蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用

作者簡介：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(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備組網(wǎng)優(yōu)化、基礎(chǔ)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化管理。

馬弘歷，技術(shù)員，工程師，研究方向?yàn)殡娏νㄐ烹娫?，直流系統(tǒng)等。

劉小慶，技術(shù)員，工程師，研究方向?yàn)殡娏νㄐ旁O(shè)備組網(wǎng)，基礎(chǔ)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化等。

摘要：本文研究采用蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)7×24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，采用蓄電池養(yǎng)護(hù)感知模塊配接于每節(jié)電池上，以養(yǎng)護(hù)感知模塊感知每節(jié)蓄電池硫化結(jié)晶的消除變化過程、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的變化過程，并以電壓、內(nèi)阻、溫度、SOC（剩余容量）、SOH（健康活性度）等多種參量直觀顯示蓄電池性能變化，并根據(jù)蓄電池自身變化趨勢對(duì)蓄電池性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)多種變化量的持續(xù)檢測，彌補(bǔ)傳統(tǒng)蓄電池巡檢監(jiān)控設(shè)備的諸多短板，從而保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備的安全運(yùn)行。

0   引言

閥控鉛酸蓄電池在現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于我國的通信電源，作為后備電源確保通信系統(tǒng)在異常情況下運(yùn)行正常。在通信電源出現(xiàn)故障時(shí)，蓄電池成為通信設(shè)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(shè)備運(yùn)行可靠與否^[1]。

現(xiàn)在，蓄電池的維護(hù)工作主要依靠人工，因而在實(shí)際應(yīng)用中存在很多不足，包括：維護(hù)人員少，設(shè)備數(shù)量增多，巡視周期長，無法及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)問題；蓄電池容量測量采用定期對(duì)整組電池充放電，沒有針對(duì)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)越來越大，導(dǎo)致整組蓄電池容量降低，甚至報(bào)廢^[3]。

為了改善閥控鉛酸蓄電池的運(yùn)維困境，需要提出一種新型蓄電池在線監(jiān)測及維護(hù)方案，不停電、不離線在線發(fā)現(xiàn)落后電池，預(yù)警隱患；不停電、不離線在線提升蓄電池性能，讓落后電池自愈恢復(fù)；未病先治、養(yǎng)護(hù)為主，減少人工維護(hù)工作量；養(yǎng)護(hù)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(xiàn)。

1   蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維

蓄電池監(jiān)控（電壓、內(nèi)阻、溫度）只是一種觀察的手段，無力改善蓄電池性能，也不具備甄別隱性故障的能力，所以蓄電池監(jiān)控對(duì)使用者而言有雞肋之感。

飽餓不勻是導(dǎo)致蓄電池性能萎縮的根本原因^[4]，蓄電池在線養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)是可以治本，消除飽餓不勻引發(fā)的硫化結(jié)晶的生成機(jī)理，消減已經(jīng)形成的硫化結(jié)晶自愈恢復(fù)坍塌的活性物結(jié)構(gòu)，差異化自適應(yīng)為每節(jié)電池注入電能，使每節(jié)電池功率保持最大化。

蓄電池養(yǎng)護(hù)感知模塊配接于每節(jié)電池上，用養(yǎng)護(hù)感知模塊感知每節(jié)蓄電池硫化結(jié)晶的消除變化過程、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的變化過程，以電壓、內(nèi)阻、溫度、SOC（剩余容量）、SOH（健康活性度）等多種參量直觀顯示蓄電池性能變化（回溯過去、顯示當(dāng)下、預(yù)測未來），如圖1 所示。

圖1 蓄電池養(yǎng)護(hù)感知機(jī)理示意圖

在線養(yǎng)護(hù)能使每節(jié)電池欠充區(qū)域處于滿電狀態(tài)，保障電池活性區(qū)域不會(huì)快速萎縮，同時(shí)又能使電池的非活性區(qū)域逐漸最大化，這樣的養(yǎng)護(hù)機(jī)理是延長電池使用壽命的基礎(chǔ)條件。

2   蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 蓄電池在線監(jiān)測功能

應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蓄電池全壽命周期性能管控，做到電池性能可回溯、可預(yù)測，并及時(shí)發(fā)布各類電池故障預(yù)警。

由于其長期處于浮充狀態(tài)下，蓄電池電池處于相對(duì)穩(wěn)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(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也不會(huì)有任何意義，只有通過核容測試才能掌握電池性能。

蓄電池在線養(yǎng)護(hù)設(shè)備和蓄電池之間有電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，打破電池組原有的平衡狀態(tài)，使各單節(jié)電池始終處于充、放電動(dòng)態(tài)平衡的微循環(huán)狀態(tài)，不僅在線可提升個(gè)單節(jié)電池的活性度SOH，使每節(jié)電池荷電功率處于滿電最大狀態(tài)，還可以在養(yǎng)護(hù)儀作用下顯露各單節(jié)電池真實(shí)的荷電信息。蓄電池在線養(yǎng)護(hù)感知系統(tǒng)連續(xù)跟蹤記錄這種變化，在線直觀看蓄電池剩余容量（SOC）的變化，為在線提高蓄電池剩余容量精準(zhǔn)度提供了數(shù)據(jù)支撐，從而使蓄電池全壽命周期性能可回溯、可預(yù)測的實(shí)現(xiàn)成為可能，如圖2 所示。

圖2 蓄電池線監(jiān)測功能示意圖

2.2 放電核容測試

蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)配置“自動(dòng)空開”一鍵式操控，實(shí)現(xiàn)批量遠(yuǎn)程放電核容測試。自動(dòng)空開外型與原整流器交流輸入空開相似，可直接置換，安裝便捷。自動(dòng)空開除具備常規(guī)空開的所有功能外，還有通信控制接口受控于養(yǎng)護(hù)儀。當(dāng)網(wǎng)管下發(fā)指令后，自動(dòng)空開分?jǐn)啵M交流停電），這時(shí)蓄電池組給負(fù)載供電，電池組放電過程中養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)高速采集單體電池電壓、放電電流，一旦檢測參數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值（預(yù)設(shè)放電時(shí)長、預(yù)設(shè)放出容量、單體電池電壓、電池組端電壓），即控制自動(dòng)空開閉合恢復(fù)交流供電。自動(dòng)空開的控制機(jī)理安全可靠，任何異常，如通信中斷就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，如圖3 所示。

2.3 假負(fù)載核容測試

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

放電過程中檢測到交流停電即終止放電。通過訪問網(wǎng)管可設(shè)置放電參數(shù)（放電時(shí)長、單體電壓、電池組端壓、放出容量）任何一個(gè)參數(shù)到達(dá)設(shè)置閾值即終止放電，且當(dāng)養(yǎng)護(hù)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(fù)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(dú)立的兩組電池遇到交流停電要保證用電設(shè)備無縫隙供電。本案設(shè)計(jì)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(xù)流二極管給設(shè)備供電，續(xù)流二極管的壓降小于0.5 V，同時(shí)停止負(fù)載放電，接觸器恢復(fù)到A-B，A-B 閉合后短路續(xù)流二極管，電池到負(fù)載之間不再有續(xù)流二極管的壓降。

圖5 單組電池容量測試原理示意圖

2.4 蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)時(shí)，整體框架可以分為云平臺(tái)、在線養(yǎng)護(hù)主控模塊及蓄電池養(yǎng)護(hù)感知模塊。其中，云平臺(tái)主要用于采集和處理各個(gè)廠站所提供的電池終端信息，同時(shí)還要對(duì)通信蓄電池組的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的監(jiān)測與統(tǒng)一管理。在線養(yǎng)護(hù)主控模塊則需要進(jìn)行蓄電池組各類參數(shù)數(shù)據(jù)的有效采集與整合，同時(shí)還包括其他各類子系統(tǒng)，具體有通信電源系統(tǒng)、交直流系統(tǒng)等。蓄電池養(yǎng)護(hù)感知模塊配接于每節(jié)電池上，用養(yǎng)護(hù)感知模塊感知每節(jié)蓄電池硫化結(jié)晶的消除變化過程、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的變化過程，以電壓、內(nèi)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 蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

通過蓄電池養(yǎng)護(hù)感知模塊收集蓄電池內(nèi)、外部工作信息，并將這些信息上傳到在線養(yǎng)護(hù)主控模塊，最終傳入云平臺(tái)進(jìn)行綜合處理與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信蓄電池工作環(huán)境及工作狀態(tài)的有效監(jiān)控。系統(tǒng)能夠根據(jù)配置的設(shè)備數(shù)據(jù)庫和歷史信息進(jìn)行綜合分析，協(xié)調(diào)通信電源直、交流系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)、環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)等各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)整體統(tǒng)一的有效管理，如圖7、圖8 所示。

圖7 蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維網(wǎng)管界面示意圖1

圖8 蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維網(wǎng)管界面示意圖2

3   結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的蓄電池在線養(yǎng)護(hù)全自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信蓄電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)蓄電池內(nèi)阻增大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)有針對(duì)性地自修復(fù)，減少維護(hù)人員對(duì)容量下降的蓄電池的更換頻率，保證通信蓄電池組運(yùn)行在良好狀態(tài)，避免停電后造成后備電源系統(tǒng)癱瘓，從而提高數(shù)據(jù)通信設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，電力通信站點(diǎn)的整體數(shù)量也在不斷擴(kuò)充。在這種大趨勢下，傳統(tǒng)人工模式下的充放電管理已經(jīng)很難滿足實(shí)際需求，必須要側(cè)重發(fā)展遠(yuǎn)程在線充放電系統(tǒng)體系。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）