蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統在電力通信網(wǎng)中的應用

作者簡(jiǎn)介：朱雪琴，技術(shù)員，主要從事電力通信方式管理，有多年電力通信機房基礎設施從業(yè)經(jīng)驗，重點(diǎn)關(guān)注設備組網(wǎng)優(yōu)化、基礎環(huán)境標準化管理。

馬弘歷，技術(shù)員，工程師，研究方向為電力通信電源，直流系統等。

劉小慶，技術(shù)員，工程師，研究方向為電力通信設備組網(wǎng)，基礎環(huán)境標準化等。

摘要：本文研究采用蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統，實(shí)現7×24 h實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，采用蓄電池養護感知模塊配接于每節電池上，以養護感知模塊感知每節蓄電池硫化結晶的消除變化過(guò)程、電能轉化為化學(xué)能的變化過(guò)程，并以電壓、內阻、溫度、SOC（剩余容量）、SOH（健康活性度）等多種參量直觀(guān)顯示蓄電池性能變化，并根據蓄電池自身變化趨勢對蓄電池性能進(jìn)行評價(jià)，通過(guò)對多種變化量的持續檢測，彌補傳統蓄電池巡檢監控設備的諸多短板，從而保障數據中心機房設備的安全運行。

0   引言

閥控鉛酸蓄電池在現階段廣泛應用于我國的通信電源，作為后備電源確保通信系統在異常情況下運行正常。在通信電源出現故障時(shí)，蓄電池成為通信設備的唯一電源，因而閥控鉛酸蓄電池的容量在一定程度上決定通信設備運行可靠與否^[1]。

現在，蓄電池的維護工作主要依靠人工，因而在實(shí)際應用中存在很多不足，包括：維護人員少，設備數量增多，巡視周期長(cháng)，無(wú)法及時(shí)有效發(fā)現問(wèn)題；蓄電池容量測量采用定期對整組電池充放電，沒(méi)有針對性；[2] 蓄電池在正常使用一段時(shí)間后，單體電池之間的電壓差異會(huì )逐漸增大，蓄電池組的電壓一致性會(huì )逐漸變差，如果不采取有效措施，這種差異會(huì )越來(lái)越大，導致整組蓄電池容量降低，甚至報廢^[3]。

為了改善閥控鉛酸蓄電池的運維困境，需要提出一種新型蓄電池在線(xiàn)監測及維護方案，不停電、不離線(xiàn)在線(xiàn)發(fā)現落后電池，預警隱患；不停電、不離線(xiàn)在線(xiàn)提升蓄電池性能，讓落后電池自愈恢復；未病先治、養護為主，減少人工維護工作量；養護為主、放電測試為輔一鍵式操控，放電核容測試全自動(dòng)實(shí)現。

1   蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維

蓄電池監控（電壓、內阻、溫度）只是一種觀(guān)察的手段，無(wú)力改善蓄電池性能，也不具備甄別隱性故障的能力，所以蓄電池監控對使用者而言有雞肋之感。

飽餓不勻是導致蓄電池性能萎縮的根本原因^[4]，蓄電池在線(xiàn)養護系統是可以治本，消除飽餓不勻引發(fā)的硫化結晶的生成機理，消減已經(jīng)形成的硫化結晶自愈恢復坍塌的活性物結構，差異化自適應為每節電池注入電能，使每節電池功率保持最大化。

蓄電池養護感知模塊配接于每節電池上，用養護感知模塊感知每節蓄電池硫化結晶的消除變化過(guò)程、電能轉化為化學(xué)能的變化過(guò)程，以電壓、內阻、溫度、SOC（剩余容量）、SOH（健康活性度）等多種參量直觀(guān)顯示蓄電池性能變化（回溯過(guò)去、顯示當下、預測未來(lái)），如圖1 所示。

圖1 蓄電池養護感知機理示意圖

在線(xiàn)養護能使每節電池欠充區域處于滿(mǎn)電狀態(tài)，保障電池活性區域不會(huì )快速萎縮，同時(shí)又能使電池的非活性區域逐漸最大化，這樣的養護機理是延長(cháng)電池使用壽命的基礎條件。

2   蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統功能實(shí)現

2.1 蓄電池在線(xiàn)監測功能

應用大數據分析技術(shù)，實(shí)現蓄電池全壽命周期性能管控，做到電池性能可回溯、可預測，并及時(shí)發(fā)布各類(lèi)電池故障預警。

由于其長(cháng)期處于浮充狀態(tài)下，蓄電池電池處于相對穩定的平衡狀態(tài)，電池是靜止的^[5]，因此采集再多的電池歷史數據進(jìn)行數據分析也不會(huì )有任何意義，只有通過(guò)核容測試才能掌握電池性能。

蓄電池在線(xiàn)養護設備和蓄電池之間有電能和化學(xué)能相互轉換，打破電池組原有的平衡狀態(tài)，使各單節電池始終處于充、放電動(dòng)態(tài)平衡的微循環(huán)狀態(tài)，不僅在線(xiàn)可提升個(gè)單節電池的活性度SOH，使每節電池荷電功率處于滿(mǎn)電最大狀態(tài)，還可以在養護儀作用下顯露各單節電池真實(shí)的荷電信息。蓄電池在線(xiàn)養護感知系統連續跟蹤記錄這種變化，在線(xiàn)直觀(guān)看蓄電池剩余容量（SOC）的變化，為在線(xiàn)提高蓄電池剩余容量精準度提供了數據支撐，從而使蓄電池全壽命周期性能可回溯、可預測的實(shí)現成為可能，如圖2 所示。

圖2 蓄電池線(xiàn)監測功能示意圖

2.2 放電核容測試

蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統配置“自動(dòng)空開(kāi)”一鍵式操控，實(shí)現批量遠程放電核容測試。自動(dòng)空開(kāi)外型與原整流器交流輸入空開(kāi)相似，可直接置換，安裝便捷。自動(dòng)空開(kāi)除具備常規空開(kāi)的所有功能外，還有通信控制接口受控于養護儀。當網(wǎng)管下發(fā)指令后，自動(dòng)空開(kāi)分斷（模擬交流停電），這時(shí)蓄電池組給負載供電，電池組放電過(guò)程中養護系統高速采集單體電池電壓、放電電流，一旦檢測參數到達設定閾值（預設放電時(shí)長(cháng)、預設放出容量、單體電池電壓、電池組端電壓），即控制自動(dòng)空開(kāi)閉合恢復交流供電。自動(dòng)空開(kāi)的控制機理安全可靠，任何異常，如通信中斷就會(huì )自動(dòng)恢復，如圖3 所示。

2.3 假負載核容測試

2 組電池始終保持1 組在線(xiàn)，把2 組電池其中1 組切入假負載進(jìn)行放電測試（常態(tài)下與系統以常閉觸電連接，只有放電時(shí)才切換至假負載）。假負載有緩啟動(dòng)控制功能，確保在觸點(diǎn)閉合分斷瞬間無(wú)拉弧可能（放電時(shí)只有當電池通過(guò)觸點(diǎn)完全切換到假負載，假負載才會(huì )啟動(dòng)將放電電流從零緩升到設定值；到達放電終止條件時(shí)，先控制假負載將放電電流降為零后才通過(guò)觸點(diǎn)將電池恢復）。

放電過(guò)程中檢測到交流停電即終止放電。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)管可設置放電參數（放電時(shí)長(cháng)、單體電壓、電池組端壓、放出容量）任何一個(gè)參數到達設置閾值即終止放電，且當養護儀和網(wǎng)管失聯(lián)（網(wǎng)絡(luò )中斷或其他故障）也會(huì )控制負載終止放電，如圖4 所示。

圖4 雙組電池容量測試原理示意圖

在放電測試中，單組電池或各自獨立的兩組電池遇到交流停電要保證用電設備無(wú)縫隙供電。本案設計如下，放電測試中檢測到交流停電停止放電，在觸點(diǎn)動(dòng)合間隙有大功率續流二極管給設備供電，續流二極管的壓降小于0.5 V，同時(shí)停止負載放電，接觸器恢復到A-B，A-B 閉合后短路續流二極管，電池到負載之間不再有續流二極管的壓降。

圖5 單組電池容量測試原理示意圖

2.4 蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統的整體設計

在設計蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統時(shí)，整體框架可以分為云平臺、在線(xiàn)養護主控模塊及蓄電池養護感知模塊。其中，云平臺主要用于采集和處理各個(gè)廠(chǎng)站所提供的電池終端信息，同時(shí)還要對通信蓄電池組的運行現狀進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的監測與統一管理。在線(xiàn)養護主控模塊則需要進(jìn)行蓄電池組各類(lèi)參數數據的有效采集與整合，同時(shí)還包括其他各類(lèi)子系統，具體有通信電源系統、交直流系統等。蓄電池養護感知模塊配接于每節電池上，用養護感知模塊感知每節蓄電池硫化結晶的消除變化過(guò)程、電能轉化為化學(xué)能的變化過(guò)程，以電壓、內阻、溫度、剩余容量、健康活性度等多種參量進(jìn)行采集，如圖6 所示。

圖6 蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統設計示意圖

通過(guò)蓄電池養護感知模塊收集蓄電池內、外部工作信息，并將這些信息上傳到在線(xiàn)養護主控模塊，最終傳入云平臺進(jìn)行綜合處理與分析，實(shí)現對通信蓄電池工作環(huán)境及工作狀態(tài)的有效監控。系統能夠根據配置的設備數據庫和歷史信息進(jìn)行綜合分析，協(xié)調通信電源直、交流系統、UPS 系統、環(huán)境在線(xiàn)監測系統等各個(gè)模塊，實(shí)現對電源系統整體統一的有效管理，如圖7、圖8 所示。

圖7 蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維網(wǎng)管界面示意圖1

圖8 蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維網(wǎng)管界面示意圖2

3   結束語(yǔ)

本文所設計的蓄電池在線(xiàn)養護全自動(dòng)運維系統實(shí)現了對通信蓄電池組的實(shí)時(shí)監測，當蓄電池內阻增大時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)有針對性地自修復，減少維護人員對容量下降的蓄電池的更換頻率，保證通信蓄電池組運行在良好狀態(tài)，避免停電后造成后備電源系統癱瘓，從而提高數據通信設備運行的安全性和可靠性。隨著(zhù)我國現代化進(jìn)程的加快，電力通信站點(diǎn)的整體數量也在不斷擴充。在這種大趨勢下，傳統人工模式下的充放電管理已經(jīng)很難滿(mǎn)足實(shí)際需求，必須要側重發(fā)展遠程在線(xiàn)充放電系統體系。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）