变电站蓄电池在线检测、修复系统研究

包蕊（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

变电站蓄电池在线检测、修复系统研究

包蕊
（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

变电站每年有大量的报废蓄电池，这些报废的蓄电池加大了环境处理压力并污染地下水资源，造成巨大经济浪费。本文根据变电站直流系统中蓄电池的重要作用，分析目前变电站蓄电池运行、维护及在线监测装置的使用现状，提出了变电站蓄电池在线检测、修复系统。该系统具有日常维护检测、在线充放电、在线去硫化修复、综合分析、智能管理、自动报警等功能，在保证系统安全可靠运行的前提下提升了蓄电池的性能。

变电站；直流系统；废蓄电池；在线检测；在线去硫化修复；远程智能放电

1　概述

在线检测系统可实时监控和采集蓄电池组端电压、单体电压、电流、环境温度、剩余容量、蓄电池运行状态等参数并开展在线智能充放电，解决了长期以来人工测试手段落后，工作烦杂，测量数据不准确，只能定时测量等诸多问题［1］。实施在线修复，采用最先进的脉冲谐振技术，对于已经发生硫酸盐化的蓄电池可以起到渐进除硫的效果，达到在线修复并提升落后蓄电池容量的作用，解决了由于个别落后蓄电池导致整组蓄电池容量及性能下降的缺点，修复后部分落后蓄电池得以继续在网使用，降低了蓄电池的报废数量，延长了在网运行时间。

2　在线检测研究

2.1硬件设计

选用 ARM 系列处理器作为阀控铅酸蓄电池管理系统的核心［2］。ARM 处理器是采用 RISC 架构的32 位处理器，具有体积小，功耗低，成本低，性能高，能很好地兼容 8 位/16 位器件，寻址方式灵活简单，执行效率高等优点。

测量阀控铅酸蓄电池的主要参数有蓄电池单体的端电压、蓄电池单体的内阻、蓄电池单体之间的连接内阻、整组蓄电池的总电压、蓄电池组的充放电电流、蓄电池组的环境温度等。

2.1.1单体电压测量模块

蓄电池组由多只单体组成，采用光继电器作为多路输入开关，如图1 所示，每只单体蓄电池的正极和负极作为输入点，有 n+1 个输入通道，n 为蓄电池单体数量。

2.1.2常规参数测量模块

采用 TL431 为基准信号源（见图2），用运放提高基准信号的输出能力，在运放的反馈段接入电位器，调整电位器可调整放大系数，使测量基准为2.500 V±1 mV。基准信号采用电池单体电压相同的输入电路，在测量过程中，每隔 5 min 测量一次基准，可消除环境温度等因素对测量精度的影响，达到自动校基准的目的。由于两只单体电池之间的输入信号是反相的，奇数通道输入为正，偶数通道为负，为此，基准输入电路也分别有正负，测量奇数通道时，采用正基准，测量偶数通道时用负基准。对应 3 个量程，共有 9 个基准值。基准输入电路如图3 所示。

2.1.3充放电电流测量模块

蓄电池组的充放电电流的测量通常采用霍尔电流传感器测量方法。霍尔电流传感器的输出信号为-5 V～+5 V 的电压信号，与被测电路电气隔离，输入信号 HCurrent+ 与 HCurrent- 通过分压进行测量。霍尔电流传感器测量电流输入电路如图4 所示。

2.1.4温度测量模块

通常，采用将温度传感器安装在蓄电池组表面的方法来测量蓄电池的温度。因为蓄电池组与电源设备有一定的距离，所以，为了提高抗干扰能力，一般采用 4～20 mA 的电流输出型温度传感器，用1 ‰ 精度的采样电阻，把电流信号转换为电压信号。除测量蓄电池组的表面温度外，一般还要测量蓄电池组的环境温度，可采用同样的 4～20 mA 的电流输出型温度传感器，安装在蓄电池所在环境的适当的位置。温度传感器测量电路如图5 所示。

2.1.5内阻测量模块

阀控铅酸蓄电池大多失效模式都会引起电池内阻的增加，所以根据电池内阻的变化可以检测出电池性能的问题。通过监测单体电池内阻的变化情况能够较好地预测电池故障，因此可以用来替代频繁的放电试验。除非在充放电时，电池内阻的变化不大，所以由内阻的增大可以反映出电池容量和性能下降的程度。虽然电池的内阻与其容量有关，可以用来检测电池放电时的性能，但是这种关系不是线性的，因此不能用电池的内阻来直接指示电池准确的容量，但可以作为电池性能好坏的指示信号。

利用电源系统控制放电电流测量蓄电池内阻，通过控制电源系统的充电电压，使电池组产生不同的放电电流，测量不同放电电流下的电流和每只蓄电池的电压，来测量电池的内阻，本文采用此方法测量蓄电池的内阻，步骤如下：

第一步：调低电源对蓄电池的浮充电压，假设蓄电池组有 N 只电池，电压调整到 1.8 V×N，此时完全由蓄电池提供电源负载电流。如果电池的放电电流较大，大于 4 ×I10，20 s 后测量蓄电池的放电电流I1和每只电池的端电压 U1，如果电池的放电电流较小，小于 1×I10， 5 min 后测量蓄电池的放电电流 I1和每只电池的端电压 U1。

第二步：把浮充电压调回原来的值，测量第二点，测量此时的电流 I2和每只电池的端电压 U2。

第三步：用公式 Ri= （U1- U2） / （I2- I1） 计算每只电池的内阻。

2.2软件设计

该系统软件主要分为三部分：硬件设备驱动层、数据测量采集和处理层、应用服务层。下面对每一层的主要功能进行分析。

2.2.1硬件设备驱动层

硬件设备驱动层是三层结构中的最底层。采用硬件设备驱动层可增加硬件驱动的各个函数，把与上层服务的交互接口定义成统一的标准函数，保证了其上的两层与硬件无关，即使更换了 CPU 平台，也能保证上层服务程序的规范化和可移植性。2.2.2 数据采集和处理层

这层是测量蓄电池参数的数据采集核心层，基本功能是实现数据的采集和处理任务。它向下同硬件设备驱动层交互数据实现数据采集功能，同时又把经数据处理后的信息通过交互接口提供给应用服务层使用，因此，这层的功能基本上是固定的；但它实现的功能多，结构复杂，采用模块化结构方法，对实现的功能进行模块划分，规范模块间交互接口，保证模块间的低耦和度，有利于进行模块测试和方便维护，保证软件的可靠性和稳定性。

2.2.3应用服务层

根据该层实现的功能，应用服务层可以分为充电管理模块、放电管理模块、蓄电池当前容量的预测模块、蓄电池故障诊断模块、蓄电池修复模块、告警处理功能模块、与后台通信模块、控制命令处理功能模块、历史数据的记录查询及应用服务管理功能模块。

经过对系统软件的结构分析，由于功能固定采用统一数据交互接口的模块化设计方案来实现，因此核心功能部分可通过增加或减少应用服务层的各功能线程，而不用对核心程序作任何改动，就保证了系统软件的可靠性和稳定性［3］。该层实现蓄电池管理系统的各种特定功能。它通过标准接口从数据采集和处理层获取相关数据进行重新整理，实现对阀控铅酸蓄电池的智能检测、修复管理。

3　远程智能放电研究

全在线放电技术可保证被测电池组放电时还处于在线状态，最大限度地降低遇到市电中断时系统瘫痪的风险［4］。全在线放电技术不需要人工到现场调整或关闭直流设备，放电结束时不需要人工到现场进行充电恢复工作，不需要人工在现场职守，同一系统的两组蓄电池可共用一个放电模块。如图6所示：正常状态下保持 SMR 与通信设备联机，K1开关处于闭合状态使蓄电池并联到供电系统上，K2开关处于断开状态，即 K1 与 K2 开关为联动开关；通过断路控制模块可实现远程接通 K2 开关和断开K1 开关，实现假负载对蓄电池组核对性放电检测，并将检测参数记录上传；测试结束后断路控制 K2断开，K1 接通，实现对电池组充电恢复联机。可见，在测试期间无中断通信设备电源的风险。

4　在线除硫化技术研究

采用扫荡脉冲技术，通过主控柜中的在线修复模块进行除硫化修复［5］，如图7 所示。工作原理是主控制模块通过共振频率模块以可变频率、宽度及幅度的扫描脉冲对电池组进行扫描，确定落后单体IR 并确定共振状态，再以特定频率、宽度及幅度的脉冲进行修复，对整组电池不断发送扫描脉冲并由特定脉冲依次进行修复，直到整组电池 IR 趋于一致。同步干扰抑制模块将过滤扫描脉冲，以防止对通信设备产生干扰。通过实时在线修复，可以对硫酸盐化了的电池起到逐渐除硫的效果，以使部分落后电池容量提升，得以继续在网使用，而对于尚未发生硫酸盐化的电池可以起到预防的作用，同时改善电池的一致性，延长蓄电池的使用寿命，降低蓄电池的报废数量。

5　小结

该系统根据变电站蓄电池不同的实际应用情况，研究蓄电池消耗和物理损伤的程度，对在线蓄电池组进行各种参数检测，快捷有效地检测出失效蓄电池并进行修复，实现对变电站蓄电池在线参数检测、智能充放电、在线修复的功能，根据检测情况生成蓄电池日常维护报表，大大减少人工现场维护并记录的工作量，减少维护成本开支，减少报废蓄电池数量，降低投资成本，减少报废蓄电池对环境的污染，具有显著的经济、社会及环境效益，并具有很高的推广应用价值。

［1］ 苏鹏声， 王欢. 电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析［J］. 电力系统自动化， 2003， 27（1）: 61-65.

［2］ 田娟， 王成. 蓄电池在线检测系统的设计与实现［J］. 微计算机信息， 2010， 26（6-2）: 103-104.

［3］ 殷小红， 王中明， 周维宇， 等. 蓄电池智能在线维护监控管理系统在变电站中的应用［J］. 黑龙江电力， 2015， 37（6）: 547-550.

［4］ 杜爱宾， 刘延泉. 关于蓄电池在线监测系统的研究［J］. 电子测量技术， 2009， 32（10）: 95-99.

［5］ 张国山， 常蓬彬. 变电站直流电源蓄电池智能监测在线均衡除硫专家管理系统的研发［J］. 河南电力，2015（3）: 35-38.

The research on the on-line inspection and repair system for the substation batteries

BAO Rui
（Electric Power Science Research Institute， State Grid Liaoning Electric Power Supply CO.， Ltd.，Shenyang Liaoning 110006， China）

Every year， a large number of used batteries in the substations will increase environmental pressures and pollute groundwater resources， causing an immense waste in the economy. In this paper， based on the important role of storage batteries in substation DC systems， the current status of the battery operation and maintenance and the usage of online monitoring devices are analyzed，so an on-line inspection and repair system for substation batteries is proposed. The system has the functions of daily maintenance detection， online charging and discharging， online desulphurization repair， comprehensive analysis， intelligent management， automatic alarm and so on. On the premise of ensuring safe and reliable operation， the system can improve the performances of the batteries.

substation； DC system； used battery； online inspection； online desulphurization repair；remote intelligent discharge

TM 912.9

A

1006-0847（2016）04-186-04

2016-04-29