基于无线通讯技术的变电站蓄电池组检测装置*

马 艳, 吴 航, 周 亚, 曹 海, 黄海宏

0 引 言

变电站直流电源系统主要由整流电源和蓄电池组组成。蓄电池组正常情况下长期处于浮充状态。当发生交流停电时,整流电源停止工作,蓄电池组放电,实现直流设备的不间断供电。为了及时得到每节蓄电池的工作情况,并且减少维护的工作量,蓄电池检测装置已成为110 kV以上等级的变电站直流系统状态检测中的重要组成部分[1]。

多年来变电站蓄电池检测一直以单体蓄电池端电压检测为基本要求,辅以核对性放电的容量检测和内阻测试方法[2-6]。其中内阻测试方法又分为交流法[7]和直流法[8]。

蓄电池巡检装置的基本功能是实时检测蓄电池组中每节蓄电池的端电压。端电压检测能直接对蓄电池的过充、欠充和过放进行预警,在放电状态下能在一定程度上反映各节电池的状态。但在浮充电状态下,性能很差或连接不良的蓄电池端电压的变化并不明显,而等到蓄电池放电时才发现异常,有可能会产生严重后果。最准确的蓄电池容量和状态的检测办法是核对性放电,以500 Ah的蓄电池为例,标准的测试方式是以0.1 C放电电流50 A进行恒定电流放电,通过记录端电压下降到截止电压前持续放电的时间来计算该蓄电池的容量,若放电时间达到或超过10 h,则该电池容量为100%。若在放电过程中某节电池端电压下降速率远大于其他电池,则可初步判断该电池为落后电池。但这种方法需要额外的设备投资,且耗时太长,受制于人力等因素,变电站蓄电池组核对性放电的周期一般都在半年以上。有别于长时间核对性放电来检测电池容量,通过内阻测试在较短时间内来识别落后电池是目前得到共识的蓄电池检测方法。

目前应用于变电站直流电源系统的蓄电池主要是阀控式密封铅酸蓄电池,分为12 V、6 V和2 V系列,受单体铅酸电池体积和重量的限制,12 V电池的容量一般在100 Ah以下,200 Ah以上的铅酸电池基本都是2 V的。在较为重要的变电站,电池容量要求较高,基本都采用2 V电池。故本次针对2 V电池组成的蓄电池组,设计了一套具有电压和内阻检测功能,采用无线通讯方式的分布式蓄电池检测装置。

1 分布式蓄电池监测装置

为检测单节蓄电池电压,要在蓄电池两极引出采样线。集中式蓄电池测试仪工作方式如图1所示。

图1 集中式蓄电池测试仪工作方式

集中式蓄电池测试仪价格低廉,但缺点明显:现场连接线偏多。500 kV以下等级变电站的直流电源通常采用220 V系统,若采用2 V蓄电池组成蓄电池组,通常为104～108节,则电压采样线为105～109根,造成现场走线较混乱。由于采样线是通过端子接入蓄电池测试仪,而考虑到体积和成本,相邻接线点距离很近;蓄电池为带电体,其采样线连接具有一定危险性,尤其长距离连接蓄电池采样线,且当采样线数量较多时,不易分辨其顺序,造成现场安装和故障排除时操作任务较重,且发生事故的机率也高。

鉴于以上原因,分布式蓄电池检测系统已开始得到应用。分布式蓄电池检测系统结构框图如图2所示[9]。

图2 分布式蓄电池检测系统结构框图

该系统为每节蓄电池配置一个测试单元,测试单元与对应蓄电池就近连接,测试单元采用内置ADC的低功耗单片机作为控制芯片,以对应的单节蓄电池作为测试单元的电源输入,通过DC/DC变换电路将蓄电池电压变换成单片机和其他电路的工作电压,并通过内置ADC实时检测蓄电池端电压。测试单元通过拨码开关类似的站号设置电路对应唯一的通讯站号,测试单元上电初始化时读取通讯站号;监测单元通过隔离的RS-485总线,带站号逐一召唤每个测试单元,站号相符的测试单元逐一响应召唤命令,由此监测单元获得每个蓄电池的端电压数据。

与集中式蓄电池测试仪相比,分布式蓄电池检测系统采用就近连接采样线的方式,避免了大量带电采样线长距离连接的危险。但每节电池均配置测试单元的方式,若应用于2 V蓄电池组,其经济性会阻碍其推广应用。同时目前直流电源系统中的整流电源均由高频开关电源模块并联组成,若电源模块的电磁兼容水平不高,其内部开关器件功率MOSFET或IGBT高速开关时产生的电磁脉冲会对RS-485总线产生干扰,造成数据传输误报率高。

综合以上因素,本文针对2 V电池设计的蓄电池检测系统,采用分布式方式,系统由若干测试单元和1个监控单元组成。测试单元工作原理如图3所示。

图3 测试单元工作原理

考虑到2 V蓄电池组串联的蓄电池节数不确定,测试单元以3节或4节2 V电池串联作为电源输入(输入端口为B+和B-,其中B-同时为整个电路的基准地。),通过电压变换电路得到测试单元内部工作电压,并且通过单片机内置多路ADC和调理电路可同时检测所有串联电池的单体电压。同时进行进一步优化,以无线通讯取代RS4-85通讯方式,通过通讯站号设置电路可为每个测试单元赋予不同站号。以220 V直流电源系统为例,采用2 V电池时,其蓄电池组电池节数通常在104～108之间,则一组蓄电池需配置27个本文设计的测试单元。

将单片机的串口与无线串口透传模块相连,监控单元采用广播模式,实现与监测单元的带站号分时通讯,传输距离达到250 m,满足现场通讯要求,同时工作频率达到2 400 MHz,远高于变流装置的开关频率,克服了RS-485通讯方式易受变流装置高频干扰的问题。无线串口透传模块如图4所示。

图4 无线串口透传模块

考虑到各单体电池是工作在串联状态,存在测量共地问题。2 V单体铅酸电池的端电压在恒压均充时最高约为2.35 V,在单片机内置ADC的测量电压范围(3.3 V)内,但两节2 V铅酸电池串联后已超出3.3 V,故测试单元对串联的各节电池电压进行分压后再进入单片机内置ADC进行测量。测试单元分压检测工作原理如图5所示。考虑到分压电阻会造成被测电池的放电和影响测量精度,故采用的均是几十k级的高精度电阻。其中UB1～UB4分别为串联的4节电池的端电压,U1～U4分别为电池1端电压、电池1和电池2串联的端电压、电池1～电池3串联的端电压、电池1～电池4串联的端电压,系数1～3根据分压电阻R1～R6的阻值来确定。

图5 测试单元分压检测工作原理

2 蓄电池内阻在线检测原理分析

铅酸蓄电池简化等效电路模型如图6所示。其中Ub为铅酸电池的内在电动势,Rm为金属电阻,其会随着金属的硫化、蠕变和腐蚀等因素而产生缓慢的变化,但在一个较短的时间内可认为是常量。Re为电化学电阻,随着容量的状态发生变化,但其测量又受到并联着的电容C的容抗变化的影响。

图6 铅酸蓄电池简化等效电路模型

故若采用交流法对蓄电池内阻进行测量(在蓄电池两极注入低频交流电流信号IAC,检测在蓄电池两极产生的低频交流电压值UAC),则蓄电池内阻Rb=UAC/IAC,但由于蓄电池等效电路中的C阀值比较大,导致容抗很小,交流法检测到的实际上是由Rm和C串联的阻抗,而随容量变化明显的电化学电阻Re反而被忽略了。

相对而言,直流放电法检测蓄电池内阻目前在电力系统得到广泛认可。为避开C的影响,由铅酸蓄电池产生一个瞬时的放电电流。瞬间电流放电测试示意图如图7所示[10]。

图7 瞬间电流放电测试示意图

测量电池电流I和电池电压U1。切除负载后再测得电池电压回升值U2,则不难推得:Rm和Re串联的蓄电池内阻Rb=(U2-U1)/I。

考虑到蓄电池组作为直流电源的后备电源,为保证负载的不间断供电,测试时不允许与整流电源脱离,而对单体蓄电池进行放电时其电流会包含整流电源的充电电流。为克服在线测试时整流电源充电电流的影响,采用二次放电法实现蓄电池内阻在线检测。

在线式二次放电测内阻原理框图如图8所示。Rb为待测的各单节电池的直流内阻,IE为整流电源输出电流。设两次放电时负载流过的电流分别为I1和I2,测得的对应不同负载电流的负载电压分别为U1和U2。为被测蓄电池均配置放电电阻R1和R2来产生瞬时放电电流,分别由放电开关S1和S2来控制。

图8 在线式二次放电测内阻原理框图

在测试单元中,采用功率管MOSFET作为开关S1和S2。以3节或4节2 V电池串联后的电压作为电源输入,通过三极管组成的驱动电路变换后作为2个功率管MOSFET的驱动电压,以多个低阻值的康铜丝串联构成放电电路,产生二次放电所需要的电流。测试单元二次放电测内阻控制原理图如图9所示。

图9 测试单元二次放电测内阻控制原理图

通过测量电路中的R45和R75上的电压可得到电池放电电流IB1和IB2,同时根据图5的电池电压测量电路再得到各节电池放电前后的端电压数值。

将图8进行简化,在线式二次放电测内阻简化推理图[11]如图10所示。

图10 在线式二次放电测内阻简化推理图

图10中E为整流电源与其他非测蓄电池的等效串联电势,R为其他非测蓄电池内阻等效串联电阻。

为提高测量精度,采用先小电流再大电流的二次放电方法[9]。闭合开关S1,第一次电流放电对应的关系式为

Ub-U1= (I1-IE)Rb

(1)

紧接着再闭合开关S2进行第二次电流放电,设由于第一次电流放电导致蓄电池能量损失造成的电池电压下降为ΔUb,则对应的关系式为

Ub-ΔUb-U2= (I2-IE)Rb

(2)

综合式(1)、式(2),可得式(3),即

ΔUb+U2-U1=Rb(I1-I2)

(3)

而由于是瞬间放电,将因能量损失造成蓄电池电势Ub的下降ΔUb忽略,故

Rb=(U2-U1)/(I1-I2)

(4)

实际上蓄电池内阻与电池的荷电状态、环境温度等因素都有关系,因此不能通过蓄电池直流内阻测量来直接推导出蓄电池的容量和健康状态,蓄电池内阻测量的作用更多地体现在相同外部条件下同一蓄电池组内各节蓄电池的比较,为确定落后电池提供依据。若采用相同的直流内阻测量方式,若某一节电池的内阻远大于其他电池的内阻值,则可初步判断该电池为落后电池。

3 实 验

为验证测试单元对单节电池的电压采集和内阻测试效果,搭建实验平台,对4节串联的蓄电池进行二次放电,同时检测4节蓄电池的端电压变化情况,并记录二次放电的电流数值,即可以按式(4)计算4节蓄电池的内阻。二次瞬间放电单节电池电压波形如图11所示。放电采用先小电流后大电流的方法,由电压波形可看出,当两次瞬时放电结束后,蓄电池端电压恢复值与放电前端电压初始值基本没有变化,即前面所述由于瞬时放电导致蓄电池能量损失造成的电池电压值ΔUb可以忽略不计,故式(4)是合理的。

图11 二次瞬间放电单节电池电压波形

对4节2 V/500 Ah的铅酸蓄电池串联后进行二次放电测试,测得相应数据。内阻测试结果如表1所示。该内阻数值与2 V/500 Ah的铅酸蓄电池正常内阻相符,说明本文采用的电压检测和内阻测试方法有效。

表1 内阻测试结果

4 结 语

本文在分析传统集中式蓄电池检测装置和分布式蓄电池检测装置的优缺点基础上,设计了针对2 V铅酸电池的新型分布式蓄电池检测系统,克服了传统蓄电池检测装置连接线较多和电磁干扰问题。测试单元以3节或4节2 V铅酸电池串联作为输入,获取电源能量并对输入的电池进行电压和内阻测试,并将测量信息上传至监测单元,可对蓄电池组实现完善的实时监测。