蓄电池远程回馈式放电及大数据监测管控技术的研究及应用

肖 洒，张子康，陈 黎，曹 冲，彭云志

(1.国网孝感供电公司，湖北 孝感 432001；2.湖北三江航天险峰电子信息有限公司，湖北 孝感 432001)

随着电力系统的发展，越来越多的阀控式铅酸蓄电池被应用到电力系统中[1-2]。近几年国内电力系统发生多起蓄电池开路故障，导致变电站保护拒动、越级跳闸，甚至还引起大面积停电事故；在不少省份电力系统蓄电池短路造成的蓄电池组烧毁事件时有发生；甚至发生多起蓄电池及直流母线失压事故，导致主变烧毁严重后果[3-4]。

目前，蓄电池的维护方法主要是每年1次周期性核容性放电，对蓄电池的电压、内阻、温度、容量等参数进行跟踪检查，每次放电试验由继电保护人员带着直流系统综合测试仪现场测试，笨重的设备加上人工短缺让蓄电池的维护非常困难，但是这种试验不能实时对蓄电池进行监测，不能对蓄电池的各项重要参数进行实时掌握，给蓄电池的运行安全带来隐患[5-6]。

如果结合网络通信技术、自动控制技术及计算机技术研制一种远程在线监测的直流系统综合测试仪，不仅能够实现远程核容放电，实现对蓄电池重要数据的在线监测，还能够大大降低维护人员工作量，提高工作效率。

1 蓄电池监控现状

1.1 计划性维护

按照DL/T 724—2021《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》，4年内投运的蓄电池每2年进行1次维护，运行4年后的蓄电池每年进行1次维护。220 kV含双套电源电池组进行全核放电，110 kV及以下单套电池组进行半核对性充放电。这种计划性维护时间间隔长，对蓄电池的性能及运行状况不能实时掌握。另外，由于放电时间一般为5～10 h，时间较长，放电过程中很容易造成直流失压[7]。

1.2 通过蓄电池电压来监测蓄电池

目前很多供电公司通过单一的蓄电池电压来判断蓄电池运行状态，这种判断方法存在较大弊端，因为很多蓄电池在不带直流负荷时，其端电压是正常的。但是一旦投运或接入负载，其端电压迅速降低，不能满足直流供电需求[8]。

1.3 定期内阻测试

随着国际上直流标准的出台，蓄电池维护中进行内阻测试已经逐渐取代单纯的电压检测。电池内阻基本被用来正确反映电池性能好坏的因素[9]。电池主要故障都会通过内阻增大表现出来。蓄电池内阻根据厂家不同、型号不同、批次不同，没有固定定值或明确判断标准，且由于测量设备、原理、测试人员不同，测试结果也不尽相同，因此一般要内阻明显增加或减少，才会引起维护人员注意，对测试结果没有明确的判断标准，也没有纵向数据分析，主要通过测量结果横向比较。

1.4 在线监测设备

一般只测量端电压及部分测量单体电池内阻，极少测量单体电池的温度，主要存在问题为没有专人长期跟踪分析在线测量数据，到目前为止，还未见报道由蓄电池在线监测设备发现落后电池，设备的精度、可靠性不够，维护人员对其信任度不足也导致关注度不够[10]。

2 蓄电池组核容现状

目前，国内外关于蓄电池核容检测主要分为以下3种。

2.1 在线式测量法

a.在直流电源系统中，由蓄电池组给站内直流负荷供电，根据电池巡检模块找出容量最低、电压最低的蓄电池作为试验对象；

b.投入充电模块对蓄电池组进行充电，待蓄电池充满后继续充电1 h以上；

c.充电完成后，对蓄电池组进行放电试验，按照标准放电时间10 h进行，放电过程中，每小时对试验蓄电池进行数据统计，包括端电压、温度、内阻；

d.放电结束后，通过整流模块给蓄电池重新充电；

e.根据测量记录数据绘制放电曲线。

2.2 核对性放电试验法

a.在直流电源系统中，通过充电模块输出电压给直流母线供电，同时蓄电池输出到直流负荷，蓄电池放电前后记录蓄电池端电压、单只电池电压及实际核容，放出额定容量的30%～40%为止；

b.放电结束后，要对蓄电池组进行充电，充电过程中一般先均充，均充至定值时转浮充直至充满；

c.根据测量数据，由直流系统综合测试仪自动绘制放电曲线，之后再进行放电试验数据进行对比，以判断蓄电池运行状态。

2.3 定期核容放电

周期为1～2年，放电容量为80%×C10，使用放电电流0.1C负载型放电，发热大、风险高。如果某只电池小于80%×C10，进行活化处理并更换新电池。

现有蓄电池核容方法操作比较繁琐，首先至少需要2名维护人员，复杂的直流系统综合测试仪以及接线都会给核容工作带来很大困扰，而且还存在复杂的开票手续。另外，随着每个地市供电公司对直流系统的重视程度不同，很多蓄电池并不在定检周期内完成，很多都是超期进行试验，这给蓄电池的管理维护带来较大弊端。为解决蓄电池定期放电核容管理问题，蓄电池远程自动维护系统的使用在未来几年势在必行。

3 蓄电池综合监测及远程自动维护系统

本文提到的一种蓄电池远程回馈式放电及大数据监测管控技术的研究及应用，主要通过研制一套蓄电池综合监测及远程自动维护系统装置应用于各变电站。该维护系统主要分为两大功能，分别是监测功能和维护功能，主要对充电模块的输出电压、蓄电池组端电压及端电流进行监测，当蓄电池组满足放电要求时，能够实现蓄电池自动脱离直流母线，接入系统自带的逆变装置，通过自动控制模块实现放电。当系统检测到放电时间及放电电压达到设定的阈值时，系统自动接入逆变装置，同时接入直流母线，进行充电，充满后浮充一段时间后自动投入运行。这种在线维护及在线监测系统，能够解决蓄电池长时间充电而无法放电问题，能够监测蓄电池的实际运行情况。并且该项目研究的装置能把安全性在线放电放出的电量通过逆变回馈到电网，符合绿色环保要求。

3.1 蓄电池在线状态监测系统

蓄电池在线监测系统主要是对蓄电池组端电压、单体电压、内阻及蓄电池组温度、环境温度等运行状态参数进行监测，根据运行状态进行相应的告警动作，与蓄电池综合监测及远程自动维护系统装置配合完成蓄电池充放电、核容等维护工作，并记录保存运行数据，实现对蓄电池的在线监测，支持对蓄电池的自动化维护工作。

系统由1组蓄电池、1套监测系统以及安装在蓄电池室的电池在线监测单元和霍尔电流传感器、监测信息显示查询系统、蓄电池综合测试系统、蓄电池单体监测模块组成，2组蓄电池的监测信息显示查询系统共用1台主机，安装在控制室屏柜，具有3路RS485、1路RJ45网口、告警干接点输出。

系统组成结构：每个蓄电池正极或负极都连接有巡检模块，主要用来采集蓄电池电压及内阻和温度，并通过专用通信总线和专有规约与蓄电池在线监测单元通信。蓄电池在线监测单元通信安装在蓄电池附近，将蓄电池组的组端电压、组端电流及交流窜入电压采集处理后，从单体模块收上来的单体状态一起打包上传给蓄电池综合测试系统。蓄电池在线监测单元将当前的蓄电池工作状态与蓄电池综合测试系统下发的各个状态量阈值进行比较，当某些状态量超出阈值时，进行声光告警，并将状态量与告警信息打包上传给蓄电池综合测试系统。蓄电池在线监测系统组成如图1所示。

图1 蓄电池在线监测系统组成

蓄电池综合测试系统根据用户设置及当前电池工作状态，智能判定充放电过程，计算充放电容量，检测蓄电池组开路故障。并支持与CAC主站、放电装置，交窜直监测告警装置通信，记录电池维护和故障的历史数据，存储波形，并支持导出数据，供电站的维护人员参考，给后续投资、建设及维护工作提供依据。

3.2 蓄电池远程自动维护系统

蓄电池远程充放电系统主要包含能够对蓄电池进行远程充放电的成套设备、监控装置、放电设备、采集终端、操作终端、组合电器等。

远端监控平台:通过网络访问登陆进行蓄电池远端设备监测及控制的用户终端。

蓄电池监控装置:采集直流母线电压、蓄电池组电压、蓄电池单体电压/温度/内阻、放电模块温度等参数信息，并上传至上位机监控平台，对异常状况自动预警，同时接受上位机监控平台控制与调节命令的设备。

逆变器放电设备:采用逆变并网技术，将放电的电能转换成交流电并网到站用交流电，实现对蓄电池组无热量放电的一种电子装置。

集中控制单元:安装在厂站内的蓄电池远程充放电系统的监测、控制中心，协调系统其他设备工作以实现蓄电池监测的设备，可连接远端监控平台提供数据上行、下行功能。

双组切换装置:连接2组蓄电池组与逆变器放电，将其中1组蓄电池接入逆变器放电设备形成放电保护回路的设备。

离线式远程放电:通过远程控制技术实现蓄电池与直流母线脱离进行放电。

间接在线式远程放电:进行远程放电时，蓄电池组依然作为后备电源，当母线失压时，具备向直流母线供电的能力，但同时直流母线无法向蓄电池组进行供电，保证蓄电池组核对容量的独立性。

在线式远程放电:在远程进行充放电时，蓄电池组和直流母线随时连通，根据实际要求可随意相互连通。

结构组成：由蓄电池综合监测及远程自动维护系统主机、在线放电切换装置、充电屏状态监测装置、母联屏状态监测装置组成、在线回馈式放电装置、电控母联开关和其他电控断路器切换装置等具有3路RS485、1路RJ45网口、告警干接点输出。

3.3 蓄电池综合监测及远程自动维护系统组成结构

蓄电池综合监测及远程自动维护系统适用于2组蓄电池组、2组充电机的变电站。K1-K9均为电控带辅助触点断路器，K1为2组蓄电池母联断路器，K2、K5为充电机到母线断路器，K3、K4为蓄电池到母线断路器，K6、K7为充电机到蓄电池断路器，K8、K9为蓄电池到逆变电源断路器，以上所有开关都能电控操作，并且带有辅助触点。蓄电池综合监测及远程自动维护系统结构如图2所示。

图2 蓄电池综合监测及远程自动维护系统结构

放电前准备：以蓄电池组1放电作业为例，合闸母联断路器K1，分闸断路器K2、K3， 即可保证母线I段正常运行。

开始放电作业：以蓄电池组1放电作业为例，合闸断路器K8即可开始放电。

放电完成恢复：放电结束后，分闸断路器K8，合闸断路器K6，用充电机对蓄电池1进行均充充电，均充完成后自动转入浮充，浮充完成后断开断路器K6静置待蓄电池，待蓄电池电压与母线电压之差绝对值小于5 V即可投入断路器K3，再投入断路器K2，断开断路器K1，结束放电过程。

4 结论

a.蓄电池远程回馈式放电及大数据监测管控系统能够实时显示蓄电池组端电压、电流，单体电池的电压、温度、内阻，并根据设定阈值进行告警；将电池的历史电压、内阻、温度数据记录保存。

b.实现蓄电池在线自动维护，及时发现容量不足的蓄电池，全自动远程安全性放电控制策略，有效防范蓄电池放电过程的异常，并大大提高工作效率和质量。

c.实现蓄电池组安全性在线放电放出的电量通过逆变回馈到交流电网，放电发热量大大减少，符合绿色环保要求。

d.研究基于大数据的蓄电池监测信息管控技术，综合分析蓄电池的温度、内阻、端电压、电动势及充放电状态下的多种变量，记录蓄电池全生命周期，分析电池多变量变化趋势横向、纵向智能对比准确预判蓄电池状态，形成智能分析策略，通过横向、纵向对比大数据，实时判断蓄电池的运行状态。

e.研究基于云平台的二次检修安全风险精准管控与预警方法，全面记录蓄电池在线监测信息历史数据，记录蓄电池全生命周期大数据，利用其多变量变化趋势横向、纵向智能对比准确预判蓄电池状态，针对预置的告警、故障、危险点，实时对大数据进行数据分析，提前预警以及危险故障，并推送到指定检修站点的便携接入端。