最准确的方法，但费时、费力，对蓄电池也有一定伤害，不可频繁进行。为了满足母线电压的要求，直流系统蓄电池需多只串联成组使用，这种运行方式，本身存在先天不足，虽然蓄电池组各单体充放电电流一致，但由于电池极板、电解液等组成部件及自放电的差异，使得整组电池的一致性变差，出现过欠充、容量衰减现象，而且随着时间的推移，各单体电池电压更加不均衡，而且这种趋势还会逐步加速，正是这种恶性循环极大地缩短了蓄电池组的使用寿命[2]。当前，蓄电池的检测和维护装置，仅局限于电池巡检仪、放电仪、内阻测试仪等，但都存在功能单一、只能检测不能维护的缺点。传统的定期（180 d）蓄电池均充维护，是为了提高个别充电不足单体电池的电压，人为地对整组电池进行所谓的“均衡充电”，希望能够恢复欠冲电池容量，提升单体电池电压一致性，实际上却牺牲了大部分正常单体电池的性能，反而可能有损电池组的使用寿命及可靠性。因此对蓄电池进行在线电压、内阻检测和实时均衡维护，实现蓄电池状态检修，是直流系统的一个重要发展趋势。

2 技术原理

2.1 蓄电池均衡原理及策略

本文采用双向DC/DC变换器低充高放控制原理，趋势预估提前介入控制策略，实现串联蓄电池组在线均衡。双向DC/DC变换器低充高放均衡原理见图1。

图1 电池均衡原理图

双向DC/DC变换器高压侧连接直流母线KM，其低压侧经由开关K1—K n连接蓄电池组各单体电池；电池组充电电流主要还是靠直流系统充电机提供，只是个别欠充单体电池接通对应开关利用双向DC/DC变换器从直流系统母线摄取电能进行补充电，过充电池接通对应开关经由双向DC/DC变换器对直流母线进行旁路放电。在均衡过程中，始终挑选电压偏差最多的电池进行操作，以此类推，最终实现整个电池组的均衡。

趋势预估提前介入控制策略是指在蓄电池组充放电过程中，尤其是在电池均充和故障放电时，如果等某些单体电池电压超出规程规定的上下限时才进行均衡，由于主回路充放电电流较大，均衡效果缓慢，这样对该电池就会产生较长时间的过欠冲，从而造成伤害。因此，依据趋势预估原理，实时比较各单体电池和电池组平均单体电压差，差值超过某一设定值时，就预测该电池未来有较大可能欠过冲，提前介入进行均衡操作，从而杜绝了对电池造成实质伤害的可能性。

2.2 电池内阻在线测量方法

基于四线制接线方式，以测试模块为单位把蓄电池组分为多个单元小段，依次在每个单元段内采用直流法进行蓄电池内阻测量，测试原理如图2所示。

图2 电池内阻在线测试原理图

测试过程如下：测试模块控制接通放电电阻R0对相应电池段进行瞬间直流放电，测量放电电流I0，同时通过多路转换器MUX依次接通该段内各单体电池，测得放电前后各电池电压值Ui1、Ui2，得出其压降ΔUi，再利用欧姆定理求得电池内阻。

因电池组分为多个单元段，每单元段电池数目远小于整组电池个数，单元段电池放电和充电机浮充电流之间的相互影响很小，这样就克服了传统电池内阻直流放电测试法——电池组必须脱离直流母线——的不足，从而实现蓄电池内阻在线测量。

3 方案设计

采用DCS集散控制模型，由监控装置和均衡内阻采集模块两部分组成；监控装置通过RS485总线将多个均衡内阻采集模块连接到一起，构成整个蓄电池均衡内阻采集系统。该系统可实现对变电站蓄电池内阻、电压、电流、温度等的在线监测，并对蓄电池进行自动均衡，使每节电池处于同等的工作状态，防止电池过充、欠充，避免蓄电池组出现长期不均衡而损坏电池，给蓄电池提供一个理想的运行工况，延长其使用寿命；同时比较电池内阻相对变化量，能及时发现电解液干涸、汇流排断裂、极板腐蚀过度、连接条松动、电池开路等隐性缺陷并预警，增强直流系统运行的安全性。

3.1 监控装置

监控装置配置ARM系列微处理器，5.7寸彩色液晶屏，采用基于iCoupler磁耦隔离技术的RS-485收发器，通过RS485总线与均衡内阻采集模块通讯，对蓄电池进行动态均衡和内阻、电压、温度在线监测，收集上传数据，并以报表、曲线，柱状图等多种形式灵活呈现。蓄电池电压、内阻、温度、电流等超出阀值时及时向用户提出告警；运用BP神经网络理论，对测试数据进行自动分析，在线找出失效或即将失效电池；可就地操作控制，同时预留串行通讯接口RS232、RS485及局域网RJ45端口，具备“四遥”功能，扩展性能良好。3.2均衡内阻采集模块

均衡内阻采集模块集成了在线电压巡检、内阻测试和动态均衡三大功能，下放式安装，通过RS485总线，连接监控装置。在线采集多路电池电压、温度。根据所采集数据，采用双向DC/DC变换器低充高放控制原理，趋势预估提前介入控制策略，智能判断，适时启动均衡功能，使电能在直流母线和过欠充单体电池之间合理流动，以环保节能方式，保证了电池组电压的一致性；同时在以模块为单位的电池单元段内，基于四线制接线方式，采用直流瞬间放电法进行蓄电池内阻测量，为判断电池隐性缺陷提供依据。模块接线采用插接件方式，接线、维护方便，并带有可恢复保险，杜绝因模块内部故障短路电池造成的隐患，大大降低了在线维护风险。

4 工程应用

2012年5月，应用该方案对220 kV北田变电站进行改造，该站直流电源系统是单母线分段接线，2组蓄电池，配置1台监控装置和2套均衡内阻采集模块。均衡前蓄电池组最大单体电池压差达127mV，远超50mV的电力标准规定[3]，均衡后最大单体电池压差为6mV，均衡效果明显，达到了预期设计目标。

2013年8月对北田站2组蓄电池（300AH，2004年投入运行）进行年度核对性容量试验，单体电池最大开路电压差只有40mV，放出100%容量后，单体最低电压1.84 V，2组电池性能良好，远远超出预期，达到了同类蓄电池组的最佳运行状态。

5 结论

目前变电站直流系统蓄电池的运行维护技术还相对落后、单一，处于一种只检测不维护状态，无法满足状态检修维护的要求。本文提出了一种变电站直流系统蓄电池在线维护技术方案，给出了该方案的技术原理，阐述了方案的组成设计，并进行了实地应用。从现场情况来看，该方案实现了蓄电池组的在线电压巡检、内阻测试和动态均衡，使电池处于最佳工作状态，保证了蓄电池的一致性，并能及时预警电池的隐性缺陷。建议今后在直流系统设计阶段即考虑配置蓄电池均衡维护装置，对实测数据自动分析，自动预警，积累运行经验后，可逐步延长蓄电池核对性容量试验周期，达到有效延长蓄电池组使用寿命，节约蓄电池定期维护和容量试验成本之目的。

［1］田羽，何仲，范春菊.变电站蓄电池容量计算和算法改进［J］.电力系统保护与控制，2010，38（22）：210.

［2］赵军，石光，王浩彬，等.变电站直流电源远程监控及维护系统的设计［J］.水电能源科学，2012，（4）：149.

［3］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T724—2000电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程［S］.北京：中国电力出版社，2001.

Research and App lication of On-line M aintenance Technology for DC System Battery in Substations

CHAIYu-hong，WANG Run-qin，YANG Ai-sheng
（State Grid Jinzhong Power Supp ly Com pany，Jinzhong，Shanxi 030600，China）

The presentoperation andmaintenance conditionsofDC powerbattery are analyzed.A new technicalproposalon battery on-line dynamic equalizing，voltage itinerant detect and inherent resistance test is proposed，the technology principles are presented，and itscomponentsare described in detail.A case ofapplication proved ithassignificantengineering practicability.

DC power；battery；dynamic equalizing；voltage itinerantdetect；inherent resistance test

TM912

B

1671-0320（2014）05-0011-03

2014-07-10，

2014-08-20

柴玉红（1967-），男，山西长子人，2004年毕业于天津工业大学信息管理专业，工程师，从事变电运行技术管理工作；

王润琴（1965-），女，山西祁县人，1987年毕业于太原工学院电力分院电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电力系统职工教育培训工作；

杨爱晟（1969-），男，山西寿阳人，2007年毕业于太原工业大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，高级技师，从事变电运行技术管理工作。