智能型铅酸蓄电池及其监测系统的经济效益分析

苗俊杰

(国网河北省电力公司运维检修部，河北石家庄050000)

智能型铅酸蓄电池及其监测系统的经济效益分析

苗俊杰

(国网河北省电力公司运维检修部，河北石家庄050000)

铅酸蓄电池在电力系统中起着提供能源的重要作用，而在应用过程中呈现的问题比较多，由其引起的事故损失大，亟需一套完备的监测管理系统对其进行监管，防患于未然。由于大多数监测产品存在一定的问题，不能与铅酸蓄电池良好结合，在安装方式、监测方式、监测效果方面不能满足要求，监测装置品质不一，导致其产生的效益也不尽相同。通过调研选取功能较齐全，结构较合理且操作简单的智能型铅酸蓄电池及其在线监测系统，依据各方面的数据，着重从基建成本、维护成本、安全成本、投资成本方面对其运行后产生的经济效益进行分析。对铅酸蓄电池产业发展加以剖析，指出设计合理的智能型铅酸蓄电池及其监测系统的发展前景，加强对智能型铅酸蓄电池及其监测系统价值的认识。

经济效益；智能型；铅酸蓄电池；在线监测系统

铅酸蓄电池在电力系统中应用广泛，在直流系统中更是承担着紧急提供能源的重担，当前应用最广泛的当属阀控式铅酸蓄电池，凭着成本低、全密封安全性好、安装简便、寿命长、维护量小、污染少等特点被广泛应用。

然而阀控式铅酸蓄电池也有不足之处，其本身是一个复杂的电化学体，性能取决于多种因素，不易判断内部情况，常发生电池失效现象，大多数电池寿命不及预期，运行期间单个电池质量下降往往导致整个电池组健康状况迅速下降；在不间断供电系统故障中，由蓄电池问题引发的故障占比例大，损失严重。随着阀控式铅酸蓄电池的广泛应用，维护好蓄电池，增加蓄电池的服役期限，延缓使用寿命已经成为提高直流系统的安全性和可靠性的必要[1]。本文对应用于直流系统的铅酸蓄电池及其在线监测产品(主要是阀控式铅酸蓄电池)做研究，以下蓄电池均指铅酸蓄电池。

1 铅酸蓄电池及其在线监测产品现状

现在的通信、电力系统的备用电源大部分均采用VRLA电池[2]。针对其在应用中的诸多不足，各厂家技术人员从原理上进行分析，对蓄电池的端电池电压、电流、温度、内阻、纹波等加以监测并研发出多种产品，目前市场上的蓄电池监测产品种类繁多，监测种类和精度各不相同，分析方法及算法也存在一定的差异。

国内外早已加大了对蓄电池管理系统研究的投入[3－4]，并且取得了一些客观成绩，部分成果已经投入应用[5]。但目前大多数监测产品都存在一定的问题，不能与蓄电池良好的结合，在安装方式、监测方式、监测效果方面不能满足要求。例如应用比较广泛的集中式监测，需要从所有电池极柱引出测量线集中于监控器，这种安装方式会因电池串联积压导致测量引线之间具有高电压差，造成安全隐患；多数监测产品选用断电方式，由人工操作，监测方式不合理，操作麻烦，维护工作量巨大，并且存在时效性问题而无法满足监测需求；有的在监测过程中用到瞬间大电流，对电池本身和其他装置造成影响；还有一部分监测产品虽监测功能较为齐全，安装后显现出一些问题，不能准确分析出蓄电池的健康状态，对“落后电池”的识别能力差，其本身寿命短等，均对监测过程造成一定的负担。

2 智能型铅酸蓄电池监测系统简介

智能蓄电池是指能以某种技术实现对蓄电池各参数的在线实时准确测量，并能远程传送数据至运维人员。其相应的在线监测系统是针对智能蓄电池技术研发的一种与电池可构成完整系统的产品，可自动收集并处理数据，自动上送结果并有完备的告警机制。本文针对一款新型的蓄电池及蓄电池在线监测产品作效益分析，其优势主要体现在测量电路与蓄电池壳体相结合，一体化生产，并且着重于温度、内阻监测技术的突破，能够实现在线实时监测并不对电池和其它设备产生影响。

较其他类型的监测产品，智能型铅酸蓄电池在线监测系统有如下特点及优势：测量参数齐全，测量精度高，测量电路内置，与蓄电池良好结合；创新的简洁化对外接口接线方式，施工安装简单，安全性能高；实现在线监测，自动分析并上送结果，具备多种参数设定及查询功能；具备详尽的限值设定及告警功能，实现劣化状态的提前预警；完备的后台管理软件，友好的人机界面。

目前，此智能型铅酸蓄电池在线监测系统初步安装应用在110 kV变电站及通讯基站，运行数月，状态稳定，各项功能正常，数据采集完整，精度满足需求。其成功投运给变电站的运行带来了巨大的经济效益。

3 智能型铅酸监测系统经济效益分析

智能型铅酸蓄电池在线监测系统的应用带来的经济效益是多方面的，除了从本身制造到投运过程的成本得到了有效控制外，在运维、安全等方面也有比较突出的优势。

3.1 基建成本

按照单体电池更换计算：根据国家电网华北分公司2013年中标公告显示，邢台供电公司静安110 kV变电站使用的216块2 200 Ah的蓄电池，蓄电池平均中标价格是400元，每个变电站蓄电池购置需要8.64万元。根据邢台供电公司静安110 kV变电站提供数据得知，蓄电池在线监控系统平均中标价格是10万元，平均每块电池承担863元，相当于普通蓄电池成本的216%。变电站安装普通的蓄电池在线监控系统，总体投资在8.64+10=18.64万元。

图1为不同蓄电池站投资成本对比。智能型铅酸蓄电池价格为普通蓄电池的120%左右，加上配套设备，一套基于智能蓄电池的智能型铅酸在线监控系统价格相当于普通蓄电池的130%。同一个变电站换装智能蓄电池在线监控系统，总体投资为8.64万元的130%即11.232万元，与18.64万元投资的普通蓄电池监控所起到的效果是相同的。此外，安装成本上，每块电池集中式安装成本约25元，智能型蓄电池安装成本约2元，每个站安装成本可节约0.49万元。如果将一套110 kV普通蓄电池监控系统换装为能够达到同样效果的智能蓄电池在线监控系统，可节省7.9万元。

图1 投资成本对比图

全国2015年计划新建110 kV智能变电站3 710座，改造630座普通110 kV变电站。若全部替换为智能蓄电池在线监控系统。总共能够节省3.43亿元。

另外由于智能型铅酸蓄电池高可靠性，容量可监测性，使12 V大容量蓄电池在电力系统普及成为了可能。以邢台静安110 kV变电站使用的2 V200 Ah为例，采购价格保守估计为400元/只，全站216块投资为：86 400元。普通12 V200 Ah电池采购价格保守估计为1 500元/只，智能蓄电池成本高出30%即为1 950元左右，全站只需投入36块12 V200 Ah智能蓄电池，可节约成本为：基站2 V200 Ah电池投资总价－基站12 V200 Ah智能蓄电池投资总价，即86 400元－1 950× 36=16 200元。由此可知，使用普通2 V200 Ah蓄电池的110 kV变电站，在改用12 V200 Ah的智能蓄电池后，无需其他另外的投资，不但能完成蓄电池在线监控改造，还可节省约1.62万元资金。若推广到全国，2015年4 340个110 kV变电站，可节省约7 300万元(如图2所示，普通电池3.75亿元，智能电池3.046亿元)。

图2 普通电池与智能电池的投资对比

3.2 运维成本

目前安装普通蓄电池的变电站主要依靠人工巡视和检修方式来维护，过程繁琐，耗费人员力量比较大：巡视工作主要包括人工测量端电压、测量组电压、测量电池温度、检查电池连接及受腐蚀情况、对腐蚀情况作出判断及相应操作；检修工作主要包括准备工具材料、申请并通过通信调度批准、观察电池电压确定其状态、确定电池导线及电池之间联接是否牢固、电池温度是否正常、检查外观及漏液现象、测电池组及单体电池电压、停电检查两组电池带电负载能力及电池保险是否完好、对出现问题汇报并处理、清理现场并按要求填写记录。巡视工作每工作日进行，检修周期约每季度一次。

按照此规程进行作业，以邢台静安110 kV变电站配备一名人员，成本3 000元/月计算，其每年大约耗费巡视成本3.6万元；每年四次检修，每次耗费车辆使用及损耗300元，人员(至少两人)成本500元，每年耗费巡检成本0.32万元。全国新建和改造的4 340个110 kV变电站每年耗费日常维护成本保守估计不低于1.7亿元。

而智能型铅酸蓄电池在线监控系统能够组网，实现远程查看蓄电池运行状态，完全可以实现在办公室内完成蓄电池的日常维护工作，使得现场维护工作成本几乎为零。

3.3 投资收益

尽管普通阀控式铅酸电池理论寿命在10年以上，但受其本身质量及运行情况的影响例如充电电压及时间等，实际运行时间往往达不到预期。

以邢台供电公司静安110 kV变电站配备216块2 V 200 Ah电池为例，每块电池的采购成本大约在400元左右，按目前蓄电池平均寿命5年计算，平均每个变电站每年电池组的损耗成本支出为216×400/5=17 280元。而智能型铅酸蓄电池改造后36块12 V200 Ah每块同型号电池采购成本在1 950元左右，经过权威国家实验室验证，每块智能蓄电池的寿命比普通电池增长3年，可达到平均8年的使用寿命(随着蓄电池生产技术完善，还能进一步延长寿命)。平均每个变电站每年电池组的损耗成本支出为36×1 950/5=8 775元，能够为蓄电池提供蓄电池电压、内阻、温度、容量的在线测量。单纯从电池的成本支出一项每年每个变电站减少17 280－8 775= 8 505元的费用，如图3所示。

图3 普通电池与智能电池的年损耗对比

若推广到全国，2015年新建和改造的4 340个110 kV变电站，每个变电站每年节省3 240元，则全国4 340个110 kV变电站共节省3 691万元。

3.4 安全收益

直流系统出现故障多会造成严重的经济损失，目前大多直流电源由主监控、充电管理、馈线管理和电池管理四个单元构成[6]，其严重事故通常归因于充电管理、馈线管理和电池管理三个单元，可见蓄电池管理不善导致的故障在直流系统故障中占比例相当大。据相关人员估计和一些媒体报道，保守估计110 kV变电站平均每年重大事故至少在1～2起，事故损失平均高达2 000万。

人工维护蓄电池出现故障主要原因有：时效性差，不能及时检验出电池的故障；人员技术水平差异大，人为判断失误造成维护不当；检修工具落后，检修数据少，精度低，不便于分析；异常情况处理慢，维护人员通常距离电站远，检修故障处理不及时，电池作为后备电源在时间上有盲区。

智能型铅酸蓄电池及其在线监测系统能够以在线方式实时监测电池的各个参数，有效避免了时效性造成的事故；其监测量包括单体电池电压、电流、温度、内阻及电池总电压、电流纹波系数等重要参数，且精密的算法能够确保一致性，有效避免了人为判断失误问题；其先进的测量原理及其安装方式有效保证了各个参数的采样精度，确保分析结果的正确性；其合理的推断算法和告警机制能够提前3个月预报蓄电池损坏情况，防止了断电事故的发生，为解决事故预留充分的时间。

由此估算智能蓄电池的应用为直流系统的运行带来的安全收益每年不低于3 000万元。

4 总结与展望

综上，若从全国范围推广智能型铅酸蓄电池替代计划，完成全国4 340座110 kV变电站蓄电池在线监控系统的改造，无需额外投资，还可节省7 300万元；每年减少日常维护成本1.7亿元；每年延长蓄电池寿命收益3 691万元；此外在环保和安全方面有着不可估量的隐形效益，保守估计总收益为千万级甚至更高。

随着铅酸电池免维护化的实现及监控、管理手段不断完善，铅酸电池在大容量备用电池系统中将继续保持良好的市场。一套结构合理、功能齐全、运行安全简便的蓄电池在线监测系统的应用，可以解决蓄电池现有缺陷，促使铅酸蓄电池更好地服务于直流系统，其带来的经济效益是各个方面的，并且有些经济效益是不可估量的。

智能化的监管手段将越来越受到业内各界人士的关注和重视，未来蓄电池产业将走向清洁化、智能化、安全化、规范化的道路，同时铅酸蓄电池监测技术的发展是推动力，铅酸蓄电池监测产品也将更加智能化，未来直流系统选用监测产品应以安全性、可靠性及智能化程度为首要准则，保障直流系统的可靠运行。

[1]舒新.蓄电池监测系统研究与开发[D].南京：河海大学，2007：8-10.

[2]陈达明.阀控式密封铅酸蓄电池的应用与维护[J].电源应用技术，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]张永杰.纯电动汽车动力型锂电池管理系统的研究与设计[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[5]盛大双.基于CCP协议的电池管理标定系统研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[6]赵宝强.直流电源系统故障分析与处理[J].电工技术，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，硕士生，主要研究单位为电力系统及其自动化。