配网自动化终端蓄电池在线监测系统的设计及应用

周仁才+王栋+屠新强+张蔡洧

摘 要：配网自动化终端是高度智能化器件，其功能的发挥依赖于电源部分的稳定。文章鉴于配网自动化终端中用做后备电源的蓄电池的常见异常，提出建立蓄电池在线监测及维护系统，以使蓄电池问题可得到及时警报，并留有充裕时间进行处理。文章的研究层次清晰、内容详实，可为配网自动化运维工作的提升提供有效借鉴。

关键词：配网自动化 蓄电池 在线监测 报警

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0005-02

配电自动化终端（DTU）装置，集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体[1]，广泛应用于配电室、环网柜、开闭所、柱上开关等场合。DTU各项功能的发挥离不开供电模块的稳定。DTU的供电一般由外部公网和后备蓄电池共同提供[2]。其中，外部公网负责正常情况下的电能供给；蓄电池负责异常状态下（即外部公网出现事故）的电能提供。显然，蓄电池的作用是辅助性质的，但鉴于DTU运行环境的恶劣性，保证蓄电池后备功能的正常是非常重要的。

1 问题的提出

DTU作为配网自动化的基础设备，为实现配电自动化各项功能打下了坚实的基础，但是在设备运行过程中，提供后备电源的蓄电池（铅酸型）在运行一段时间后经常出现以下问题[3]：蓄电池漏液、电池变形、短路、断路、返极、不可逆硫酸盐化、单只落后、活性物质脱落、电池充不进电等。目前，对于以上问题尚缺少一种很好的事先预控手段。

鉴于此，笔者在参阅大量文献基础上，结合自身工作经验，设想研发一种可以在线监测/维护DTU装置内蓄电池部件的设备，该设备可监测到蓄电池的电压、电流、温度、内阻等各种参数并实时上传至后台系统，经由数学模型辨识后实时异动报警，以提醒运行人员尽快处理。

2 研究现状

当前关于配电自动化终端后备电源（即蓄电池组）的监测装置研究有所开展，但其在数据监测上存在以下问题。

（1）对直流系统电流、电压量的采集、蓄电池浮充电压的采集时间间隔较宽，通常是按照分钟、小时级别的间隔来进行采集，不能满足在故障状态下数据采集的频度及精度需求。

（2）对直流系统采集的数据不能长时间保存，特别是对直流系统绝缘状况的变化、蓄电池浮充电压的监测数据等需分析变化趋势的需求不满足。

（3）对直流电源模块、蓄电池、直流回路绝缘、直流回路电源质量、直流负载变化等数据的采集分析缺乏综合分析能力，无法解释直流电源对保护及自动装置运行的影响程度。

（4）在线监测的数据大都为一些状态信息，没有更深层次的故障模型与故障诊断分析能力，更没有根据故障原因进行自主维护和修复的能力。

综上所述，该项研究的要点是：建立一个可靠的、安全的蓄电池数据库，根据蓄电池组监测数据的类型及特点构建蓄电池性能分析诊断模型，以使落后/异动蓄电池的报警不漏报、不误报。

3 蓄电池性能分析数学建模的可行性

大量的蓄电池运行经验告诉我们，随着电池使用时间的增加，电池性能不断劣化，电池容量不断下降，而此时电池电压的离散性也会变得愈来愈大。找出其中规律，并以一种可用的数学模型表达，即可成为可用的电池测试分析手段。

蓄电池失效数学模型的判定依据如下：

（1）伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的电池电压离散度将逐步变大。

（2）伴随着电池性能的劣化，该电池相对于整组电池的电池电压离散度将逐步变大。

（3）伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的内阻值将逐步变大。

（4）伴随着电池性能的劣化，该电池的充放电曲线电压之差相对于电池组其它电池的值将逐步变大。

由于电池电压数据每时每刻都在产生，面对海量数据，不能通过简单的函数关系来进行处理。在蓄电池失效分析数学建模中，笔者认为，可采用模糊数学和人工神经网络的诊断原理，以一种非线性处理方式，以某种拓扑结构对各种数据进行关联，并得出判断结论。

4 项目实施流程及目标期冀

DTU装置内置蓄电池的在线监测及维护系统的开发是一项复杂工作。

（1）第一步，对蓄电池组监测数据、故障诊断、报警装置进行需求分析调研，并形成详细的需求分析报告，这其中包括正常运行监测数据需求和故障状态监测数据需求分析、故障信息的采集原则和采集方法分析、故障信息采集装置的需求分析、直流系统各类异常或缺陷特征分析、故障分析系统的建模的需求分析等。

（2）第二步，对蓄电池组自主均衡維护和故障报警功能的需求进行研究，形成分析报告。

（3）第三步，根据以上需求分析，研制蓄电池组监测装置中实现性能分析、故障诊断、自主均衡维护等功能的硬件。要求以这些硬件为主体的监测装置可根据运行状态不同，以快速（失电和故障状态下）和慢速（正常运行状态）采集以下各类信息：直流电源输入输出电压、电流曲线；蓄电池组浮充、均充、核对性放电状态、事故放电状态下的各类信息；蓄电池组运行环境数据等。

（4）第四步，将研制的蓄电池组故障诊断与自主均衡维护、报警装置进行现场安装、调试，试运行，同时做好服务器搭建工作，将信息及时分类存入数据库，通过状态分析系统的分析和归类，逐步建立数据模型和分析原型。

（5）第五步，根据积累的数据，对状态诊断、分析模型和自主均衡维护进行修正，并扩大应用到其他站点。

目标期冀：①建立一套具备专利技术的并通过大量数据验证的蓄电池性能分析诊断模型；②形成科学的蓄电池组在线维护机制：在蓄电池组浮充状态中即可对落后的蓄电池进行均衡维护，且不影响其他正常电池的电压。

5 设计思路

设计思想主要体现在以下几个方面：

（1）采用高精度A/D测量蓄电池电压，有效反映电池电压的变化。

（2）采用四线制直流内阻测试方法，在线准确测试蓄电池内阻。

（3）内置蓄电池性能分析模型，包含蓄电池电压分析模型和综合分析模型。

（4）根据电压及内阻的变化，及时判断蓄电池的工作状态，当发现蓄电池呈现欠充或过充趋势时，在线进行调整，恢复蓄电池的正常工作状态，延长蓄电池使用寿命。

（5）采用简洁的电路设计方案，在保证功能和性能的前提下，实现低成本设计。

6 系统架构

根据以上分析，可建立如图1所示的系统拓扑图。由图1可知，该系统为三层结构，即现场监测层、网络数据传输层和远程分析层。

（1）现场监测层监测内容与实现。现场安装蓄电池组监护模块、控制主机远程放电模块、电流传感器、温度传感器等模块，系统主机与监控模块通过RS485总线连接，可实时监测蓄电池组充放电数据、浮充电压数据、内阻数据、核对性放电数据等，并通过控制主机送到远程系统服务器，实现蓄电池组充放电信息及健康状况信息的远程监测与管理。

（2）网络传输层。设备自带网络通讯功能，可直接接入局域网，无须通过计算机转发及现场编程，降低成本投入。

（3）诊断分析与应用层。数据发布应用平台对存入数据库的各类数据提供详细的分类处理、WEB查询、监测管理等功能。具体来说，就是可实时展示蓄电池组各单体电池充放电曲线、性能值，蓄电池性能分析数学模型根据这些数据进行综合分析，判断蓄电池是否已硫化、是否处于过冲或欠充状态，对已硫化的电池启动硬件进行充放电除硫处理，对处于过充或欠充的电池启动在线均衡维护，并可查询修复后的效果及具体数值。

7 应用情况分析

在该项研究取得成功后，将其应用到东部某供电公司。经过2016年近一年的运行，将所取得的效果与2015年进行比对，详见表1所示。由表1可知，蓄电池组在线监测维护系统的安装实现了蓄电池组状态的实时监测、故障报警、远程放电维护，减少了维护人员的工作量，同时也排除了测量方式不一致所造成的测量误差，并使蓄电池的报废率降低，对环境改善起到正向作用，最终提高了配网自动化系统的运行水平。

8 结语

通过蓄电池组在线监测维护系统，可实时掌握蓄電池内部健康数据，延长蓄电池的生命周期、降低购置成本，减少因报废电池产生的各种污染物、废水和废气，进而提高DTU直流系统的安全性和可靠性。

参考文献

[1] 王凯，李莹莹.配网电源蓄电池在线检测管理模块的实现[J].电子制作，2013，30（4）：32-26.

[2] 黄志新.配网自动化的关键技术风险及控制[J].电子世界，2012，25（2）：76-77.

[3] 杜爱宾，刘延泉.关于蓄电池在线监测系统的研究[J].电子测量技术，2013，22（1）：45-46.