变电站蓄电池远程在线维护管理系统研究及应用

蔡 明，伍太萍，姚文昊，陈裕云，黄祎俊

（1.国网江西省电力有限公司检修分公司，江西南昌 330052；2.国网江西省电力有限公司，江西南昌 330077）

0 引言

蓄电池是变电站直流电源系统的核心部分，其在充电装置交流输入电源停电时为二次系统直流负荷提供不间断直流电源。当前，变电站电压等级不断提高，直流负荷日益增多，蓄电池的容量呈递增趋势，蓄电池在直流电源系统的维护费用占比远大于充电装置的维护费用占比。随着无人值守变电站和智能化变电站的深化发展，实现蓄电池状态检修的智能化、高效化、无人化亦成为目前迫切需要解决的问题。

基于变电站蓄电池运行维护现状，本文提出了一种新型蓄电池远程在线维护管理系统，改变了传统使用放电负载仪对离线蓄电池组进行核对性放电的维护方式，实现了单体蓄电池在线电压巡检、内阻测试和动态均衡以及蓄电池组远程在线核对性放电，并进行工程应用验证，为变电站蓄电池的运行维护提供有力保障。

1 蓄电池传统运维模式

目前，变电站蓄电池大多数采用阀控铅酸蓄电池（VRLA），其传统运维模式是运维人员定期测量单体蓄电池电压，并依据技术规程规定进行核对性放电检验其实际容量。核对性放电需要将蓄电池组脱离运行，以10%蓄电池容量的放电电流进行恒流放电，当任意一节蓄电池达到放电终止电压值，才停止放电[1]，该方法费时费力，易损伤蓄电池。蓄电池需要多节串联成组来满足直流母线电压的要求，这种运行方式存在先天弊病，尽管各节蓄电池充放电电流相同，蓄电池极板、电解液等部件及自放电却略有差异，造成蓄电池组的一致性变坏，出现过欠充、容量衰减现象，随着时间的推移，各节蓄电池电压不均衡会逐步加剧，极大地缩短整组蓄电池的使用寿命。目前，针对蓄电池的检测和维护，普遍采用蓄电池巡检仪、内阻测试仪、放电负载仪，这些仪器存在只检测不维护的缺点。为了提升少数欠充单体蓄电池电压一致性，恢复其电压和容量到规定范围，传统的方法是采用充电装置定期（一般为3个月）自动或手动地对蓄电池组进行均衡充电[1]，实际上却有损大部分正常单体蓄电池的性能，反而可能缩短蓄电池组的使用寿命。因此，对蓄电池组进行远程在线核对性放电以及单体蓄电池在线电压巡检、内阻测试和动态均衡维护，是实现蓄电池状态检修的一个重要发展趋势。

2 蓄电池维护新技术原理

2.1 蓄电池内阻在线测试原理

以测试模块为单位，把蓄电池组分为多个单元段，采用直流放电法[2]，依次在每个单元段内测试各节蓄电池内阻，测试原理如图1所示。

图1 蓄电池内阻在线测试原理

基于四线制接线方式，测试模块通过多路转换器MUX控制接通放电电阻R0，依次对该单元段各节蓄电池进行瞬间直流放电，测量各节蓄电池瞬时放电电流I0，得出放电前后电压Ui1、Ui2之间的压降ΔUi，再利用欧姆定理计算各节蓄电池等效内阻。

由于整组蓄电池个数远大于每个单元段蓄电池个数，充电装置浮充电对单元段各节蓄电池放电的影响微乎其微，这样解决了传统蓄电池内阻直流放电测试法要求蓄电池组脱离直流母线的弊病，从而实现整套蓄电池内阻在线测试。

2.2 蓄电池动态均衡原理

在蓄电池组充放电过程中，特别是在蓄电池补充充电、事故放电后充电以及核对性放电后充电，由于充放电电流较大，均衡效果缓慢，长时间的过欠充对某些性能存在差异的单体蓄电池会造成损伤。因此，依据趋势预估原理[2]，实时检测各节蓄电池与蓄电池组平均单体的电压偏差，当差值大于设定值时，预测该节蓄电池有可能过欠充，并提前介入均衡，从而避免造成蓄电池实质性的损伤。

本文采用双向DC/DC变换器高放低充均衡原理，趋势预估提前介入控制策略，实现蓄电池组动态均衡，均衡原理如图2所示。

图2 蓄电池动态均衡原理

双向DC/DC变换器高压侧连接直流母线KM，低压侧通过K1～Kn开关连接蓄电池组各节蓄电池。欠充单体蓄电池接通K1～Kn对应开关经双向DC/DC变换器由直流母线KM进行补充充电，过充单体蓄电池接通K1～Kn对应开关经双向DC/DC变换器对直流母线KM进行旁路放电。在均衡过程中，始终甄别电压偏差最大的单体蓄电池进行操作，依此类推，最终达到整组蓄电池各单体的均衡。

2.3 蓄电池组在线放电原理

传统的使用放电负载仪对蓄电池组进行核对性放电的维护方式，存在动态移动性差、维护量大、时效性低、精度和可靠性不高等问题。本文采用DC/DC升压的方式实现对蓄电池组在线核对性放电维护，DC/DC升压原理如图3所示。

图3 蓄电池组在线放电原理

正常运行时，充电装置供给蓄电池组浮充电和直流负荷工作电源。当需要用本装置对蓄电池放电时，由控制器控制整个放电的过程。首先，直流接触器常闭触点断开，DC/DC升压模块输入电压和输出电压叠加，逐渐升高直流负荷两端电压，当蓄电池组端电压和DC/DC模块输出电压之和高于充电装置输出电压时，充电装置停止输出电流。此时，直流负载的电流完全由蓄电池提供，控制器采集放电电流，控制蓄电池处于恒流放电状态，并计算放电时间和安时数。放电过程中，控制器时刻监测和稳定直流母线电压（此电压高于充电装置输出电压），通过升高DC/DC模块输出电压，补偿蓄电池组降低的端电压。当交电停电时，直流母线电压不失电，达到在线放电的目的。

3 蓄电池远程在线维护管理系统

蓄电池远程在线维护管理系统具有功能模块化、监测维护智能化、数据分析网络化的特点，可实现对蓄电池内阻、电压、电流、温度等状态信息的在线监测，并对单节蓄电池进行动态均衡；比较蓄电池内阻相对变化量，及时发现性能落后的单节蓄电池并告警，使运维人员实时掌控蓄电池组的运行状况；对蓄电池组远程/本地充放电控制，准确得知蓄电池组的实际容量，预判蓄电池组的可备用时间，保证直流电源系统的可靠运行。

蓄电池远程在线维护管理系统由主站系统和分站系统组成，其系统架构如图4所示。

图4 蓄电池远程在线维护管理系统架构

1）主站系统。主站系统负责统一管理、监控各分站系统的运行，包含系统服务器和监控工作站[3]。系统服务器安装蓄电池远程在线维护管理系统应用软件及数据库软件，监控工作站安装蓄电池远程在线维护管理系统客户端软件，通过监控工作站监控整个系统的运行。蓄电池远程在线维护管理系统APP客户端采用移动互联设计思想，将大数据、通信网络、移动互联、移动客户端等功能进行系统化设计，可通过手机Web浏览器和APP软件直接浏览，具有地理信息管理、站点信息管理、环境监测管理、告警信息管理、维护周期管理、监测设备管理等模式，呈现“大数据＋移动互联”为一体的新模式。

2）分站系统。分站系统负责对蓄电池组运行工况及各分站设备进行实时监控，并对蓄电池组核对性放电及均衡充电进行自动控制。分站系统包含蓄电池集控单元、蓄电池监测单元、蓄电池维护单元和充电装置。蓄电池集控单元是各个分站系统的大脑，负责整个分站系统的管理、控制、数据远传及异常处理。蓄电池监测单元包含监测装置、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块和内阻测试模块，负责实时监测各单体蓄电池电压、内阻及蓄电池组端电压、充放电电流、温度，并通过自行设置各项运行参数的告警阀值，准确查找硫化、劣化的失效或准失效蓄电池，对所有监测信号超限作出告警。分站系统将运行参数与实时告警信息及时上传至主站系统平台，以图形化界面直观展现，以分布式、多样化的手段存储实时数据，便于日常运行维护和历史数据查询比对。蓄电池维护单元包含维护装置、动态均衡模块和远程充放电模块，以各单体蓄电池电压、内阻及蓄电池组端电压、充放电电流、温度为依据，负责对各节蓄电池进行动态均衡维护和蓄电池组进行远程/本地放电（核对性放电）控制。充电装置负责对蓄电池组进行远程/本地充电（均衡充电）控制。

3）蓄电池远程在线维护管理系统采用三级组网方式，第一级由蓄电池监测单元、蓄电池维护单元和充电装置组成，第二级为蓄电池集控单元，第三级为主站系统平台。其中第一级与第二级采用RS232/485通信方式连接，第二级与第三级采用TCP/IP通信方式连接[3]。

4 工程应用

国网江西检修公司集控中心的蓄电池远程在线维护管理系统由1套主站系统和23套分站系统组成，通过主站系统远程在线监测和维护23座500 kV变电站的46组蓄电池，可以动态均衡单节蓄电池，找出性能落后的单节蓄电池，精确得知蓄电池组的实际容量，极大地提高蓄电池维护的工作效率。

2016年6月，500 kV永修变电站进行蓄电池远程在线维护管理系统改造。该站直流电源系统采用单母线分段接线，有2组蓄电池和3组充电装置，配置1套蓄电池集控单元、2套蓄电池监测单元和2套蓄电池维护单元。均衡前，蓄电池组最大单体蓄电池压差为156 mV，远大于技术规程规定的50 mV[1]；均衡后，最大单体蓄电池压差为25 mV，均衡效果显著，符合预期目标。

2017年7月，500 kV永修变电站2组蓄电池进行年度核对性放电试验，单体蓄电池最大开路压差为22 mV，完成100%容量放电后，单体蓄电池最低电压为1.82 V，2组蓄电池性能良好，远超预期目标，达到同类蓄电池组的最佳运行状态。

5 蓄电池远程在线维护技术展望

逆变并网远程放电是蓄电池远程在线维护技术发展方向之一，具有节约放电核容成本，释放运维人力；放电过程全程无热量，安全可靠，适应电力系统自动化的要求，有效规避人工放电核容的操作风险。

图5 蓄电池逆变放电关键技术线路图

如图5所示：图中的充电模块是单向线路，当关闭充电模块时，由于母线电压比蓄电池组电压高，蓄电池组进入放电状态。当交流电停电或整流器损坏时，导致母线上的充电模块没有输出，蓄电池组通过二极管D即可对母线上的负荷放电，采用这种方式蓄电池组对负荷的供电是无缝接入的，充分保证了直流系统的安全性。二极管D是最核心的器件，是系统电路是否安全可靠关键点。

系统采用4个75 A工作电流的快速二极管进行冗余设计。实际测试过程中，即使系统采用200 A的直流负载，关闭充电模块，蓄电池组通过二极管为负载提供200 A的电流，这些二极管的温升仍控制在40℃以下。况且电力系统变电站直流负载最大电流一般不超过30 A，这个设计已预留充足冗余，充分保证系统的安全性。

6 结语

蓄电池远程在线维护管理系统的研究及应用，改变了变电站蓄电池的传统运维模式，延长了蓄电池的使用寿命，提高了直流电源系统的安全可靠性，增强了变电站反故障措施，实现了直流电源系统的大管理、大维护，显著提升了直流电源系统的维护水平，从而有效避免直流电源系统事故的发生，为推进智能电网直流电源系统的智能化、高效化、无人化提供有力的技术和方案支撑。建议在变电站直流电源系统初设阶段，考虑配置蓄电池远程在线维护管理系统，对实测数据自动分析，自动预警，积累运行经验后，可逐步延长蓄电池组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检验成本之目的。