摘要：配电网规模庞大、结构复杂、故障恢复时间要求高，无法再依靠人力诊断配电网和恢复配电系统。因此大量自动化设备和配电网故障监测系统投入应用。为了提高配电网故障监测的效率以及准确率，研究配电自动化装置蓄电池运行技术应用在电网运维自动化的可靠性；并且采用在线监测技术对配电网中的自动化装置进行监测，进一步地从监测技术、失效措施及充放电等方面对蓄电池进行了研究，结果表明，通过远程放电装置对配电网蓄电池装置进行监测能有效地减少过电压的发生，并有效地提高蓄电池的使用寿命。

　　关键词：配电自动化装置；电网故障；在线监测技术；蓄电池装置

　　Abstract:The distribution network has a large scale,complex structure,and high requirements for fault recovery time,making it impossible to rely on manpower to diagnose the distribution network and restore the distribution system.Therefore,a large number of automation equipment and distribution network fault monitoring systems have been put into application.In order to improve the efficiency and accuracy of fault monitoring in distribution networks,the reliability of battery operation technology in distribution automation devices for power grid operation and maintenance automation is explored;And online monitoring technology is used to monitor the automation devices in the distribution network.Furthermore,research is conducted on batteries from the aspects of monitoring technology,failure measures,and charging and discharging.The results showed that monitoring battery units in the distribution network through remote discharge devices can effectively reduce the overvoltage and improve the service life of batteries.

　　Key words:power distribution automation device;power grid fault;online monitoring technology;battery unit

　　0引言

　　国民经济的快速发展及人民生活水平快速提高，致使人们对电力供应的可靠性要求和期望值也快速提升，传统依靠人力排查配电系统故障并及时恢复用户供电的方式已无法适应日益壮大、结构复杂、分钟级恢复供电的电网发展需求，因此，为稳步提高供电可靠性，国家电网公司及南方电网公司近年来不断优化调整供电布局，完善配电网架结构，并在配网自动化的推广应用方面做了大量工作。随着大量配网自动化成套设备的投入运行，配电网常见故障实现了快速自动隔离与自愈供电，用户停电时间大幅降低，供电可靠性不断得到提高[1-3]。

　　现阶段，配电自动化设备(装置)已遍布配电网的柱上开关、环网柜、配电房、开关站等配电控制环节，对配电线路进行实时监控，实现对存在故障(障碍)部位进行快速诊断与隔离，及时恢复非故障段配电线路的供电。但是，大量自动化设备的投入应用，也带来设备运维工作量的大幅增加，如何保障配电自动化装置健康可靠运行的同时，减少设备维护工作量将是未来一段时间内供电企业需迫切研究解决的问题[4-5]。

　　本文针对电力系统中的配电自动化装置进行工作可靠性分析，并对配电自动化装置中的蓄电池组进行深入的研究分析。

　　1配电自动化系统概述

　　配电自动化系统包含配电网、通信网和通信主站3部分[6]，功能上可分为物理层和信息层两部分，分别对应传统电网的配电网(一次系统)和控制系统(二次系统)。实际运行时，信息层和物理层的运行是强耦合的，信息层决定物理层状态，物理层又对信息层进行数据输入反馈。通过主站与终端间的信息传输以及终端的可控操作，系统能在配电网发生故障时自动隔离故障，迅速恢复供电，实现配电自动化系统对故障的处理与自愈供电。配电自动化组成结构系统如图1所示[7-8]。

　　配电自动化系统的稳定可靠工作依靠可靠畅通的通信网络和可靠稳定的配电硬件设备。当通信网络出现异常时一般能通过后台及时发现并迅速组织处理，而硬件设备的异常情况往往存在一定的隐蔽性，需依靠预防性试验和设备的日常维护才能发现和消除。正常情况下，配电自动化装置的可靠工作需有稳定可靠的操控、信号及通信电源(直流电源)做支撑，而配电自动化装置的操控、信号及通信电源一般由配网变压器、PT及蓄电池组提供。但当配电系统出现故障时，往往伴随着系统电压的骤降，这时配电系统所配置的蓄电池组将成为配电自动化装置操控、信号及通信电源不间断的重要保障。因此，做好配电自动化装置蓄电池组的维护，确保其健康度是保障配电自动化系统可靠、稳定工作的重要环节之一[9-13]。

　　目前，配电自动化系统普遍存在所配置蓄电池容量下降过快、使用寿命短的现象，这与现阶段配网自动化装置投入运行量大，运维人员不足，以及对蓄电池的性能特点认识不够，缺乏有效维护而带来的问题。

　　2蓄电池的重要参数及维护措施

　　2.1蓄电池重要参数

　　蓄电池内阻是蓄电池在工作过程中，电池电流通过电池内部所受到的阻力。而这种阻力因为比较小，而且内阻同时也会受到不同因素的变化而发生变化，所以蓄电池的内阻较小，不易测量[14]。

　　蓄电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻主要与电池结构、装配材料以及内部结构等因素有关；而极化内阻主要与电池在工作或者运行状态下的电极机构、活性物质特性有关。宏观上测量出来的蓄电池内阻由活化极化、浓差极化、欧姆等内阻3部分构成[15]。

　　综上所述，蓄电池的内阻不是一个定值，是一个受外界以及内部环境影响变化的参数。一般情况下，蓄电池的内阻会随着蓄电池的放电而不断增大，而在充电过程中则会呈现递减的趋势，但由于蓄电池的内阻非常低，精确测量十分困难，对监测设备的要求很高。蓄电池内阻的影响因素如表1所示。

　　当前配电自动化装置配置的电池组大多采用浮充的方式运行。浮充电压长期存在，其变化将直接影响电池的功能。若浮充电压处于过高电压水平，蓄电池将可能过充，发生电解水，增加正极板气体体积量；再者控制阀长期打开，造成蓄电池内部水分减小，电解液浓度将会提高，从而加速蓄电池内部老化；反之，电压处于低值，则电池处于待充电情况，而蓄电池上的负极颗粒将会变成结晶，产生化学反应，生成硫酸盐化，从而在电极板上形成高电阻层，增大电池内阻，降低容量。因此浮充电压过高或过低，都会影响蓄电池的性能及寿命[16]。

　　蓄电池受温度尤其高温的影响比较大。其良好工作温度为20~25℃。温度对蓄电池影响的关系曲线如图2所示。可以看出，在25℃时，蓄电池的浮充寿命将会达到20 a，温度提高10℃后，寿命将会减少一半；在特别恶劣的环境中，极高的温度下，在短时间内将会使蓄电池永久失效。

　　配电自动化装置配置的VRLA电池一般安装在独立的较为封闭的空间里，空间狭小且没有空调，加上浮充运行方式的固有缺陷，造成配电自动化系统普遍存在所配置蓄电池容量下降过快、使用寿命短。

　　2.2维护蓄电池的措施

　　蓄电池的维护应注意做到“三防、二及时”。

　　(1)防高温。开关站等具备安装空调条件的区域应安装空调，以防止蓄电池于高温下运行，不具备空调安装条件则要设置换气通道并安装散热、防尘、防雨、防小动物等装置。

　　(2)防过充。蓄电池厂家一般在蓄电池试验手册中给出浮充电压值，要按照说明及结合安装现场实际进行设定。浮充、均充电限流阈值的设定：I充=(0.1~0.125)I10进行设定，不能大于10 h充电电流的1.5倍。浮充电压的温度补偿原则：环境温度高，浮充电压值应降低，环境温度低，则浮充电压值应升高。蓄电池运行最合适的温度为20~25℃[17]。

　　(3)防过放电。蓄电池过度放电，将造成电池活性物质的不能还原，因此应设定欠压告警和欠压保护，避免蓄电池过度放电。

　　(4)及时充电。电池放电后应尽快进行充电(一般不宜超过24 h)，且未充满电或充电过程中不能停止充电，以避免给电池带来不可逆的损害。

　　(5)及时开展核容放电。每2 a对蓄电池进行一次全核容检测，运行6 a以上时，每年都需要做核容检测1次。

　　3蓄电池自动监测研究

　　3.1蓄电池监测的必要性

　　通过以上的对UPS蓄电池的主要参数以及相关数据的具体分析可以知道，蓄电池的工作环境需要合理设置，同时采用正确的使用方法，才能使蓄电池的使用寿命最大化。在变电站等关键工作环境中，如果因为监测不当导致蓄电池失效，进而使配电自动化装置无法正确动作，在事故情况下可能会造成不可估量的损失。因此有必要对蓄电池开展监测。目前对蓄电池的监测主要分为人工监测和在线系统监测两种手段。

　　3.2蓄电池监测方式

　　现阶段配电网绝大部分仍然采取人工监测来维护蓄电池。维护人员依据检修规程的要求，定期测量电池电压及工作温度、核对充电机的参数，判断蓄电池是否过载。其中通过测量蓄电池温度可以及时发现不良工作环境或蓄电池异常。人工测试维护为定期进行，无法及时发现不良、失效的蓄电池，人力成本高，测量时间长，不能保障蓄电池处于正常工作状态[18-20]。

　　蓄电池在线检测系统能有效解决人工检测带来的工作量大、维护周期长、无法及时发现蓄电池异常情况等问题，为配电自动化装置提供稳定可靠工作电源需求，有效提升配电自动化系统工作可靠性，是实现技术减负的重要途径。目前，蓄电池在线监测系统已有较多研究成果，并有成套装置应用，但其监测较为简单，不具备安全自动充放电功能，且价格高、大多针对变电站蓄电池研发，对于已大量应用的配网自动化装置所配置的蓄电池，现阶段研究鲜见有配置蓄电池自动化监测和自动充放电系统，因此有必要开展相关方面的研究和探讨[21-23]。

　　4蓄电池在线监测采集系统设计

　　比较完善而且成型的蓄电池在线监测系统可以对蓄电池的电压、电流以及蓄电池在工作状态下的温度等数据进行及时监测。与此同时还能完整地记下相关的数据和参数。本文设计的蓄电池在线监测系统主要对蓄电池的电压、电流、内阻、放电电流等进行监测。经过扩展系统最多可以同时监测288个单体电池，可采用有线或无线数据传统技术收集数据。如图3所示[24-26]。

　　无线监测方式是将每一个单体电池固定在一个监测模块上，对蓄电池电压、温度等方面进行监控，当出现异常情况时，可以及时发出告警信号，以便运维人员开展维护。

　　蓄电池在线监测系统功能包括：电压采样、一点对多点通信、串行通信、正弦通信。其中对单片机需要使用C51语言设计，上位则使用C#设计。对软件设计应满足如下要求：(1)具有简洁、人性化的操作界面；(2)编辑器功能满足现场运维人员日常操作需求；(3)控制状态比较齐全，需具备远控、就地控制功能，且有关闭、运行和调试3种状态运行；(4)包含多种窗口，可以同时处理多种窗口下的数据和信号，还能对变量进行一定的修改[27-30]。

　　5蓄电池的自动充放电

　　配电装置所配置的直流电池规模大、安装地点分布广，日常运维和核容工作劳动强度高、成本高、风险大，每次核容至少需要2人2日的工作量，运维工作量巨大。同时每次核容都要拆除蓄电池组接线，容易误碰、误断，存在触电风险。因此，在保障配电自动化装置直流电源可靠性的同时，为减少运维工作量，有必要研究和推广蓄电池自动充放电技术。本文设计了一种采用分布式结构的自动充放电系统，由安装在现场各个配电自动化装置上的配网直流电源管理终端及配网直流电源后台管理系统两部分组成，如图4所示。

　　5.1现场管理终端

　　现场管理终端由以下几个功能模块组成。

　　(1)数据采集模块：主要采集交流输入电压、直流输出电压、蓄电池组电压及电流、单节蓄电池电压及内阻、蓄电池温度、模块工作状态等多种数据。单元采用高精度24位AD转换器，确保采集的电流电压精度可达到0.1级，并通过光电隔离及电容隔离的方式将所采集的数据送给综合处理单元。

　　(2)数据综合处理模块：由主频不低于550 MHz的32位高速微处理器、大容量数据存储器及程序存储器等组成，内嵌实时多任务操作系统，实现数据的运算、判别及存储功能，自动分析直流电源的设备缺陷并形成缺陷报告。

　　(3)集成后备电源模块：由可编程充电模块及大容量超级电容储能模块组成，可在配网直流电源出现故障及蓄电池放电试验期间为配网直流系统提供后备储能电源，大大提高配网直流系统工作的可靠性。

　　(4)自动放电模块：由大功率电子切换开关及恒流电子负载组成，可根据蓄电池的类型对电池进行恒流放电并计算蓄电池实际容量。当开始对蓄电池组放电时，模块首先将超级电容组与蓄电池组并联，然后将蓄电池组与直流系统隔离，并投入电子负载开始放电，确保原直流系统不会失去后备电源。当蓄电池组放电核容结束后，将按照设定策略投入蓄电池组，恢复系统原来的工作模式。为保障模块自动充放电过程的安全，模块还内置了独立的自动灭火器、通风冷却和温度监控单元。

　　(5)数据加密及无线通信模块：包含二次安防单元及4G无线通信单元。二次安防单元能够同时适应光纤及无线通信需求，加密算法支持国密SM1、SM2、SM3算法及国密IPSEC规范。

　　5.2配网直流电源后台管理系统

　　系统分为前置通信模块、二次安防模块及后台管理模块。现场管理终端上传的数据先通过前置通信模块接收数据，然后通过二次安防模块解密后送给后台管理模块进行分析、统计、显示、报警与报表，实现配网直流蓄电池全生命周期数据的跟踪、分析与处置，为及时开展直流电源系统维护、检修及更新改造、退运报废提供数据支撑。

　　6应用结果分析

　　如图5所示，对开关站直流电源进行监测研究对象，通过远程放电装置，对开关站直流电源中的蓄电池进行远程放电测试，得到了放电曲线。图6表明，放电前，电池电压为53.5 V，负载为5.5 A，打开远程放电装置后蓄电池电压将慢慢升高，从而蓄电池对恒流电子负载供电；在蓄电池电压将超过53.7 V时，蓄电池通过放电，保持电压稳定在53.7 V，当放电到达特定值时，蓄电池则停止放电，避免蓄电池过度放电，从而实现远程放电无人监测，有效阻止电流冲击事件。

　　7结束语

　　为保障配电自动化装置蓄电池的运行可靠性，设备运维人员应深入了解蓄电池的特性，并应注意做到“三防、二及时”；同时，为减少运维工作量，应充分利用技术进行减负。为充分利用蓄电池能源及延长蓄电池的寿命，保证电网运行的稳定性，对配电自动化装置中的蓄电池进行了研究分析。所设计的分布式配网自动化装置蓄电池远程充放电装置，应用于某典型开关站配电自动化装置蓄电池，结果表明，监测系统能正常工作，实现蓄电池充放电过程的全程监控，安全可靠，效果显著，可以代替人工对蓄电池进行正常维护工作，具有较大的推广应用价值。

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