配电终端VRLA电池性能在线评估方法

汤定阳，刘 恒，王建微（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519000）

配电终端VRLA电池性能在线评估方法

汤定阳，刘 恒，王建微
（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519000）

摘要：阀控式铅酸（VRLA）蓄电池组作为配电终端的后备电源，在保障配电可靠性中发挥着重要作用。长期运行在恶劣环境、缺乏必要的维护，蓄电池性能下降迅速难以发挥应有的作用。因此在线监测蓄电池组的健康度（SOH）是至关重要的。由于电池电化学非线性和动态特性，要准确评估电池 SOH 一直以来都是相当困难的事。本文根据蓄电池组放电曲线特性，提出了一种切实可行的在线评估蓄电池组健康情况的方法，具有较大的经济价值。

关键词：蓄电池；健康度；性能在线评估；配电终端

1　配电网发展中后备电源现状及意义

1.1后备电源现状简介

2009年 8 月，国网启动第一批城市配电网自动化试点工程并取得初步成效，之后配电网自动化试点工程在越来越多的城市开展起来。随着配电网自动化的逐步发展，未来配电网自动化建设将掀起高潮[1]。配电网快速发展的同时带来了许多新的问题和挑战。阀控式铅酸（VRLA）蓄电池以其自放电小、性能稳定、经济实用、维护工作少等优点广泛用于配电终端后备电源，在交流失电的情况下，为合闸操作机构的分合闸、配电终端设备的运行提供电能。因此稳定、可靠后备供电对配电自动化具有十分重要的意义。然而实际应用中存在以下难题：配电设备及蓄电池组多运行于户外或简单遮蔽场所，运行环境恶劣，运行温度随天气变化大，蓄电池往往在使用一段时间后就开始出现老化甚至损坏，导致电池实际使用寿命与厂家提供的蓄电池设计寿命相差巨大；配电终端点多面广，配套的蓄电池的数量极为庞大、广泛分布；同时配电维护人员数量增加相对于配电网发展严重滞后，维护力量薄弱；检测设备昂贵、操作复杂、周期长等导致蓄电池得不到及时有效维护，蓄电池失效得不到及时的处理，常常在配电自动化真正需要控制时无法完成保障工作时才发现蓄电池失效，严重地制约了配电自动化实用化的发展。

1.2蓄电池在线性能评估的意义

1.2.1可靠的蓄电池是保障配网安全稳定运行的重要组成

蓄电池供给操作、保护、通信、数据保存、网络自愈的最后一级防线，其稳定运行对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏起到了至为重要的作用。根据调查统计，电源无法正常供电所引发的事故中，有 50 % 以上是由蓄电池失效引发的，也是事故发生率居高不下的一个环节。及时发现蓄电池劣化，采取有效措施，降低、杜绝蓄电池事故发生率，由事故发生后的被动救火式管理转化为事故发生前的主动规避式管理，保证配电网自动化安全稳定运行，对于用户有很高的实用价值及管理效益。1.2.2 在线性能评估降低企业运行维护成本

及时有效的蓄电池性能评估能改变用户的维护方式，由原先大范围的、盲目的定期维护转为有计划的、有目的、确定对象维护，可节省用户运营维护成本，确保配电网正常、可靠运行。因此对蓄电池进行在线监视与评估、保证蓄电池安全可靠运行，是现阶段经济适用、节能高效电网运行的迫切需要，确保经济与社会的发展相辅相成、相得益彰。

2　蓄电池性能在线评估方法简介

2.1常用评估方法

VRLA 蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池易爬酸、酸气污染等缺陷，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，因此又被称为“无需维护”蓄电池。从实际应用情况来看，由于对“无需维护”的认识偏差，蓄电池组在配电网的应用中实际上是出于一种长期不维护的状态，严重偏离了蓄电池运行维护管理的基本要求，造成蓄电池性能下降过快。

VRLA 蓄电池是一个复杂的电化学体系，电池的性能取决于制备电极的材料、工艺、活性物质的组成和结构以及电池运行状态和条件等[2]。蓄电池性能主要可以通过两个指标进行判定：蓄电池容量和内阻。了解蓄电池的性能状况常用方法有：

2.1.1放电法

将蓄电池以 10 小时率恒定电流放电至规定的终止电压，计算时间得出电池容量。该方法虽然准确，但蓄电池需专用测试系统且脱离供电系统，时间较长。

2.1.2蓄电池电压巡检

在线对电池电压进行检测，根据每节电池的电压来判别电池性能。该方式对蓄电池性能差异不能做出准确评估，效果较差且人工成本高。

2.1.3测量电池内阻

VRLA 蓄电池中如板栅腐蚀和增长、接触不良、活性物质可用量减少等集中表现于电池内阻的增大，电导的减少，因此，电池内阻的高低可提供反映电池性能和使用程度的有效信息。电池内阻测量的基本原理是向蓄电池注入一个低频 20～30 Hz 或 60 Hz 的交流信号，测量电池两端的交流电压和通过电池的电流，然后计算出 Uac/Iac值，得出电池内阻值[3]。

然而上述常用的蓄电池性能检测方法中放电法属于离线检测，蓄电池电压巡检不能很好地评估蓄电池性能，效果较差，交流内阻测量法与检测溶液密度法实现起来较为困难，高昂的价格不适于配网的配套产品中。

配网自动化系统规划建设整体方案以先进性、实用性、经济性、扩展性、安全性、可靠性和易维护性为目标。高精度高准确度不是本方法追求的目标，本方法的目的在于针对上述问题，采用一种经济、可靠、快速、实用的方式对蓄电池的性能进行在线评估。

2.2基于活化评估方法介绍

目前最有效、最可靠的评估方法是离线核对性放电的容量试验。容量试验是在蓄电池离线状态下以恒定电流对负载放电，当蓄电池端电压达到放电终止电压值时则停止放电，整个过程所放出的容量就是蓄电池实际容量。容量实验的条件包括：设置放电电流 0.1C；设置放电终止电压 1.80n[5]。

不同 SOH 健康度的电池有些电池前期放电电压跟随 SOH 变化，电池越不健康前期放电电压越低，在经过相同的线性区到终止电压后，比例关系很明显，比较容易判断出 SOH 健康指标。但有些电池前期反应不明显，仅在放电后期下降区才能显示出其电压与放电的差别，图 1 为 3 只健康状况不同的 12 V 电池在 0.1C 放电率（小电流）、同电压条件下的离线放电电压与放电时间的曲线。

图 1　　不同性能的电池放电曲线

从电池的放电曲线我们可以总结出蓄电池具有以下放电及容量特征：

（1）电池充满电的浮充电压约在 13.65 V 左右；电池负载放电时，电压立即从 13.65 V 的空载电压下降至 12.7 V 左右；

（2）电池的二八原理现象：从 12.7～12 V 的0.7 V 之间，占了电池总容量的 80 %，然而 12～10.8 V 之间只占 20 %；

（3）电压与容量的关系不是全部正比例关系，一部分线性，一部分下降曲线。不同容量的电池下降曲线基本一致；

（4）到 10.8 V 终止电压，基本是直线下降，电池没有容量了，不能再放电；

（5）放电初期，不同健康状况的电池，电压几乎相同或有的略低。放电末期，不同健康状况的电池，电压不同，健康状况越差的电池，电压下降越快；

（6）由于电池放电率基本相同，电池的健康SOH 与电池终止时间成正比关系，当电池电压为12 V 左右时，可近似将放电容量看成正比关系。

因此采用定期活化时期的电池容量的方法是评估当前电池健康 SOH 最简单、方便的一种方式。

3　性能评估实现

目前蓄电池监测管理系统多集中于对多只电池组成的大型高压电池组，由运行于计算机上的系统软件、监测主机及采集模块组成。其实现远程监测蓄电池的工作状况及性能的在线评估，为用户的维护提供可靠的依据[4]。现行的检测管理系统需要架设网络通信线路，对众多配电节点的蓄电池监管均需安装监测主机和采集模块，对于蓄电池分布广泛，单个节点蓄电池检测数量少的配电网来说建设成本昂贵，设备利用率不高，不适用于规模大、经济性强的配电网产品配套中。下面介绍一种适用于配电终端免维护电池实时检测系统及其在线性能评估方法，其实现方式充分利用配电终端现有设备，对于配电网具有较强的经济性和实用性。

3.1系统组成

配电终端免维护电池在线监测及性能评估硬件实现方式如图 2 所示。通过在电源模块中加入MCU 及蓄电池电压、电流、温度等状态信息的采集电路来实现蓄电池的状态监测。电源模块中MCU 将蓄电池状态信息通过串口将数据传送给配电终端，配电终端通过蓄电池性能评估算法实时评估蓄电池性能。当蓄电池性能出现劣化，配电终端可通过其通信网络通知维护人员。

图 2　　配电终端蓄电池监测系统

3.2硬件结构

配电设备中的电源模块将交流电转换成直流电，除了给设备提供电能外，同时给作为后备电源的蓄电池进行充电，实现恒流、恒压、活化等监管措施。

基于配电设备连续性供电的特殊要求，所设计的电源模块有五大主要功能：①交流整直流功能，为负载提供直流电源，同时向并联连接的蓄电池提供充电电源；②充电支路具备恒压、恒流输出数字控制电路；③数字逻辑处理功能；④蓄电池端电压、充放电电流和温度的模数转换采样功能；⑤串行数据通信功能。电源模块的架构如图 3。

图 3　　电源模块架构图

模块①是整流器，通过 PWM 控制技术将交流电经过滤波整流后输出直流电，为负载和蓄电池提供直流电源。

模块②是反馈控制电路，按照设定的电压值分别线性控制电压和电流的输出值大小，设定的电压值由数模转换器根据 CPU 设定值输出，这样即可实现 CPU 对充电电压和输出电流大小的有效控制，可根据实际需要调整输出恒定电压或恒定电流。具备高精度转换能力，因而可实现对充电电压及电流大小的精确控制。

模块③是数字逻辑处理中心，即 CPU。将模数转换器的电压和电流采样值，温度传感器的输出值作为数据源进行处理，根据计算结果进行逻辑控制，由模数转换部分控制充电电压及电流的大小，由端口引脚控制开关的通断，由通信接口与配电设备进行交互式通信，配电设备通过通信方式获取监测值及对电源模块进行逻辑控制。

模块④是模数转换器，将蓄电池的端电压和充放电电流大小经过采样后，由模块量转换成数字值，传送给 CPU 处理。具备高精度采样，因而可以识别小电流，减小测量误差。

模块⑤是通信模块，实现电源模块与配电设备的交互式通信，配电设备可查询电源模块，监测蓄电池的运行参数，亦可远程对蓄电池进行活化及通断控制，电源模块监测参数越限时具备告警功能。

温度传感使用 Dallas 公司生产的 DS18B20 数字式温度传感器采集温度数据，数据传输接口为12wire 总线。综合考虑温度测量的准确性和稳定性，在每个电池箱内设一个测温点，分布在电池单体上为温度传感器预留的缝隙中。温度数据的巡检周期为 500 ms，采集精度为 0.5 ℃。

3.3活化评估方法实现

配电网运行过程中需要定期对蓄电池进行活化放电。蓄电池放电过程中负载特性相对稳定，放电电流相对恒定。然而蓄电池在线活化过程中，不允许将电池电压放到 10.8 V 的终止电压。可以通过近似的方式将活化终止电压设置为12 V，然后将离线检查转换为在线容量检测，在活化过程中完成对容量的计算。判断出一个容量比例值 K，即当前的容量与额定容量之比小于 K 就认为电池失效[6]。如图4 所示。12 V 以上的活化充放电电压可近似一个等比关系：

此精度足以满足工程上对电池容量失效的简单快速判断。因此，配电网蓄电池性能的评估可通过电池活化时充放电容量的计算来进行。

图 4　　活化比例示意图

3.3.1安时计量法计算容量

电池充放电容量的计算是基于安时计量法。它是目前最常使用的电池容量估计方法，广泛应用于手机、通信等电池领域。通过负载电流的积分估计电池容量，简单易用。假设在等间隔Δt 内，蓄电池工作电流为 I，温度为 T，根据安时定律，电池充放电容量 Si与充放电电流 I 的关系为：

其中：i 表示第 i 次活化，j 表示第 j 次采样，N 为采样总个数；

将 Si转换为标准温度 25 ℃下。公式转化为：

式中 k 为蓄电池温度系数。由于容量的评估是活化容量间的比值，那么相同充放电率对容量的影响被约去。

3.3.2活化容量在线性能评估过程

监控模块启动活化，蓄电池管理模块关闭充电电源并启动电池放电，在一次完整的放电充电活化过程中（活化放电到额定电压值后打开充电电源转化为活化充电状态，并一直充电到设定的浮充电流值，设置充电完成标志），计算完成活化充放电容量与活化充放电时间。最后通过不同时间采集到的电池活化容量值进行性能评估。

（1）第 i 次蓄电池活化充电容量 Sci≤K×相对充电额定容量 Sxcn；

（2）第 i 次蓄电池活化放电容量 Sfi≤K×相对放电额定容量 Sxfn；

相对充电额定容量：Sxcn=Max{Sci}

相对放电额定容量：Sxfn= Sxcn

一般Sxfn≌Sxcn，在一次活化循环中K为一个小于 0.8 的系数。

同时对蓄电池活化充电的过程是完全可控的，因此主要以（1）为主要判据，（2）和（3）为辅助判据，连续三次满足（1）、（2）、（3）任一个条件就判定蓄电池失效。在电池容量不满足要求的情况下此方法可以有效地在线判断出电池是否失效，起到提前告警的作用。

4　结论

基于蓄电池管理模块和监控模块的配电网蓄电池管理系统，可以实现蓄电池性能的在线评估，并提前进行提醒，使问题早发现、早处理。还能根据统计数据进行拟合来实现蓄电池寿命预测。蓄电池状态的实时监测可以为蓄电池的检修提供有力的数据支持，为安排检修维护计划提供依据，很大程度上提高了对后备电源的维护水平，合理减低了维护成本，为电网和电力设备的安全稳定运行提供了可靠的保证。

参考文献：

[1] 安建锋, 陶涛. 浅析配电网自动化技术[J]. 科技创新与应用, 2014(2): 136-136.

[2] 徐剑虹. 铅酸蓄电池的失效机理及检测[J]. 电源, 2005(5): 54-55.

[3] 桂长清, 柳瑞华. 密封铅酸蓄电池内阻分析[J]. 电池, 2000, 30(1).

[4] 朱雪松. 变电站蓄电池的在线监测和管理[D]. 杭州大学电气工程硕士学位论文.

[5] 黄镇泽, 陈红雨，赵剑. 阀控式密封铅酸电池的失效与维护[J]. 电源世界, 2004(12): 46-49.

[6] 赵立中, 袁丽民, 孙雷. 蓄电池维护保养方法研究[J]. 企业技术开发, 2012, 29: 84-85.

Online performance evaluation method of VRLA battery of distribution terminal

TANG Ding-yang, LIU Heng, WANG Jian-wei
(Zhuhai XJ Electric Co., Ltd., Zhuhai Guangdong 519000, China)

Abstract:VRLA battery as a backup power of distribution terminal plays an important role in ensuring the reliability of distribution system. A long-term operating in harsh environments and lacking of necessary maintenance make the battery performance decreasing rapidly. So it is essential to conduct online monitoring state of health (SOH) of the batteries. Because of the nonlinear and dynamic characteristics of the electrochemical cell, it is diffi cult to accurately evaluate SOH of the battery. Based on the battery discharge curve characteristics, we propose a practical online evaluation method of SOH of battery, which has great economic value.

Key words:battery; SOH; performance online evaluation; distribution terminal

中图分类号：TM912.1

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2015)01-35-05

收稿日期：2014-08-25