一种基于资产生命周期的变电站蓄电池组运维策略研究

纪哲夫

摘 要：蓄电池作为变电站直流系统的后备电源，其设计寿命与实际运行寿命有较大不同，选择长寿命的同时，必须付出更多的维护成本。综合考虑采购成本、维护成本和安全因素，对变电站蓄电池组的不同管理方案通过资产全寿命周期成本分析，最终得出既能满足电网可靠性要求，又能使蓄电池组的综合投资最优化的管理策略。

关键词：蓄电池；生命周期；数学建模；管理策略

中图分类号：F273.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.066

1 目的及意义

目前，绝大部分变电站使用阀控式铅酸蓄电池（下文简称“蓄电池”）作为变电站站用直流系统的后备电源。其设计寿命一般为10～12年，但从全国各地的长期实际运行经验看，变电站蓄电池组一般的运行寿命为6～8年。图1为某局2007—2012年更换蓄电池组统计图，每组蓄电池的平均运行寿命约为7.5年。其中，使用寿命在8年及以下的占所有更换的蓄电池组的88%. 使用年限的差异主要是由于蓄电池的制造材料、制造工艺、运行方式、运行环境和维护方式等几方面因素导致的。

本文着重从运行环境和维护方式两方面制订变电站蓄电池组的不同管理策略。

2 研究方式的选择

电力设备全寿命周期成本（life cycle cost，LCC）是从设备的长期经济效益出发，全面考虑设备从论证、研制、生产、运行、维护、故障直至报废处置为止在寿命周期内所支付的所有费用的总和。当前国内外在电力系统方面进行的LCC研究，主要注重于对资产值较高高压一次设备进行研究，在低压及二次等资产值较低的一些设备，LCC研究方面则略显空白。而一些低压设备，例如变电站直流系统蓄电池组，其折算后的年使用成本也较高，管理策略不够完善，需要通过LCC研究为其制订科学的管理策略。变电站蓄电池组符合LCC研究对象的四个基本特征，即维护检修费用大、关键部位产品、具备多选方案多厂家型号、研究结果可验证。基于以上条件，本文对蓄电池组的LCC成本进行最优运维策略分析。

3 变电站蓄电池组特性

变电站蓄电池组通过多个单体电池串联成组运行，当蓄电池组内有个体电池发生故障时，会导致整组蓄电池组性能下降甚至失效。如果新旧电池混用或不同厂家电池混用，则不同电池由于化学反应物质不同，端电压不同，内阻也不同。将它们串联使用，将造成不同蓄电池两端的电压不同，蓄电池加速损坏。在电池寿命前期和中期，整组电池的标准差σ几乎不变，当σ出现明显增大时，蓄电池的寿命就接近后期了。

根据混用的运行经验，新旧蓄电池混用是无法达到稳定运行的要求的。对于同时期投运，但运行于不同地方的同型号蓄电池混用，则劣化影响没有那么迅速。混用后，蓄电池组容量能短时达到要求，但运行一年后，蓄电池组将会有多个蓄电池

容量不符合要求，整组蓄电池将报废。即如果更换单体故障蓄电池，仅可延长蓄电池组使用寿命1年。

蓄电池组的这种相关特性，导致其无法进行修理。

4 蓄电池管理的LCC建模

下文我们将基于设备的全寿命周期成本，寻找既能满足变电站直流电源系统的稳定运行，又能使蓄电池使用成本最低的运维策略。

下文假定所有单体蓄电池的质量、特性符合厂家的描述和规范的要求。

4.1 LCC模型

4.2 投入成本CI

蓄电池组的投入成本主要由蓄电池组购置成本、蓄电池架购置成本和安装成本构成。根据蓄电池采购和安装价格，可得蓄电池组的投入成本CI，如表1所示。

4.3 运行成本CO

蓄电池组的运行成本占蓄电池组整个生命周期成本的很大一部分，主要是由设备维护成本和环境维护成本构成。

4.3.1 设备维护成本

蓄电池组的设备维护成本主要是由蓄电池组外观检查、电压测量、内阻测量、外观清扫和核对性充放电工作费用组成。由于蓄电池组核对性充放电工作费用占维护工作费用的绝大部分，且核对性充放电的策略较为多样化，因此下文我们主要讨论蓄电池组进行核对性充放电工作的策略。

蓄电池组充放电试验，按照全容量10 h放电率，放电10 h，充电15 h左右。一次充放电时间为26 h左右（不含来回路途时间）。一组蓄电池核容工作需3人/次，最少需要2个工作日，另外需要运行人员操作两次。核容工作每次约需0.8万元。

4.3.1.1 相关规定对蓄电池组核容的要求

根据《南方电网公司变电站充电机、蓄电池运维手册》规定，110 kV变电站蓄电池组每三年进行1次全容量核对性充放电，220 kV及以上变电站蓄电池组每2年应进行1次全容量核对性充放电，运行6年以上的蓄电池组，应每年进行1次全容量核对性充放电，我们定义为核对性放电方式一。

4.3.1.2 蓄电池组厂家的核容建议

蓄电池厂家说明书均要求较为频繁地进行全容量核对性放电，以保证蓄电池组内物质的活性。我们选取三个较为常用的蓄电池生产厂家对蓄电池的运行维护要求进行数据分析：①霍克（hawker），至少每年以0.1 C容量的20%～40%浅度循环放电一两次；②埃诺斯-华达，每年以实际负荷做一次核对性放电，放出容量30%～40%，每年做一次容量试验，放出额定容量80%；③日本汤浅（Yuasa），每年应对电池进行一次核对性放电，放出额定容量的30%～40%.

参考上述三种蓄电池的维护说明及相关规范要求，忽略规范对于不同容量的电池放电时间的不同，统一取次数最少的300 Ah电池的规定。同时，由于规范的要求是必须执行的，对于说明书不包含的深度放电试验，必须额外增加。综上所述可得，在蓄电池理论12年寿命周期内，按照蓄电池厂家说明书的要求，各品牌蓄电池组需要进行核对性容量试验的次数如表2所示，平均约为23次。

4.3.2 环境维护成本

蓄电池的运行环境较为苛刻，对温度非常敏感。蓄电池最佳运行温度为20～25 ℃，如果运行温度过高或过低，都将大大影响蓄电池组的使用寿命。现变电站使用的空调均为民用普通单冷空调，不间断运行下寿命短，容易出现运行中断现象，且无法制暖。如果选用工业精密机房空调，则会抬高使用成本。

根据市场价格，普通民用空调售价约为0.3万元，使用寿命约为5年，年均使用成本约0.06万元。工业精密机房空调售价约为1.5万元，使用寿命约为10年，年均使用成本约0.15万元。

4.3.3 运行成本建模

按照现有维护方式，即按照规范要求进行核对性放电，安装民用空调，承受部分时间空调停运。根据统计，在该种运维方式下，蓄电池组的使用寿命在6～8年之间，以下统计取最高使用年限8年，我们定义为运行方式一。

假设按照蓄电池组说明书的要求维护蓄电池组，可得蓄电池组理论上的使用寿命为10～12年。以下统计取理论最高使用年限12年。按照厂家的要求，在全生命周期内约做23次核对性容量试验，使用机房精密工业空调，保证运行的环境温度，我们定义为运行方式二，蓄电池组的使用寿命为12年。

上述两种运行方式的年均运行成本如下。

4.3.3.1 方式一：生命周期内运行成本

如表3所示，方式一下的生命周期内运行成本=8年生命

周期内核对性充放电次数×核对性充放电工作单价+普通空调年均使用成本×使用年限。

4.3.3.2 方式二：生命周期内运行成本

方式二下的生命周期内运行成本=12年生命周期内核对性充放电次数×核对性充放电工作单价+精密工业空调年均使用成本×使用年限）=23×0.8+0.15×12=20.2万元（注：各型号电池运行成本相同）。

4.4 检修维护成本CM

4.4.1 检修维护方法

参考相关规范“经过三次全核对性放充电，蓄电池组容量均达不到其额定容量的80℅以上”，说明确认蓄电池组容量出现故障，必须通过三次全核对性放充电，即当我们第一次全容量核对性放电不合格后，需要多进行两次核对性放电。

对于使用带有硅降压的直流系统，多采用54节运行的蓄电池组，可减少至52节蓄电池运行；108节运行的蓄电池组，可减少至104节蓄电池运行，将不会影响直流母线的电压要求。

根据上述情况，当蓄电池组经三次全核对性放充电后，蓄电池容量均达不到其额定容量的80%，我们认为蓄电池出现故障，并将故障方式分为以下两类：①54节电池运行的电池组发现2节及以内故障电池；108节电池运行的电池组发现4节及以内故障电池，我们定义为轻度故障。②54节电池运行的电池组发现超过2节故障电池，108节电池运行的电池组发现超过4节故障电池，我们定义为重度故障。

根据上述故障分类法，蓄电池组的检修维护方法可分为以下三种：①更换整组电池；②退出故障电池，其他电池继续使用，该方案仅适用于轻度故障，重度故障不适合使用此方式；③将故障电池更换为容量合格的电池。

如上文所述，如果更换单体故障蓄电池，可且仅可延长蓄电池组使用寿命1年。

蓄电池组必将经过轻度故障才会继续劣化至重度故障。因此，如果在轻度故障时，就将不合格电池更换为合格的电池，则仅能延长蓄电池组1年的寿命。此时，通过维护方法二先将电池退出后，等电池组出现重度故障后再更换电池，则延长的寿命可大于1年。因此在蓄电池组轻度故障时，我们不选择更换蓄电池。

更换单体蓄电池后，需再进行一次全容量核对性放电，确保蓄电池组容量符合要求。

4.4.2 检修维护成本

根据4.4.1的叙述，我们确认蓄电池组容量不符合要求，需要多进行2次全容量核对性放电。由于减少了重复配合、重复接线的工作，多进行的2次全容量核对性放电的费用约为0.6×2=1.2万元。因此我们定义确认不合格费用为1.2万元。由于更换电池后，蓄电池组寿命增加一年，需增加一年的运行费用和第二年确认不合格费用。

根据4.4.1，蓄电池的三种检修维护方法的价格分别为：更换整组电池费用为0，退出故障电池费用为0.2万元，将故障电池更换为容量合格的电池费用为更换电池费用、一年的运行费用和第二年确认不合格费用的总和，即0.8+0.86+1.2=2.86万元。

4.5 故障成本CF

变电站直流系统的主供电源是两路分列运行的直流充电机，备用电源是两路分列运行的蓄电池组，与充电机一一对应。在蓄电池发生故障时，需同时发生以下条件，方能导致电网负荷损失或事故范围扩大，这是由于：①对应直流充电机发生故障，不能提供直流电源；②在一路直流电源发生故障，另外一路直流电源尚未投入之前，发生电网故障；③电网故障与该站有关，且相关设备保护及操作等直流电源有取自故障直流母线电源的。

该类情形发生的概率是很低的，且与本文研究的蓄电池组的运维策略关联性较少，因此，在本文研究的蓄电池运维策略LCC模型中可以不计入故障成本。

4.6 废弃成本CD

蓄电池组废弃无增加的处置成本，退运的蓄电池组可进行拍卖，拍卖底价为蓄电池组价格的5%.按此计算，各类型蓄电池废弃成本如表4所示。

5 蓄电池管理策略数学模型

5.1 管理策略

通过4.3.3和4.4.1中对运行方式、检修维护方法和故障方式的叙述，我们通过选择相应内容从其中组合出不同的管理策略，具体如表5所示。

5.2 数学建模

我们通过建立不同策略下数学模型来计算蓄电池组年均运行成本，比较不同的管理策略，并选择最经济的蓄电池组管理策略。数学模型为：年均运行成本=LCC/运行年限=CI+CO+CM+CF+CD/运行年限=（投入成本+运行成本+检修维护成本+故障成本+废弃成本）/运行年限。

5.2.1 模型例证

以最常用的300 Ah、110 V电压等级蓄电池组为例，我们计算其策略二的年均成本。

策略二的年均成本=（投入成本+运行维护成本+检修成本+故障成本+废弃成本）/（运行年限+延长使用年限）=[（蓄电池组购买成本+蓄电池架购买成本+蓄电池安装成本）+（8年生命周期内核对性充放电次数×核对性充放电工作单价+普通空调年均使用成本×使用年限）+退出故障电池费用0.2万元+故障成本0万元-拍卖收入]/（8年+1年）=（7+3.68+1.2+0.2+0-0.35）/9=1.3万元。

通过同样的方法，我们可计算出300 Ah、110 V电压等级蓄电池组其他策略下的年均成本，具体如表6所示。

5.2.2 策略决策

通过上述策略年均成本的计算，我们可得到如下策略决策：①当蓄电池发生轻度故障时，采用策略二；②当蓄电池发生重度故障时，采用策略A。

6 总结

6.1 运维策略的选择

总结上文对于各型号各类型的蓄电池组运维策略的分析，可得蓄电池组运维策略如下表7所示。

6.2 运行方式的选择

从上述三种容量、两种电压等级的蓄电池组运维策略可看出，不论何种电池，采用运维策略一或策略二成本均小于策略三或策略四；采用策略A或策略B成本均小于策略C或策略D。即所有的蓄电池组采用运行方式一运行，其成本小于采用运行方式二运行。

按使用最为广泛的300 Ah、110 V电压等级蓄电池组计算，运行方式一的蓄电池组寿命约为8年，全生命周期成本约为11.5万元，年均成本约为1.3万元。而采用运行方式二的蓄电池组寿命约为12年，其全生命周期成本约为28万元，年均成本约为2.34万元。

按此计算，方式一比方式二每组蓄电池每年可省下成本约1万元，如果按每局400组蓄电池计算，每年可省成本约400万元。因此，虽然采用运行方式一的蓄电池组寿命较短，但其运行成本大大低于采用运行方式二运行的蓄电池组。因此，考虑经济问题，我们采用方式一对所有蓄电池进行运维，而不采用方式二。

7 结论

7.1 采用方式一对所有蓄电池进行运维

按照规范要求进行核对性放电，安装民用空调，承受部分时间空调停运，此运行方式最为经济。该种运行方式下蓄电池组使用寿命约为8年。如果为了达到蓄电池组12年的设计寿命，每局每年约需多支付400万元的维护成本。

7.2 对不同的蓄电池组需采用不同的运维策略

由于蓄电池组容量、电压等级、重要性均不相同，只有选用不同的运维策略，才能在保证安全性的同时，达到最佳的经济效益。

参考文献

[1]史京楠，韩红丽，徐涛.全寿命周期成本分析在变电工程规划设计中的应用[J].电网技术，2009（09）.

[2]桂长清.实用蓄电池手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

〔编辑：王霞〕

Abstract： The battery as a backup power supply of substation DC system， it is different to its design life and the actual operation life， choose long life at the same time， must pay the maintenance costs more. Considering the purchase cost， maintenance cost and safety factors， different management scheme of substation battery through the asset life cycle cost analysis， finally draw the conclusion that both can satisfy the reliability of the network， but also can make the comprehensive investment optimization of battery group management strategy.

Key words： battery； life cycle； mathematical modeling； management strategy