2广州市仟顺电子设备有限公司 广东广州 511430；
3.广东电网有限责任公司东莞供电局 广东东莞 523000）
摘要：随着电力体制的改革，以及计算机、自动化技术的发展，变电站逐渐往自动化、智能化、无人值守的方向推广建设。而蓄电池是变电站站用直流供电系统的重要组成部分，承担着变电站二次系统负载提供安全、稳定、可靠的电力保障，确保变电站控制、保护、通信设备的正常运行。而蓄电池的性能可以从蓄电池的容量直观体现，但目前电力行业绝大部分使用“负载式”的放电技术对蓄电池核容，存在着操作复杂、工作量大等缺点。因此，采用简单高效的方式对蓄电池进行核容放电在维护管理上显得尤为重要。本文针对变电站蓄电池维护的现状，设计一种变电站蓄电池远程维护系统，可以对蓄电池实现远程在线放电核容，使得蓄电池在维护上更加智能、环保、高效。
关键词：在线放电；蓄电池；直流电源系统；电力系统；
Abstract：With the reform of electric power system and the development of computer and automation technology，the substation is gradually promoted to the direction of automation，intelligence and unattended. Battery is an important part of DC power supply system for substation station. It provides safe，stable and reliable power guarantee for secondary system load of substation，and ensures the normal operation of substation control，protection and communication equipment. The performance of the battery can be reflected directly from the capacity of the battery，but at present，most of the electric power industry uses the "load type" discharge technology to deal with the core capacity of the battery，which has the disadvantages of complicated operation and heavy workload. Therefore，it is very important to use simple and efficient way to carry out nuclear discharge of battery in maintenance and management. According to the present situation of battery maintenance in substation，a remote maintenance system for su bstation battery is designed in this paper，which can realize remote online discharge core capacity of battery and make battery more intelligent，environmentally friendly and efficient in maintenance.
Key words：On-line discharge；storage battery；DC power system；electric power system；
引言
在变电站中，直流系统的稳定性极为重要，而蓄电池是直流系统的重要单元，其在交流停电时为负载不间断供电[1]，以及为事故保安负荷等提供工作直流电源，保证变电站的供电设备能正常运行，其可靠性和稳定性关系到直流系统的运行质量和安全。所以必须采取一定的措施保证蓄电池的性能，防止由于蓄电池故障导致的保护设备拒动事故，有效提供2小时的事故放电能力。而蓄电池的剩余容量能直观的体现出其性能。如果蓄电池组存在缺陷，那么系统发生故障时系统长期处于限压限流的浮充电运行方式或者只限压不限流的运行方式，无法准确地知道蓄电池组的现有容量，也无法判断蓄电池内部是否失水或干枯。在变电站或者发电厂中直流电源系统故障多是由于平时没有对蓄电池的性能进行准确的判断，或者判断的难度也相对较大，严重影响到直流电源系统甚至电网的安全运行。
核对性放电通常作为判断蓄电池容量缺陷的重要手段。而核对性放电是否实用准确严重影响了工作人员的效率以及人身安全。目前的核对性放电的方式通常为“负载式”放电，需要人为现场值守放电，人工成本高，放电过程中蓄电池组需要退出运行，这相当于形成了一个直流系统电源的漏洞，电量通过热量流失没有起到环保的作用。因此，为了降低人工成本，以及提高直流系统的稳定性，研制出一套可以安全高效的在线放电的系统就显得十分必要。
本文研究了一种基于并网逆变技术的蓄电池在线远程维护系统，改变传统须要人为频繁干预的管理方式，实现蓄电池在线维护管理的无人值守，弥补蓄电池维护的繁琐和低效问题，对蓄电池实现智能化和高效化的实时在线监测，为变电站直流系统的长期运行提供了有力的保障。
1 蓄电池远程维护系统
1.1 系统介绍
蓄电池远程维护系统是一套针对电力变电站蓄电池维护的智能系统，可对蓄电池组进行实时在线监测，并及时发现问题电池以及母线问题并及时告警，让维护人员实时掌握蓄电池组以及母线的运行状况；可实现对蓄电池组进行远程/本地充放电测试，从而了解蓄电池组的实际容量以及可备用时间，保证直流系统可靠运行[1]。
蓄电池远程维护系统采用模块化设计，所有硬件都可分体独立安装；系统界面以图形化展示，操作上具备人性化和智能化；系统用以太网作为信息数据传递的载体，其后台软件其具有强大的管理和分析功能[1]。
1.2 系统组成
图1 系统框图
如图1所示，蓄电池维护管理系统包括以下部分：蓄电池监控主机、电池采集模块、集中监控装置、充电机、逆变放电模块、蓄电池后台系统。每个部分都负责相应功能，分别有：在线监测功能、逆变放电功能、自动调压功能、远程控制管理功能、在线放电时的通讯控制功能。
当需要放电的时候，蓄电池监控主机会执行安全检查，检查通过接着通过控制充电机进入均充状态，均充10分钟内判断蓄电池是否有开路。如没有开路现象接着转回浮充状态，并且把浮充电压调至放电截止电压。此时，直流系统由蓄电池供电，控制逆变放电控制器进行DC/AC放电。在放电过程中，监控主机会根据采集的电池信息。判断蓄电池是否有故障，以及对容量的评估，同时会一直检查是否达到停止放电的条件。当监控主机监测到任意异常或者达到了停止放电条件，则会自动停止放电然后控制集中监控转入充电模式，结束本次放电过程，如图2所示。
图2 在线放电流程图
1.3 系统功能
1.3.1 在线监测功能
蓄电池监控主机、监控终端和电池端采集模块可以组成一套完整的蓄电池监控单元，其具备丰富的在线监测功能，包括：监测电池组电压、电池组电流、各单体电池电压、内阻、温度。电池采集模块采集每个蓄电池的相应信号并传给监控终端，监控终端把数据处理完传给监控主机存储和显示。不断循环，实现对蓄电池的自动检测。其检测功能如图3。
图3 蓄电池监测单元框图
监控主机把每个获取到的数据存储起来并以表格和柱状图以及曲线图的形式直观地显示出来，同时监控主机会根据蓄电池组的电压和电流自动判断蓄电池组当前是浮充、均充还是放电状态，并且把当前实时数据跟相应的告警门限值进行比较，从而发出相应浮充、均充或者放电状态的告警信号，并且生成相应蓄电池状态的记录；监控主机还会实时把所有数据和信号都上传到服务器，结合蓄电池远程放电维护管理系统软件，以更加直观更加方便的形式展现出来，以便日后查询和维护。
在线监测功能在蓄电池远程维护系统中充当一个前端监测控制角色，所有数据源于此，并协调着充电和放电设备以及后台的工作，在在线放电系统中充当核心角色。
1.3.2 基于并网逆变的放电功能
针对人工携带放电仪对蓄电池组进行放电的传统方式存在受人为因素影响大、维护工作量大、效率低、安全性不高、可靠性不高等问题，本文采用并网逆变的方式，实现对蓄电池组实施远程放电维护，把蓄电池组的直流通过逆变器转换为交流输出到低压交流电网[1]。其只需一次施工接入直流屏，后续都不用人工操作干预。
逆变器采用DC/DC-DC/AC链接结构，其中前级DC/DC实现直流输入和交流输出的隔离。输入直流先经过输入EMI滤波器后，通过LLC全桥谐振变换器，隔离输出760V左右直流（±380VDC），再通过半桥逆变电路，将760V直流转换为与交流旁路同频同相和同幅电压。并网逆变器工作时相当于一个交流电流源，按照设定的电流将直流能量转换为交流能量回馈到电网中。工作原理框图如图4所示。
图4 逆变器工作原理框图
本次研究中，逆变装置的交流侧采用三相交流接入站内的电网，输出的每一相的相位都会自动同步。逆变效率大于90%，发热量不大，其电流谐波小于5%，在做到节能环保的同时，也做到了不影响电网品质，而且相对采用放电仪进行放电的方式更加方便安全可靠。
在进行在线放电时，逆变装置会自动判断交流电网是否异常并结合蓄电池监控主机的命令来判断是否进行逆变操作，防止更多的问题出现，保证直流系统的安全性。
1.3.3 自动调压的实现
根据中国南方电网电力调度控制中心，2012年12月24印发关于“电厂直流电源切换问题讨论会议纪要”，就直流电源切换问题进行分析论证，并提出了“直流母线及直流分电屏严禁采用任何形式的直流电源自动切换”反措要求。所以本系统采取的是调节充电机输出电压的方案。蓄电池监控主机在接收到后台/本地放电指令后，蓄电池主机首先给直流系统集中监控装置发出调压指令，将浮充电压调整到均充电压，然后10分钟内都没发现故障就把充电机输出电压调整为放电截止电压。此时直流系统负荷由蓄电池供电，蓄电池监测系统通过采集蓄电池出口电流再控制逆变负载电流使得：
逆变负载电流 + 负荷电流 = 0.1C。使得蓄电池组以额定电流进行放电。
当蓄电池放电完毕，蓄电池主机会自动发出调压指令给集中监控装置，把充电机电压上调进行充电操作。以完成一个充放电的循环。
在进行在线放电时，通过对充电机的输出电压进行调压，并没有把把蓄电池脱离母线，让蓄电池一直挂在直流母线上，那么母线上的设备就完全由蓄电池组来供电，同时在对母线进行放电时也就是对蓄电池组进行放电，充电机没有输出有效功率，这样能保证蓄电池能按指定电流放电并且在交流失压或者直流系统突然出现故障时提供工作电源，从而提高了系统的可操作性和可持续性以及安全性。
1.3.4 远程控制管理功能
每一组蓄电池都配置一台带有网络接口的蓄电池监控主机，每台主机通过以太网连接到交换机，后台服务器对局域网内的在线主机进行数据采集。而连接在同一个局域网内的任何一台主机，都可以通过我们的后台客户端软件连接到服务器，然后对任意在线的主机进行控制、管理各类数据，其系统拓扑如图5。
图5 系统拓扑结构
蓄电池远程维护系统充分利用了电力行业局域网络通讯的技术手段，以蓄电池个体及蓄电池组运行性能参数为研究核心，配合自主研发的蓄电池在线监测装置，建立数据采样网络，对蓄电池的在线放电控制和管理上提供了直观和简便的平台，为用户正在投运的变电站中运行的蓄电池组进行实时智能远程监测与控制，通过人性化的界面帮助用户提升蓄电池数据分析效率，实现智能化管理。
1.3.5在线放电时的通讯控制功能
当进行在线放电时，每个设备都时刻都进行通信控制，其中蓄电池监控主机为通信控制的核心。而需要以额定的放电电流进行放电则需要蓄电池监控主机时刻对蓄电池组的电流进行监测以及对逆变器的逆变电流进行控制，由于实际使用中，交直流负载不恒定，故需要取放电直流目标值作为给定值，然后监控主机实际采集到的直流数据作为反馈值，使用PID增量式算法计算得出新的控制值，然后通过控制逆变器以新的控制值输出相应的电流，形成闭环控制系统，使得蓄电池的输出电流趋于恒定，这样就达到了所须的额定放电电流，同时使得三相功率处于基本平衡的状态。这样的通信控制功能使得蓄电池进行放电时的放电电流达到比较精准的值，不用需要客户额外的干预。
1.4在线放电安全策略
为了变电站的直流系统在线放电时能正常稳定工作，制定了以下在线放电安全方案。
1.4.1 后台控制端安全策略
1）同一个变电站的两套直流系统只能有一套蓄电池进行放电。
2）当电池组存在故障时，该变电站两组电池不能进行在线放电或手动放电。
3）所有站点，在线放电同时进行最多进行两组电池。
4）通讯故障时屏蔽该组蓄电池在线放电功能。
5）可以启动在线放电时间段：早上8：00——下午5：00。
6）在线放电时，后台实时显示站名关联的两套蓄电池的实时数据。
1.4.2 设备端端安全策略
1）放电过程温度异常即终止放电。
2）单体电池电压低于1.95V终止放电。
3）设备异常终止放电。
4）电池开路终止放电。
5）蓄电池组端电压异常终止放电。
2.系统优势
1）可靠性。蓄电池远程维护系统的所有硬件都采用工业级材料，软件的开发和设备的制造都严格按照国家和行业标准执行，人员秉承质量第一的信念层层把关，保证系统的可靠性。
2）稳定性。系统的软硬件都采用较为前沿领先的技术，经过多人长时间测试，并对考虑到各种异常情况而作出相应的处理，保证系统的稳定性。
3）安全性。系统实时监测电池的电压、内阻、温度以及母线的电压和电流，当系统发现任一参数有异常就马上停止放电行为防止异常进一步恶化，同时发出告警信号通知维护人员作出相应处理；本系统采用并网放电技术，抛弃采用传统的放电仪放电方式，避免了发热量高造成温升影响，避免人为干预频繁而导致人为因素影响大的现象。而逆变并网放电装置转换效率高，能量损耗低，发热少，控制迅速，同时其对交流电网不会造成影响，交流电网断电时也能马上停止逆变放电，保证直流系统的正常运行[1]。
4）兼容性。本系统在开发期间就考虑了多种接入模块和设备，而预留了多种接口，并且都按照国家和行业标准进行匹配，使得系统具有良好的兼容性。
5）维护便捷性。本系统可以对蓄电池监测设备进行远程控制，同时所有实时数据和异常信号都可以在后台电脑看到，并且所有参数都可以通过后台电脑设置，充放电也只需在后台电脑操作就可完成，还有在系统的软件升级上都考虑了便携性，从众多方面都考虑了用简单的操作就可完成多种以往比较繁琐的操作。
3.结语
本文分析了基于并网你变技术的蓄电池远程在线放电维护系统的组成、功能及优势，并通过实际测试，证明了该系统可以满足电力变电站蓄电池维护的需求。通过蓄电池远程在线放电维护系统可实现对蓄电池运行状态的实时监测，并可对蓄电池组进行远程/本地充放电操作，不仅可以节省人力、物力成本，还能更加可靠、更加稳定、更加安全、更加便捷地对变电站的蓄电池组进行人性化、智能化的维护管理。
参考文献：
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[5]田羽，何仲，范春菊.变电站蓄电池容量计算和算法改进[J].电力系统保护与控制，2010（38）：210-213.
作者简介：刘玮（1973-），男，广东广州，高级工程师，硕士，主要从事电力系统及其自动化工作。
陈志强（1988-），男，广东广州，工程师，本科，从事直流蓄电池研究工作。
简志超（1989-），男，广东东莞，工程师，本科，从事电力系统继保自动化工作。
基金项目：中国南方电网公司科技项目“蓄电池多变量全状态监测及核容优化策略的研究与应用”
（项目编号：031900KK52160046）
Foundation item：Supported by the Technical Projects of China Southern Power Grid“Full state multivariate monitoring of Battery，Discharging strategy of Battery”（No.031900KK52160046）
论文作者:刘玮1,陈志强2,简志超3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：蓄电池论文; 在线论文; 系统论文; 变电站论文; 电流论文; 主机论文; 功能论文; 《电力设备》2018年第22期论文;