智能变电站蓄电池状态监测系统的研究

宋涛

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 213000）

近些年来，随着智能变电站建设步伐的加快，大量的智能二次设备投入应用，需要直流系统对其进行可靠供电，而蓄电池则是直流系统最后的一道关卡，在交流失去或者直流系统故障时将带着直流负荷运行，其重要性显而易见。现阶段智能变电站直流系统的运行情况还是存在许多问题，出现故障的地方主要是充电设备及蓄电池方面，当前智能变电站内能实现大部分直流系统信息的采集监测，但没能实现对蓄电池全方位的监测。蓄电池作为直流系统的心脏，在正常运行状况下处于浮充状态，采用传统测量电压和内阻的方法很难确认蓄电池的好坏[1]。系统发生事故，而蓄电池又无法正常工作，产生的后果将无法想像，因此全方位实时远程监测蓄电池对运维工作非常重要。本文提出一种智能变电站蓄电池在线监测方案，能够及时地维护蓄电池，从而达到提高直流系统的可靠性和安全性的目的。

1 蓄电池状态监测功能描述

本文的蓄电池状态监测系统通过对蓄电池运行监测、内阻检测、核对性充放电试验、蓄电池均衡维护及性能告警等，并对相关数据进行保存以供现场查询，还通过局域网将现场数据远传至服务器，运维人员登录局域网内客户端即可实时掌握蓄电池运行情况，对蓄电池进行维护，提高了直流系统的安全性和可靠性。

通过应用蓄电池状态监测系统，变电运维人员得以拥有一个能够实时获取蓄电池组运行状态的强大助手，以往蓄电池状况的识别只能通过现场巡视并用万用表测量相关参数，现在则可以实时调取电池的温度、内阻、电压、电流、均差等相关信息[2]，必要时还可以通过静态放电测试获取蓄电池组的容量数据，帮助变电运维人员有效地掌握蓄电池整体运行状况。

系统通过安装于现场的蓄电池监测模块，可以控制任一单体电池充放电，从而实现在线对单体电池浮充电压进行调整，对电池进行补充电或放电，以达到对蓄电池的在线维护和活化功能，既可以提高蓄电池使用寿命[3]，又可以节约成本并且减少对环境的污染，实现节能减排增效目标。

系统通过安装于现场的放电模块可直接进行蓄电池组核对性充放电工作，省略了以往工作前的费事费力的先排线后接入工作，能至少节省1 h，减少了人力成本，使充放电工作更加安全和可靠。

蓄电池专家诊断模型诊断浮充电压、核对性放电测试数据、充电曲线、内阻测试值等，通过人工神经网络和模糊数学方法，及时掌握电池性能，并能预知电池失效状态。

随着蓄电池状态监测系统的成熟应用，可以逐步改变蓄电池的检修模式，状态检修将逐渐取代定期检修，优化了检修模式，从而大大提高蓄电池维护效率，改变蓄电池运维的模式，为电网设备安全稳定运行保驾护航。

2 蓄电池状态监测系统组成

2.1 位于变电站现场的智能设备

蓄电池监测系统安装于变电站现场，对单体电池电压、内阻、核对性容量测试值、电池组端电压、充放电电流、环境温度等各项数据进行采集，并将这些信息转化为满足通讯协议的数据包，再通过以太网或其他通信网络将实时信息传送到主站端服务器的数据库中。现场或后台机同时显示相关信息，并实现状态告警和数据存储。直流充电机监测装置安装在现场DC屏中，实时监控各个充电模块的参数，包括充电电流、充电电压等。现场还安装了绝缘监测仪和放电装置等其他智能设备。

2.2 变电站数据透明转发

传统变电站的设备数据信息采集，需要依靠独立的通信信道，或者采用现场布置RTU 的方式，设备数据先由现场RTU 完成数据解释工作，进而再由RTU整合其他设备信息，整合完成的数据通过同一网络通道实现数据远传，各类设备信息再由计算机软件进行提取，进行独立的数据发布。而在本系统中，采用了设备运行状态信息采集仪EII-B，利用其实现数据的透明转发，在整个数据传送过程中，数据透明转发装置不需要匹配现场智能设备的通讯协议，它仅对与智能单元双向通信产生的数据进行透明转发[4]。现场有新增智能设备时无须更改现场设备运行状态信息采集仪相关参数，大大节省了现场施工的时间，也方便了实际使用。

2.3 位于信息中心的远程服务器“数据采集平台”

远程服务器与各变电站设备运行状态信息采集仪设备采用C/S 构架，由配套的数据采集平台向现场采集仪发送通讯命令，现场采集仪完成设备各种信息数据的采集，而平台接收和处理其反馈的各种数据，对此进行统一的数据规约解释，最后将处理好的信息存入相关数据库。处于信息中心的WEB 服务器是信息交换的中心，它采用了B/S 构架，对后台数据进行处理、分析，等待设备运行状态信息处理单元查询，或等待其他系统调用，此外还提供实时监控告警服务，将友好的人机交互界面呈现在用户面前。变电运维人员通过安装的用户客户端即可查看各变电站相关实时运行信息，还可查看过往的历史信息，导出分析报表，真正意义上实现对无人值班变电站蓄电池的综合管理，减轻了运维人员日常巡视的负担，为电网运行维护提供了有力保障。某智能变电站蓄电池状态监测系统如图1 所示。

图1 蓄电池状态监测系统图

3 蓄电池在线均衡维护功能

充电机对蓄电池进行充电过程中，控制的是蓄电池整组电压而非单体电压。例如厂家推荐的单体浮充电压为2.25 Ⅴ时，那么对104 节蓄电池构成的电源系统，其整组浮充电压应该设为104×2.25=234 Ⅴ。蓄电池的生产过程无法保证每只蓄电池完全一致，细微的差别导致了每个个体的性能参数存在一定的差别，无法使每个个体按照设定的浮充电压进行充电。通过研究单体电压的浮充电压数据，发现其数据在小范围内浮动，变电站运行规程中列出了相关的条款，规定其限值是±50 mⅤ（标称2 Ⅴ电池），研究数据可以发现少数单体电压并未超过设定的标准，但其数值却长时间偏离设定的标准，这给蓄电池安全稳定运行带来了不利影响。

从蓄电池的运行数据可以得出以下结论：过高的浮充电压意味着对蓄电池过充，长时间的过充影响很大，会加剧正极板腐蚀，进而缩短蓄电池寿命；反之，过低的浮充电压意味着对蓄电池的欠充，此状态会加剧负极板腐蚀，同样也会缩短蓄电池寿命；蓄电池组中各单体电池电压还会相互产生影响，引发更大的波动，从而加剧过充和欠充现象[5]。

蓄电池平时正常运行时处于浮充电状态，也就会存在3 种可能的情况，即正常充电、过充、欠充。蓄电池状态监测系统对一段时间内的电压进行分析，如单体电压的变化、单体电压相对整组平均水平的变化等，再对内阻进行干预，之后才能获得较为准确的浮充电状态。内置的蓄电池专家诊断模型对电池参数的变化进行分析，及时了解蓄电池的工作状况，当得出过充或欠充的结论时，在线调节蓄电池电压或进行活化[6]。维护程序也可通过网络远程下达指令执行。

确认过充，予以在线活化。蓄电池长期处于过充状态，会带来很不利的影响，伴随着正极腐蚀和容量减少。浮充电压是体现电池是否过充的一个指标，在运行程序得出过充的结论后，对过充电池进行适当的干预，让过充的电池进行放电，以达到相关技术指标，就能够有效改善过充对蓄电池运行的不利条件，最终让蓄电池达到最理想的浮充状态。

确认欠充，予以在线补充电。蓄电池长期处于欠充状态，也会产生很不利的影响，伴随着负极会逐渐腐蚀和容量减少，使得负极板的PbSO4不发生原有的反应。运行程序通过分析蓄电池的浮充电压数据，然后给出蓄电池欠充的结论后，第一时间进行在线补充电的工作，能有效改善可能出现的负极板腐蚀现象，最终让蓄电池恢复至正常浮充电状态。

4 蓄电池失效诊断模型

众所周知，单体电池落后会影响整组蓄电池的性能，因此及时发现并处理落后电池是日常维护工作中非常重要的环节。可以通过对蓄电池内阻进行监测来判定蓄电池性能，但这种方式存在很大局限性，即蓄电池容量与内阻不存在一一对应关系，此外因为蓄电池内阻较小，这就要求测试的精度非常高，而且电池处于不同状态下其内阻也是不同的，如果蓄电池处于不平衡状态下，采用内阻测试来诊断失效很容易得到错误结论。蓄电池的实时性能也无法通过单一的监测蓄电池的电压来体现，蓄电池的容量与蓄电池的浮充电压也没有一一对应关系。虽然定期的核对性容量测试和内阻测试可以定期地反映蓄电池的性能，但由于人力、时间等方面的原因，无法从理论上保证在下一次做核对性容量测试的一段时间内，蓄电池的容量和性能是符合要求的。

本系统中以产生的大量电池运行数据作为支撑，可以判定电池性能的变化与电池电压的变化存在相关性。蓄电池性能随着蓄电池使用时间的增加而不断劣化，蓄电池容量会逐渐减少，而此时蓄电池电压的离散性也会变得越来越明显。依据这样的特点，采用结合人工神经网络和模糊数学的优点的方式，用一种非线性处理的手段，基于某种拓扑结构将各种数据进行关联，即可得到蓄电池是否失效的结论，从而建立了蓄电池失效诊断模型。蓄电池失效诊断模型通过几个月的学习，即可给出分析结果，模型将利用反馈的测试结果不断进行学习改进，分析精度也会随着时间的推移逐渐提高。诊断模型以柱状图、图表等形式实时显示蓄电池的健康状态，及时预测蓄电池的运行状态并维护故障蓄电池。蓄电池性能分析图如图2 所示，柱状图显示了各单体电池的性能百分比。

图2 蓄电池性能分析图

5 总结

本文对蓄电池在线监测系统进行了分析与研究，对系统结构和功能进行描述，蓄电池在线监测系统的实施能够让变电站的蓄电池管理更加高效，可减少巡视次数，提高了蓄电池容量的续航能力，延长了蓄电池组使用寿命，使蓄电池的运行更加安全，降低了发生事故的概率；节省了变电运维工作的人力物力，提升运维工作效率，并且符合智能化和自动化的时代发展需求；可大大提升变电站精益化运维水平，保证了变电站直流系统可靠稳定运行，为电网安全稳定运行打下了坚实的基础。