变电站蓄电池管理控制系统研究

冯建国 黄宇辰

摘要：变电站是电网的核心，担负着所在区域的供电任务，直流系统是变电站继电保护装置、开关操作、自动化等设备的供电电源，是保障电力系统安全稳定运行的关键设备。

关键词：蓄电池；管理系统；实时监测

目前，电力系统推广变电站无人值班，虽然监控中心可以获取变电站运行情况的实时信息，但是对于直流电源部分只能得到少量的重要信息，对于更加详尽的信息仍旧无法获得，尤其是当直流系统刚开始出现异常状况时不能及时得到预警信息，知道异常状况积累成为故障时才能被发现，此时，事故已经扩大。如果能在异常现象刚出现时就及时发现并及时处理，就可以避免异常情况扩大。另外，随着变电站数量的日益增加，蓄电池直流系统的日常检测維护工作量非常大，主要表现为：

（1）变电站蓄电池日常巡检时要求每月巡检一次，由于变电站广泛采用无人值班方式，有的站离检修工区路途遥远，这给巡检工作造成很多不便。

（2）蓄电池组核对性冲放电试验耗费大量人力资源，现在普遍采用人工做，运维成本较大。

（3）蓄电池内阻及运行工况不能实时监控及掌握，日常巡检中缺乏有效检测手段，易造成直流电源事故。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中“新安装的阀控密封蓄电池组，应进行全核对性放电试验。以后每隔二年进行一次核对性放电试验。对直流设备的维护需要人员到现场，当变电站数量较多时，必然无法保证按期按量完成维护任务。运行了四年以后的蓄电池组，每年做一次核对性放电试验”。对于蓄电池充放电试验，假如一个供电公司下有i00个变电站，每个变电站有2组蓄电池，每组蓄电池充放电时间为2天，每次试验需要4个人，那么，要完成该公司所有蓄电池组的充放电试验则需要1600人+天，其工作量是相当庞大的，而这还只不过是直流维护中的一个小小的试验。由此可见直流维护的工作量是十分庞大的。

变电站蓄电池管理控制系统研究，主要采用计算机、通信、网络、四遥（遥测、遥信、遥控、遥视）技术，构成一个一体化的网络监控系统，可以在计算机屏幕上看到监控点的图形，了解监控点的信息，提高变电站的可靠运行能力，提高维护效率，降低维护成本和劳动强度。

蓄电池在线监测及维护模块，就是要在电池运行过程中把握电池的真实运行状态，确保蓄电池能够提供足够的后备动力。主要意义包括：预警落后电池；改善电池的使用条件，延长电池的使用寿命；掌握电池的当前状况，尤其是电池的容量衰减；及时处理有问题的电池，避免停电后设备瘫痪；避免盲目更换电池，减少电池更换费用；降低电池现场维护费用；实现集中监控和网络化管理，降低维护合管理成本，提高社会效益。

当蓄电池与外电路接通时，在电池电动势的作用下，电路中便产生电流，放电电流由蓄电池的正极板经外电路流向负极板。在蓄电池内部，电解液内的硫酸分子电离，产生氢正离子和硫酸根负离子，形成离子流。电流的方向是从负极流向正极。在负极板上，硫酸根离子与铅离子集合生成硫酸铅，可见蓄电池在放电过程中，正负极板上都形成了硫酸铅，由于硫酸铅导电性差，增加极板间的电阻，影响电池容量。电解液中的硫酸逐渐减少，水分增加，因而使电解液的相对密度降低。

铅酸蓄电池充电时，在电池内部，充电电流由正极流向负极。在电流的作用下，正负极上的硫酸铅及电解液中的水分被分解。在充电过程中，正极板上的硫酸铅被硫酸根氧化市区电子而被还原成二氧化铅，在负极板上的硫酸铅被阳离子还原为铅。在化学反应中，吸收了两个水分子，而析出了两个硫酸分子。因此充电时，电解液的相对密度增大，电池的内阻减少，电动势增大。

蓄电池充/放电时，端电压变化是曲线，在充电初期（段），电压上升较快，随后沿电压缓慢上升，一段时间后，沿段电压很快上升，水被电解，负极析出氧气，正极析出氢气。放电初期（段），电压急剧下降，到点后，沿电压缓慢下降，到点后，电压又急剧下降。

蓄电池的内阻的组成可分为欧姆极化（导体电阻）、电化学极化、浓差极化电阻三个部份。蓄电池的内阻是随着充放电变化的，一般放电过程内阻增大，充电过程内阻变小。蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示，常用的单位为安培小时，用Ah表示。电池的容量一般可分为标称容量、额定容量、理论容量和实际容量。

蓄电池放电时间的增长内阻增长较快，端电压下降的较大，当达到规定的放电终止电压，应立即停止放电，并按要求充电。否则会导致过放电造成使用寿命缩短。放电电流倍率对使用寿命的也有影响，浮充电压设置过高，电池将长期处于过充电状态，当浮充电流过大造成电池的温度和电流不断增加的恶性循环；若浮充电压设置过低，使电池极板硫化而缩短电池寿命。温度对使用寿命的影响。电池长期在超标温度环境下运行，一般来说，温度每升高10℃，蓄电池使用寿命降低一半。，对蓄电池内阻的测量方式主要有两种，为交流注入法、直流放电法。

对于蓄电池剩余容量的估算方法很多，常见的有密度法、负载电压法、开路电压法、阻抗法。

蓄电池的运行状态监测主要包括单体电压、单体温度、电池充/放电电流、连接条电阻、单体容量等，其中单体容量的估算模型是监测的重点和难点。

按照国家电网公司十八项反措管理要求，对于为了检测蓄电池容量、保证蓄电池质量及确保系统运行安全，对于新安装的蓄电池投运四年内每两年进行一次核对性充放电，运行满四年后每年进行一次核对性充放电，以达到活化蓄电池的 目的。远程充放电管理程序首先判断蓄电池是否处在浮充状态，避免在充电状态时误操作导致放电程序启动。放电前，系统设定好放电终止电压，启动放电功能。放电时，远程放电系统记录放电时的电池性能参数，显示屏显示放电电流、放电容量、放电时间等信息。放电结束后，放电负载与系统断开，电源切换到充电状。

国内独创的M+N电池运行模式，这种工作模式在变电站运维中的运用将是原有动力电池遇到的难点问题得到全面的解决。

现有变电站直流电池面临的现实情况：

蓄电池不科学的充电方式，单体蓄电池在蓄电池组内充电失衡，从而使蓄电池寿命缩短。整流模块以浮充串联方式对蓄电池进行充电。在进行串联充电时，单体蓄电池中流过电流是一致的，但是蓄电池因为不同因素的影响，普遍存在电池离散性，每个蓄电池自身情況以及原始容量都不尽相同，容量偏差较大。所以，在运行中将单体蓄电池整合作为一个整体来进行一致的浮充，必然造成长期对原始容量小的蓄电池过充电以及对原始容量大的蓄电池欠充电。当蓄电池过充时，因为电解氧化和热失控而使电池外壳鼓包、漏气，受到破坏，极易造成容量失效。相反当蓄电池欠充时，正极和负极的化学反应不充分，缩短了蓄电池的使用寿命。不科学的充电方式使蓄电池提早失去效用；监控不到位，过度监控整流模块，而对蓄电池组缺少监控。当前后台监控系统中，电力直流控制电源可以完整获得整流模块的运行参数，实现对整流模块的控制和操作。但是，对蓄电池的监控功能运用少而且意义不大甚至无任何相关，并且有些监控效果相反。有些监控仅仅关注蓄电池端的电压，这是远远不够的。监控系统是否合格标准应该是在蓄电池容量下降与内阻异常增加时及时发出警告；蓄电池的维护结果不理想。对电力直流控制电源，当前大多数的技术人员都能够按照规定，按时检测蓄电池组的深度放电容量，一般情况下好的蓄电池占大多数，容量落后的蓄电池占少数，虽然使用仪器对落后的蓄电池容量进行恢复，但是，效果不佳。如果更换为新电池，又会造成组内其他电池恶化更快的情况，最后只得对尚未使用很长时间的整个蓄电池组进行全部更换；蓄电池发生紧急恶性事故时，缺少预防应对能力，系统可靠性低。国家电网公司调查抽样统计说明蓄电池故障频发且后果严重。不仅要考虑其自身质量问题，充电装置的安全可靠性也不可忽视，如果不是运用充电装置对蓄电池过充电，就不会造成其内部压力升高甚至爆炸，如果在充电装置中增加自放电电流和温度监测功能，就可以对蓄电池的热进行控制使其不致演变为起火的严重后果。

综上所述，对直流系统进行全面的实时远程监测及智能管理非常必要。变电站在运行过程中，必须建立一个安全的直流系统运行环境，对变电站各种直流设备的运行状态及影响变电站安全运行的因素实现在线监测，使变电站直流系统实现“可控”、“在控”。本智能监控系统的应用及研究目的是为了保障变电站的安全正常运行，实时监测变电站直流系统的各项指标，使维护人员及时掌握各变电站的运行情况，实现直流电源由“定期检修”向“状态检修”的转变。

参考文献：

[1]李立伟，邹积岩.蓄电池在线监测系统的设计与实现.《电气应用》，2002（11）：7-9