直流系統(tǒng)電池更換、電壓并列裝置研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局 謝光輝 李 擎 何雪濟(jì) 謝 珉 李繼堂 李建云 周文彬

目前在蓄電池更換、兩套直流系統(tǒng)并列運(yùn)行時，對于兩組待并列電壓是否滿足并列條件普遍采用人工測量兩組電壓，根據(jù)量測值人工計(jì)算判斷電壓差是否超出限定值，滿足條件后通過人工合閘進(jìn)行并列的操作方式，因采用通過不同的人讀取不同的量測儀表，再計(jì)算量測所得兩組電壓的壓差，存在有量測、計(jì)算工作量大、準(zhǔn)確性差，不能實(shí)時同步計(jì)算出電壓差，在人工合閘并列時不能切實(shí)避免兩個電壓在并列時出現(xiàn)的壓差超限的風(fēng)險(xiǎn)。

目前在進(jìn)行蓄電池更換和兩套直流系統(tǒng)并列運(yùn)行時，傳統(tǒng)工作方式，不能對直流系統(tǒng)，待接入電池組電壓；兩套直流系統(tǒng)之間電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而不能有效避免兩組電壓在并列時存在的壓差超限風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前在對兩組電壓量測、判斷電壓差條件時，采用通過不同的人讀取不同的量測儀表，再計(jì)算量測所得兩組電壓的壓差，量測、計(jì)算工作量大，準(zhǔn)確性差，不能實(shí)時同步計(jì)算出電壓差。由于電氣連接方式的原因，當(dāng)待接入電池出現(xiàn)故障時，不能快速將故障電池從直流系統(tǒng)中解脫出來。蓄電池更換工作，電池的搬運(yùn)普遍采用人力搬運(yùn)，容易造成人員腰椎損傷。

鑒于以上原因，亟需找到一種新的方式來解決工作中存在的各種問題[2]。通過對直流系統(tǒng)電池更換、電壓并列裝置的研究，采用直流高電壓分壓取樣電路、ADS1115模數(shù)變換電路、樹莓派主控單元開發(fā)、墨水屏使用、搬運(yùn)工具制作，研制出能實(shí)時自動、同步、高精度準(zhǔn)確計(jì)算出兩組待并列電壓之間電壓差，避免不滿足電壓差合閘并列作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少電池人工搬運(yùn)工作量，避免人員腰椎受損的電氣裝置。

1 系統(tǒng)方案、電路設(shè)計(jì)

1.1 主控單元

在現(xiàn)有條件下，可采用樹莓派、單片機(jī)、URDUINO 等硬件來實(shí)現(xiàn)需求，從技術(shù)角度而言，三者均能滿足功能。作為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，樹莓派是基于Linux 設(shè)計(jì)的，大小接近信用卡，但兼具音視頻等功能。樹莓派的核心芯片為ARM，采用的內(nèi)存硬盤為SD 卡，主板周圍分布多個USB 接口和10/100以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，配有高清視頻和模擬信號輸出接口。

樹莓派外設(shè)包含UART、SPI 總線、地線、+3.3V 和+5V 的電源，操作系統(tǒng)為Windows10，將Python 當(dāng)成是主要編程語言，同時能夠支持Java 等多種編程語言。適配WeStudio 組態(tài)軟件，樹莓派對傳統(tǒng)ARM 開發(fā)模式進(jìn)行了改寫，用戶無需掌握Linux 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)細(xì)節(jié)，可直接通過簡易軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，使用熟悉的C++等語言工具進(jìn)行UI 構(gòu)建，即可順利訪問硬件和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，因此能夠有效減少裝置軟件開發(fā)工作量。經(jīng)綜合考慮，因樹莓派具有接口齊全、人機(jī)交互體驗(yàn)較好的特點(diǎn)，故本方案選擇樹莓派進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

1.2 電壓采樣計(jì)算

電阻的選擇可采用絕緣耐壓型電阻，精度可達(dá)0.1%，通過分壓電路將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓進(jìn)行檢測。采用ADS1115四通道，16位采集模塊進(jìn)行模數(shù)變換，通過模數(shù)采集模塊，將經(jīng)過分壓電路分壓后的直流電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號提供主控單元進(jìn)行處理。ADS1115芯片能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道差分輸入，加強(qiáng)對增益放大過程的控制。內(nèi)置振蕩器和電壓基準(zhǔn)，芯片在電壓信號采集方面可達(dá)到16位高精度。

在與主控芯片連接過程中，需要將ADDR 引腳下拉至樹莓派的地腳，并做好GND 和CDD 接地。根據(jù)SCL 引腳傳遞的主控芯片命令，通過AJN0～1引腳能夠進(jìn)行第一組電壓信號采集，通過AJN2～3完成第二組取樣，通過SDA 引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。對芯片默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行舒適化后，輸入差分電壓，能夠進(jìn)行連續(xù)測量。

圖1 電壓采樣計(jì)算

1.3 聲光報(bào)警、合閘閉鎖、電壓并列

使用蜂鳴器和LED 燈進(jìn)行聲光告警，蜂鳴器與LED 燈與樹莓派GPIO 引腳所驅(qū)動的繼電器的引腳相連，當(dāng)兩組電壓越限時GPIO 引腳的電平發(fā)生變化，通過外部繼電器電路驅(qū)動蜂鳴器與LED 燈進(jìn)行聲光報(bào)警；待接入電池組與直流系統(tǒng)之間采用帶操作機(jī)構(gòu)的直流斷路器和隔離開關(guān)進(jìn)行連接，在兩組電壓進(jìn)行并列時先通過斷路器進(jìn)行兩組電壓并列，此時如果兩組電壓之間的電壓差越限，經(jīng)樹莓派及外部電路閉鎖，斷路器不能合上；當(dāng)兩組電壓滿足壓差條件時，斷路器能合閘，斷路器合上后，再將與斷路器并聯(lián)的隔離刀閘合上，使兩組電壓之間形成固定連接。當(dāng)待接入電池出現(xiàn)故障時，可快速將故障電池從直流系統(tǒng)中解脫出來，避免故障擴(kuò)大。

圖2 聲光報(bào)警、合閘閉鎖

1.4 人機(jī)界面

圖3 電壓并列

采用在強(qiáng)光和弱光下均有較好顯示效果的帶背光的墨水屏作為人機(jī)界面，人機(jī)界面通過HDMI 接口與樹莓派相連。選用墨水屏顯示裝置操作界面，屏幕由兩片基板構(gòu)成，在通電后可改變顏色，顯示變化的圖象。根據(jù)樹莓派輸出的波形數(shù)據(jù)，墨水屏可按照時序進(jìn)行顯示，使不同顏色帶電粒子在不同電場作用下向不同方向運(yùn)動，最終使屏幕呈現(xiàn)黑晶顯示效果。在關(guān)閉電源后畫面依然留存，可節(jié)省較多的電能。

圖4 接口圖

1.5 蓄電池搬運(yùn)

蓄電池搬運(yùn)制作折疊小車進(jìn)行搬運(yùn)。小車由四個邊框和四條鉸鏈構(gòu)成，邊框劃分為前邊框和后邊框，二者之間設(shè)置第一和第二邊框，中間布設(shè)編織網(wǎng)，共同構(gòu)成支撐框架。各邊框底部安裝行走輪，第一邊框前端和前邊框、第二邊框采用鉸接方式連接，后邊框一端與第一邊框鉸接，另一端在第二邊框上卡接。第一邊框和第二邊框后端配置伸縮式拉桿，拉桿與邊框間采用鉸接方式連接。在搬運(yùn)蓄電池期間，可將邊框支起，搬運(yùn)后將小車折疊存放，減小占用的空間。

2 傳統(tǒng)蓄電池更換方案

本文以某變電站的單套直流系統(tǒng)蓄電池更換為例，對其蓄電池更換方案進(jìn)行分析，圖5為某變電站單套直流系統(tǒng)接線方式，圖6為傳統(tǒng)單套直流系統(tǒng)蓄電池更換備用蓄電池組接入圖，圖7為傳統(tǒng)單套直流系統(tǒng)蓄電池更換新更換蓄電池組接入圖。

圖5 系統(tǒng)接線方式

圖6 接入圖

圖7 實(shí)際接入圖

采用待接入備用蓄電池組，將待接入備用蓄電池組電壓調(diào)整為直流母線電壓后，將待接入備用蓄電池組與待更換蓄電池組并列起來，再將待更換蓄電池組從系統(tǒng)中解脫出來，在這個過程中，接入時需通過人工多次測量比較直流系統(tǒng)母線電壓與待接入備用蓄電池組電壓是否滿足兩組電壓壓差要求，在此過程中存在有量測工作量大、電壓壓差計(jì)算不實(shí)時同步，在實(shí)際接入時并不能完全避免電壓差越限的風(fēng)險(xiǎn)。

在待更換蓄電池組退出運(yùn)行后，將準(zhǔn)備新更換上的蓄電池組進(jìn)行充放電試驗(yàn)合格后，將新更換的蓄電池組與待接入備用蓄電池組并列起來，再將待接入備用蓄電池組從系統(tǒng)中解脫出來，在這個過程中，新更換的蓄電池組接入時，需通過人工多次測量比較直流系統(tǒng)母線電壓與新更換的蓄電池組電壓是否滿足兩組電壓壓差要求，在此過程中存在有量測工作量大、電壓壓差計(jì)算不實(shí)時同步，在實(shí)際接入時并不能完全避免電壓差越限的風(fēng)險(xiǎn)，在新更換的蓄電池組接入系統(tǒng)后，再將待接入備用電池組從系統(tǒng)中解脫出來，完成蓄電池組的更換。

3 通過電壓并列裝置更換

受蓄電池組特性影響，端口電壓和直流母線電壓難以達(dá)到并列要求。對蓄電池組的端口電壓進(jìn)行調(diào)整，由于與載荷量關(guān)聯(lián)，通過恒流充電方式調(diào)整需要較長時間。而系統(tǒng)并列多個蓄電池給母線電壓調(diào)整帶來了困難，容易引發(fā)誤操作隱患，給直流系統(tǒng)帶來過大沖擊，甚至引發(fā)母線電壓崩潰問題。采用微電腦代替人工進(jìn)行并列過程控制，裝置可自動根據(jù)壓差信號進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)蓄電池接入控制，做到快速、安全完成并列過程，降低人員工作強(qiáng)度的同時，使并列操作和蓄電池更換作業(yè)的安全性得到保證。

筆者主要是對電壓并列的技術(shù)原理展開探究，采用了本方案設(shè)計(jì)的裝置后，單套直流系統(tǒng)蓄電池更換工作更安全、高效，具體如圖8。

圖8 單套直流系統(tǒng)蓄電池更換

通過直流系統(tǒng)電池更換、電壓并列裝置，對直流系統(tǒng)母線電壓與待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組電壓進(jìn)行實(shí)時動態(tài)比較，在兩組電壓滿足電壓壓差限值時，通過合上帶操作機(jī)構(gòu)直流斷路器，將待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組接入系統(tǒng)，在并列合閘操作過程中若出現(xiàn)待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組與直流系統(tǒng)母線電壓壓差超過限值，帶操作機(jī)構(gòu)直流斷路器合閘回路被閉鎖，斷路器不能合閘，若待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組電壓與直流系統(tǒng)母線電壓之間的電壓差滿足要求，帶操作機(jī)構(gòu)直流斷路器合上，將待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組并入系統(tǒng)。

電池組并入系統(tǒng)后，為防止帶操作機(jī)構(gòu)直流斷路器由于誤操作或其他原因跳閘，再將與帶操作機(jī)構(gòu)直流斷路器互為并列關(guān)系的隔離開關(guān)合上，從而使待接入備用蓄電池組或新更換的蓄電池組與直流系統(tǒng)形成固定、可靠連接，完成蓄電池組的安全、高效更換。

兩套直流系統(tǒng)之間的并列操作與蓄電池組的更換類似，不再贅述。

綜上，本研究成果能持續(xù)實(shí)時對兩組待并列電壓進(jìn)行檢測、計(jì)算比較，減少人員量測工作量，提高量測、計(jì)算準(zhǔn)確度，能實(shí)時計(jì)算出兩組電壓之間的電壓差值，通過壓差閉鎖控制，避免兩組電壓在并列時由于壓差越限造成的事故、障礙，大幅降低了蓄電池更換、兩套直流系統(tǒng)并列的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。