通信及调度机房多组并联蓄电池组实现在线逐组核容关键技术方案

李伟杰++魏合民++李志波++王晓强

摘 要：随着电力电子技术、通信网络以及人工智能等技术的飞速发展与应用，直流电源系统在网络智能自动化方面得到飞速提升甚至已实现监控对象的无人值守，例如电站、银行、通信基站、调度机房等。而作为直流电源系统核心部件的蓄电池组在日常维护定期核容方面相较于完善的智能监控系统而言技术措施严重落后，因此本文就复杂配置情况下的多组并联蓄电池组实现在线逐组核容关键技术方案进行简要论述，为相关领域检测与监护设备设计研发人员提供技术实现参考。

关键词：蓄电池；在线核容；逐组放电；内阻检测；电池活化

Abstract： with the rapid advancement and wide range of application of the power eletronics technology， communication network and the artific intelligence， the DC power system has got rappid development both in networked and intelligentize， even has realized unattended to substation， bank， base station， engine room， etc. As the core components of the DC powersystem，the technical measures of maintenance and capacity testing regulary for battery is lagging behind the perfect intelligent monitoring system. Therefore this article makes some short specification on capacity testing of parallel battery online through group by group under the complex configuration， in order to give technical support for researchers in related fields of testing and monitoring equipment.

Keywords： storage battery； capacity testing online； group by group discharge； internal resistance detection； battery activation

中图分类号：F273 文献标识码：A

一、概述

直流电源系统被称为发电厂与变电站的心脏，同时也是通信基站、调度机房等重要场所设备可靠运行的保障力量，而如何实现直流电源系统全面完善地检测与监护，就成了设备安全稳定运行的关键所在。

在通信基站、调度机房等场所，直流电源系统在市电正常的情况下是作为后备电源运行，长期处于浮充电状态，极易造成极板硫化，蓄电池内阻增大甚至单节电池开路。在一些地区的变电站虽然实现了无人值守，综自系统覆盖了部分直流系统信息，但由于蓄电池长期处于浮充状态，常规巡检各节单体电池电压的方法很难确认蓄电池组的好坏，一旦发生事故蓄电池由浮充状态转为放电，放电瞬间可能出现开路无法输出的情况，造成事故扩大的严重后果，在深圳、吉林等一些地区已经出现过类似严重事故。国家电网公司颁布的《直流电源系统运行规范》明确要求：“新安装的阀控蓄电池在验收時应进行核对性充放电，以后每2～3年应进行一次核对性充放电，运行了6年以后的蓄电池，宜每年进行一次核对性充放电。”在通信行业中由中国移动颁布的《中国移动通信蓄电池维护管理规定》中要求：“一、二类蓄电池每两年应做1次容量放电试验，使用4年后应每年1次。三、四类蓄电池每3年应做1次容量放电试验，使用6年后应每年1次。”虽然相关部门对蓄电池测试维护颁布了一些政策举措，并且一个站点的核容测试时间间隔已经很大，但是由于站点分布具有全国广域性，数量众多，每个站点充放电1次至少两天测试时间，时间跨度长，从技术操作层面上很难百分之百执行到位。在实际执行过程中耗费大量人力物力财力并且在测试过程中存在人为操作失误等潜在危险，所以对蓄电池组的有效监护一直是困扰维护人员的一个难题。

二、国内外研究现状

目前国内有几家直流电源厂商及BMS厂商研发设计了具有自身特色的应用于变电站直流系统蓄电池组的在线式核容测试监护系统，一些系统已在内蒙、河北及青海等地一些电站进行试运用，但是从使用效果来看，几家厂商做的测试维护系统良莠不齐，实现方案也不尽相同、控制技术不完善、标准不统一，系统在稳定可靠成熟度上以及功能便捷性上还不够理想，较早投入运用的内蒙试点项目在设备运行过程中经常出现设备通信中断等异常情况，使得运维人员还需到测试现场人工介入才能完成放电核容测试。此外目前所有直流系统厂家所研发的在线式核容测试系统都是针对变电站直流系统应用，在通信基站、调度机房等其他场所应用还鲜有闻之。在变电站内直流系统通常是一段母线上只挂接一组蓄电池组，不存在多组在线核容的问题。而在通信基站及调度机房一般是多组蓄电池组并接在母线上，对于此种多组并联蓄电池组在线逐组核容测试在国内外尚未有案例，厂家通常做法是跨接一组中的单块或少数几块电池使其脱离供电系统然后单独进行充放电，此种方案附加器件繁多，接线繁乱，操作烦琐，降低了电源系统整体可靠性。所以目前针对通信基站及调度机房多组并联蓄电池组情况的在线式逐组整体核容急需提出一种可行与可靠的实现方案，填补此领域的技术空白。

三、在线式核容充放电方案论述

1.母线常规只挂接单组蓄电池时的基本方案

第一种为蓄电池正负极两端串接逆止整流管结合并接接触器和放电假负载，如图1所示。正常运行状态下接触器常闭接点和逆止管同时导通蓄电池组挂接在直流母线上，当执行放电测试时接触器动作，常闭接点打开，此时蓄电池组单向导通反向隔离充电机的充电功能，进而实现外挂放电假负载对蓄电池的放电。此种方案适用于变电站有两段母线各挂一组电池的情况，当一组电池做放电测试时母联开关闭合两母线短时并列运行由另一套电池临时带两段母线，核容完毕时恢复独立运行。当直流系统只有一组电池组时通常是做部分容量放电然后结合出厂标称曲线预估整体容量。但是对于多组并联蓄电池组情况在做电池组回充电时会出现电池组间的大环流所以不适用于多组并联逐组放电场合。

第二种为蓄电池组中每节电池并接终端单元，在做放电核容测试时通过隔离电池组中小部分串接电池进行局部充放电测试。如图2所示：此方案的优点是可以实现单节电池的电压补偿和跨接剔除。但是此方案配置附件繁多操作复杂增加了系统的不可靠程度，一旦附加在每节电池上的导流器件或控制单元出现问题可能导致整组电池不能正常工作甚至出现危险，此方案虽然实现了内阻检测但只能通过小电流放电实现，无法通过整组放电大电流放电法实现内阻检测，内阻检测精度不容易保证。总的来说，此种方案在成熟度上还有很多的问题待解决，此外此种方案也和第一种方案一样不适用于多组并联蓄电池在线整组放电核容的情况。

第三种为蓄电池组串接电压激励源当要执行放电测试时，激励源发生一个合适的电压从而提高电池组相对于直流母线的电位致使充电机输出被阻改为蓄电池组带载形成激励源导流，最终实现电池组的顺利放电。此种方案对激励源稳定性控制要求极高，所以此种方案基本不被采用。

第四种为直流系统原充电机组与放电单元联动方案，这种方案适用于新建项目，在初始设计时即进行充电机组与放电单元的有机一体设计，如图3所示，放电假负载可作为其中一个直流馈线支路的正常负载修正放电电流，充电机组由功率主供单元转为热备状态停止功率输出，转而由蓄电池带载实现放电核容测试，此种方案基本不改变原直流系统运行设计方案，对一二次回路均不做重构，附加器件少，运行可靠，当放电过程出现异常情况时充电机组由热备用恢复主供运行，保证负载的不间断正常运转，此方案对于两段母线或一段母线一组蓄电池情况均适用。不足之处是对于现实已存充电机组的直流系统改造站无法统一设计应用。另外就是对于通信基站及调度机房等多组并联蓄电池组的情况无法实现在线逐组核容。

2.多组并联情况下的在线逐组核容关键实现方案

多组并联在线逐组核容测试就是指两组或多组蓄电池组挂接同一段母线，不分段，不退出，每组单独放电测试。由于母线不分段情况下要实现在线逐组充放电，所以在这里提出了分级思路，即充电母线+负载母线架构方案思路。两组或多组蓄电池置于充电母线与负载母线之间完成并列分隔隔离，从而实现逐组放电目的，如图4所示。

直流电源系统正常运行状态下接触器KA1、KA2、KA3、KA4不动作，常闭接点闭合蓄电池组处于浮充状态。当启动逐组核容测试第一套电池组GB1开始放电时，接触器KA1、KA2动作，对应常闭点打开，此时逆止整流管实现第一套电池组与充电机组单向隔离，此时蓄电池组依然是未脱离负载母线的在线状态。第一组电池与充电机组单线隔离后放电单元控制器控制开关QF1合闸然后指令放电单元NQF启动，开始对蓄电池地放电测试，同时自动实时记录放电数据和监控放电系统运行状态，控制器一旦监控到异常情况或检测到某个参数达到预设保护定值，则指令终止放电过程恢复原运行状态。放电单元摒弃了常规放电电阻方案，取而代之为有源逆变器，这样在实现自动充放电后，有条件提高核容频次情况下可以有效节约能源，把蓄电池组放电过程中泄放的电量回馈电网使核容系统绿色环保，同时由于能量回收后没有了常规放电电阻大量热量释放，避免了排热不及时导致周围电力电子设备故障的严重影响，另外有源逆变单元属于模组化的智能负载，在放电过程中出现异常情况，例如与放电系统控制器通信中断时，逆变单元可以自动实现自身闭锁停止放电过程，这给自动放电测试增加一道保护屏障。

当第一组蓄电池深度放电核容完毕回充电时接触器KA1、KA2动作复归，对应常闭点导通，单向导流隔离取消，同时逆止整流管D2、D2v、D3、D3′实现对第一组与第二组电池的并列分隔隔离，避免了在第一组电池深度放电后回充电时与第二组电池压差过大导致大环流损坏电池或严重事故发生。

当第一组电池整个充放电过程完毕再次恢复浮充状态并且下一组电池放电准备就绪时放电系统启动下一组电池核容测试，即完成在线逐组核容，同样KA3、KA4动作D6单向导通隔离充电机组，回充电时D1、D1′、D4、D4′实现第二组与第一组电池并列分隔隔离消除可能的大环流。

图中调压单元即硅链区域依据现场带载情况选配，限制前一组电池回充电时充电机组改变浮充状态调整输出后的其他组电池自流深度，理论上现场电池组为两组并联时负载电流不大于0.25C时可以不加裝此单元，两组以上并联时，负载电流还允许进一步提高而不必加加装此单元。

3.多组并联情况下的在线逐组核容就绪使能及保护动作机制

系统放电就绪时全部电池组处于浮充状态，无影响该功能执行或者影响系统供电可靠性影响的告警：例如但不仅限于交流停电、交流缺相、整流模块故障（无法提供满功率、通信中断等）、系统电流不平衡、电池熔熔断器熔断、与电池柜监控通信中断、有源逆变模组及其他检测模块有告警、故障等。放电过程中的保护项至少包括放电容量达到预设值、放电时间达到预设值、电池组欠压、单节电池欠压、环境温度异常、主控器与任意执行单元通信中断、有放电模组任意模块运行异常等。

结语

本文论述了通信及调度机房蓄电池组多组并联情况下在线逐组核容方案，提出并列分隔隔离关键技术架构，解决了多组并联情况下逐组整体核容的难题，避免了采用少数几节电池分段放电测试方案对诸如小电流放电检测内阻精度等存在的不足以及繁杂的附件配置对系统整体可靠性的影响。此方案对相关领域技术人员提供了新的设计研发思路。

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