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摘要 随着现代社会的快速发展，能源的需求不断增长，而可再生能源的推广和应用也越来越广泛。蓄电池作为可再生能源不可或缺的组成部分，在能源转型方面扮演着至关重要的角色。然而，现有的蓄电池运维系统仍存在运行成本高、效率低、能力不足等问题。因此，本文提出了一种基于蓄电池数字化智能运维的方案，通过将传感器、物联网及大数据技术技术应用于蓄电池的实时监测、数据采集、智能充放电管理及直流母线安全问题，可以实现对蓄电池的智能运维和故障维护。本文具体介绍了基于蓄电池数字化智能运维的方案设计。首先，介绍了蓄电池监测系统的硬件结构和软件架构。其次，讨论了传感器的选用和安装，以及数据采集和传输的技术。最后，提出了利用大数据技术进行数据分析和故障诊断的方法。实验结果表明，基于蓄电池数字化智能运维的方案可以有效地提高运维效率和降低运维成本，为蓄电池在可再生能源领域的广泛应用提供了可靠的技术支持。

关键词：蓄电池；数字化；智能运维

1、绪论

1.1 研究背景和意义

电厂（站）直流系统配备铅酸蓄电池组，用于在停电时为控制设备、保护设备、重要直流装置提供安全、稳定、可靠的后备电力保障，蓄电池的稳定性和在放电过程中能提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义。但是，阀控式铅酸蓄电池因长期浮充或者运行维护问题会出现基本腐蚀、失水、热失控等故障，这些故障都会导致蓄电池内阻值的增大，当蓄电池对外进行放电时，一旦此时外部电源失去，系统在直流供电状态下的高强度供电电流，会促使有缺陷的蓄电池很快崩溃，整个直流系统在瞬间失去动力，给电站内企业带来不可弥补的巨大损失。为了确保蓄电池处于健康状态，就必须定期对蓄电池进行核容放电。核容放电是目前衡量铅酸蓄电池性能最科学、最准确的手段，但是由于传统的放电作业需要耗费大量的人力和时间投入，因此放电核容维护只能周期进行（间隔至少一年）。在机房对蓄电池组进行放电，还需要采取多人值守的方式，预防事故的发生。变电站蓄电池数字化管理系统是一款集蓄电池远程充放电管理、实时监测、电池性能分析等功能为一体的智能化系统，在国家“数智化”发展的大背景下，国内大部分电厂（站）蓄电池仍采用人工核容的方式，不仅存在时间成本高、劳动强度大、效率低等难题，还易人为操作失误导致较大安全问题。蓄电池数字化智能运维管理是未来发展的趋势。

目前，蓄电池的监测和运维主要依靠人工巡检和维护。然而，这种方式存在运行成本高、效率低等问题。随着物联网技术、传感器和大数据技术的逐渐成熟，数字化智能运维已经成为一个研究热点。数字化智能运维是利用物联网技术、传感器、云计算和大数据技术对设备进行实时监测和数据采集，通过对数据的分析和诊断实现设备的故障预警和精准维护，从而提高设备的运行效率和管理效能。

为了解决蓄电池运维成本高、效率低的问题，本文提出了一种基于蓄电池数字化智能运维的解决方案。该方案是在传感器、物联网和大数据技术的支持下，对蓄电池进行实时监测和数据采集，通过对数据的分析和智能远程一键核容诊断实现蓄电池的智能运维和故障维护，从而提高蓄电池的利用效率和寿命，降低运维成本，为可再生能源的发展提供可靠的技术支持。

1.2 研究内容和方法

本文基于蓄电池数字化智能运维的研究，提出了一种解决方案。具体来说，本文首先介绍了蓄电池数字化智能运维的系统方案设计，包括系统介绍、系统特点、系统构架、系统组成和方案原理。最后，提出了利用大数据技术进行数据分析和故障诊断的方法。

本文的研究方法已经实际应用于火电站与水电站的直流系统。通过现有的直流系统和新增的设备，设计和搭建一个基于蓄电池数字化智能运维的方案。通过比较不同方法的效果，总结得出结果和结论。

2、系统方案设计

2.1 系统介绍

蓄电池数字化智能运维系统，实现0.1C10蓄电池核容放电的功能，并具备0.1C10充电功能，将蓄电池充满电后再接回充电机，避免大电流冲击对充电机造成损坏的风险。放电期间，自动记录单体电压、组端电压、单体温度等指标，自动形成放电报告等。系统实时巡检放电结束条件，放电结束后，系统自动转充电。大多数情况下，本系统处于监测状态，实时采集蓄电池的电压、温度信息，定期测试蓄电池的内阻，若采样到的蓄电池参数超过预设的阀值，系统将产生告警。系统会将采集得到的蓄电池参数绘制成曲线，尤其是内阻曲线，维护人员可根据某个单体的内阻曲线，判定电池的劣化情况。使用本系统，蓄电池组日常维护和巡检工作将大大简化，降低了维护和巡检工作人员的劳动强度。

2.2 系统特点

2.2.1 本系统对蓄电池放电采用逆变并网技术，放电期间蓄电池能量回馈电网，发热小、安全性高；

2.2.2 采用双向逆变器技术，可对蓄电池进行充电；

2.2.3 采用谐振软开关技术，充放电效率高；

2.2.4 功率模块具备多重安全保护功能：过欠压、过欠频、过流、过温、孤岛保护等功能；

2.2.5 采用小电流直流放电法测试内阻，对电池无损伤，重复精度高；

2.2.6 采集每个单体的负极柱温度，真实反映蓄电池内部温度情况；

2.2.7 放电设备采用7寸彩色触摸屏，界面简单友好，操作简单；

2.3 系统构架

系统架构如图所示，包括电池采集模块、切换开关、中控器、逆变模块、后台管理软件等。其中，图中虚线框中的切换开关、中控器、功率模块位于蓄电池远程放电屏柜内。

电池采集模块安装在蓄电池架上，可获取蓄电池的单体电压、单体温度、单体内阻、总电压、充放电流等参数。电池采集模块通过RS485总线与中控器通讯。

蓄电池远程放电屏柜通常安装在蓄电池充电机附近，以便于充放电母线安装。中控器是整个系统的大脑，通过RS485总线与电池采集模块通讯获取蓄电池参数信息；通过RS485总线与逆变模块通讯，控制逆变模块的工作状态并获取其内部参数；通过TCP/IP与后台管理软件通讯，一是可以将蓄电池参数、系统状态、系统参数等信息上传，二是接收来自后台管理软件的命令。

后台软件蓄电池远程放电管理系统有以下功能：

（1）可实时显示蓄电池运行详细数据，包括电池组总电压、充电电流、放电电流、单体电压、单体温度、单体内阻；

（2）将上述数据记录在系统中，用户可以随时查询指定周期的历史数据；

（3）每次放电维护作业完毕，可自动生成详细报表，对蓄电池健康状态做出分析，可轻松甄别落后的单体电池发出维修或更换通知；

（4）各种图表显示，总电压曲线图、单体电压曲线图、充电/放电电流曲线图、单体温度曲线图、单体电压/容量柱状图、内阻曲线图等。维护人员可通过内阻曲线图判定蓄电池的劣化情况；

（5）可根据用户实际维护要求，对总电压、单体电压、单体温度、单体内阻值等配置告警策略，实时显示异常的告警信息，并根据用户设置的告警通知渠道（系统弹幕通知、声音、邮件、短信）进行告知相应维护人员。

2.4 系统组成

蓄电池数字化智能运维系统主要由电操开关、蓄电池充放电管理装置、单体采集模块、总接收模块、切换控制模块、放电回路切换模块、中央控制器、二极管、电控开关、后台软件等重要部件组成。在原直流系统蓄电池主回路中，通过在原直流系统的刀闸上共并联3个电操，替代原刀熔开关工作，将蓄电池远程充放电系统屏加装于两套直流系统之间，另外还需要在蓄电池组上进行蓄电池采集模块的改造，加装新型蓄电池单体采集模块和总接收模块，最后在用户端的服务器或电脑上部署后台管理系统，需要提前沟通协调网络架构、网络通道以及通讯协议。同时，为避免直流系统中由于异常原因窜入交流引起系统不稳定，额外安装防交流串入直流检测仪，实时监测直流系统中母线上窜入的交流量，当交流数值超过设定值时设备告警。

2.4 方案原理

蓄电池数字化智能运维系统成套设备包括中央控制器、蓄电池充放电管理装置、总接收模块、单体采集模块、防交流窜入直流检测仪、主回路控制电操（3把）、以及手动断路器、二极管等构成。

成套设备实现在线放电方法是通过中央控制器监测直流系统运行状态，在系统运行正常情况下可以对蓄电池组进行核容放电；控制器通过控制电操开关合母联、退出蓄电池组，对蓄电池组进行核容放电。

开关控制设计闭锁控制、状态监测等安全设计，保障系统安全运行。

正常运行时，原直流主回路1DR、2DR断开，母联端电操1ZK开关断开，母联原联络保持开关断开。I段蓄电池电操2ZK开关闭合，RD1熔丝刀熔开关闭合，切换装置内部接触器4ZK断开，直流系统原1QK2、2QK2手动开关闭合。II段蓄电池电操3ZK开关闭合，换装置内部接触器5ZK断开，RD2熔丝刀熔开关合。空开15ZK～20ZK处于闭合。充电机与蓄电池组并联，正常运行时，只有蓄电池组的充电回路正在运行，而切换装置内部接触器4ZK、5ZK切断，使系统在浮充状态下能安全运行。

需要对I组蓄电池放电时，中控判断I段母线和II段母线电压压差如果不超过5V前提下，则发指令检测二极管的状态是否正常、闭合母联端电操1ZK、断开电操2ZK，闭合放电切换模块的内部接触器4ZK。蓄电池组放电时，蓄电池充放电管理装置以0.1C功率进行放电。

蓄电池充放电管理装置充放电原理：

蓄电池侧220V直流电通过隔离升压模块升压至400V，再经PWM逆变并网模块将400V直流逆变转换为220V交流电，以单相逆变并网的方式接入电网。图22为单相逆变并网主要控制结构示意图。直流输入电压Ui经滤波电容C稳压滤波后输入全桥逆变器，通过CPU调节PWM控制信号，使产生两个有相同直流偏置，相位互差180度的正弦波输出电压Uo1、Uo2，获得的输出电压Uo=Uo1-Uo2，是一个正弦电压，经滤波储能电感并入电网。其中电阻R是在电路起动时缓冲滤波电容充电用，当充电完成后，接触器K1闭合将其短接。CPU控制对电网的同步信号以及检测输入电压Ui和输出电流Io1、Io2，同时给定触发控制脉冲，通过控制接触器K2决定并网时刻。

放电结束后，蓄电池充放电管理装置自动转充电，通过预充电管理自动限流充电，控制充电电流抬升至0.1C后保持恒流充电，避免大电流冲击（瞬态电流近似短路电流）对充电机及蓄电池造成的损伤，将蓄电池充满电后，根据实际的状态，控制接触器4ZK/5ZK断开、旁路电操2ZK/3ZK闭合、断开母联电操1ZK。此时充电机开始对蓄电池组进行持续的浮充电，恢复系统。

现场安装硬件如下：

1）在直流室安装蓄电池远程充放电控制屏1面（配置中央控制器、蓄电池充放电管理装置、防交流窜入直流检测仪、3个电动控制开关，实现项目数据的显示、控制和操作）。

2）在蓄电池室内安装蓄电池单体采集模块、总接收模块，实现蓄电池组的数据采集。

3）站端设备与后台通信采用TCP/IP协议进行数据通信，用六类网线从蓄电池充放电系统一体化机柜内的中央控制器连接到站内公共数据交换机，转换光纤信号，信号从公共数据网络传输到电厂数据管理中心，再由服务器接收解读，实现远程查看、存储运行数据、信号反馈信息。

4）通过测控装置输出控制信号远程控制核容放电。

3 结论

蓄电池逆变并网充放电系统是目前电厂蓄电池智能运维的关键技术，是数字化电厂发展的必然，它避免传统发热负载放电造成的能源浪费，节能环保又不影响电网电能质量。该项技术正越来越广泛的应用于电网、水电厂、火电厂、指挥中心等需要安全供电、保电的场合。我们实施的220V、2000AH蓄电池组逆变并网充放电系统，是目前世界上最大功率的蓄电池逆变并网充放电系统，可以实现50KW的蓄电池能量逆变并网回馈到电网，实际运行表明，蓄电池逆变并网后电网各项指标均在标准范围内，对电厂的电能质量没有任何的干扰和影响。蓄电池逆变并网充放电技术在数字化电厂、电厂智能运维中有非常重要的作用。

参考文献：

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作者简介：夏建明（1984 -），男，工程师，主要研究方向为电厂变电运维、检修及管理。