一键顺控蓄电池组充放电自动切换管理装置的研制及应用

王硕，马海，王伟，韩荣

（国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司，宁夏吴忠 751100）

1 存在问题

变电站站用直流系统作为各类电气设备的控制、保护电源以及合闸回路动力电源[1]，是变电站设备正常安全运行的重要基础。蓄电池组作为直流系统的备用电源常常处于浮充状态，当变电站站用交流失去或充电机故障时，蓄电池组迅速投入系统，提供站内所有直流负荷的供电[2]，故蓄电池组也被称为变电站直流系统的最后一道屏障[3]，若维护不及时可能造成变电站全站二次设备失压的风险[4]。蓄电池组核对性放电试验是检验当前蓄电池组容量是否满足要求，防止蓄电池组早期劣化的必要手段[5]。根据文献[6]中规定：“若经过3次全核对性充放电，蓄电池组容量均达不到额定容量的80%以上，可认为此组阀控蓄电池使用年限已到，应安排更换”。由于蓄电组的劣化，经常需对同一组蓄电池反复2~3次进行反复充放电，造成目前蓄电池组核对性放电试验存在以下弊端：

（1）平均单次放电试验时间约为13.25 h。由于放电试验装置的非智能化，采用有人值守方式，工作人员监视蓄电池放电试验时间长，工作效率低下[7]。

（2）蓄电池组与直流系统连接方式为电缆-熔断器连接方式，工作人员需要带电断、接直流电缆与熔断器间电缆最多可达18次，由于直流屏内空间狭小与直流系统不可停电等原因[8]，反复操作极易造成直流系统短路、接地及人员触电的风险[9]。

表1 工作人员带电断、接直流电缆次数统计

（3）人工切换站用蓄电池组、备用蓄电池组时会造成直流系统短时脱离备用电源的风险，此时若发生站用变故障，保护装置及分合闸回路都会失效，甚至会造成全站二次设备失压、事故范围扩大的风险[10]。

2 充电、放电自动切换管理装置的设计

基于上述分析，为避免多次核对性放电试验工作中直流系统短路、接地及人员触电等危险的发生，结合变电站站用直流系统实际工作情况，本文设计了“一键顺控蓄电池组充放电切换管理装置”，将变电站交流系统双电源转换开关（auto⁃matic transfer switching equipment，ATS）原理与物联网技术组合应用，实现了蓄电池组核对性放电试验全过程“无人值守”及一键顺控。

2.1 数据采集及电源切换回路的设计

若在蓄电池组核对性放电试验中实现对蓄电池组充电、放电、静置三种状态之间切换，首先实现站用蓄电池组、备用蓄电池组在直流系统与放电装置之间交替自动切换，在放电状态下，备用蓄电池组与直流系统连接，站用蓄电池组与放电装置连接；静置状态下，备用蓄电池组与直流系统连接，站用蓄电池组与放电装置断开连接；充电状态下，备用蓄电池组与直流系统断开连接，站用蓄电池组与直流系统连接。若要实现上述状态切换，应实现对蓄电池组核对性放电试验中各项关键参数进行采集，从而准确判断蓄电池组当前状态，如表2所示。

表2 蓄电池组工作状态判据

根据以上蓄电池组工作状态判据，将参数采集回路集成于装置内部，在直流母线与熔断器FU1、FU2之间加入电压变送器PT1，采集直流母线电压U1；在备用蓄电池组至断路器ZK3之间加入电压变送器PT2,采集备用蓄电池组电压U2；在站用蓄电池组与断路器ZK1之间加入电压变送器PT3,采集站用蓄电池组电压U3，加入电流互感器CT1,采集站用蓄电池组电流I1；在放电装置与断路器ZK2之间加入电流互感器CT2,采集放电电流I2（以上采集装置均加装在装置内部，无需改动直流系统原有接线）。

为满足蓄电池组在不同工作方式下回路接线方式，同时满足参考文献[6]的规定，借鉴ATS工作原理，在站用蓄电池组与直流母线之间加入断路器ZK1，在放电装置至站用蓄电池组间加入断路器ZK2，在备用蓄电池组与直流母线之间加入断路器ZK3，同时通过断路器互锁实现断路器ZK1与断路器ZK3不可同时闭合也不可同时断开。具体蓄电池组切换回路如图1所示。

图1 蓄电池组切换回路

对应蓄电池切换回路动作原理如所表3所示。

表3 蓄电池组切换回路动作原理

2.2 远程控制界面的设计与实现

远程控制界面实现蓄电池组充放电的“一键顺控”功能，工作人员不用在现场，就可以对蓄电池组核对性试验进行远程充电、放电、静置切换，同时将核对性放电试验各项数据进行了更直观的图形化界面显示，增加了数据储存功能，工作人员可通过手机APP查看到以往多组放电试验的放电情况。蓄电池组状态查询及远程控制界面如图2所示。

图2 蓄电池组状态查询及远程控制界面

2.3 监测准确性及切换可靠性验证

在蓄电池组静置状态下对直流母线电压、备用蓄电池组电压、站用蓄电池组电压实际值与监测值进行采集对比，验证电压采样误差是否处于行业标准±0․2以内；在蓄电池组处于均充状态且充电电流处于稳定状态时对蓄电池组充电电流进行监测值误差检验，在蓄电池组处于放电状态且放电电流处于稳定状态时对蓄电池组放电电流监测值进行误差检验，验证电力采样误差是否处于行业标准±1%以内；数据统计如表4所示。

表4 数据监测准确性统计

由表4可知，电压量数据监测误差与电流量数据监测误差均满足行业标准要求。

模拟蓄电池核对性放电试验40次，在40次模拟试验中断路器共动作120次，对120断路器动作情况进行了统计，集成式一键顺控蓄电池组充放电切换管理装置均正确动作，无误动作、拒动作情况发生，动作可靠率100%。

3 装置应用情况

此装置在54座110 kV，35 kV电压等级变电站蓄电池组核对性放电试验中应用，实现了“无人值守”及“一键顺控”。现场应用情况见图3。

图3 现场应用情况

应用效果表明，在蓄电池组核对性放电试验工作中，工作人员通过手机APP可随时管控蓄电池组放电情况，现场作业时间由原来的795 min，减少至193 min，节省工作人员现场工作时间75%，极大地提高了蓄电池组核对性放电试验工作效率。人员反复带电断、接电缆次数由原来的18次减少至现场搭建设备的3次，直流系统脱离蓄电池组运行时间由原来90 min减少至30 min，有效降低直流系统脱离蓄电池组运行带来的全站二次设备失压的风险，减少了直流系统短路、接地及人员触电的安全风险，在保障人身安全的同时，进一步提高变电站安全稳定运行水平。

4 结论

1）本装置实现了蓄电池组核对性放电试验的“无人值守”及“一键顺控”。本装置以智能化设备代替工作人员进行现场反复带电断、接直流电缆的工作，有效避免了直流系统短路、接地及人员触电的风险。

2）工作人员可通过本装置手机APP在线监视放电试验全过程，减少工作人员现场工作时间，减轻工作压力，在进一步提升作业本质安全的情况下，提升直流电源系统检修运维效率。

3）本装置可在110 kV及以下仅配备一组蓄电池的低压直流系统核对性放电试验中推广应用，实现了放电试验中充电、放电状态的无缝切换，免去了人工切换时直流系统短时脱离蓄电池组运行的时间，避免了由于直流系统脱离蓄电池组运行导致二次设备失压带来事故范围扩大的电网安全风险。