一种蓄电池在线监测系统的设计与应用

2022-10-10王文琦侯艳强

黑龙江电力 2022年4期

王文琦，侯艳强，李维

(国网黑龙江省电力有限公司七台河供电公司，黑龙江七台河110179 )

0 引言

近年来，随着中国电力工业建设的突飞猛进，现代电力系统正向着大电网、大机组、超高压、大容量的方向发展。在现代电网建设中，伴随智能电网的发展和电气设备自动化程度的提高，直流电源的作用也更加突出。蓄电池不仅是直流电源的重要组成部分，而且是不可缺少的后备电源。当蓄电池出现异常时，会对直流系统造成重大影响，因此为保证系统的安全稳定运行，迫切需要加强对蓄电池的管理，确保在蓄电池出现异常时，能够被很快发现，并得到及时处理。目前，随着电力系统智能化发展及变电站数量的迅速增加，直流系统的维护工作量越来越大，蓄电池智能运维的需求也越来越急迫[1-2]。

铅酸蓄电池经过一段时间使用后，常易因有效活性物质的脱落、电解液干涸、正极栅格腐蚀以及硫化等原因，其容量逐渐减低。为了评估市电中断后，蓄电池组尚能供电的时间，或者确认所有单体电池的性能是否在正常范围之内，就必须定期对蓄电池进行核容放电。核容放电是目前评估铅酸蓄电池性能最科学、准确的方式，按照国际的铅酸蓄电池维护标准，最低要求是一个季度就必须对电池组进行核容放电，但传统的核容装置仅可实现半自动核容，无法实现全自动放电，须投入大量的维护人员进行人工测量单体电压、组端电压、放电电流等系列工作，工作量非常大。另外，放电又须采用10小时率核容，人员维护时间较长。

传统的蓄电池核容放电方式耗费大量的人力和时间，铅酸蓄电池的用户无法满足一个季度核容维护一次的要求。当蓄电池得不到合理的放电维护，其寿命就会大大缩短，而且无法及时发现蓄电池组存在的质量问题，无法规避蓄电池组断路或者短路失效带来的安全隐患。

传统的蓄电池组检测，通常做法是逐一测量单只电池的电压，或者定期对蓄电池组进行核对性放电。如果某只电池的状况变差，在浮充状态下，所测得的电压值仍可能在合格范围内，那么对电压的测量就不能反映电池的真实状况。而进行核对性放电，需要将蓄电池组退出运行，在放电过程中，如果系统发生故障，该电池就不能及时投入运行，会导致事故范围的扩大。因此，为了提高蓄电池的性能，保障系统的安全运行，有必要对电池的单体电压和容量进行实时监测[3-5]。

目前，国内外许多研究者已经对蓄电池在线监测技术的发展付出了大量的努力，并取得了一定的成绩。然而，国内外现有的研究成果仍存在不足，国内的蓄电池在线监测技术不够成熟，仍需累积大量技术数据，而国外的蓄电池监测方法比较复杂，不利于推广和应用。因此，该文紧密结合目前蓄电池运行维护中存在的问题，设计一套适合中国电网现阶段情况的蓄电池在线监测系统。该系统在蓄电池的工作原理及其基本监测手段的基础上，对单体蓄电池以多循环的方式进行内阻测试，在线监测核容放电产品，拥有“四遥”功能，通过逆变换流技术将电池释放的能量转换为交流电能并回馈给电力供电电网，避免机房局部环境温升和火灾隐患，并通过网络通讯设备将监测数据实时上传。此外，所建立的在线监测主站平台利用计算机技术的分析能力，对蓄电池的数据和运行状况进行分析，可对蓄电池的使用进行智能管理和预警。

1 蓄电池基本原理及失效机制

1.1 蓄电池的工作原理

蓄电池的工作原理与传统铅酸蓄电池类似，以活性PbO2为正极极板，海绵状活性Pb为负极极板，稀H2SO4为电解液[6]。蓄电池内部的充、放电过程是化学能与电能相互转化的过程。当发生充、放电时，电池内部的正、负极间会发生如下化学反应。

放电：

PbO2+2H2SO4+Pb→2PbSO4+2H2O

(1)

充电：

2PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4+Pb

(2)

在放电过程中，正极所发生的化学反应主要是将PbO2转化成PbSO4，负极的化学反应主要是将金属Pb转化成PbSO4；充电过程则与之相反。另外，在充电过程还伴随有电解H2O反应，在正极产生O2，在负极产生H2。在放电过程中，由于不断地生成导电性较差的PbSO4，会使蓄电池的内阻不断增加。同时H2SO4的消耗和H2O的生成使得溶液中H2SO4的浓度不断降低，反应的电动势不断下降，致使蓄电池的端电压下降。在充电过程中，则发生与上述情况相反的状况。PbSO4不断分解生成H2SO4，同时消耗了溶液中的H2O，使得蓄电池的内阻降低，H2SO4浓度升高，提升了蓄电池端电压[7-9]。

1.2 蓄电池主要监测参数

蓄电池的主要参数包括电压、电流、内阻、温度和容量等[10-12]。

在监测蓄电池电压时，一要防止蓄电池发生过放电，永久性地损坏蓄电池；二要确保蓄电池的浮充电压在安全范围内，尽可能延长蓄电池的使用寿命。蓄电池的电压监测数据可包括蓄电池的电动势、开路电压、初始电压、终止电压、充电电压和浮充电压等。

蓄电池的电流监测常指充、放电电流的监测。放电电流可以表征蓄电池在有负载情况下的外部电流情况。放电电流过大会导致蓄电池正极的PbSO4松散甚至脱落，影响蓄电池的使用寿命；相应地，蓄电池的充电电流大小也会影响蓄电池的使用寿命，当充电电流高于蓄电池所能接受的最大值时，在极板位置会有大量气体析出，促使极板表面活性物质剥离至脱落，蓄电池内部压力增大会致使气体逸出，蓄电池电解液干枯。

蓄电池的内阻指的是电流通过蓄电池时所受到的阻力。蓄电池的内阻并非常数，会在充、放电的过程中不断变化，这是因为在充、放电过程中电解液中的活性物质组成、电解液浓度和温度都在发生变化。若蓄电池内发生活性物质脱落、电解液干涸、正负极板硫酸盐化等情况，都会使蓄电池内阻不断增大，从而减小蓄电池容量[9]。

蓄电池由于在充、放电过程中发生化学反应，产生一定热量，因此会导致其内部温度升高。温度的变化会影响电解液的反应活性，同时也会提高电极腐蚀反应的活性。另外，蓄电池的温度也会影响浮充电压。

蓄电池的容量是衡量蓄电池性能的重要指标。在一定条件下对电量完全充足的蓄电池进行放电，蓄电池电压降至截止电压的过程中所释放出的电量即为蓄电池的容量。然而，蓄电池的容量是蓄电池的内特性，无法直接测得，目前仅能通过对蓄电池的电压、电流和内阻等指标进行测量并通过预测来得到。

1.3 蓄电池的失效机制

目前所使用的蓄电池其标称使用寿命常常远小于实际使用寿命。实际使用中的蓄电池环境是蓄电池寿命减小的主要原因。在使用过程中，蓄电池极板间的活性物质会发生剥离与脱落现象，电解液中的溶剂浓度随使用时间的延长而降低，蓄电池浮充时间延长导致钝化等情况都会降低蓄电池的使用寿命[13-15]。

蓄电池发生过度放电时，会在极板上反应生成大颗粒的PbSO4结晶，使得电解液失去活性，缩短蓄电池的寿命。在蓄电池发生过充时，其内部生成过量的气体，当达到极限值时，难以被吸收，此时气体会通过排气阀向外排出，导致蓄电池总体上失水，致使蓄电池失效。对蓄电池长期浮充，会钝化极板，增大电池内阻，减小可用容量，进而导致蓄电池使用寿命变短。另外，蓄电池的温度过高，会增强正极发生的析氧反应，加速正负极板的腐蚀和水的减少，缩短蓄电池的使用寿命。

2 蓄电池在线监测系统的设计

2.1 系统的硬件设计

系统主要由两大部分组成，一为与通信电源系统连接的远程充放电管理系统、单体采集模块、总接收模块等硬件设备结合所构成得系统蓄电池管理软件的下位机，二为实现远程监控的蓄电池管理平台软件，通过软件可以实现一键远程放电功能、蓄电池管理功能。通过硬件与软件两个部分紧密结合，实现在线自动监测通信电源的整流器输出电压、蓄电池组电压及电流、单体电池的电压、极柱温度、内阻数据，向后台软件发出报警信息，并在远程充电管理系统本地记录告警信息。蓄电池在线监测系统的结构如图1所示。

图1 蓄电池在线监测系统结构图Fig.1 Structure diagram of battery online monitoring system

蓄电池在线监测系统的核心功能包括蓄电池预充电控制、逆变换流恒流放电控制、蓄电池整组及单体电池的电压电流内阻温度数据采集、电压定期巡检及数据采集、数据关机及报表等。蓄电池在线监测系统的核心是主控制模块，对各种数据的处理分析及控制均主要由主控制模块来完成[11]。在实现对蓄电池的运行数据采集、充电控制及恒流放电控制等功能时，需要蓄电池在线监测模块来配合完成。数据通讯部件和输入输出设备则辅助主监测模块完成数据上传及控制信号的向下传输。输入输出设备保证数据输入输出的操作接口，保证界面的友好性。

2.2 主控制模块

主控制模块是蓄电池在线监测系统的核心，其功能实现以GCPU为核心，配置输入输出回路。主控制模块主要承担了对直流系统设备进行全面在线监测管理的任务，包括电池组采样、充放电控制、故障监测等。

主控制模块使用ATmegal28单片机作为GCPU，串行芯片为24AA1048，实时时钟芯片为AMI8563。主控制模块的功能在于对电池组进行采样，控制蓄电池放电过程，完成串行通信以及其他的扩展功能。Atmegal28为8位单片机，采用先进的RISC构架，内部具有154条指令系统。采用全静态的工作模式，提高了对外围的开发能力。对主控制模块提供IEC61850标准接口，以适配通讯设备。主控制模块的结构如图2所示。

图2 主控制模块结构图Fig.2 Structure diagram of main control module

鉴于传统蓄电池人工巡检过程存在的运维难、成本高、不能实时监测等缺点，对主控制模块建立人工智能决策系统。通过采集的电压、电流、温度等数据，建立蓄电池直流系统的故障诊断模型和蓄电池故障诊断分析模型，在完成常规的定时内阻监测、电压巡检、容量监测等功能的基础上，发展故障诊断及报警记录功能。

2.3 在线监测模块

在线监测模块中主要实施作用的有电压、电流和温度信号回路，分别对蓄电池的单体及组电压进行实时采集，并对充放电前后的电压突降情况施以捕捉，对充放电电流情况实施监测，对环境温度和蓄电池温度加以测量。

2.3.1 电压采集

系统对电压的信号采集采用的是继电器切换法。处于浮充状态的蓄电池组电压为53.5 V，而在均充状态下可达56.4 V。因此，在每个单体电池上装设监测单元，其成本和工作量都大大提高，在输入通道上实现多路转换也具有一定难度。提取电压由光继电器使用无触点切换法进行，这种方法易于实现，同时由于采用隔离测量的模式而使得测量的安全性得到保证，也降低了数据采集难度。在进行数据采集时，会直接对单体电池进行采样，采样过程会外接分压电阻，以确保可以得到良好的测量精度。这种采样模式可以避免电阻过大而导致的参数匹配问题，同时温度及误差的影响也相应降低。单体电池的采样原理如图3所示。

图3 单体电池电压采集原理Fig.3 Method of single battery voltage collection

2.3.2 电流采集

对充放电状态下的蓄电池进行电流信号采集的功能由电流互感器来完成。该系统选用的是AKH-0.66-Z型电流互感器，其主边和副边的额定电流分别为300 A和750 mA，变比为2 000/5。AKH-0.66-Z型电流互感器采用闭环式设计，具有高精度、高线性度的特征，其抗干扰能力和隔离能力也十分优异。

电流转换电路如图4所示。图中i代表由互感器采集到的电流。在运行过程中，采样电阻会先将电流信号转换成电压信号。随后，放大器对转换得到的电压信号进行放大处理，放大信号应当满足转换器量程。VOI是进行A/D转换的电压，这一数据最终会经由端口进入单片机。

图4 电流转换电路Fig.4 Current conversion circuit

2.3.3 内阻采集

蓄电池的内阻包括欧姆电阻和极化内阻。蓄电池中电解液、电池材料及隔膜的电阻为欧姆电阻，蓄电池内两极发生化学反应所引起的电阻是极化内阻。蓄电池的内阻导致在充放电时其开路电压与端电压的不匹配。蓄电池的电阻随温度和时间而发生变化，内阻值取决于活性物质、电解液浓度和温度等因素。

对于内阻的采集，该系统采用多循环法。测量时在一个电池组内划分出多个循环过程。测量过程由第一个循环放电开始，接着进行第二个循环放电，各个循环依次进行直至结束。单体电池的放电曲线会被采集到系统中，内阻测量在压降后进行。放电时采用恒流负载的方法，放电电流的稳定性可以得到保证。这一过程可通过系统软件设置间隔时间实现无人自动测量。

2.3.4 温度采集

环境温度对蓄电池中电解液反应活性、溶质的饱和浓度及其在溶液中的扩散速率等有一定的影响，从而对蓄电池的使用性能产生极大的影响，因此，有必要在蓄电池中对环境温度数据进行采集，根据采集到的数据随时调整蓄电池充放电参数。该系统采用TMP36温度传感器对蓄电池组或环境温度进行测量，该温度传感器具有精度高、反应灵敏及结构简单等优点。在使用过程中，直接将温度传感器与监测端口以数据线相连接，即可实现温度数据的传输。

3 在线监测主站平台设计

蓄电池在线监测系统能否实现其设计功能并良好运行，除了与系统中硬件电路、硬件配置和电路设计相关外，系统的软件也十分关键。该监测系统包含三个功能层，即主功能层、汇聚传输层和数据采集层。

主功能层功能由专业软件以Web方式发布，该层对采集到的单体蓄电池电压、组压、电流和环境温度等数据进行统筹、分析和输出，并实施对蓄电池的控制。汇聚传输层可实施各变电站蓄电池数据的汇聚和向上传输工作。数据采集层负责数据的采集，并向上层平台传输；同时也可将主站平台的控制指令向蓄电池组传送。

3.1 主站平台的功能

结合蓄电池现场的实际运行需求，可对蓄电池在线监测主站平台的功能进行如下设计。

3.1.1 在线监测功能

后台软件-蓄电池远程放电管理系统(以下简称“后台软件”)能够以数据、柱状图、曲线等多种形式，展现蓄电池的工作状态、电池组组端电压、电池组充放电电流、通信电源母线电压、各单体电池电压、单体温度、单体内阻、核容设备内部温度、电网电压、电网电流、电网频率、逆变电压、逆变电流等指标的值。

3.1.2 电源、电池故障预警功能

后台软件监测到通信电源母线失压、蓄电池组端电压、单体电池电压、核容设备的内部温度参数异常(过高)时，通过告警的方式在监控端进行提示并记录。

3.1.3 静默式在线核容放电测试功能

后台软件可以实现对站点蓄电池进行远程在线容量测试的功能，即通过后台软件下发指令，配备放电配置使蓄电池按“0.1C10A”国家电网企业标准进行在线放电[12]，以多重放电配置参数为条件，其中任一参数达到阈值将自动停止放电。系统准确记录放电时长、放电容量、单体电压、单体温度变化情况，并自动生成放电报告。通过上述功能，实现无需维护人员在站点值守即可进行蓄电池核容放电测试。

3.1.4 在线充电监测功能

后台软件能够对放电结束后电池的充电全程进行监测，并以曲线、图表等多种形式显示充电过程的充电电流、电池组组端电压、各单体电压、单体温度、电池容量的变化情况。

3.1.5 放电测试报告自动生成功能

后台软件具备核容放电测试报告自动生成及导出功能，即能够对电池放电过程监测的数据通过柱状图、变化曲线、数值分析表等多种形式汇总生成蓄电池充放电测试报告，并可以通过Excel格式进行导出。

3.1.6 运行监控功能

后台软件通过曲线、柱状图、表格等多种形式，显示和查看各站点设备、蓄电池组的实时和历史运行信息，且查询内容可支持报表导出功能。

3.1.7 可回溯可视化展现功能

后台软件可对各节单体电池加装系统设备后的电池电压变化趋势进行全程记录，从而全面消除蓄电池在两次核容测试间隔的盲区，实现蓄电池全生命周期精细化管理。

3.1.8 报警服务功能

后台软件记录了蓄电池的电压超限报警、温度超限报警等，并在后台软件界面通过弹出框报警、实时报警、历史报警等方式来查询，需要同时以邮件(可选)、短信(可选)、声光、软件界面、系统接口推送进行报警，并可实现按不同级别报警的功能。

3.1.9 用户管理功能

后台软件提供了角色组管理策略，不同用户需具有不同的操作权限，合法的用户可以登录本地系统进行相应权限的操作。

3.1.10 日志服务功能

后台软件可记录系统运行过程中的历史事件，包括设备控制事件和用户操作事件等。

3.1.11 系统后台软件架构

软件架构采用 B/S 架构。

3.1.12 后台软件的跨平台性和可移植性要求

后台软件需具备跨平台性和可移植性，支持 Windows主流操作系统平台。

3.2 蓄电池在线监测管理软件

蓄电池在线监测管理软件是系统的后台软件，该软件基于B/S模式，管理员只需通过网页即可访问登录，可实现一键进行充放电控制，可存储监控数据指标并形成图表进行数据分析，可对蓄电池健康情况智能判断，并及时甄别落后单体。

3.2.1 在线监测功能

蓄电池监控信息如图5所示，系统可实时监测每节蓄电池的母线电压、电池组总电压、电池组充放电电流、单体电池电压、温度、内阻等参数，维护管理人员可实时查看蓄电池的上述指标，并计算出单体电压、单体温度、单体内阻的最大值、最小值，高效查询存在异常数据的单体，全面掌握蓄电池的状况，可对蓄电池进行远程控制放电、充电，可设置定期放电，以降低维护成本、降低故障率。

图5 蓄电池监控信息Fig.5 Battery monitoring information

蓄电池远程控制如图6所示。在放电页面，可以通过点击“启动放电”按钮，在弹出的放电参数配置表中，根据现场实际的电池组配置，修改放电配置参数，实现一键远程启动核容放电。点击“取消放电”按钮，可随时人工终止核容。在放电页面中，可以查看实时的放电曲线及相关放电状态下电池组电压、放电电流、单体电压、单体问题数据以及相关图表。

图6 蓄电池远程控制Fig.6 Remote control of storage battery

3.2.2 数据分析功能

系统具备强大的数据分析功能，可存储相关蓄电池远程运行数据，生成总电压曲线图、电流曲线图、单体电压条形图、单体电压曲线图、设备温度曲线，通过相关曲线对电池状况进行分析；可打印蓄电池相关数据，并以Excel格式导出。

3.2.3 实时报警

系统可对电压过高、电压过低、截止电压、温度过高等异常情况实时报警提示，使管理员可在“报警历史”页面快速查询该设备最新的报警内容，方便查明故障具体原因，更有效地保护蓄电池组安全。相关的报警内容可通过短信、邮件、电话、系统页面弹出等多种渠道传递给维护人员，协助维护人员及时处理，避免事故的发生，极大地提高了供电系统的安全性和可靠性。

3.2.4 甄别落后单体

单体容量条形图如图7所示。在线甄别电池组落后单体，对放电过程中落后的单体标红显示，提醒维护人员进行维护，降低因个别蓄电池劣化而造成整组蓄电池损坏的可能性，从而延长蓄电池的使用寿命，保障蓄电池组的长期正常运行。