变电站蓄电池远程核容控制系统研究

王凤祥 袁焕炯

(1、龙滩水电开发有限公司,广西 天峨547300 2、广州市仟顺电子设备有限公司,广东 广州510000)

1 背景介绍

蓄电池组是发电站、变电站直流系统的后备电源,其可靠性极其重要。当充电机出现交流失电或者故障等情况停止工作,蓄电池将成为直流系统唯一电源供给。此时蓄电池组出现问题,将导致直流系统失电,供电系统面临瘫痪,引发重大运行事故。经研究,当前判断蓄电池性能最准确、最权威的方法就是对蓄电池进行核对性放电试验。

目前主流的核容放电仪器大多使用PTC 等电阻材料作为负载,通过电阻发热将电能转化成内能的的方式进行放电。电阻性放电仪放电特性良好,但也存在以下几个缺点：

1.1 安全性低,需要风机强制散热,需要人工值守。放电试验是大电流设备运行,放电负载电阻的表面积可达200～300 摄氏度,高温始终是一个安全隐患,可能损坏设备,伤害作业人员甚至引发火在等。

1.2 放电时间较长,人工参与度高、效率低。如蓄电池以0.1C 核容放电,就需要10 小时。

1.3 能源浪费。如220V/300AH 的蓄电池组采取0.1C 热放电法放电,电能将以6600W 的放电功耗全部散发到空气中。21实际提倡节能环保的生产方式,在保证安全、稳定的情况下应尽量解决能源浪费问题。

2 功能分析

本文基于智能、安全、高效的基本理念,针对现有核容技术人工成本高、效率低、安全性低、资源浪费等缺点,研究一个能够远程控制管理蓄电池充放电及相应数据处理的智能核容系统。系统分为站端控制系统和后台系统,后台系统为后台服务器和用户端,是远程管理和控制的窗口,一般位于发电厂、站的办公区域；站端控制系统由放电控制装置、放电负载等站端设备组成,是充放电试验的执行者。系统设计具备以下几种功能：

2.1 能够远程监视蓄电池组充放电状态(充电电压、放电电压、充放电电流),能够远程控制放电试验的开始和停止。

2.2 具备系统巡检功能,实时获取蓄电池组、放电负载和通讯功能的状态,判断是否存在故障。

2.3 具备参数可设置的核容试验功能,可设置的参数为放电电流、放电终止时间、放电终止端电压和放电终止单体电池电压。放电过程具备紧急停止功能和故障停止功能。

2.4 数据管理功能,实时获取充放电电流、蓄电池端电压、单体蓄电池,单体蓄电池温度等数据。记录充放电的时间、运行状况、和故障记录等数据,并在历史中可以查看。

2.5 权限管理功能,对不同用户实行权限管理,避免无经验人误启动和误终止。

3 工作原理

3.1 放电控制原理

图1 放电控制原理

图2 逆变器工作原理图

系统由放电控制装置对一系列开关的控制来实现放电管理。如图1,以逆变模块组作为蓄电池放电负载。当系统正常运行时,开关DK11 和DK21 为闭合状态,充电机可以通过开关DK11 和DK21 给蓄电池进行浮充电；K1、K2、K3、K4 为断开状态,逆变模块组不工作。当需要给一段蓄电池进行放电试验时,放电控制装置将控制开关DK11 断开,使充电机无法给蓄电池充电,再控制闭合开关K1、K2,蓄电池接入逆变模块组,开始进行放电试验。当放电终止时,断开开关K1、K2,重新闭合开关DK11,充电机通过开关DK11 给蓄电池组进行均充。

3.2 逆变模块组

逆变模块组由多个有源逆变器组成。有源逆变器是新兴的蓄电池放电负载,能够把直流电转换成交流电回馈到站内交流系统。有源逆变器的应用解决了电阻性负载放电时的热安全问题和能源浪费问题。

如图2 所示,有源逆变器的原理是：采用DC/DC-DC/AC 链接结构。输入直流先经过输入EMI 滤波器后,通过LLC 全桥谐振变换器,隔离输出760V(±380VDC)左右直流电,再通过半桥逆变电路,将760V 直流转换为与交流旁路同频同相和同幅值的交流电压。并网逆变器工作时相当于一个交流电流源,按照设定的功率将直流能量转换为交流能量回馈到电网中。

4 系统设计

4.1 站端控制系统

整个放电控制系统由监控主机、蓄电池监控终端、蓄电池监控模块、放电控制装置和逆变模块组成。

后台通过TCP/IP 协议与监控主机通信,来获取数据以及发送放电试验的开始和终止的指令。监控主机是站端系统的管理中心,它负责获取蓄电池监控终端传来的数据,判断蓄电池状态和是否存在故障,依此决定是否给放电控制装置发送核容开始和终止的命令。

放电控制装置是控制中枢,他能够接受监控主机发来的命令,获取放电系统中各个开关的状态(开关量信号),控制放电系统中各个开关的开合和逆变模块工作,继而控制放电试验的开始和终止。

蓄电池监控终端和修电池监控模块相当于蓄电池巡检仪,负责监测蓄电池的端电压、端电流、单体电压和单体温度的数据,数据经过蓄电池监控终端进行处理和计算然后传输给监控主机。

4.2 后台系统

后台系统结构分为两个模块：数据采集监控和数据后台。数据采集监控采用分布式架构,由服务器对站端监控主机发送命令和获取数据,并对数据进行处理和保存。数据后台采用B/S 架构,即浏览器/服务器体系结构设计,用户端可以通过浏览器登陆服务器进行访问和发送控制命令。

服务器通过网络与站端装置(监控主机)实现数据交互,并将获取的数据进行处理和储存。数据后台是用户进入系统查看数据的窗口,通过浏览器访问后台数据管理系统,查看系统采样和存储的数据。

基于分部式架构和B/S 架构的后台设计,一方面大大节省了开发和维护升级的成本,提高系统性能；另一方面也极大的简化了客户端,提升了用户体验感,用户只需要通过浏览器登陆就可以浏览服务器数据。

5 安全措施

蓄电池核容放电试验是高电流,大功率的运行试验,为了保证系统安全可靠性,必须对远程核容放电试验设定完善的安全措施:

5.1 核容封闭条件。当监控主机判断放电控制系统存在通讯故障、蓄电池端电压欠压、单体蓄电池欠压、单体蓄电池内阻过高、单体蓄电池温度过高、逆变器故障等故障时,应禁止远程核容放电控制。避免核容放电试验造成故障扩大、损坏蓄电池等事故。

5.2 核容终止条件。当正在执行核容放电试验过程中,系统出现通讯故障、蓄电池端电压欠压、单体蓄电池欠压、单体蓄电池内阻过高、单体蓄电池温度过高、逆变器温度过高等故障时,系统立即终止放电试验。并记录终止原因、终止时间等数据。

5.3 优先级设定。即远端控制的放电试验和站端工作人员执行控制的放电试验之间的优先级。站端放电控制应优先于远端控制；站端控制可终止远端控制执行的放电试验；远端控制禁止终止站端执行的放电试验。

6 结论

本文研究设计了一个变电站蓄电池远程核容控制系统,系统以站端控制系统和后台系统组成,以有源逆变器作为放电负载,以分布式架构和B/S 架构设计后台系统。设计的系统解决了热放电负载存在的热安全问题和能源浪费问题,以分布式架构和B/S 架构设计的后台系统大大减少了开发成本和维护陈本,简化了客户端,无需用户升级,提升了用户的体验感。