智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析

苗俊杰

(國網(wǎng)河北省電力公司運維檢修部，河北石家莊050000)

智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析

苗俊杰

(國網(wǎng)河北省電力公司運維檢修部，河北石家莊050000)

鉛酸蓄電池在電力系統(tǒng)中起著提供能源的重要作用，而在應(yīng)用過程中呈現(xiàn)的問題比較多，由其引起的事故損失大，亟需一套完備的監(jiān)測管理系統(tǒng)對其進行監(jiān)管，防患于未然。由于大多數(shù)監(jiān)測產(chǎn)品存在一定的問題，不能與鉛酸蓄電池良好結(jié)合，在安裝方式、監(jiān)測方式、監(jiān)測效果方面不能滿足要求，監(jiān)測裝置品質(zhì)不一，導(dǎo)致其產(chǎn)生的效益也不盡相同。通過調(diào)研選取功能較齊全，結(jié)構(gòu)較合理且操作簡單的智能型鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)各方面的數(shù)據(jù)，著重從基建成本、維護成本、安全成本、投資成本方面對其運行后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行分析。對鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展加以剖析，指出設(shè)計合理的智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展前景，加強對智能型鉛酸蓄電池及其監(jiān)測系統(tǒng)價值的認識。

經(jīng)濟效益；智能型；鉛酸蓄電池；在線監(jiān)測系統(tǒng)

鉛酸蓄電池在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在直流系統(tǒng)中更是承擔著緊急提供能源的重擔，當前應(yīng)用最廣泛的當屬閥控式鉛酸蓄電池，憑著成本低、全密封安全性好、安裝簡便、壽命長、維護量小、污染少等特點被廣泛應(yīng)用。

然而閥控式鉛酸蓄電池也有不足之處，其本身是一個復(fù)雜的電化學(xué)體，性能取決于多種因素，不易判斷內(nèi)部情況，常發(fā)生電池失效現(xiàn)象，大多數(shù)電池壽命不及預(yù)期，運行期間單個電池質(zhì)量下降往往導(dǎo)致整個電池組健康狀況迅速下降；在不間斷供電系統(tǒng)故障中，由蓄電池問題引發(fā)的故障占比例大，損失嚴重。隨著閥控式鉛酸蓄電池的廣泛應(yīng)用，維護好蓄電池，增加蓄電池的服役期限，延緩使用壽命已經(jīng)成為提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性的必要[1]。本文對應(yīng)用于直流系統(tǒng)的鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測產(chǎn)品(主要是閥控式鉛酸蓄電池)做研究，以下蓄電池均指鉛酸蓄電池。

1 鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測產(chǎn)品現(xiàn)狀

現(xiàn)在的通信、電力系統(tǒng)的備用電源大部分均采用VRLA電池[2]。針對其在應(yīng)用中的諸多不足，各廠家技術(shù)人員從原理上進行分析，對蓄電池的端電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻、紋波等加以監(jiān)測并研發(fā)出多種產(chǎn)品，目前市場上的蓄電池監(jiān)測產(chǎn)品種類繁多，監(jiān)測種類和精度各不相同，分析方法及算法也存在一定的差異。

國內(nèi)外早已加大了對蓄電池管理系統(tǒng)研究的投入[3－4]，并且取得了一些客觀成績，部分成果已經(jīng)投入應(yīng)用[5]。但目前大多數(shù)監(jiān)測產(chǎn)品都存在一定的問題，不能與蓄電池良好的結(jié)合，在安裝方式、監(jiān)測方式、監(jiān)測效果方面不能滿足要求。例如應(yīng)用比較廣泛的集中式監(jiān)測，需要從所有電池極柱引出測量線集中于監(jiān)控器，這種安裝方式會因電池串聯(lián)積壓導(dǎo)致測量引線之間具有高電壓差，造成安全隱患；多數(shù)監(jiān)測產(chǎn)品選用斷電方式，由人工操作，監(jiān)測方式不合理，操作麻煩，維護工作量巨大，并且存在時效性問題而無法滿足監(jiān)測需求；有的在監(jiān)測過程中用到瞬間大電流，對電池本身和其他裝置造成影響；還有一部分監(jiān)測產(chǎn)品雖監(jiān)測功能較為齊全，安裝后顯現(xiàn)出一些問題，不能準確分析出蓄電池的健康狀態(tài)，對“落后電池”的識別能力差，其本身壽命短等，均對監(jiān)測過程造成一定的負擔。

2 智能型鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)簡介

智能蓄電池是指能以某種技術(shù)實現(xiàn)對蓄電池各參數(shù)的在線實時準確測量，并能遠程傳送數(shù)據(jù)至運維人員。其相應(yīng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)是針對智能蓄電池技術(shù)研發(fā)的一種與電池可構(gòu)成完整系統(tǒng)的產(chǎn)品，可自動收集并處理數(shù)據(jù)，自動上送結(jié)果并有完備的告警機制。本文針對一款新型的蓄電池及蓄電池在線監(jiān)測產(chǎn)品作效益分析，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在測量電路與蓄電池殼體相結(jié)合，一體化生產(chǎn)，并且著重于溫度、內(nèi)阻監(jiān)測技術(shù)的突破，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實時監(jiān)測并不對電池和其它設(shè)備產(chǎn)生影響。

較其他類型的監(jiān)測產(chǎn)品，智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)有如下特點及優(yōu)勢：測量參數(shù)齊全，測量精度高，測量電路內(nèi)置，與蓄電池良好結(jié)合；創(chuàng)新的簡潔化對外接口接線方式，施工安裝簡單，安全性能高；實現(xiàn)在線監(jiān)測，自動分析并上送結(jié)果，具備多種參數(shù)設(shè)定及查詢功能；具備詳盡的限值設(shè)定及告警功能，實現(xiàn)劣化狀態(tài)的提前預(yù)警；完備的后臺管理軟件，友好的人機界面。

目前，此智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)初步安裝應(yīng)用在110 kV變電站及通訊基站，運行數(shù)月，狀態(tài)穩(wěn)定，各項功能正常，數(shù)據(jù)采集完整，精度滿足需求。其成功投運給變電站的運行帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

3 智能型鉛酸監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用帶來的經(jīng)濟效益是多方面的，除了從本身制造到投運過程的成本得到了有效控制外，在運維、安全等方面也有比較突出的優(yōu)勢。

3.1 基建成本

按照單體電池更換計算：根據(jù)國家電網(wǎng)華北分公司2013年中標公告顯示，邢臺供電公司靜安110 kV變電站使用的216塊2 200 Ah的蓄電池，蓄電池平均中標價格是400元，每個變電站蓄電池購置需要8.64萬元。根據(jù)邢臺供電公司靜安110 kV變電站提供數(shù)據(jù)得知，蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)平均中標價格是10萬元，平均每塊電池承擔863元，相當于普通蓄電池成本的216%。變電站安裝普通的蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，總體投資在8.64+10=18.64萬元。

圖1為不同蓄電池站投資成本對比。智能型鉛酸蓄電池價格為普通蓄電池的120%左右，加上配套設(shè)備，一套基于智能蓄電池的智能型鉛酸在線監(jiān)控系統(tǒng)價格相當于普通蓄電池的130%。同一個變電站換裝智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，總體投資為8.64萬元的130%即11.232萬元，與18.64萬元投資的普通蓄電池監(jiān)控所起到的效果是相同的。此外，安裝成本上，每塊電池集中式安裝成本約25元，智能型蓄電池安裝成本約2元，每個站安裝成本可節(jié)約0.49萬元。如果將一套110 kV普通蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)換裝為能夠達到同樣效果的智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，可節(jié)省7.9萬元。

圖1 投資成本對比圖

全國2015年計劃新建110 kV智能變電站3 710座，改造630座普通110 kV變電站。若全部替換為智能蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)?？偣材軌蚬?jié)省3.43億元。

另外由于智能型鉛酸蓄電池高可靠性，容量可監(jiān)測性，使12 V大容量蓄電池在電力系統(tǒng)普及成為了可能。以邢臺靜安110 kV變電站使用的2 V200 Ah為例，采購價格保守估計為400元/只，全站216塊投資為：86 400元。普通12 V200 Ah電池采購價格保守估計為1 500元/只，智能蓄電池成本高出30%即為1 950元左右，全站只需投入36塊12 V200 Ah智能蓄電池，可節(jié)約成本為：基站2 V200 Ah電池投資總價－基站12 V200 Ah智能蓄電池投資總價，即86 400元－1 950× 36=16 200元。由此可知，使用普通2 V200 Ah蓄電池的110 kV變電站，在改用12 V200 Ah的智能蓄電池后，無需其他另外的投資，不但能完成蓄電池在線監(jiān)控改造，還可節(jié)省約1.62萬元資金。若推廣到全國，2015年4 340個110 kV變電站，可節(jié)省約7 300萬元(如圖2所示，普通電池3.75億元，智能電池3.046億元)。

圖2 普通電池與智能電池的投資對比

3.2 運維成本

目前安裝普通蓄電池的變電站主要依靠人工巡視和檢修方式來維護，過程繁瑣，耗費人員力量比較大：巡視工作主要包括人工測量端電壓、測量組電壓、測量電池溫度、檢查電池連接及受腐蝕情況、對腐蝕情況作出判斷及相應(yīng)操作；檢修工作主要包括準備工具材料、申請并通過通信調(diào)度批準、觀察電池電壓確定其狀態(tài)、確定電池導(dǎo)線及電池之間聯(lián)接是否牢固、電池溫度是否正常、檢查外觀及漏液現(xiàn)象、測電池組及單體電池電壓、停電檢查兩組電池帶電負載能力及電池保險是否完好、對出現(xiàn)問題匯報并處理、清理現(xiàn)場并按要求填寫記錄。巡視工作每工作日進行，檢修周期約每季度一次。

按照此規(guī)程進行作業(yè)，以邢臺靜安110 kV變電站配備一名人員，成本3 000元/月計算，其每年大約耗費巡視成本3.6萬元；每年四次檢修，每次耗費車輛使用及損耗300元，人員(至少兩人)成本500元，每年耗費巡檢成本0.32萬元。全國新建和改造的4 340個110 kV變電站每年耗費日常維護成本保守估計不低于1.7億元。

而智能型鉛酸蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠組網(wǎng)，實現(xiàn)遠程查看蓄電池運行狀態(tài)，完全可以實現(xiàn)在辦公室內(nèi)完成蓄電池的日常維護工作，使得現(xiàn)場維護工作成本幾乎為零。

3.3 投資收益

盡管普通閥控式鉛酸電池理論壽命在10年以上，但受其本身質(zhì)量及運行情況的影響例如充電電壓及時間等，實際運行時間往往達不到預(yù)期。

以邢臺供電公司靜安110 kV變電站配備216塊2 V 200 Ah電池為例，每塊電池的采購成本大約在400元左右，按目前蓄電池平均壽命5年計算，平均每個變電站每年電池組的損耗成本支出為216×400/5=17 280元。而智能型鉛酸蓄電池改造后36塊12 V200 Ah每塊同型號電池采購成本在1 950元左右，經(jīng)過權(quán)威國家實驗室驗證，每塊智能蓄電池的壽命比普通電池增長3年，可達到平均8年的使用壽命(隨著蓄電池生產(chǎn)技術(shù)完善，還能進一步延長壽命)。平均每個變電站每年電池組的損耗成本支出為36×1 950/5=8 775元，能夠為蓄電池提供蓄電池電壓、內(nèi)阻、溫度、容量的在線測量。單純從電池的成本支出一項每年每個變電站減少17 280－8 775= 8 505元的費用，如圖3所示。

圖3 普通電池與智能電池的年損耗對比

若推廣到全國，2015年新建和改造的4 340個110 kV變電站，每個變電站每年節(jié)省3 240元，則全國4 340個110 kV變電站共節(jié)省3 691萬元。

3.4 安全收益

直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障多會造成嚴重的經(jīng)濟損失，目前大多直流電源由主監(jiān)控、充電管理、饋線管理和電池管理四個單元構(gòu)成[6]，其嚴重事故通常歸因于充電管理、饋線管理和電池管理三個單元，可見蓄電池管理不善導(dǎo)致的故障在直流系統(tǒng)故障中占比例相當大。據(jù)相關(guān)人員估計和一些媒體報道，保守估計110 kV變電站平均每年重大事故至少在1～2起，事故損失平均高達2 000萬。

人工維護蓄電池出現(xiàn)故障主要原因有：時效性差，不能及時檢驗出電池的故障；人員技術(shù)水平差異大，人為判斷失誤造成維護不當；檢修工具落后，檢修數(shù)據(jù)少，精度低，不便于分析；異常情況處理慢，維護人員通常距離電站遠，檢修故障處理不及時，電池作為后備電源在時間上有盲區(qū)。

智能型鉛酸蓄電池及其在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠以在線方式實時監(jiān)測電池的各個參數(shù)，有效避免了時效性造成的事故；其監(jiān)測量包括單體電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻及電池總電壓、電流紋波系數(shù)等重要參數(shù)，且精密的算法能夠確保一致性，有效避免了人為判斷失誤問題；其先進的測量原理及其安裝方式有效保證了各個參數(shù)的采樣精度，確保分析結(jié)果的正確性；其合理的推斷算法和告警機制能夠提前3個月預(yù)報蓄電池損壞情況，防止了斷電事故的發(fā)生，為解決事故預(yù)留充分的時間。

由此估算智能蓄電池的應(yīng)用為直流系統(tǒng)的運行帶來的安全收益每年不低于3 000萬元。

4 總結(jié)與展望

綜上，若從全國范圍推廣智能型鉛酸蓄電池替代計劃，完成全國4 340座110 kV變電站蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)的改造，無需額外投資，還可節(jié)省7 300萬元；每年減少日常維護成本1.7億元；每年延長蓄電池壽命收益3 691萬元；此外在環(huán)保和安全方面有著不可估量的隱形效益，保守估計總收益為千萬級甚至更高。

隨著鉛酸電池免維護化的實現(xiàn)及監(jiān)控、管理手段不斷完善，鉛酸電池在大容量備用電池系統(tǒng)中將繼續(xù)保持良好的市場。一套結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、運行安全簡便的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以解決蓄電池現(xiàn)有缺陷，促使鉛酸蓄電池更好地服務(wù)于直流系統(tǒng)，其帶來的經(jīng)濟效益是各個方面的，并且有些經(jīng)濟效益是不可估量的。

智能化的監(jiān)管手段將越來越受到業(yè)內(nèi)各界人士的關(guān)注和重視，未來蓄電池產(chǎn)業(yè)將走向清潔化、智能化、安全化、規(guī)范化的道路，同時鉛酸蓄電池監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展是推動力，鉛酸蓄電池監(jiān)測產(chǎn)品也將更加智能化，未來直流系統(tǒng)選用監(jiān)測產(chǎn)品應(yīng)以安全性、可靠性及智能化程度為首要準則，保障直流系統(tǒng)的可靠運行。

[1]舒新.蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].南京：河海大學(xué)，2007：8-10.

[2]陳達明.閥控式密封鉛酸蓄電池的應(yīng)用與維護[J].電源應(yīng)用技術(shù)，2000(6)：253-256.

[3]CHATZAKIS J，KALAITZAKIS K，NICHOLAS C.Voulganing a new generalized batterymanagement system[J].IEEE Transactions，2003，50(5)：990-999.

[4]張永杰.純電動汽車動力型鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]盛大雙.基于CCP協(xié)議的電池管理標定系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6]趙寶強.直流電源系統(tǒng)故障分析與處理[J].電工技術(shù)，2006(4)：20-22.

Econom ic benefitanalysisof intelligent lead-acid battery and its monitoring system

M IAO Jun-jie

(StateGrid HebeiElectric PowerCompanyMaintenance and RepairDepartm ent，Shijiazhuang Hebei050000，China)

Lead-acid battery plays an important role for providing energy in the power system，butmore problems happen in the application process，and the caused accidents are relatively large，needing a setof com pletemonitoring and management system to carry on the supervision，nip in the bud.Since mostmonitoring products have some problems，notw ith the lead-acid battery w ith good，and can notmeet the requirements in the aspects of installation，monitoring methods，monitoring effect.The quality of themonitoring device is different，and the benefits are different. Through the investigation，the intelligent lead-acid battery and itsmonitoring system w ith relatively com plete function，reasonable structure and simple operation were chosen.On the basis of the data，the operation econom ic costwas analyzed from the construction cost，maintenance cost，safety costand investmentcost.The industry developmentof lead-acid battery was analyzed to point out the development prospect of battery w ith reasonable design and strengthen the understanding of the value of the intelligent lead-acid battery and itsmonitoring system.

econom ic benefits;intellectualized type;lead-acid battery;onlinemonitoring system

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1390-03

2015-12-02

苗俊杰(1979—)，男，河北省人，碩士生，主要研究單位為電力系統(tǒng)及其自動化。