变电站蓄电池状态监测与在线核容活化研究

宋会平，杨东熏，卢 萍，杨 铭，徐玉凤，李永祥

（1.国网湖北省电力公司荆州供电公司，湖北 荆州 434000；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；3.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州 511430）

变电站蓄电池状态监测与在线核容活化研究

宋会平1，杨东熏1，卢 萍2，杨 铭2，徐玉凤3，李永祥3

（1.国网湖北省电力公司荆州供电公司，湖北 荆州 434000；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；3.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州 511430）

通过分析现有蓄电池运维存在的问题，提出了蓄电池状态监测与在线核容活化的新方法，有效解决了蓄电池劣化、容量下降而不能及时告警的严重问题，不仅保证了变电站的安全可靠运行，而且可替代年度核容放电工作，真正实现蓄电池的免维护。

变电站蓄电池；状态监测；在线核容

0 引言

变电站、发电厂一般采用蓄电池作为其电源，可以说是保证变电站可靠运行的心脏，一旦出现问题，将造成事故扩大，严重威胁电网安全运行。然而目前电池的状态监测却存在问题，不能有效发现蓄电池劣化、开路等严重缺陷，即使蓄电池容量降到零也不能及时告警，当电网故障时，由于交流异常充电机不能正常工作，全站将失去直流，本站保护将拒动，最终导致越级跳闸或变压器烧毁。

目前变电站、发电厂采用的蓄电池虽然多是免维电池，但还是要求定期进行核容放电试验，其主要目的是核实电池的容量，并活化电池，如果这两个功能能够在线自动实现，则将极大提高直流系统的供电可靠性，减少蓄电池的运维工作量，真正实现蓄电池的免维护。

1 现有监测维护存在的问题

目前蓄电池的状态监测维护采用在线和离线相结合的方法进行，在线主要是电压监测，离线主要有电压监测、内阻测试、核容放电等，采用这些方式对蓄电池状态进行监测、活化及容量校核，存在下列主要问题。

（1）劣化电池不能及时发现：经验证明发现劣化电池的主要途径是内阻测试和核容放电，而不是浮充电压下的电压测量，但配置的电池巡检装置多数只能监视电压，而即使电池内阻增加很大，但由于整组浮充电压的钳制，测试的劣化电池单体电压还是变化不大，更何况多数巡检装置测量不准，告警功能多已退出运行；人工内阻测试虽可判断劣化电池，但存在判断标准问题，核容放电虽直观明了，但麻烦且不能保证及时性。

（2）电池容量不能及时掌握：电池容量目前只能依赖核对性放电试验才能掌握，而核对性放电绝大多数只能人工定期进行，由于工作量大且麻烦，现场一般都开展得不好，电池还有多少容量不是很清楚，往往要等到故障时直流系统崩溃才能发现，严重威胁电网的安全运行。

（3）在线自动核对放电安全性差：目前有些变电站试点采用远程或自动核对性充放电，需要接入放电电阻，更改直流二次回路，存在直流充放电回路重构、放电电阻柜内发热等可靠性、安全性风险，推广应用困难。

（4）电池活化存在问题：目前电池活化主要依赖均衡充电和核对性放电试验，如果核对性放电试验开展不好，则只有均充时的部分活化功能了，电池活化需要充和放双向进行，如果核对性放电欠缺，则电池只剩充电活化了，长期这样是会影响蓄电池寿命的，同时核对性放电试验过深、过频，也会影响蓄电池寿命；目前对落后电池的单体活化更是开展不力，落后电池会逐步劣化，内阻逐渐增大，直至开路，蓄电池容量降为零。

2 蓄电池状态监测维护新思路

要解决上述运维蓄电池存在的问题，最根本的方法是完善蓄电池的状态监测和在线维护，即有效解决蓄电池的在线核容和在线活化问题。

蓄电池状态监测：除常规监测电池电压外，还需考虑监测蓄电池的内阻、表面温度和容量，并对劣化电池、容量缺失等及时告警。目前电池电压、内阻、温度监测已比较成熟，问题主要在不改变现有直流二次回路、保证安全的条件下校核蓄电池的容量。

自动在线核容：本方案采用更改充电机的均充程序，在均充前增加带负荷放电流程。具体方法是在均充程序启动时自动降低充电机的浮充电压设置，从而让蓄电池对负荷进行放电（这时亦可外接电阻进行I10放电），放电到新设定的浮充电压后，充电机自动恢复原浮充电压设置，蓄电池自动转为均充。在放电过程中，采用积分的方法计算蓄电池放出的容量，并对历次放电进行纵向比对，结合内阻测试等估算蓄电池的实际容量，对容量不足进行预警。

自动在线活化：活化分整体活化和单体活化，定期对蓄电池进行均衡充电（先放电再充电），完成蓄电池的整组活化和均衡；依靠挂接在每个蓄电池上的多功能模块，在浮充状态下对落后单体电池进行活化，及时对过充的电池进行放电，对欠充的电池进行补充，从而完成对蓄电池的在线活化处理。

3 实施方法

3.1 系统构建

系统由监控主机、监控终端和测控模块组成，如图1所示，每个电池配一模块，以便测温、测压、测内阻和单体活化，模块采集的信息通过CAN数据总线上传到监控终端，再通过485总线和监控主机进行通信，完成蓄电池状态数据采集工作；同时接受监控主机下发的内阻测试等命令，由监控终端输出低频交流信号并协调各模块对电池进行内阻测试，采用交流法测试内阻，能更好地保证测试精度。

图1 系统构建图Fig.1 DC system structure

3.2 劣化电池判断

提前预警劣化电池，是蓄电池状态监测的一个重要功能。本装置能够在各种充放电状态下，监测蓄电池的状态参数，并对其进行状态分析，判断出劣化电池，并发出预警信号。

3.2.1 浮充电状态下劣化电池判断

浮充电状态下可以根据蓄电池内阻和单体电压判断劣化电池，当某蓄电池内阻和其平均值相比高很多时（可整定），则发出电池劣化预警，一般内阻高30%，其容量就会不满足要求，因此可按130%～150%进行整定。

根据浮充电压判断劣化电池一般比较困难，主要是劣化电池单体电压变化较小，而电压测量误差较大的原因，一般可按高（低）于平均值的10%～15%进行整定，需要注意的是该判据只适应于浮充电状态，因此需根据电压或电流判断电池所处的状态，当I≤-0.1I10或U≤2.22N（N为电池只数）时判为放电状态；当I≥0.1I10或U≥2.28N时判为充电状态；两者均不满足时判为浮充电状态。

3.2.2 充放电状态下劣化电池判断

充放电状态下可以根据蓄电池单体电压和温度判断劣化电池，充放电状态采用电压判断劣化电池要比浮充电时更容易，因为劣化电池在充放电状态下电压变化更灵敏，更容易和平均电压拉开距离，判断会更加准确，其判断门槛在放电时可缩小一倍（5.0%～7.5%自动调整），在充电时可保持不变；过温判断劣化电池也是和其平均值相比，当高于定值时则预警（一般可整定10～20℃）。

3.3 蓄电池状态可视化

通过一张图表直接反映蓄电池的实际状态及其变化过程如图2所示，蓄电池在整个投运过程中相关状态的变化能够在这一张图中得到完整反映。

图2 蓄电池状态变化数据Fig.2 Battery varied status measurement data

图中曲线反映相同放电终止电压条件下的充放电容量变化，每季度均充时生成一次充放电数据，可纵向比对历次充放电容量，当放电容量小于设定容量时，装置将发出告警信号；图中左侧表格反映当前和最初投运时蓄电池的相关状态，更直接表明蓄电池的充放电容量、内阻、温度和相关电流电压的变化情况。

3.4 蓄电池实时数据监测

更人性化展示蓄电池的实时状态如图3所示，装置能够实时测量蓄电池的电压、内阻和温度，自动判断其最大值、最小值和平均值，并对异常电池着色，方便对众多单体电池测量数据进行查看；点击电池编号，可生成该电池的内阻历史曲线。

图3 蓄电池实测数据Fig.3 Battery real-time detection data

3.5 蓄电池放电记录

如图4所示，装置能够按核对性放电试验要求自动生成放电试验记录，并可导出试验报告，按“曲线”按钮，能自动生成放电曲线，并能再现放电初期电压陡降复升现象，根据陡降复升现象的强弱，完全可以初步判断蓄电池的容量是否满足要求。

图4 蓄电池放电数据Fig.4 Battery discharge data

4 结语

加强蓄电池的状态监测，实现在线核容和在线活化功能，及时对劣化电池、容量缺失等进行告警，可有效减少或不再进行蓄电池的核容放电、内阻测试等工作，降低运维检修人员的工作量，真正实现蓄电池的免维护，达到直流系统状态检修的目的。

（References）

[1]董博，李永东.蓄电池容量均衡方法概述[J].电源学报, 2011（5）：32-36.

DONG Bo,LIYong-dong.Review on Battery Charge Equalization[J].Journal of Power Supply，2011（5）：32-36.

[2]桂长清,柳瑞华.密封铅酸蓄电池内阻的分析[J].通信电源技术,1999(1):9-12.

Gui Changqing,Liu Ruihua.Analysis of Sealed Lead-Ac⁃id Battery Internal Resistance[J].Telecom Power Technologies，1999(1):9-12.

[3]魏如海,陈丹.浅析单体电池在线活化技术在大发水电站的应用[J].科技创业家,2012(15):139.

Wei Ruhai,Chen Dan.Brief Analysis on the Application of the Single Battery on Line Activation Technology in the Large Hydropower Station[J].Science and Technology Entrepre⁃neurs,2012(15):139.

Study on Condition Monitoring and On-line Capacity Checking and Activation for Substation Battery

SONG Huiping1,YANG Dongxun1,LU Ping2,YANG Ming2, XU Yufeng3,LI Yongxiang3
（1.Jingzhou Power Supply Company of State Grid Hubei Electric Power Company,Jingzhou Hubei 434002,China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China; 3.Guangzhou Qianshun Electronic Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 511430,China)

The existing maintenance problems of substation battery are analyzed in this paper, and a new method of condition monitoring and on-line capacity checking and activation for substa⁃tion battery is proposed,which effectively achieved timely alarm for degradation and capacity loss of battery.Not only the safe operation of substation is insured,but also work of annual capacity checking and discharging is replaced,which truly realizes the free maintenance of battery.

substation battery;condition monitoring;on-line capacity checking

TM912;TM63

A

1006-3986(2016)04-0029-03

10.19308/j.hep.2016.04.007

2016-03-01

宋会平（1965），男，湖北荆州人，高级工程师。

湖北省电力公司2015年度科技项目（编号5215J014006U）。