变电站直流系统并联蓄电池组核容技术研究

徐 峥

（国网镇江供电公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

直流电源系统在变电站中具有重要作用，是保证变电站内部各项设备稳定运行的重点。变电站设备的直流供电一般通过直流系统转化为交流电。当系统处于正常运行状态时，蓄电池组为充电状态，即不带负载。一旦出现事故且造成变电站交流系统失电时，蓄电池组可以作为变电站的应急电源，为设备的运行提供直流电。可见，蓄电池组供电不仅能够应对事故的处理，还可以使电网快速恢复正常运行。考虑技术的限制，固有电力运行管控方法缺乏有效性，智能监控系统的覆盖面积也较小，系统维护依然存在人工巡视与核对蓄电池容量的现象，效率较低。由于蓄电池容量核对需要花费较长的时间，必然会导致人力资源的浪费。如果变电站与蓄电池的数量持续增多，而运维人员人数并未增多，则将难以支持各组蓄电池的维护。本文将核容技术应用于并联蓄电池组，可有效处理交流系统面临的故障，保证变电站内部设备的稳定运行。

1 变电站直流系统结构

根据变电站直流系统的维护经验，它的工作电压以220 V、110 V、48 V为主。在不考虑交流配电的情况下，直流系统内部主要包括蓄电池、电池管理系统、直流充电模块以及直流负载等[1]。

蓄电池作为直流系统的重要组成部分，有防酸式蓄电池、阀控密封铅酸蓄电池以及镉镍蓄电池3种，其中以阀控密封铅酸蓄电池最为常见。直流系统的充电模块包括工频交流整流器和微机模块化充电机。直流回路在直流母线的作用下，为所有直流负荷中间环节提供电能，并按照负荷形式与供电路径划分为独立分支，具体包括断路器合闸供电分支和事故照明供电分支[2]。对于直流负载，按照功能分类，可以分为控制负荷和动力负荷。若按照形式分类，则可以分为经常性负荷、事故负荷以及冲击负荷3种。具体的直流系统结构如图1所示。

图1 直流系统

2 并联蓄电池组的应用原理

蓄电池串联不仅会降低单节蓄电池的质量，而且连接线会降低整组电池的稳定性。此外，串联蓄电池还有可能面临无法在线更换、新旧电池不匹配以及冗余配置投入成本高等问题。蓄电池并联技术受到从业者的极大关注，但考虑技术条件难以满足需求，一直未达到理想的应用效果。随着电力电子技术水平的不断提升，交流转直流技术、直流转直流技术、通信协议以及模块设计技术等愈发成熟，使得蓄电池并联的应用更为广泛[3-5]。并联蓄电池组如图2所示。

图2 并联蓄电池组

设计研发并联蓄电池模块，其中电压原理、电流原理以及容量原理分别如下。

2.1 电压原理

每节蓄电池需要独立配置交流转直流充电模块、直流升压模块以及中央处理器（Central Processing Unit，CPU）智能回路控制模块，从而构成智能蓄电池模块。蓄电池的电压为12 V，需要应用升压装置使各模块均能够独立输出直流电压（220 V或110 V）。

2.2 电流原理

110 kV变电站的设备常规直流负荷在10 A以下，因此前期设置参数以10 A为基准，按照2倍负荷加以配置。配置220 V输出电压、2 A输出电流，获得10组智能蓄电池模块，将其并联后，确定与20 A负荷要求相符。

2.3 容量原理

当变电站的交流系统失电时，蓄电池组为设备提供直流负荷。由于存在应急负荷，假设蓄电池组持续放电4 h且放电电流为20 A，在该条件下进行计算，得出单节蓄电池在持续放电4 h的放电电流为2 A，遵循能量守恒定律，与实际要求相符，可以确定单节蓄电池的容量为200 Ah。

智能蓄电池模块并联后，可以组成并联蓄电池模块组。利用该并联模式代替固有设计的多块蓄电池串联模式，能够满足额定电压要求。同时，充电模块采用蓄电池组整体充电形式，使得蓄电池可以更好地服务设备，配置整组蓄电池。

3 直流系统并联蓄电池组核容技术应用

3.1 核容技术应用于系统设计

针对直流系统并联蓄电池组核容技术的应用，可以将其作为系统设计的一种技术手段。该技术除了适用于单组蓄电池，还可以在若干蓄电池组并联系统中应用，使蓄电池组与直流母线远程核容脱离，也可以杜绝交流失电造成的断电问题。系统设计的对象主要包括核容管理平台、电池管理模块、核容模块以及远程放电控制盒。其中，远程放电控制盒由二极管和故障诊断模块等组成。按照电池组容量和电压等级，可以选择电力二极管或者直流接触器。

在设计阶段应用远程放电控制盒故障诊断机制，处于正常运行工况时，电力二极管导通压降设置为0.5 V，处于额定电流时的压降为1.6 V，选择直流接触器闭合接触电阻以1 mΩ为准。根据该诊断机制，判断二极管和接触器是否存在故障，具体判断标准如表1所示。基于该运行原理，可以在核容技术的作用下检测远程放电控制盒的运行状态。

表1 远程放电控制盒故障判断标准

3.2 核容模块

设计中，对于纯消耗型的负载核容模块，建议按照设备型号选择若干电阻条并联的形式。其中，电阻条的主要材质为镍铬扁丝，能够支持10 A电流。如果设备要求是50 A电流，那么在设计时可以选择5个电阻条并联。投入运行时，为减少单管功耗，建议增加金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的数量，从而扩大散热面积，并采用独立的恒流电路加以驱动。核容技术在应用中可以选择6个单管恒流单元，节点P和节点A均为并接方式，节点A能够调节恒流支路等负反馈电路，节点B采取接地处理，且与电流采样电阻相连。当有电流通过时，电流采样电阻会生成电压信号。放大该信号，且与电流基准电压进行对比，随后将其输出至A点，从而实现对MOS管开通电压的控制，再控制导通电阻和支路电流。

此外，核容技术可以应用于馈电式放电模块。该模块包括纯阻性假负载和电源模块等。其中，电源模块可以应用于恒流模式中的BOOST拓扑，能够提升核容环节的电压，直至稍高于充电机输出电压，从而提高直流端负载供电电压的稳定性。核容时，一般先以实际负载达到核容为目的，纯阻性假负载断开。电流通过电源模块，经过升压后为电路提供电能。若实际负载难以支持放电电流的要求，则按照实际缺失的电流，启动假负载运行。

核容期间，需要保证充电机的输出电压不变，被测蓄电池组为实际负荷提供恒流供电，从而达到在线恒流放电的目标。该过程中，另一组蓄电池组依然处于满浮充备份状态，以免放电时系统因故障而无法运行。

3.3 管理平台

当蓄电池组处于浮充运行状态时，对于核容模块内蓄电池组而言，其放电开关与母联开关均断开，远程放电控制盒中的蓄电池组输出开关闭合。应用核容技术创建管理平台，可以为该平台赋予遥测、遥信、遥控以及遥调等功能。选择核容蓄电池组时，工作人员需要科学设置技术参数，具体包括核容放电电流、放电容量、放电时间、温度、电流以及电压等。工作人员需要登录核容管理平台，确定远程核容蓄电池组无异常报警后，按照规定选取全容量/设定容量，并结合实际情况设置核容参数。电池管理模块按照发出的指令，控制远程放电控制盒中的蓄电池组输出开关断开。此时蓄电池组不再充电，直流系统的输出供电随之中断，蓄电池组放电开关闭合，随即开启负载模块，从而达到放电的目的。蓄电池远程核容平台发出指令后，便可以开启放电模块的运转，实现蓄电池组放电。

基于管理平台的运行原理，应用核容技术设计管理平台，可以选择如下3种模式。第一，处于正常核容状态时，如果没有出现交流失电现象，那么在结束后可以获得具体的核容分析结果，随后可以恢复蓄电池电路继续充电。若控制负载模块已经退出，则蓄电池组在充电过程中也会为直流系统输出供电。第二，若核容时出现交流失电现象，则工作人员必须马上中断核容，保护系统的运行安全。交流电恢复正常开始恢复蓄电池电量时，可以按照计划循序渐进实施核容。第三，正常核容后，若充电时依然出现交流失电现象，则需要立即对系统采取相应的维护措施。交流电恢复后，需要再次给蓄电池充电，待电能充满后，方可按照计划内容实施核容。

3.4 核容评估

站点蓄电池核容时，可能会发生交流失电，且很难达到完全深度核容。即便能够实现完全放电，也会因铅酸蓄电池的特性而导致很多蓄电池在未达到截止电压时出现难以准确评估性能的现象。针对这种现象，构建神经网络模型进行核容评估。神经网络中包括大量处理单元，用于描述非线性与多数据的并行问题。将神经网络应用于核容技术，选定输入样本，分别设定为A、C，且归一化处理样本得出隐层，表达式为

式中：By为隐层；f为[-1，1]区间的随机数；YMxy为输入与隐层权值；Ax为输入样本；θy为隐层触发阈值。

随后获得输出层，表达式为

式中：Cz为输出层；SWyz为隐藏与输出权值。

如果误差超出前期预设误差，那么权值与阈值需要在此阶段按照公式进行纠正，即

式中：n为变量；ηz为输出触发阈值；Sez和Yey为输出层与隐层的校正误差；α和β为学习系数。

该环节还需要应用MATLAB构建“一输入一输处”网络结构，并应用newff函数完成反向传播（Back Propagation，BP）神经网络的创建。网络训练阶段应用多输入学习样本和单输出教师样本的网络结构，要求当下容量和标称容量比值小于100%。输入样本是各蓄电池性能的放电数据，如果需要大量蓄电池放电，那么可以将各个蓄电池性能相应的放电曲线数组视为训练集。如果结束一次核容放电放出容量为50%的情况，那么采取每5%的样本集参与训练。因为输出样本范围为0%～100%，所以不需要采取深入的归一化措施。输入放电电压数据进行归一化处理，即

式中：vmin为放电截止电压；vmax为完全充满后的起始电压。归一化处理完成后，以2 V铅酸蓄电池为对象进行计算，得出vmin为1.80 V，vmax为2.15 V。若f(v)≥1，则记为1。此外，核容技术很难准确预测放电时电压发生突变的情况，需要探索其他输出，以达到补充效果。

4 结 论

针对变电站中的直流系统，若采用并联蓄电池组进行供电，则应用核容技术非常重要。通过该技术可以实现降本增效，且可以进一步提升变电站内部设备的运行安全性。基于核容技术的应用经验，需要在今后直流系统运维管理中深入探索，总结实效性更高的技术手段，以保障变电站的安全稳定运行。