變電站直流電源監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)

李永鋒

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

近幾年來，國(guó)家投入數(shù)千億資金對(duì)全國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)與改造，新建電廠及各類變電站大量增加，形成了電力操作電源設(shè)備的廣闊市場(chǎng)。隨著電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)電能質(zhì)量提出了較高要求。在直流電源系統(tǒng)中，充電裝置和蓄電池的性能直接關(guān)系著直流電源的可靠性，而直流電源監(jiān)控單元因程序容量的限制無法實(shí)現(xiàn)某些功能。針對(duì)該問題，對(duì)軟件功能進(jìn)行了擴(kuò)充。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由直流電源各級(jí)設(shè)備、智能放電儀（可選）和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)使用了兩個(gè)串行通訊口，一個(gè)與直流電源監(jiān)控單元連接，另一個(gè)與智能放電儀連接。三者之間可采用RS232或RS485通訊，進(jìn)行“四遙”操作。原理如圖1所示。

2 直流監(jiān)控單元現(xiàn)有功能

圖1 直流系統(tǒng)通訊原理圖Fig.1 Schematic diagram of the DC system communication

目前，直流電源監(jiān)控系統(tǒng)多采用集中管理，分散測(cè)量、控制的模式。實(shí)時(shí)顯示設(shè)備信息，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如充電參數(shù)及各告警值，并根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)處理、綜合，對(duì)各設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。其中，控制模塊具有自動(dòng)開關(guān)機(jī)，調(diào)節(jié)控母電壓、均、浮充電壓等功能，也可手動(dòng)控制。對(duì)母線電壓超、欠、限、絕緣故障、充電故障、交流故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示及發(fā)出告警，記錄各種故障。監(jiān)控模塊設(shè)有RS-232、RS-485通訊接口，方便進(jìn)行“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”四遙操作，對(duì)蓄電池自動(dòng)管理及保護(hù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)完成電池狀態(tài)檢測(cè)，然后進(jìn)行均浮充轉(zhuǎn)換、充電限流、充電電壓溫度補(bǔ)償，定時(shí)自動(dòng)均衡充電等功能。

3 需擴(kuò)充功能

直流監(jiān)控單元受芯片容量限制，一些功能無法實(shí)現(xiàn)或過于簡(jiǎn)單，需通過監(jiān)控軟件擴(kuò)充，同時(shí)包括一些基本功能，如通訊設(shè)置、串行通訊口的選擇、系統(tǒng)各遙測(cè)量的顯示、遙信狀態(tài)變位以及故障報(bào)警等功能。

3.1 蓄電池智能管理

電池組是直流電源系統(tǒng)中重要組成部分，對(duì)電池組的維護(hù)和監(jiān)測(cè)尤為重要。經(jīng)擴(kuò)充，監(jiān)控單元具有以下電池管理功能：正常充電程序、長(zhǎng)期浮充充電程序、交流中斷及恢復(fù)程序、電池充電電壓溫度補(bǔ)償及電池定期均充維護(hù)等?？赏ㄟ^巡檢儀實(shí)時(shí)跟蹤電池的充、放電過程，采集充、放電流及各電池電壓，根據(jù)不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、計(jì)算，進(jìn)行等級(jí)劃分，診斷健康程度，剩余電量估計(jì)、剩余電量可維持運(yùn)行時(shí)間估計(jì)，電池壽命估計(jì)等。

3.1.1 蓄電池維護(hù)

蓄電池長(zhǎng)期不用或處于浮充狀態(tài)下時(shí)，易產(chǎn)生正極板的活性物質(zhì)硫化、負(fù)極板氧化、電解水損失，導(dǎo)致電池性能下降。因單電池間不均衡性，一些電池持續(xù)充電不足，進(jìn)行深度放電，長(zhǎng)時(shí)間后，弱的電池會(huì)更弱。對(duì)此，需要定期進(jìn)行均充，以活化電池。自動(dòng)放電，利用遙控關(guān)閉所有充電模塊，定時(shí)進(jìn)行一定深度放電。一般是幾個(gè)月進(jìn)行一次淺度（20%～30%）放電，同時(shí)進(jìn)行放電量計(jì)算，放電量達(dá)到指定深度（20%～100%）后再遙控所有充電模塊啟動(dòng)，進(jìn)行一次均衡充電，以活化蓄電池組，從而避免電池因長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)引起電池極板的活性物質(zhì)硫化，或因電池離散性引起的部分電池虛充，導(dǎo)致電池放電能力變低。也可進(jìn)行深度 10 h率（100%）放電，這種放電一般需用智能放電儀進(jìn)行放電或手動(dòng)放電。因此，對(duì)電池實(shí)際容量計(jì)算及各電池10 h率放電曲線的繪制，是向智能管理系統(tǒng)提供的基本數(shù)據(jù)。進(jìn)行精確容量計(jì)算時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度校正，公式如下：

式中：C25：25 ℃蓄電池放電容量（Ah）；Ct：t℃時(shí)蓄電池放電容量；t：放電時(shí)環(huán)境溫度；K：溫度系數(shù)，10 h率為 0.006/℃。

3.1.2 蓄電池健康程度估算

文中采用了電池內(nèi)阻、電池放電電壓下降率和容量估計(jì)相結(jié)合的方式準(zhǔn)確地反映出蓄電池的性能狀況，綜合一些判斷經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)配有智能放電儀時(shí)，可通過放電儀進(jìn)行精確容量測(cè)試。

1）電池內(nèi)阻測(cè)量

電池內(nèi)阻能反映蓄電池的容量下降和老化程度，內(nèi)阻是可直接測(cè)量的參數(shù)。經(jīng)測(cè)量后，能發(fā)現(xiàn)電池的許多問題，尤其是判斷嚴(yán)重失效和連接不良的電池。內(nèi)阻測(cè)量已被公認(rèn)是一種迅速，可靠的診斷電池健康狀況的方法。

內(nèi)阻測(cè)量常用方法有2種：

①交流方法 主要是在電池組兩端加入一個(gè)低頻低壓交流信號(hào)，測(cè)量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即為電池內(nèi)阻：

式中：Vav：檢測(cè)到交流信號(hào)平均值；Iav：饋入交流電流平均值；

實(shí)際中，饋入交流電流信號(hào)幅值有限，且電池內(nèi)阻為毫歐或微歐級(jí)，因此產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級(jí)，易受干擾。若加大饋電池的交流幅值，則會(huì)在直流電源系統(tǒng)中引入較大紋波，影響電池性能。

②直流方法 是在電池組兩端接入一個(gè)放電負(fù)載，測(cè)量電壓的變化（U1-U2）和電流值（I），計(jì)算電池內(nèi)阻。

蓄電池從浮充狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，電壓跌落過程為階梯形變化。即停止充電后，電池電壓回落到實(shí)際的開路電壓，接入放電負(fù)載后，電壓發(fā)生階躍變化。根據(jù)不同電流（I1，I2）下的放電電壓變化就可計(jì)算電池內(nèi)阻。

2）電池電壓下降率 放電期間，若接入一個(gè)階躍性負(fù)載，電池電壓下降主要由電池內(nèi)阻引起，若恒流放電，電池電壓下降主要由電池電量下降引起。因些，可利用電池完全活化并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)容量后的一些放電曲線作為參考和當(dāng)前放電曲線進(jìn)行縱向比較，以判斷電池性能，一般情況下，電池電壓下降率與電池容量存在一定的反比關(guān)系。也可在放電期間，不斷算出各節(jié)電池電壓下降率和去除極限值后的平均值，進(jìn)行橫向比較，選出性能最差電池。一般來說，電壓下降率最大的就是性能最差電池，因此，也可設(shè)置放電電壓下降率差值進(jìn)行報(bào)警。同樣，在充電期間，電壓上升率最大的也是電池性能最差電池。

3）電池容量測(cè)算

①自動(dòng)容量估算 在系統(tǒng)沒有智能放電儀或沒有必要進(jìn)行精確容量測(cè)算時(shí)，可利用計(jì)算機(jī)中記錄的各節(jié)電池及整組電池的所有放電記錄，選取當(dāng)前一段放電曲線的放電電量與標(biāo)準(zhǔn)容量下的同樣電壓段的歷史放電電量的比值，估算出該組電池的容量。該容量是一個(gè)近似值，但其對(duì)提前告警電池故障比采用單一的電池端電壓優(yōu)越。由于電池開路端電壓與電池剩余電量成反比，可近似認(rèn)為下式成立：

式中：Ct1：本次一段時(shí)間的放電電量；Ct2：以前標(biāo)準(zhǔn)的同電壓段放電電量；Cn1：本次放電估算出的電池容量；Cn2：以前進(jìn)行測(cè)量的電池標(biāo)準(zhǔn)量。

對(duì)同樣從12.5 V放電到12 V的一段放電曲線，兩條放電曲線放電量之比約等于兩條放電曲線放電時(shí)電池組實(shí)際容量之比，其中也有其他因素影響導(dǎo)致計(jì)算誤差，比如出現(xiàn)沖擊放電，而沒有采樣沖擊放電電流。此時(shí)可選用多段曲線進(jìn)行去除極限值的平均值，或選用近期多次放電曲線進(jìn)行計(jì)算，以提高精確性。這種容量估算只用于電池容量報(bào)警，對(duì)精確性要求不高時(shí)。精確的電池容量計(jì)算一般是進(jìn)行0.1C10放電測(cè)量。

②精確容量測(cè)量 若需精確容量測(cè)量，系統(tǒng)必須配置智能放電儀或手動(dòng)容量測(cè)量。一般在電池性能下降較大時(shí)，定時(shí)（一般是一年）完成。自動(dòng)容量測(cè)量時(shí)，需先遙控關(guān)閉所有充電模塊，對(duì)智能放電儀進(jìn)行遙調(diào)放電電流并遙控啟動(dòng)放電，使電池電壓下降到終止電壓時(shí)停止放電，利用公式（1）進(jìn)行電池容量的計(jì)算，并記錄本次的標(biāo)準(zhǔn)放電曲線，以供參考。

3.1.3 蓄電池電量預(yù)警

測(cè)算蓄電池電量是為在交流停電的情況下，提前通知用戶電池電量不足，以切除不重要的負(fù)載，維持系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1）放電告警功能 當(dāng)系統(tǒng)交流電源中斷或人為進(jìn)入放電狀態(tài)時(shí)，電池電流由正值變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行蓄電池放電量計(jì)算，到電池電流變?yōu)檎禃r(shí)為止。并設(shè)置放電量告警值。當(dāng)已放電量超過某一閥值時(shí)、已放電量占電池容量的百分比超過某一閥值、電池端電壓偏低時(shí)發(fā)出告警，電量計(jì)算如下：

式中：C：容量；I：放電電流；T：放電時(shí)間。

電池告警選用兩個(gè)閥值是有不同意義的，如對(duì)一組100 Ah的電池來說，設(shè)置已放電量超過50 Ah時(shí)或放電50%時(shí)告警。在標(biāo)準(zhǔn)容量下，兩者是同時(shí)告警，但電池組使用幾年后，實(shí)際容量下降到只剩下50 Ah，已放電量50 Ah告警就是100%容量放完才告警，放電50%告警就只放了25 Ah就會(huì)告警。

2）剩余電量估計(jì)運(yùn)行時(shí)間 上述得到的已放電量和電池組當(dāng)前實(shí)際容量，求出剩余電量，并按當(dāng)前放電電流，估算出剩余電量維持運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算公式如下：

式中：T：估計(jì)運(yùn)行時(shí)間；Cr：剩余電量；I：放電電流。

3.1.4 蓄電池壽命估算

蓄電池壽命估算，是為提前更換贏得時(shí)間。在實(shí)際中，影響電池壽命的因素主要有：環(huán)境溫度、充電電壓、放電次數(shù)、深度和過放電等，其中以溫度和充電電壓影響最大?？刹捎霉?，結(jié)合以上因素，估算蓄電池壽命。

體現(xiàn)蓄電池壽命的主要指標(biāo)有：電池容量和電池內(nèi)阻。電池容量是最直接有效的，但需要精確容量測(cè)量。蓄電池失效一般是逐漸的，且都在內(nèi)阻變化上得到反映。通過對(duì)電池內(nèi)阻、放電電壓下降率和電池容量估算，并與以前歷史數(shù)據(jù)比較，得出一個(gè)蓄電池組的大致性能指標(biāo)，判斷蓄電池健康程度，綜合判斷蓄電池壽命。一旦蓄電池性能下降較大時(shí)，需要進(jìn)行精確容量測(cè)量。

不提倡在蓄電池性能指標(biāo)較好時(shí)進(jìn)行100%放電容量測(cè)試。蓄電池的壽命與放電深度有很大關(guān)系，放電深度越大，蓄電池循環(huán)使用次數(shù)越小。一般情況下，淺度（20%～30%）放電，活化電池，進(jìn)行相關(guān)測(cè)算。

3.2 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

除一些必要的用于記錄各遙測(cè)量、當(dāng)前、歷史故障數(shù)據(jù)表外，為實(shí)現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)配置了一個(gè)較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。用于記錄系統(tǒng)放電記錄，并計(jì)算或統(tǒng)計(jì)出各種相關(guān)數(shù)據(jù)，如電池內(nèi)阻、放電電壓下降率、歷次放電的平均放電曲線、一些經(jīng)典的放電過程詳細(xì)數(shù)據(jù)、電池容量、電池溫度、充電電壓、放電次數(shù)、放電深度、過放電次數(shù)和一些專家公式等。

3.3 充放電曲線繪制

在進(jìn)行10 h率放電和隨后的充電過程中，可通過采樣電池組電壓和電流，繪制一個(gè)完整的放電和充電過程曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)的充放電曲線比較，以判斷系統(tǒng)的運(yùn)行是否正常。

4 結(jié) 論

文中所述較大的增強(qiáng)了直流電源系統(tǒng)功能，較好地解決了目前直流電源系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)測(cè)與管理的諸多問題。計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于提高蓄電池的使用性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池故障，提前判斷蓄電池劣化，延長(zhǎng)蓄電池壽命，具有重要意義。在直流電源計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)中，以智能化為目標(biāo)，全程監(jiān)測(cè)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)（電流、電壓、溫度）、定時(shí)進(jìn)行電池內(nèi)阻在線測(cè)量和電池放電電壓下降率計(jì)算，對(duì)蓄電池的健康度進(jìn)行診斷、在放電過程中進(jìn)行放電量測(cè)算，判斷電池剩余電量的可運(yùn)行時(shí)間。

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