蓄电池智能在线维护监控管理系统在变电站中的应用

殷晓红,王中明,周维宇,王立杰,唐晓博,马晓翠

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030;2.鹤岗供电公司,黑龙江 鹤岗 154101;3.哈尔滨供电公司,哈尔滨 150010；4.国电哈尔滨热电有限公司，哈尔滨 150066)

●新技术与应用●

蓄电池智能在线维护监控管理系统在变电站中的应用

殷晓红1,王中明2,周维宇2,王立杰3,唐晓博3,马晓翠4

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030;2.鹤岗供电公司,黑龙江 鹤岗 154101;3.哈尔滨供电公司,哈尔滨 150010；4.国电哈尔滨热电有限公司，哈尔滨 150066)

在阐明铅酸蓄电池劣化及其修复技术的基础上,通过整合相关研究成果的特点,开发了集脉冲除硫→均衡充电→检测保护的三阶段蓄电池维护技术、多路输出分时循环除硫工作机制,以及集蓄电池网络化实时监控功能于一身的蓄电池智能在线维护监控管理系统。通过实际应用验证表明,该系统实现了蓄电池的网络化统一管理、电池性能准确甄别和蓄电池在线除硫维护等功能,其技术指标达到了预期的目标值,满足了现场运行需求。

直流电源;蓄电池;在线监测;在线维护;监控管理;变电站

变电站中直流电源系统主要由蓄电池组、充电装置、绝缘监控装置、电池巡检装置以及控制、保护电源等设备构成。其中,蓄电池对直流电源系统,乃至电力设备的安全稳定运行具有十分重要的作用。因此,防止蓄电池劣化,延长蓄电池寿命,减少蓄电池的维护难度,降低运行维护成本,是一项非常值得电网公司探讨的课题。

目前,变电站直流电源系统大多使用具有安装方便、维护工作量小、对环境污染少、可靠性较高的阀控式铅酸蓄电池。但在实际使用过程中,由于蓄电池的使用和维护不当,如经常充电不足,不及时充电或放电,势必引起硫化现象的发生。因此,为了克服铅酸蓄电池的硫化,已开发出多种铅酸蓄电池修复技术,如:大电流充电法、负脉冲法、添加活性剂法、高频脉冲法、复合式谐振脉冲法、恒流充放电法等[1-2]。然而这些修复方法大多是在蓄电池出现“硫化”后采取的补救式修复方法,而且需要采取退出运行的离线式修复,影响了直流电源系统正常运行。所以,为了提高修复效率,更好地服务于变电站,近年来国内各大院校及企事业科研单位相继开发出在线式修复技术。文献[3]提出了脉冲式间歇式充电方式,以降低和延缓蓄电池劣化趋势,针对蓄电池在线活化,提出以一定深度的充放电循环为基础,辅以激励信号,有效去除硫酸盐,抑制蓄电池失效的蓄电池在线活化技术,可以恢复蓄电池容量10%～35%,同时分析蓄电池最佳活化时机,使蓄电池保有容量达40%以上。文献[4]开发了蓄电池实时在线监控系统,由蓄电池监测设备和控制中心机构成,充分利用变电站中的各种通信资源进行命令和数据的传递,实现了实时监测、智能诊断、容量估计、远程维护等功能。文献[5]开发了大集控直流蓄电池监测网络化管理系统,由监控主机、电池电压采集模块、放电模块、通信接口板、服务器等构成,可在线自动监测单体电池电压、电池组组端电压、充放电电流和温度等参数,并通过大网上传到远程监控计算机分析和诊断,提前预示电池性能趋势。文献[6]提出一种基于在线诊断技术的直流电源系统状态检修模式,利用基于状态空间预测要求的卡尔曼滤波器对蓄电池剩余容量及状态进行诊断及预测。本文为了进一步提升应用于变电站的蓄电池在线修复技术水平,使其既能在线维护蓄电池,提高蓄电池性能,又可以远程监控,提供蓄电池的主动维护,开发了一种新的电力系统直流蓄电池智能在线维护监控管理系统。

1 系统的开发

开发的系统功能为:

1) 采用脉冲除硫 → 均衡维护→ 检测保护三阶段蓄电池维护技术,有效提高蓄电池各节电池充电的均衡性,防止电池的快速劣化,延长蓄电池的使用寿命,提升电池容量及整组电池供电能力。

2) 采用多路输出分时循环除硫的工作机制,有效保障蓄电池在线维护效果,同时避免因设备工作时对站点其他设备产生不良影响。

3) 有机整合蓄电池在线维护功能和蓄电池网络化实施监控功能,实现在线维护与监控的一体化。

4) 开发蓄电池在线维护监控管理网管平台,实现蓄电池信息的统一网络化管理,蓄电池在线维护效果分析,以及蓄电池重要信息告警等功能。

该系统由蓄电池在线维护仪(远端硬件)、服务器(局端硬件)、蓄电池在线维护系统网管平台(局端软件)三大部分组成。

蓄电池在线维护仪安装于蓄电池所在变电站站点,采集蓄电池运行的各项参数(包括站点供电状态、电池组端压、电池内各单体电压、电池充/放电电流、电池温度等);将采集到的蓄电池运行参数发送至服务器端,接收服务器端发送的各项控制指令;通过设备与蓄电池端的连接线向蓄电池输出除硫脉冲和充电电压,从而实现对蓄电池的均衡充电和在线除硫维护。

服务器使用远端外网设备,蓄电池在线维护仪内部的数据发送模块与服务器端建立数据连接,一方面将实时采集到的各项电池运行参数发送至服务器端,另一方面负责接收服务器端传送的各项查询和控制指令,实现数据的双向传输。

蓄电池在线维护系统网管平台安装于服务器内,负责上传数据的采集、WEB界面显示、数据后台分析计算和存储等,通过该平台对上传数据进行分析处理,可实现站点蓄电池各项参数的实时查看、站点隐患智能分析和维护指导、电池均匀性变化分析等功能,以指导维护人员更加科学高效地维护蓄电池。

1.1 系统硬件与功能

蓄电池在线维护仪为系统硬件设备,应用于变电站单体电池为2 V的蓄电池组,最多可管控2 V/24节单组电池。

1.1.1 在线维护功能的实现

以2 V/24节蓄电池组为例,蓄电池输出接口为25位端子,输出线分别接入各节单体电池的正负极柱,设备工作机制采用脉冲除硫 → 均衡维护→ 检测保护三阶段分时循环。

从以上工作机制来看,脉冲除硫阶段对已经硫化的电池恢复其特性;均衡维护阶段减小电池组各单体电池的差异性,有效阻止再次硫化;检测保护阶段使电池始终处于安全状态,同时避免过充,当再次出现差异时可以自动启动工作。通过这种在线维护方式将高于平均值的单体电压拉低(在线维护降低其内阻),将低于平均值的单体抬高(欠充电池补充其能量),从而有效消除电池劣化,使整组电池性能显著提升。

1.1.2 各项电池数据采集功能的实现

蓄电池单体电池电压和总电压的采集:蓄电池输出接口不仅完成对各节单体电池在线维护的功能,还通过该接口采集各节单体电池的电压和总电压。

蓄电池温度采集:设备内部内置温度传感器,温度传感器采集探头置于电池附近,即可采集到电池所处环境温度。

图1 设备级联功能示意图

蓄电池供电状态信息采集:通过电池电压和电池电流的变化综合判断站点是否处于停电状态,站点停电标志包含在上传数据内。

1.1.3 设备级联功能的实现

单台蓄电池在线维护仪最多只能管控24节电池,如果单组蓄电池的单体电池节数超过24节,就要通过设备级联接口进行扩展。

例如站点蓄电池为2 V/108节单组,则五台设备级联后,1号设备作为主设备管控前24节电池,2号设备作为从设备管控其余12节电池,依次类推,所有采集信息均通过级联接口汇总至1号设备,通过GPRS/3G模块发送至服务器端。连接示意图如图1所示。

1.1.4 数据传输功能的实现

数据传输功能通过设备上的无线模块实现。

1.2 系统软件及功能

1.2.1 服务器端软件

服务器端软件包括Linux操作系统、在线维护系统采集软件、Oracle数据库、蓄电池在线维护系统网络平台。

软件共分为四层。

表现层:以动态图形及声光报警展现站点实时采集的数据并进行分析,对不良蓄电池进行声光报警和短信发布。

数据交互层:将结果数据通过国家标准数据交换格式(xml和json)进行传输。

数据处理层:将采集到的模拟量进行分析和存储,并生成分析结果。

数据采集层:定时对各机房数据进行采集,并交数据处理层处理。

1.2.2 软件功能

采用Linux5.5版本操作系统,是服务器端各应用软件正常运行的基础,具有系统安全性高、网络功能丰富、可移植性好等特点。在线维护系统采集软件负责接收各站点数据的上传和服务器端相关指令的下发。采用Oracle10.2g版本,对各站点数据进行存储。

蓄电池在线维护系统网管平台主要功能为站点上传数据显示、曲线分析、报表统计等。维护人员只需访问该网络平台,即可查看站点蓄电池实时运行状况,从而及时发现劣化蓄电池组。

1.3 系统网络架构(最大架构模式)

系统网络构架如图2所示。

图2 系统网络架构示意图

采用双服务器一级网络结构,即在网络维护监控中心架设两台服务器,每台服务器均安装相应的蓄电池数据采集软件、数据库软件、web服务器软件,一台作为主服务器,另一台作为热备用服务器。

服务器端有一个广域网静态IP地址,两台服务器通过路由器与外界连接。蓄电池端每组电池所配备的智能在线监测维护仪可通过RJ45端口或GPRS/3G模块,与服务器进行通讯。各级蓄电池维护人员通过本地浏览器,按照管辖区域可对蓄电池组进行实时查看及维护。

2 系统的应用

经研制开发后,该系统于2014年9月应用于鹤南变2 V/104节蓄电池,并对其进行了测试。鹤南变蓄电池为哈尔滨九州蓄电池生产,型号为GFM-300,标称容量300 AH,电池数量2 V/104节,2010年投运。

初测于2014年9月4日进行,预测放电时长3.0 h,(放电时间达到预定值时,自动停止测试),预设放电电流30 A。放电因预设时间达到而自动停止,放电停止时,第25节电池电压最低,为1.980 V。复测于2015年4月2日进行,预设放电时长7 h,预设放电电流20 A。同样是在放电时间达到预设定值时,自动停止测试,放电停止时,第80节电池的电压最低,为2.066 V。两次测试结果如表1所示。

表1 蓄电池初测、复测参数结果对照表

从表1可以看到,通过蓄电池智能在线维护,单体电池电压均有所提升,如初测时的第25节电池,电压降至1.980 V,复测时升至2.073 V,提升了电池性能。此外,复测最低单体电压第80节的单体电压达2.066 V,电池电压的整体均匀性比初测时有所提高;整组电池容量得到了提升,提升量达55.68AH(复测容量146.439AH-初测容量90.758AH),容量提升百分比达18.56% ((复测容量146.439AH-初测容量90.758)/标称容量200AH×100%),去硫化效率达61.35%((复测容量146.439AH-初测容量90.758AH)/初测容量90.758AH×100%)。由此表明,电力系统直流电源蓄电池智能在线维护监控管理系统,通过对放电过程中各单节电池电压的监测,可及时准确发现整组电池中落后单支电池,从而有效指导维护人员对电池进行有针对性的维护,消除故障隐患,消除电池长期浮充形成的硫化,提高了单体电池电压均匀性,有效地提升了电池的性能和整组蓄电池供电能力。

3 结 语

通过蓄电池智能在线维护监控管理系统的开发,以及现场的安装、调试、运行、测试等对成果的验证,最终实现了蓄电池的网络化统一管理、电池性能准确甄别和蓄电池在线除硫维护等功能,其技术指标达到了预期的目标值,符合现场运行需要。

由于电力系统使用蓄电池范围广、数量大,本研究推广意义重大,包括合闸电源、无人值守变电站、UPS供电系统的蓄电池,均可通过该系统进行在线维护和管理,提高现有蓄电池维护管理水平和维护效率,降低运行维护成本,减少运行维护人员的维护强度和维护难度。此外,从降低电池采购成本和提升电网电池使用寿命的角度,可产生较大的经济效益和社会效益。

[1] DL/T 724-2000.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程[S].北京:中国电力出版社,2000.

[2] 国家电网生[2005]172号文,直流电源系统运行规范[S].北京:国家电网公司,2005.

[3] 于雷. 后备铅酸蓄电池在线诊断与活化技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007. YU Lei. Research on backup lead-acid battery online diagnosis and activation technology [D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007.

[4] 鲍慧,齐焱焱,韩少勤.变电站蓄电池集中监控系统的研究[J].科技信息,2012(32):122-124. BAO Hui, QI Yanyan, HAN Shaoqin.Research on substation battery centralized monitoring system [J]. Science and Technology Information, 2012(32):122-124.

[5] 白小根. 大集控站直流蓄电池监测网络化管理 [C]//中国电机工程学会年会论文集.西安:中国电机工程学会,2007. BAI Xiaogen. The networking management of direct accumulator monitoring in great centralized control station [C]//CSEE Symposium.Xi’an: CSEE, 2007.

[6] 郝晓光,李秉宇,陈晓东,等. 直流电源系统网络化状态检修模式的研究 [J].河北电力技术,2011,35(9):1142-1145. HAO Xiaoguang, LI Bingyu, CHEN Xiaodong, et al. Research on CMB model of DC source system based network [J]. Hebei Electric Power Technology, 2011,35(9):1142-1145.

(责任编辑 郭金光)

Application of intelligent battery online maintenance and monitoring management system in substations

YIN Xiaohong1,WANG Zhongming2,ZHOU Weiyu2, WANG Lijie3,TANG Xiaobo3，MA Xiaocui4

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. Hegang Power Supply Company,Hegang 154101, China; 3.Harbin Power Supply Company, Harbin 150010, China；4.Guodian Harbin. Thermal Power Co.,Ltd，Harbin 150066,China)

On the basis of expounding the lead-acid battery deterioration and restoration technology, through the integration of the relevant research results, this paper developed pulse sets in addition to sulfur, equalizing charge detection and protection of three-phase accumulator maintenance technology, multi-channel output cycle in addition to the working mechanism of sulfur, and battery network of real-time monitoring function in a body of the intelligent battery online monitoring and maintenance management system. The practical application shows that this system realizes network unified management of battery, accurate discrimination of battery performance and battery online desulphurization, which make the technological index reach the target value, meeting the requirement of onsite operation.

DC power source; battery; online monitoring; online maintenance; monitoring management; substation

2015-07-07。

殷晓红(1965—),女,高级工程师,从事电力科技环保监测与研究工作。

TM912

A

2095-6843(2015)06-0547-04