基于無線通訊技術的變電站蓄電池組檢測裝置*

馬 艷, 吳 航, 周 亞, 曹 海, 黃海宏

0 引 言

變電站直流電源系統主要由整流電源和蓄電池組組成。蓄電池組正常情況下長期處于浮充狀態。當發生交流停電時,整流電源停止工作,蓄電池組放電,實現直流設備的不間斷供電。為了及時得到每節蓄電池的工作情況,并且減少維護的工作量,蓄電池檢測裝置已成為110 kV以上等級的變電站直流系統狀態檢測中的重要組成部分[1]。

多年來變電站蓄電池檢測一直以單體蓄電池端電壓檢測為基本要求,輔以核對性放電的容量檢測和內阻測試方法[2-6]。其中內阻測試方法又分為交流法[7]和直流法[8]。

蓄電池巡檢裝置的基本功能是實時檢測蓄電池組中每節蓄電池的端電壓。端電壓檢測能直接對蓄電池的過充、欠充和過放進行預警,在放電狀態下能在一定程度上反映各節電池的狀態。但在浮充電狀態下,性能很差或連接不良的蓄電池端電壓的變化并不明顯,而等到蓄電池放電時才發現異常,有可能會產生嚴重后果。最準確的蓄電池容量和狀態的檢測辦法是核對性放電,以500 Ah的蓄電池為例,標準的測試方式是以0.1 C放電電流50 A進行恒定電流放電,通過記錄端電壓下降到截止電壓前持續放電的時間來計算該蓄電池的容量,若放電時間達到或超過10 h,則該電池容量為100%。若在放電過程中某節電池端電壓下降速率遠大于其他電池,則可初步判斷該電池為落后電池。但這種方法需要額外的設備投資,且耗時太長,受制于人力等因素,變電站蓄電池組核對性放電的周期一般都在半年以上。有別于長時間核對性放電來檢測電池容量,通過內阻測試在較短時間內來識別落后電池是目前得到共識的蓄電池檢測方法。

目前應用于變電站直流電源系統的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸蓄電池,分為12 V、6 V和2 V系列,受單體鉛酸電池體積和重量的限制,12 V電池的容量一般在100 Ah以下,200 Ah以上的鉛酸電池基本都是2 V的。在較為重要的變電站,電池容量要求較高,基本都采用2 V電池。故本次針對2 V電池組成的蓄電池組,設計了一套具有電壓和內阻檢測功能,采用無線通訊方式的分布式蓄電池檢測裝置。

1 分布式蓄電池監測裝置

為檢測單節蓄電池電壓,要在蓄電池兩極引出采樣線。集中式蓄電池測試儀工作方式如圖1所示。

圖1 集中式蓄電池測試儀工作方式

集中式蓄電池測試儀價格低廉,但缺點明顯:現場連接線偏多。500 kV以下等級變電站的直流電源通常采用220 V系統,若采用2 V蓄電池組成蓄電池組,通常為104～108節,則電壓采樣線為105～109根,造成現場走線較混亂。由于采樣線是通過端子接入蓄電池測試儀,而考慮到體積和成本,相鄰接線點距離很近;蓄電池為帶電體,其采樣線連接具有一定危險性,尤其長距離連接蓄電池采樣線,且當采樣線數量較多時,不易分辨其順序,造成現場安裝和故障排除時操作任務較重,且發生事故的機率也高。

鑒于以上原因,分布式蓄電池檢測系統已開始得到應用。分布式蓄電池檢測系統結構框圖如圖2所示[9]。

圖2 分布式蓄電池檢測系統結構框圖

該系統為每節蓄電池配置一個測試單元,測試單元與對應蓄電池就近連接,測試單元采用內置ADC的低功耗單片機作為控制芯片,以對應的單節蓄電池作為測試單元的電源輸入,通過DC/DC變換電路將蓄電池電壓變換成單片機和其他電路的工作電壓,并通過內置ADC實時檢測蓄電池端電壓。測試單元通過撥碼開關類似的站號設置電路對應唯一的通訊站號,測試單元上電初始化時讀取通訊站號;監測單元通過隔離的RS-485總線,帶站號逐一召喚每個測試單元,站號相符的測試單元逐一響應召喚命令,由此監測單元獲得每個蓄電池的端電壓數據。

與集中式蓄電池測試儀相比,分布式蓄電池檢測系統采用就近連接采樣線的方式,避免了大量帶電采樣線長距離連接的危險。但每節電池均配置測試單元的方式,若應用于2 V蓄電池組,其經濟性會阻礙其推廣應用。同時目前直流電源系統中的整流電源均由高頻開關電源模塊并聯組成,若電源模塊的電磁兼容水平不高,其內部開關器件功率MOSFET或IGBT高速開關時產生的電磁脈沖會對RS-485總線產生干擾,造成數據傳輸誤報率高。

綜合以上因素,本文針對2 V電池設計的蓄電池檢測系統,采用分布式方式,系統由若干測試單元和1個監控單元組成。測試單元工作原理如圖3所示。

圖3 測試單元工作原理

考慮到2 V蓄電池組串聯的蓄電池節數不確定,測試單元以3節或4節2 V電池串聯作為電源輸入(輸入端口為B+和B-,其中B-同時為整個電路的基準地。),通過電壓變換電路得到測試單元內部工作電壓,并且通過單片機內置多路ADC和調理電路可同時檢測所有串聯電池的單體電壓。同時進行進一步優化,以無線通訊取代RS4-85通訊方式,通過通訊站號設置電路可為每個測試單元賦予不同站號。以220 V直流電源系統為例,采用2 V電池時,其蓄電池組電池節數通常在104～108之間,則一組蓄電池需配置27個本文設計的測試單元。

將單片機的串口與無線串口透傳模塊相連,監控單元采用廣播模式,實現與監測單元的帶站號分時通訊,傳輸距離達到250 m,滿足現場通訊要求,同時工作頻率達到2 400 MHz,遠高于變流裝置的開關頻率,克服了RS-485通訊方式易受變流裝置高頻干擾的問題。無線串口透傳模塊如圖4所示。

圖4 無線串口透傳模塊

考慮到各單體電池是工作在串聯狀態,存在測量共地問題。2 V單體鉛酸電池的端電壓在恒壓均充時最高約為2.35 V,在單片機內置ADC的測量電壓范圍(3.3 V)內,但兩節2 V鉛酸電池串聯后已超出3.3 V,故測試單元對串聯的各節電池電壓進行分壓后再進入單片機內置ADC進行測量。測試單元分壓檢測工作原理如圖5所示?？紤]到分壓電阻會造成被測電池的放電和影響測量精度,故采用的均是幾十k級的高精度電阻。其中UB1～UB4分別為串聯的4節電池的端電壓,U1～U4分別為電池1端電壓、電池1和電池2串聯的端電壓、電池1～電池3串聯的端電壓、電池1～電池4串聯的端電壓,系數1～3根據分壓電阻R1～R6的阻值來確定。

圖5 測試單元分壓檢測工作原理

2 蓄電池內阻在線檢測原理分析

鉛酸蓄電池簡化等效電路模型如圖6所示。其中Ub為鉛酸電池的內在電動勢,Rm為金屬電阻,其會隨著金屬的硫化、蠕變和腐蝕等因素而產生緩慢的變化,但在一個較短的時間內可認為是常量。Re為電化學電阻,隨著容量的狀態發生變化,但其測量又受到并聯著的電容C的容抗變化的影響。

圖6 鉛酸蓄電池簡化等效電路模型

故若采用交流法對蓄電池內阻進行測量(在蓄電池兩極注入低頻交流電流信號IAC,檢測在蓄電池兩極產生的低頻交流電壓值UAC),則蓄電池內阻Rb=UAC/IAC,但由于蓄電池等效電路中的C閥值比較大,導致容抗很小,交流法檢測到的實際上是由Rm和C串聯的阻抗,而隨容量變化明顯的電化學電阻Re反而被忽略了。

相對而言,直流放電法檢測蓄電池內阻目前在電力系統得到廣泛認可。為避開C的影響,由鉛酸蓄電池產生一個瞬時的放電電流。瞬間電流放電測試示意圖如圖7所示[10]。

圖7 瞬間電流放電測試示意圖

測量電池電流I和電池電壓U1。切除負載后再測得電池電壓回升值U2,則不難推得:Rm和Re串聯的蓄電池內阻Rb=(U2-U1)/I。

考慮到蓄電池組作為直流電源的后備電源,為保證負載的不間斷供電,測試時不允許與整流電源脫離,而對單體蓄電池進行放電時其電流會包含整流電源的充電電流。為克服在線測試時整流電源充電電流的影響,采用二次放電法實現蓄電池內阻在線檢測。

在線式二次放電測內阻原理框圖如圖8所示。Rb為待測的各單節電池的直流內阻,IE為整流電源輸出電流。設兩次放電時負載流過的電流分別為I1和I2,測得的對應不同負載電流的負載電壓分別為U1和U2。為被測蓄電池均配置放電電阻R1和R2來產生瞬時放電電流,分別由放電開關S1和S2來控制。

圖8 在線式二次放電測內阻原理框圖

在測試單元中,采用功率管MOSFET作為開關S1和S2。以3節或4節2 V電池串聯后的電壓作為電源輸入,通過三極管組成的驅動電路變換后作為2個功率管MOSFET的驅動電壓,以多個低阻值的康銅絲串聯構成放電電路,產生二次放電所需要的電流。測試單元二次放電測內阻控制原理圖如圖9所示。

圖9 測試單元二次放電測內阻控制原理圖

通過測量電路中的R45和R75上的電壓可得到電池放電電流IB1和IB2,同時根據圖5的電池電壓測量電路再得到各節電池放電前后的端電壓數值。

將圖8進行簡化,在線式二次放電測內阻簡化推理圖[11]如圖10所示。

圖10 在線式二次放電測內阻簡化推理圖

圖10中E為整流電源與其他非測蓄電池的等效串聯電勢,R為其他非測蓄電池內阻等效串聯電阻。

為提高測量精度,采用先小電流再大電流的二次放電方法[9]。閉合開關S1,第一次電流放電對應的關系式為

Ub-U1= (I1-IE)Rb

(1)

緊接著再閉合開關S2進行第二次電流放電,設由于第一次電流放電導致蓄電池能量損失造成的電池電壓下降為ΔUb,則對應的關系式為

Ub-ΔUb-U2= (I2-IE)Rb

(2)

綜合式(1)、式(2),可得式(3),即

ΔUb+U2-U1=Rb(I1-I2)

(3)

而由于是瞬間放電,將因能量損失造成蓄電池電勢Ub的下降ΔUb忽略,故

Rb=(U2-U1)/(I1-I2)

(4)

實際上蓄電池內阻與電池的荷電狀態、環境溫度等因素都有關系,因此不能通過蓄電池直流內阻測量來直接推導出蓄電池的容量和健康狀態,蓄電池內阻測量的作用更多地體現在相同外部條件下同一蓄電池組內各節蓄電池的比較,為確定落后電池提供依據。若采用相同的直流內阻測量方式,若某一節電池的內阻遠大于其他電池的內阻值,則可初步判斷該電池為落后電池。

3 實 驗

為驗證測試單元對單節電池的電壓采集和內阻測試效果,搭建實驗平臺,對4節串聯的蓄電池進行二次放電,同時檢測4節蓄電池的端電壓變化情況,并記錄二次放電的電流數值,即可以按式(4)計算4節蓄電池的內阻。二次瞬間放電單節電池電壓波形如圖11所示。放電采用先小電流后大電流的方法,由電壓波形可看出,當兩次瞬時放電結束后,蓄電池端電壓恢復值與放電前端電壓初始值基本沒有變化,即前面所述由于瞬時放電導致蓄電池能量損失造成的電池電壓值ΔUb可以忽略不計,故式(4)是合理的。

圖11 二次瞬間放電單節電池電壓波形

對4節2 V/500 Ah的鉛酸蓄電池串聯后進行二次放電測試,測得相應數據。內阻測試結果如表1所示。該內阻數值與2 V/500 Ah的鉛酸蓄電池正常內阻相符,說明本文采用的電壓檢測和內阻測試方法有效。

表1 內阻測試結果

4 結 語

本文在分析傳統集中式蓄電池檢測裝置和分布式蓄電池檢測裝置的優缺點基礎上,設計了針對2 V鉛酸電池的新型分布式蓄電池檢測系統,克服了傳統蓄電池檢測裝置連接線較多和電磁干擾問題。測試單元以3節或4節2 V鉛酸電池串聯作為輸入,獲取電源能量并對輸入的電池進行電壓和內阻測試,并將測量信息上傳至監測單元,可對蓄電池組實現完善的實時監測。