变电站蓄电池组远程在线核容系统研究

0引言

当前,全国在运的变电站达数万座,大部分变电站都处于城市郊区,每座变电站的直流供电系统都配置了蓄电池组作为整个变电站的后备电源O随着蓄电池组使用年限的增加,正极格栅会出现腐蚀和硫化情况,含有的电解液也会减少,里面的活性物质会渐渐变弱,致使蓄电池组的实际容量显著降低。因此,每隔一段时间到每个变电站对蓄电池组进行充放电试验,发现蓄电池异常情况并及时更换,才能保证整个蓄电池组的正常工作O随着电网越来越智能化,变电站的设备相应增加,站内蓄电池的容量也会进一步加大,同时电力系统的运行又要求蓄电池组运维管理必须精细化,这就加重了运维人员的系统维护工作。大部分110 kv和220 kv变电站为无人值守变电站,如果站内蓄电池组存在安全风险未及时发现,站内交流供电系统发生故障时,运维人员无法立即到达进行抢修,整个变电站将面临失压,对整个电力系统安全可靠运行造成严重影响。

本文针对现有变电站蓄电池组核容方式耗费大量的人力物力、效率低下等问题,提出了一种变电站蓄电池组远程在线核容系统方案,融合软硬件监控系统,实现对蓄电池组的远程集中监控和远程在线核容,方便了变电站直流电源系统存在故障和潜在隐患的消除,提高了工作效率,减轻了基层维护人员工作负担,降低了人工参与造成的风险,确保了变电站关键系统的供电可靠性,为电网的安全可靠运行提供了更好的保障。

1蓄电池远程在线核容原理

蓄电池远程核容技术的原理是通过采集设备远程读取蓄电池组的关键数据,将采集到的关键数据传送到系统监控中心,系统监控中心利用相关算法和数据分析方法对监测数据进行实时分析,从而实现蓄电池容量的准确核定和蓄电池异常状态的识别^[1—4]。

变电站运维人员通过远程运维工作站对变电站蓄电池组进行维护和充放电操作,可以在线查看蓄电池组单体电池的内阻、电压和温度,也可以对单个蓄电池进行均衡充电。远程在线核容装置主要由后台服务器、各种蓄电池采集模块、远程运维主机和系统软件组成。如果在远程充放电过程中出现异常情况或日常蓄电池组有异常情况,系统会立即报警,并将故障信息通过短信推送给运维人员,运维人员可以及时处理,提高运维效率,保障电力系统可靠和稳定运行。

2变电站蓄电池组远程在线核容系统

2.1 系统架构

如图1所示,变电站蓄电池组远程在线核容系统由三层架构组成:物理感知层、网络层和应用层。

1)物理感知层:蓄电池组采集模块和核容汇集

模块实现对每个蓄电池内阻、电压、温度、充放电电流和环境温度等关键参数的采集,远程核容装置实现远程和现场蓄电池组充放电核容试验。

2)网络层:通过交换机和路由器实现内部网络与外部网络的互联,通过网络(TCP/IP)将蓄电池组的关键参数定时上传到系统监控中心,为系统监控中心进行数据分析提供原始数据。

3)应用层:配置设备服务器、web服务器以及数据库。设备服务器的主要功能是负责分析并转发用户的操作命令到管理主机,对管理主机上传的蓄电池数据、状态以及告警信息等内容进行分析,并存储至数据库中。web服务器主要负责为用户提供数据浏览服务,以及响应用户的操作命令。

2.2 系统功能

2.2.1 电池单体采集及均衡

采集设备应具有RS-232接口、RJ45网络接口和USB接口,用于设备采集到的各项参数的本地和网络化传输。电池单体采集及均衡功能负责采集蓄电池数据,并将采集到的蓄电池数据通过RS485总线传输给汇集器。除采集蓄电池组总电压、充放电电流、环境温度、单体电池电压等数据外,电池监测装置还能测试两个重要的参数:单体电池内阻、单体电池负极极柱温度,并可对每节单体单独进行均衡充电。

单体电池监测模块禁止从电池上取电,而是采用一拖一监测的方案,电池在浮充状态下,测试内阻时的峰值电流应不超过1.5 A,以免损坏蓄电池的极柱或极板。单体电池监测模块应具备自动顺序编号的功能,能自动和电池编号一一配对。单体电池电压测量精度:误差不超过±0.005 V;总电压测量精度:误差不超过±0.2 V;电流测量精度:误差不超过± 1 A;蓄电池容量检测精度:误差不超过± 10%。

2.2.2 电池内阻检测

蓄电池的内阻是评估其性能的核心指标之一。研究发现,在阀控式蓄电池中,诸如早期容量衰减、极板腐蚀/变形、电解液干涸、硫酸盐结晶等典型失效机制,均会引发内阻值的显著升高。这种内阻变化本质上可作为蓄电池健康状态的敏感表征参数。该系统采用瞬间脉冲放电来测试电池的内阻,这种测试方法具有测试速度快、精度高、一致性好、对电池无损伤等优点。内阻检测精度:误差不超过±3%。

2.2.3 电池温度检测

由于蓄电池充电时充电电压过高,或单体电池存在失水等故障,电池的充电电流与温度均升高且互相促进,会使电池内部温度迅速升高,形成热失控。本系统采用高精度的NTC热敏电阻来监测蓄电池的温度,监测点为充电时蓄电池反应最为剧烈的负极柱,这种测试方式具有响应速度快、精度高等优点,可有效监测电池内部温度,避免电池热失控现象发生。温度检测精度:误差不超过± 1℃。

2.2.4系统平台功能

采用B/S架构,使用浏览器访问,不用单独安装客户端软件。该系统同时支持多用户访问,不同用户会分配不同的权限,不同的权限对应不同的访问内容。用户通过浏览器可以查询设备的工作状态,浏览蓄电池组的数据,查看充放电过程中蓄电池数据(总电压、放电电流、单体电压等)的变化曲线。

系统能自动识别浮充、均充、放电、停电放电、内阻测试等电池工况;支持在线放电管理,能记录蓄电池的放电曲线与放电容量;支持在线查看蓄电池的厂家、型号、位置、工作状态、容量、投运时间、电流、总电压、单体电压、内阻和剩余续航时间等关键参数;支持对单个或多个蓄电池组进行远程在线核容试验;根据蓄电池的监测数据,建立蓄电池组的健康评估模型;支持曲线、柱状图等图形显示功能;支持报表功能(月报、季报可自动发送);具备实时告警功能;支持短信、邮件功能;能接收设备服务器下发的命令,分析并执行,并返回执行结果;定时执行本地数据保存功能(USB或SD卡);实时分析测量数据,及时产生告警数据,并上报设备服务器。

2.3 系统安全防护要求

2.3.1感知执行层防护

对于感知执行层的安全防护,采用双因子认证,对系统访问人员进行严格的保护和管理,这种方式可以很好地保证感知执行层的数据安全。

2.3.2数据传输层防护

在数据传输层,为保障数据的完整性,避免数据在传输过程中被恶意篡改,采用点对点加密机制,对每个节点的数据实施加密,从而有效降低传输数据被解析和破译的风险,保障数据在跳转过程中的完整性、安全性。

2.3.3应用控制层防护

应用控制层的数据安全性和隐私性是最重要的,因为应用控制层是整个应用系统的核心部分。在应用控制层,将系统权限分为系统管理员、高级管理员和维保人员,不同的人员对应不同的浏览和操作权限。为抵御恶意攻击者通过伪装身份或伪造指令等手段入侵系统实施非法控制,系统采用人脸识别登录,能有效防止系统遭到违法分子的恶意攻击,保障应用控制层的安全。

2.4蓄电池远程充放电原理

本系统不需要改变变电站原有直流供电系统,只需要在蓄 电池组和直流配电屏中间加装高频DC/DC转换设备,就可以实现蓄电池的远程在线核容,适用于新旧变电站电源改造,也不会给变电站运维人员增加工作任务。

远程充放电控制原理如图2、图3所示,K0为常闭开关,K1、K2、K3、K4为常开开关,高频DC/DC设备是一个可升压和降压BUCK—BOOST的整流设备。

直流供电系统正常给直流负载供电情况下,K0开关一直处于闭合状态,K1、K2、K3、K4开关一直处于断开状态,此时直流供电系统对蓄电池组进行浮充。

当蓄电池组需要进行远程在线放电试验时,常闭开关K0断开,常开开关K3、K4闭合,常开开关K1、K2继续保持断开,高频DC/DC设备处于升压的工作状态,会将蓄电池组的电压升高,达到蓄电池组放电试验的目的。高频DC/DC设备会根据直流负载的电流情况实时调整输出电压,当达到蓄电池组的放电截止电压时,高频DC/DC设备会停止工作,蓄电池组的放电试验结束。如果在蓄电池组放电过程中出现异常情况,可以人工手动远程结束放电过程,系统自动记录放电异常信息。

当蓄电池组远程放电试验结束后,蓄电池组的电压会比较低,直流供电系统与蓄电池组的电压差会比较大,如果直流供电系统直接给蓄电池组充电有可能会损坏蓄电池组。

当蓄电池组需要进行远程充电试验时,常闭开关K0保持断开,常开开关K3、K4由闭合转断开,常开开关K1、K2由断开转闭合。高频DC/DC设备处于降压的工作状态,会将直流供电系统的电压降低,达到蓄电池组充电试验的目的。高频DC/DC设备会根据蓄电池组的充电电流情况实时调整输入电压,当达到蓄电池组的浮充电压时,高频DC/DC设备会停止工作,蓄电池组的充电试验结束,蓄电池组会处于正常浮充状态。如果在蓄电池组充电过程中出现异常情况,可以人工手动远程结束充电过程,系统自动记录充电异常信息。

3结束语

变电站蓄电池组远程在线核容系统可以有效测出新投运和未到质保期电池的精确容量,对容量不达标的电池系统会及时提醒,并通知运维人员立即进行更换。定期的远程在线核容试验能准确筛选出落后的电池,有效避免单个电池落后,致使整个蓄电池组损坏的情况,极大地延长蓄电池组的使用时间。除此之外,融合电阻、电流、电压和温度等关键参数,构建了基于大数据的蓄电池全生命周期智能评估系统,可以自动生成最佳的电池维护方案,智能预测电池更换周期,精准计算备品备件需求,实现了蓄电池组管理从粗放式到精细化的转型升级,为电网安全稳定运行提供了智能化支撑。

本文针对现有变电站蓄电池组核容方式耗费大量的人力物力、效率低下等问题,提出了一种变电站蓄电池组远程在线核容系统设计方案,该方案充分考虑了系统网络安全和人员误操作风险,不需要对原有的直流供电系统进行改造,只需在蓄电池组和直流配电屏中间加装高频DC/DC转换设备,可用于变电站48 V/110 V/220 V直流供电系统的远程在线核容,方便了 目前变电站蓄电池组存在故障和潜在隐患的消除,从而能够为变电站内各种智能化设备、保护设备和通信设备提供更加可靠的后备电源。

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《机电信息》2025年第14期第6篇