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摘要：蓄电池是一种直流系统的备用电源，在变电站中被广泛的应用，但因为在实际应用中完善的监测工具还是比较缺乏，往往导致直流电源电池由于出现问题造成了许多不必要的故障。一个有效的蓄电池在线监测方案的设计，是通过准确掌握电池内阻监测软件、电压和剩余电量等参数的设计选择。因此，蓄电池在线监测技术的优化方法选择是非常重要的，本文对蓄电池在线监测技术的概念及方法进行了分析。
关键字：蓄电池；在线监测技术；优化方法
引言：蓄电池作为直流运行电源系统的主要组成部分，在电力、铁路、石油、电信等行业发挥了重要的作用。近年来，蓄电池的使用和维修已成为国际电力技术的热点，且对电池的使用状态和运行监测正逐渐的得到了重视，所以蓄电池在线监测技术是目前研究和发展的热点问题。
1.蓄电池内阻的概念
欧姆、电化学及浓差极化3部分构成了蓄电池的内阻。当电池彻底充电和放电，内阻通常会产生约2-4倍的差距。随着电池充电过程的延长，电池内阻会渐渐的变小，随着电池放电过程的持续，电阻会逐渐的增大。另外，电池老化的程度越大电阻就越大，剩余容量也逐渐缩小。电阻变化率比电池电压变化率的电池充放电和全放电（端电压变化率为30%～40）要大得多，所以电阻R预测剩余容量比开路电压测量更精确。一般在变电站浮充电池中，蓄电池都是处于满功率状态，因此对电池内阻进行测量和与原始数据相比较时，可以分辨出电池的使用状态[1]。
电阻R包含电池内电极、电解液、分离器、电阻连接极和电池的所有组件，但在每个测量过程中都可以视电池内阻是不变的。由于浓差极化电阻是由离子浓度变化引起的，只要存在电化学反应，离子的浓度就是变化的，所以它的值是变化的。不同的测量方法和不同时间的测量，测量的结果会有所不同。电化学反应体系的性质是由活化极化电阻决定的；电池系统确定其结构，活化极化电阻决定了电池的寿命；只有通过改变反应电流密度才能导致放电电极结构和状态的变化，但它的数值是非常小的。
2.蓄电池及其在线监测技术现状
各种类型的蓄电池在线监测方法在国内外得到了广泛的应用，如容量放电法、放电曲线法、电压巡检方法、温度测量方法和内部电阻测量方法等，这些方法各有优缺点。从电池性能和测试技术的影响、透视效果出发，蓄电池的在线监测技术有两种类型：定性测试和定量测试技术。电压测试方法是一种定性测试，用来确定电池的性能，但它不是根据电池容量的电压参数预测；容量放电测试技术是定量的，电池容量指标是其测量的对象。由于电池的内阻存在一些复杂多变的成分，因此无法用普通的办法实施准确的测量，目前蓄电池在线监测用电阻测量的方法有：直流试验方法、交流电测试法和多频的电化学分析方法。
3.蓄电池在线监测系统的设计思路和原则
3.1设计思路
蓄电池在线监测系统的设计与研发可参考下面的思路：
蓄电池信息采集模块，实时数据采集，监测本地主机经过分析报警及显示，并将必要的信息凭借以太网上传，数据保存和数据库的使用，基于直流电源和蓄电池的运行状况实时进行PI系统软件的开发，并分析历史数据的曲线及动态电池性能趋势分析。
3.2设计原则
该系统采用技术先进、性能全面、功能稳定、减少浪费的原则，以及建设综合考虑，及时的进行维护和操作，并为以后的创建等因素提供了广阔的空间。该系统的设计目标是完整的、全面的、系统的；该方案具有科学、合理性和可操作性。此外，还应遵循以下原则：
（1）可靠性：该系统保证长时间运行的安全性。硬件、软件系统和信息设备应达到可靠性设计要求。（2）安全性：该系统有必要的安全防护和加密措施，通过森严的管理系统来满足系统的权限和有关信息的安全保密要求。随着较高的系统设计可靠性，在系统出现问题或故障引起停止后，可以确保数据的完整性和一致性，同时又具有快速恢复性能，且系统有一套完整的系统运行策略，可以确保系统的正常运行。（3）容错性：该系统具有一定的容错能力和抗干扰能力强。可以自动提示或消除各类用户的误操作现象。（4）适应性：系统可以更新和更换变电所直流的设备，通过一系列的简易创新或操作就可以完成，系统拥有了一定的适应性。（5）可扩展性：系统组建时考虑到未来技术的领域和应用的需要，可能扩大和更新甚至升级系统。该系统的硬件和软件应该具备升级的空间，不能因为硬件和软件扩展、升级而出现修改原有系统的行动。（6）经济实用性：该系统的建设全面考虑用户实际需求和电子技术的发展走向，按照现场用户环境，对网站的设计功能和系统配置要严格的按照用户的要求，进行有机的组合，做到最合理的性能价格比，目的是为了节省工程成本，所以为了确保系统的功能需求，在成熟技术的实际应用上应给予一定重视，让投入产出系统的建设达到最高，可以生成一定的经济效益和社会效益。（7）先进性：该系统的技术标准和质量评估达到国际先进水平；同时，系统的后期测试、软件程序和使用方法简单易控制，很符合该系统的体系建设现状。在许多国际先进技术中，该系统体现了控制技术和计算机网络技术的最新发展，当前的计算机以完全适应了时代的要求。同时，该系统是面临各种管理方向的系统，为用户提供一个愉快、安全、方便的功能，在操作上也是简单易控制。（8）可扩展性：根据项目实际需求扩展系统功能，设计方案留冗余，以满足未来的发展需求。对机房设备进行一定的容量控制，以改造系统中的新控制点，并将其计算机或自动化系统的连接接口也保留在系统中；尝试考虑未来科技发展的应用。（9）易操作性：实现了面向最终用户的目标，组建了和谐的用户交流界面，用户操作直观简单且易学。（10）优化性：在质量、性能、功能和服务等各方面的要求下，追求设备的最佳配置，以降低系统成本[2]。
4.蓄电池在线监测的方法
近年来，蓄电池监控装备厂家都推出了具有抗性监测单个电池技术性能的产品，在电池检测技术方面带来了质的变化，由被动电压监测转变为完整的监测方式，即以主动测试方法来监控电池的内部状态。通过快速检测，可以实现电池内阻、电池电流、电压和温度参数的监测，通过内部监控也能快速了解电池的使用状况。电阻在线实时监测方法可分为直流电阻测试和交流阻抗测试两种。
4.1直流内阻测试
直流电阻测试会使负载增加，因此测得产生的电流和电压，电压的变化值除以电流变化值就是电阻值（如图4.1）。
这种测试方法在于瞬间负载电流在电池组中产生，电池极柱上电压瞬间变化被测出来，在负载接通后的瞬间电压在降和断开负载后得以恢复，内阻被推导出来。在对直流参数有效测量中，忽略了交流信号，在高噪声的条件下此类型仪器能够运行，在线测试能够成为极大的可能性，这体现出对测量运行环境的广泛性，也就是说需要的测量条件并不高。
从工作原理上来说一组电池组能够形成多个循环，每次对内阻进行测量时，先对第一个循环放电，再进行第二个循环的放电，直到最后循环的放电。在放电中对每节电池放电曲线以高速的方式进行采集，对电池内阻进行压降的处理。在放电负载中对恒流负载加以采用，在放电中使电压处于不变的状态，可看出这种测试方法的高速性与不变性。
由此可看出这种测试方法的优势：系统每隔一定时间后，可对内阻进行一次性的自动测量，并不需要人工的干预；抗UPS干扰能力强，具有准确快捷性、安全可靠性。
直流电阻测试方法也有以下缺点：（1）放电电流比较大，这样可能会对电池本身带来不必要的损害；假如测得的频率过大，就会加大损伤累积的风险；（2）直流电阻测试方法只能测量蓄电池内阻的欧姆阻抗，没有偏振测量所以电池阻抗无法测量。因此无法成功的对蓄电池进行判断；（3）电池间的连接线需要超过10平方毫米厚厚，且该方法对放电器和连线可靠性的要求也较高。
4.2交流内阻测试
图4.2 交流电导法示意图
交流电阻测试方法是往蓄电池中加入特定频率的交流信息，因为电池的阻抗存在蓄电池的内部，凭借反馈电流信号测量蓄电池，通过信息处理，反馈信号的电阻与测量信号之间的差异即可判断蓄电池的内阻（如图4.2）。
交流测试法有以下特点：（1）由于不需要放电，可以躲避电池大电流放电造成的损害；（2）没有离线操作测验，避免了因系统产生的安全隐患，实时在线监测真正得到了实现；（3）在同一时间测量电池的欧姆电阻和极化阻抗，可以对蓄电池的健康状况进行更加可靠、真实的分析；（4）不使用负载测试，显著降低了监测设备的成本。
从以上可以看出交流测试方法的优点，但这种方法抗干扰性并不强。交流电阻与荷电状态呈正比例关系，交流电压在电池两端加上后，交流电流与频率具有相关性。从理论上看交流电流信号在电池中馈入之后，由信号产生的电压变化为电池电阻。受到信号幅值的影响，信号容易受到干扰的影响大。此外这种方法只能对大容量的蓄电池进行测量；当有大电流通过时，内部电极产生极化现象，极化内阻由此产生。如果测量时间过短的话，会存在很大的内阻值误差；大电流还会对内阻值造成损伤。
4.3戴维南等效电路
理想电压源可以等效为一个并联的电流源和电阻形式；理想电流源可以等效为电阻的串联电压源。戴维南等效电路相当于在线监测蓄电池，操作极其方便简单，计算也简单易懂且更加直观和清晰。可以清楚的了解蓄电池在线监测状态。
对于缺点，主要有以下几点：等效只是对外电路而言，内电路并不等效，运用这个定理并不能提出等效电阻与电源电动势；在对有源二端网络进行分析计算时，其网络电路仍很复杂；对有源二端网络只对线性适用，对非线性元件并不适用。
5.完善蓄电池在线监测的系统功能
传统的检测和放电设备一般都使用电阻丝来进行电池的放电，而且是手动操作，程序非常复杂，还涉及一些潜在的人身危害，现在检测和放电测试这一传统的审核试放电正逐渐的被淘汰。
交流单频测量法几乎可以用来测量交流电的各种蓄电池，这种测量对电池自身不会产生太大的损伤。单频交流测量方法在测量精度上是小于直流电阻测试方法的，电流纹波一般会影响测量精度，有时由电磁干扰电流会使测量结果收到影响，所以电路测试的抗干扰性能还有待提高。采用单频交流法（SOC）因子判据健康状况提取信息来确定电池剩余容量的阻抗并不是很充分，且单频方法平衡精度难以达到标准要求，同时还受其他复杂度等因素的影响[3]。
以上检测方法各有长处和短处，我们在选择在线监测方法的同时，应根据不同的应用条件和测试要求来进行选择，可以考虑使用2种或2种以上的方法来检测和分析，以提高对蓄电池在线监测的水平即标准。
结论：
综上所述，进行浮充蓄电池充电，电池一直属于热备用状态，而在交流电源中断时，蓄电池马上转向工作状态，为变电站不同的负荷提供工作电源，这时电池的容量在特定的时间必须满足所需的功率容量，电池的状态对变电站的正常运行起到了一定的作用。随着电力系统的发展，通信系统容量的增加，对用于这些领域的蓄电池的可靠性就提出了更高的要求，以此来满足实际应用的要求。因此，对蓄电池的维护和在线监测是日常运作必不可少的，逐步提高蓄电池在线监测水平变得及其重要。
参考文献
[1]李文亮,虢文兵,李卫,吴治军,廖松林,刘乐. 蓄电池在线监测技术的最优化方法选择[J]. 电子测试,2017,(09):95-96.
[2]张佳倖,陈小惠,杨焱存. 网络化蓄电池运行参数在线监测系统的设计[J]. 电子测量与仪器学报,2014,(02):177-183.
[3]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,(10):95-99.
论文作者:谭中杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/18
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