1  引言
调度自动化系统由远动主站、分站和通信通道三部分组成。主站安装在调度自动化机房,分站安装在各变电站,通道将主站与分站有机地联系成一体。要想保证自动化系统稳定、可靠、连续运行,除自动化设备本身质量要过关外,还需要保证交流220V电源的连续供给,也就是说要给自动化系统配备不间断电源。当交流电源消失后,如系统事故或市电故障时,不间断电源将全部由蓄电池组提供。因此,蓄电池性能、质量的好坏直接影响到调度自动化系统主站是否能安全可靠运行,其性能好坏的监测与判断已成为电力系统稳定、安全、可靠运行的关键。
蓄电池作为一种便捷、安全的电源,为获得较高的电压,通常是把多节蓄电池串联起来工作。在运行一段时间后,由于单体蓄电池的特性差异,电池组中的个别电池性能或将变差、失效,造成整个蓄电池组的性能下降,进而导致整个系统安全、可靠性的降低。
蓄电池作为一种化学反应装置,其电化学过程比较复杂,内部化学反应影响因素较多,出现问题时也不易及时发现。因此,要准确估计蓄电池组剩余电荷量和蓄电池故障诊断、健康排序都是相当复杂的过程[1]。 2aec75【中国自动化网社区】077932【http://sns.ca800.com】e72

2  蓄电池剩余电量常用监测方法
目前监测蓄电池剩余电量的方案最有代表性的有如下几种[2]:
2.1  密度法
通常蓄电池的使用性能与所选用的电解液密度有直接关系。在一定范围内,电解液密度增大,蓄电池容量亦随之增加,通过测量电解液的密度值,即可间接估计出其剩余电量。但随着蓄电池的使用,板栅和隔板的腐蚀会逐渐加剧,电解液的密度值也会与刚出厂时有较大的差异,缩短了蓄电池的寿命,从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。同时由于目前的电源系统中大多采用的是阀控式铅酸蓄电池,这一方法也难以应用。
2.2  开路电压法
对铅酸蓄电池而言,在其性能完全稳定的时候,其开路电压与剩余容量间存在很明显的线性关系,而且这种线性关系受环境温度以及蓄电池老化因素影响很小。因此,通过测量蓄电池的开路电压,就可以推算出蓄电池的剩余电量。开路电压的显著缺点是需要电池长时静置,以达到电压稳定,电池状态从工作恢复到稳定,需要几个小时甚至十几个小时,所以不大适合实时在线测量要求。
2.3  电阻放电法
通过对蓄电池施加一负载,计算单位时间内的蓄电池端电压变化率,根据变化率的大小推算剩余电量,变化量大意味着剩余电量小,否则反之。但是此种试验方法阻值跃变大,负载电流不能精细调节,因而误差也较大;并且为了实现在线测量,缩短测量时间,需要对蓄电池大电流放电,而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤,严重影响电池的使用寿命。
2.4  电导测量法
电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号,测量出与电压同相位的交流电流值,其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数,不同的测试频率下有不同的电导值,在低频率下,蓄电池电导与蓄电池容量相关性很好,一般测量频率在20~30Hz之间,对大容量蓄电池,频率要低于10Hz。蓄电池的容量越小,蓄电池电阻越大,电导值越小。电导测量需通过放电来记录电池的电导随其容量变化的曲线,根据蓄电池厂家提供出厂蓄电池的电导与放电的数据,以及蓄电池用户定时检测运行中电池的电导值,对照电导与容量的曲线查出电池实际容量。电导法能准确查出完全失效的蓄电池,根据大量的实验分析及研究结果证明,蓄电池的容量只有降低到50％时,电导会有所变化,降低到40％以后,会有明显变化,所以,根据蓄电池电导值可以在一定程度上确定蓄电池的性能。但是存在如下问题:但对于蓄电池的好坏程度,还不能提供准确的数据依据,不足以准确地测算出蓄电池的实际性能指标,尤其是容量指标。不能判断容量50％以上的蓄蓄电池的好坏。不能到达国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求,蓄电池组荷电容量达不到80％便应整组淘汰。
2.5  温度测量法
除去电化学反应的吸热和放热外,由于蓄电池内阻的存在,使得蓄电池在充放电过程中,当有电流经过时,蓄电池内部会产生热量,这部分热量会使蓄电池的温度发生变化。在同样电流的条件下,蓄电池内阻不同,蓄电池内部产生的热量不同,蓄电池的温度就不同。蓄电池温度测量是在蓄电池负极柱根部安置温度传感器,通过测量在线蓄电池的温度,找出温度异常的蓄电池。这实际上是将蓄电池的阻值通过温度间接地反映出来,避免了因接触电阻而造成的误差。研究表明:无论是恒流放电,或限压恒流充电,或浮充状态,荷电量最小的蓄电池温度为最高。该方法因其测试简便和测试结果的直观性受到一定的重视。
2.6  内阻法
研究表明,电池的内阻与荷电程度之间有较高的关联性,通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池完全充电(充满)和完全放电(放完)时,其内阻相差2~4倍。随着电池充电过程的进行,内阻逐步减小;随着放电过程的进行,内阻逐步增大。另外,在蓄电池老化过程中,其内阻逐渐增大,其剩余电量随之下降,因此,监测蓄电池内阻能提前预测故障电池。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图1所示。 d1847【中国自动化网社区】48e78d【http://sns.ca800.com】4c

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内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说,此方法对系统影响最小,并可在电池的整个使用期内精确测量。

3  智能蓄电池监测系统的工作原理及应用
由于监测对象为河池供电局调度自动化主站蓄电池是阀控式铅酸蓄电池[3],它的运用在很大程度上已经减少了像开口式铅酸蓄电池那样繁琐复杂的维护工作,但也因此使得日常对开口式铅酸蓄电池的运行监测维护方法已不再适用于阀控式铅酸蓄电池,这就对蓄电池的监测提出了新的要求。所以该局采用了杭州高特电子设备有限公司生产的GE－2000系列智能蓄电池组监测系统。该系统采用微机控制,自动化程度高,现场操作灵活简便,可在线监测每节电池的电压、电池组组端电压、充放电电流和温度,动态放电测试电池内阻及负载能力,静态放电测试电池容量,综合测量判定电池性能及其变化趋势,对失效电池予以显示和报警,并对电池进行有效的活化维护,大大的提高了蓄电池的性能、延长了使用寿命。
3.1  智能系统测量原理
该监测系统采用先进的数学模型,对蓄电池浮充电压、放电曲线和内阻值等多项测量结果进行综合计算分析,即可对蓄电池的性能作出判断。
针对电力系统的使用要求,直流系统中的蓄电池必须能够提供足够大的瞬时电流和长时间的小电流放电,即要求有较小的内阻和较大的容量。本系统采用以下多项检测方法:
(1)  实时在线监测每节蓄电池电压、电池组充放电电流、温度。
(2)  动态放电,大电流(>100A)冲击负载,可在短时间内得到电池瞬间的放电曲线,测得内阻: 52【中国自动化网社区】f78309【http://sns.ca800.com】63d2

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(3)  静态放电,小电流恒流,测得电池容量: 52【中国自动化网社区】f78309【http://sns.ca800.com】63d2

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(4)  运用先进的数学模型对以上诸参数进行综合计算分析,即可对蓄电池性能的好坏直观的显示出来。
3.2  电路原理图
系统由三个模块构成:
(1)  采集模块:
采集模块是将通过电压采集模块、电流变送器、温度传感器等得到单节蓄电池电压、电池组充放电电流、温度等快速的检测出来,并将这些模拟量送入A/D转换,转换得到的数字信号再送到CPU处理,最后将处理得的数据通过RS485总线传输至监测主机上,供计算机分析、计算。
(2)  放电模块:
放电模块分为动态放电模块和静态放电模块。选择动态放电时,大功率负载能承受瞬间高达100A(或>100A)的冲击电流,以实现对电池内阻的检测;静态放电时,通过恒流控制技术,负载能承受长时间恒流(5A)放电,实现对电池容量的核对性测试和对电池性能的活化。
当接收到监测主机的放电命令时,放电模块(动态/静态)接通,电池通过负载放电,同时采集模块将迅速的采集相应的变化量,并通过计算得出每节电池的特性曲线。
放电模块还设有计时器,在放电超时时,系统会自动切断放电回路;还设有过流、超温等的异常保护,大大的提高了放电模块的可靠性、安全性。
(3)  监测主机
监测主机是该智能系统的核心部分,采用了高性能的16位单片机和大容量的4M FLASH,不仅保证了在大量数据时的高速计算,也保证了对数据的掉电保存。 620390【中国自动化网社区】601bd7【http://sns.ca800.com】8e696d

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当接收到采集模块送过来的数字信号后,CPU将对这些信号进一步的分析处理,最后将得到的数据在显示面板上显示出来。
电池电压、电流的采集示意图如图3、图4所示。 620390【中国自动化网社区】601bd7【http://sns.ca800.com】8e696d

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河池供电局使用的蓄电池为12V/100AH,共四组,每组32只。该局对蓄电池性能的维护,规定动态放电每月进行一次,静态放电3月进行一次。因此,本文抽取了其中一组蓄电池日常维护中的动态放电和静态放电的数据进行分析。
(1)  动态放电时
先断开UPS蓄电池输出开关,将准备 测试的电池组退出系统,然后连接好动态放电模块,开启该放电模块交流开关,合上蓄电池放电开关,最后在监控主机上选择“动态放电测试”进入放电状态,2秒后放电结束。
动态放电结束时,显示面板显示出的蓄电池组组端电压为437.9V,放电电流>100A,所得到的内阻值如表1所示。
注:1.M为内阻值单位;2.由于有些内阻值小于装置的显示范围所以用**.*表示。
(2)  静态放电时
先断开UPS蓄电池输出开关,将准备测试的电池组退出系统,然后连接好静态放电模块,开启该放电模块交流开关,合上蓄电池放电开关,最后在监控主机上选择“静态放电测试”并设定放电电流、放电时间、放电容量上限等后进入放电状态。
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放电结束后,显示得到蓄电池组组端电压为380.5V,放电时间为3h,放电电流11.1A,总放电容量33.3Ah,单个电池的端电压如表2所示。 78【中国自动化网社区】e7548f【http://sns.ca800.com】2d9

4  结束语
本文先从蓄电池对调度自动化系统的重要性出发,后分析了蓄电池监测的常用方法,最后引出智能蓄电池组监测系统。显然,通过此监测系统测量得出的电池内阻、容量等相关参数,符合电力系统对电池负荷的实际要求,而且能真实反映电池的负荷承受能力和使用性能。一旦出现电池老化情况时,能及时提醒维护人员并处理,保障了蓄电池稳定、可靠的运行。 78【中国自动化网社区】e7548f【http://sns.ca800.com】2d9

参考文献:
[1] 陈杰.智能铅酸蓄电池组性能的监控系统[J].机电工程.1999(6):18-20.
[2] 欧阳名三,余世杰.VRLA 蓄电池容量预测技术的现状及发展[J].蓄电池,2004(2):59-63.
[3] 国家电力公司电力规划设计总院.阀控式密封铅酸蓄电池资料汇编[M].北京:中国电力出版社,2001.

作者简介:刘隆华(1985-),男,助理工程师,研究方向:电力调度自动化专业。 78【中国自动化网社区】e7548f【http://sns.ca800.com】2d9