直流系统蓄电池健康状况及内部故障监测装置的研制与应用分析

2021-01-25宋延辉

通信电源技术 2020年18期

宋延辉

（国网江苏省电力有限公司建湖县供电分公司，江苏建湖 224700）

0 引言

在变电站中，直流系统的用电负荷是极为重要的。在外部交流电中断的情况下，蓄电池组一旦无法继续可靠地为工作设备提供直流工作电源，就可能会造成整站瘫痪的严重故障，从而引起重大事故。直流蓄电池可靠与否对整站和电网的安全运行起着至关重要的作用，是安全运行的保证。

1 直流蓄电池设备运行管理现状分析

目前，直流系统监测装置常规监测数据主要包括蓄电池组电压、母线电压、充放电电流、浮充电流、单体电压、单体内阻、容量以及开关位置等参数。装置对参数进行对比判断，在参数异常时发出报警信号。对蓄电池组的运行维护主要靠监测装置告警和一年一度的核对性充放电试验[1]。

某公司现有变电站24座，其中不能监测蓄电池组内阻功能的有19座。这些变电站运行年限未达改造周期，蓄电池组的质量和寿命监测只能依靠每年一度的核对性充放电试验，中间存在空窗期。据统计，2015—2018年发生的直流系统故障中，蓄电池缺陷占比达30%，严重影响了系统的运行安全。

目前运行的直流系统基本都具有实时的常规数据在线监测功能，新的甚至增加了内阻监测功能，但只是单纯地对数据进行监测和简单的报警，并没有充分利用监测数据为蓄电池组提供全寿命周期内的安全管控和检测，存在着无法实现部分和薄弱环节。本文研制的装置能弥补目前直流系统蓄电池组运行管理中存在的漏洞，通过实现与现有监测系统的通信，尽可能整合现有监测装置的数据，并引入新的算法。采用时域和状态域融合的判断机制，通过蓄电池状态在时间域的变化趋势来预估分析蓄电池性能的变化和健康状况，时刻监控蓄电池的健康状况，及时预警，确保交流失电的关键时刻能正常给重要负荷供电。

2 直流系统蓄电池健康状况及内部故障监测装置的研制

本直流系统蓄电池健康状况及内部故障监测装置的研制，主要包括蓄电池剩余容量及健康状况预估、蓄电池内部及接地故障监测两项核心功能[2]。

2.1 总体设计思路

总体设计思路和原则是作为目前直流系统的辅助监测，管控直流系统监测中无法实现的部分和薄弱环节，增加直流系统运行的可靠性。划分蓄电池组运行中需监测的状态，采用模块化监测的方式实现蓄电池状态的完整监测，同时可根据实际需要选择合适的模块进行安装和调试，以适应不同的现场安装环境。系统具有实时动态评估和分析能力，并采用时域和状态域融合的判断机制方式，通过蓄电池状态在时间域的变化趋势来预估分析蓄电池性能的变化和健康状况。本装置基本功能框架如图1所示。

图1 系统基本功能框架图

2.2 蓄电池工作状态及性能监测原理分析建模

实时采集并在线监测蓄电池运行的各项数据，并对采集的监测数据进行软件计算分析,具体技术方案如下。

2.2.1 蓄电池数据软件智能分析

通过装置实时在线监测并采集的数据，利用专家分析软件通过横向与纵向对比进行智能分析，判断蓄电池的性能和状态是否正常，及时发现开路和性能下降的蓄电池，并给出对应的维护建议。

蓄电池内阻的数据分析采用自身测量值纵向对比的方式定期自动进行。当某节蓄电池内阻增长幅度超过30%时，其容量绝大部分是不符合要求的。当某节蓄电池内阻增长幅度超过50%时，应对该节蓄电池进行核对性放电以验证是否存在开路风险。对于这些异常变化，装置会给出明确指导意见，进一步做现场实测以确认异常状态。蓄电池内阻纵向变化曲线如图2所示。

2.2.2 采用直流分组瞬间放电法测试蓄电池内阻

采用直流分组瞬间放电法测试蓄电池内阻的工作原理是将一组蓄电池组分成多个小组顺序放电。通过分组，使内阻测试过程不影响直流母线电压，不影响充电装置工作状态，同时测得的内阻值也不会受到充电装置输出的影响。分组测试原理如图3所示。

图2 蓄电池内阻纵向变化曲线

图3 分组测试原理

直流瞬间放电法的工作原理如图4所示。其通过瞬间向负载恒流放电，快速测量断电前后电压的变化计算内阻。直流瞬间放电法放电时间比较短，不会对直流系统产生额外的附加信号，避免对继电保护等重要设备造成不良影响。

图4 直流瞬间放电原理

实时监测蓄电池组内部运行状态，得出单体蓄电池纵向对比曲线图，解决单纯的电压巡检无法支撑蓄电池性能的预测和蓄电池组运行状态掌握不充分等问题。

2.3 核心功能实施方案确定

2.3.1 蓄电池剩余容量及健康状况预估

采用自跟踪和自适应的多维变量分析模型，预估蓄电池组的剩余容量及健康状况，为延长蓄电池的可用时长和使用寿命提供依据。

实施技术方案中，蓄电池剩余容量SOC值估算采用安时积分法，如式（1）所示。蓄电池健康状况的SOH估算则基于内阻值和容量值，即取式（2）和式（3）的均值作为当前的SOH值。通过随时监测蓄电池的剩余容量和健康状况，从而实现对蓄电池使用寿命的预估。

2.3.2 蓄电池内部及接地故障监测

当系统发生蓄电池接地时，设备可发出蓄电池接地的告警信息，并能选出接地的具体电池节数，计算出蓄电池接地电阻的大小。实施过程中，装置可通过在增大CT的情况下检测蓄电池接地电阻的大小。对地电阻的测量范围为0～200 kΩ。据此可以检测蓄电池绝缘降低或接地故障，并且能选出接地蓄电池号，误差不超过±1节，解决了蓄电池内部接地故障无法识别的问题，防止接地故障造成短路。

2.4 直流系统蓄电池健康状况及内部故障监测装置研制成果

本文研制了一套装置实现对直流电源系统蓄电池组运行状态监测的完整性设计，实现对蓄电池组运行方式、性能、剩余容量以及健康状况的全天候实时诊断，并且当系统发生蓄电池接地时，可发出接地告警信息，能选出接地的具体电池节数，计算出蓄电池接地电阻的大小，为蓄电池组提供全寿命全周期的专家级管控。

3 直流系统蓄电池健康状况及内部故障监测装置的现场调试改进

在35 kV直流系统上进行现场试验，当蓄电池单体容量明显降低和单组蓄电池额定容量大幅减小时，装置均能发出蓄电池剩余容量告警。蓄电池组中各电池单体特性差异增大、内阻差异增大、电池参数差异增大以及蓄电池组老化严重时，装置均能发出蓄电池健康状况告警。此外，蓄电池接线柱存在不同程度的腐蚀现象或漏液时，装置能发出蓄电池内部故障告警。试运行期间对蓄电池组进行了一次核对性充放电并观察实验过程中装置的反应情况，基本能得到正常回应。

本装置充分利用目前直流系统具有的实时在线监测数据进行整合。新装置与变电站内现有监测系统进行连接和通信联调，通过软件实时分析和监测蓄电池，提前诊断异常情况，发出告警信号。通过通信联调上送监控系统和调度主站，对35 kV直流系统蓄电池监控的改造处理使运行状况有明显好转，但在与现有监控装置的通信融合方面还存在不足和需要改进的地方。