CN109406929B - 变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，包括：采样模块和在线监测报警模块；采样模块用于采集蓄电池组的总电压、蓄电池组的总电流、单节电池电压采样数据，并将采集的数据传输给在线监测报警模块；在线监测报警模块用于通过时间间隔T不断对采样模块数据进行召唤并存档分析，再经内部逻辑运算，能够实时反映直流系统的开路情况并及时开出报警信号，并能反映装置自身运行状况；本装置能够实时反应开路情况，解决了蓄电池组开路难以检测的难题，本装置实时特性优于目前在线蓄电池内阻测试技术，而且成本更低。

Description

变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置

技术领域

本发明涉及变电站安全监测领域，具体地，涉及变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置。

背景技术

近年来，变电站内220V直流系统蓄电池组开路时有发生，这极大地威胁着电网的稳定运行。据统计，蓄电池组开路大致分为两类，第一类是因为外力破坏或内力作用导致的突发性开路，如电池连线掉落、螺杆断裂和电池炸裂等；第二类是，由于蓄电池工艺、质量不达标、老化和不正确维护等情况导致的内阻增大，引起极栅与汇流排连接处发热、老化和落焊等情形，使蓄电池内部开路风险增大，当大电流冲击时形成开路。第二类蓄电池开路最为隐蔽，危害极大，其内部开路不是提前发生的，而是在站用交流失去时，蓄电池组突然由充电状态转变为放电状态对保护系统供电，突如其来的大电流冲击，导致有开路隐患的蓄电池内部极栅和汇流排焊接处脱落，使蓄电池内部突然开路。

由于变电站内所有的保护系统、控制系统基本上使用220V直流电源，当系统发生近端短路、备自投电源切换、站用交流系统电压异常等情形，均可导致直流系统整流模块工作异常，只能依赖蓄电池组进行供电。在此情形下，直流蓄电池组若发生开路，将不能作为可靠的保护装置电源，使全站继电保护、控制系统因失去电源而失效，扩大事故范围和设备的损坏程度，甚至引发大面积停电事故。

发明内容

本发明提供了变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，解决了现有的监测方法的不足，本装置能够实时反应开路情况，解决了蓄电池组开路难以检测的难题，本装置实时特性优于目前在线蓄电池内阻测试技术，而且成本更低。

本发明本装置对变电站内220V直流系统蓄电池组开路进行监视和早期发现，具有重大意义。本装置引入突变量统计分析方法判据，对蓄电池组开路进行判别和筛选。

通过对蓄电池组开路情况大量的分析研究、规律掌握，发现突变量统计分析法是一种实时监测蓄电池开路的可靠手段。该方法主要对蓄电池组的单体电压在间隔周期T内发生的突变量进行分析统计，结合多个参数的共同比较，能够分析出蓄电池开路情况，并能反映到某单只电池。

突变量统计分析方法对蓄电池电压变化进行了突变性质定性和突变数量定量，能够实时反应开路情况，解决了蓄电池组开路难以检测的难题。该方法实时特性优于目前在线蓄电池内阻测试技术，而且成本更低。

为实现上述发明目的，本申请提供了变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，所述装置包括：

采样模块和在线监测报警模块；采样模块用于采集蓄电池组的总电压、蓄电池组的总电流、单节电池电压采样数据等，并将采集的数据传输给在线监测报警模块；在线监测报警模块用于通过时间间隔T不断对采样模块数据进行召唤并存档分析，再经内部逻辑运算，能够实时反映直流系统的开路情况并及时开出报警信号，并能反映装置自身运行状况。其中，0时刻是相对的，如T时刻的数据未进入开路判别逻辑，T时刻数据将作为下一个0时刻数据，与2T时刻的数据进行运算。

在线监测报警模块在每一个时间间隔T用于执行以下步骤：

步骤1：将T时刻采样数据减去0时刻采样数据，获得突变量数据，主要包括：蓄电池组的总电压增量和单节电池电压增量；

步骤2：对突变量数据进行统计分析，包括：判断单节电池电压负突变比例是否达到阈值，若没有达到阈值，则返回步骤1，等待下一个时间间隔T数据运算；若达到阈值，则执行步骤3；

步骤3：判断蓄电池组总电压是否发生负突变；若蓄电池组总电压发生负突变，则判断采样异常发出报警，并返回判断蓄电池组总电压是否发生负突变，直到本轮时间间隔T内运算结束；若蓄电池组总电压未发生负突变，则执行步骤4；

步骤4：通过有流阈值判断蓄电池组是否有电流；若蓄电池组有电流，则判断采样异常发出报警，并返回步骤3，直到本轮时间间隔T内运算结束；若蓄电池组没有电流，则开出“蓄电池组开路报警”信号。

进一步的，所述在线监测报警模块在采样前还执行以下操作：判断与采样模块的通讯链接是否正常，若正常则进行采样操作，若不正常，则判断与采样模块通讯异常，并返回判断采样模块的通讯链接是否正常。

进一步的，采样模块通过采集线与蓄电池组连接，采样模块通过串口线与在线监测报警模块连接。

进一步的，当蓄电池组处于充电状态时，蓄电池母线电压U_M为所有单节电池电压之和，即：

u_n是某单节电池实时测量电压，n为电池节数编号；

建立0时刻记忆电压：

此时每节电池电压为蓄电池组浮充电压；

建立开路监测时刻即间隔时间T电压：

此时每节电池电压为蓄电池浮充状态下某只电池出现开路后的电压；

单节电池电压增量Δu_n，Δu_n＝u_n开-u_n0；当浮充状态蓄电池组发生一处开路时，对于开路电池Δu_n>0，其余电池均有Δu_n<0；

蓄电池组总电压增量ΔU_M，ΔU_M＝U_M开-U_M0；当电池组由浮充转均充时，ΔU_M>0，当电池组由均充转浮充时ΔU_M<0；当电池组未发生均浮充转换时，电池组电压变化很小，考虑到采样精度的误差，可采用一定的偏移量进行修正，如ΔU_M>0.5为正，ΔU_M<0.5为负。

进一步的，所述阈值为80％。

进一步的，当出现开路时，对发生电压负突变的电池进行统计，考虑10％为电池开路只数裕度，10％部分电池采样精确度裕度，将突变电池数量超过80％作为启动开路判定逻辑的条件，用母线电压下降作为均充转浮充时闭锁，电池电流有流闭锁误采样情况发生，对电压在间隔时间T内发生正突变或降为0压的电池认为是开路电池。

进一步的，开路判别闭锁条件包括：电流闭锁、母线电压闭锁、系统异常报警闭锁。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

突变量统计分析方法对蓄电池电压变化进行了突变性质定性和突变数量定量，能够实时反应开路情况，解决了蓄电池组开路难以检测的难题。该方法实时特性优于目前在线蓄电池内阻测试技术，而且成本更低。本装置的发明，可以极大降低蓄电池组开路带来的电网运行风险，提前发现早处理，避免电网设备出现巨大经济损失和大面积停电事故。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是直流系统充电状态时单节电池开路示意图；

图2是装置工作流程示意图；

图3是装置的组成示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图2-图3，图2为装置工作流程示意图，图3为装置的组成示意图。本装置能够统计分析所有单只电池电压、直流母线总电压变量数据：

当蓄电池组处于充电状态时，蓄电池母线电压U_M是所有单节电池电压之和，即

u_n是某单节电池实时测量电压，n为电池节数编号。

单节12V蓄电池系统n取18，单节2V蓄电池组n最大可取104或108。蓄电池开路和充电时，电池电压会不同。如浮充状态时，由充电机输出的母线电压243V电动势作用于蓄电池组，108只蓄电池组每只电池会根据自身内阻的微小差异，平均承受着2.25V的电动势，发生着充电化学反应，但是一旦电池处于开路状态时，电池两端被强加的电动势消失，电池内部转变为静置或放电状态，平均电压低于2.23V，发生着缓慢化学平衡反应去建立新的电动势，静置时间越长，电池电压越趋于稳定，约为2.17V。即便是开路瞬间，非开路蓄电池单只的压降至少在0.02V以上。

如图1，建立模型进行推理。由于短时内，蓄电池可视为恒压源，因此推测：蓄电池组在浮充状态下发生某只电池开路，会出现该节电池采集到的电压会大幅上升，其余电池电压会因为失去浮充电动势下降为自然静置电压水平现象。

建立0时刻记忆电压，

此时每节电池电压为蓄电池组浮充电压。

建立开路监测时刻(间隔时间T)电压，

此时每节电池电压为蓄电池浮充状态下某只出现开路后的电压。

此刻引入单节电池增量Δu_n，Δu_n＝u_n开-u_n0。当浮充状态蓄电池组发生一处开路时，对于开路电池Δu_n>0，其余电池均有Δu_n<0。根据实验结果，Δu_n的变量大小有较为稳定的取值。蓄电池静置的时间越长，整组电池电压越低。但由于单节电池从浮充状态突然转至静置状态，电压相对变化较小，一般整组电压只有2V左右的下降，对于12V蓄电池组18只来说，非开路电池平均变量约为-0.12V，开路电池约为+2V；但对于2V蓄电池组108只来说，非开路电池平均变量约为-0.02V，开路电池约为+2.1V。虽然开路的瞬间Δu_n的变量有稳定的取值，但是对于108只电池，受误差影响较大，不宜进行量化，因此对其进行定性分析更重要，即判断Δu_n的正负。

同理，引入蓄电池组总电压增量ΔU_M，ΔU_M＝U_M开-U_M0；当电池组由浮充转均充时，ΔU_M>0，当电池组由均充转浮充时ΔU_M<0；当电池组未发生均浮充转换时，电池组电压变化很小，考虑到采样精度的误差，可采用一定的偏移量进行修正，如ΔU_M>0.5为正，ΔU_M<0.5为负。

因此，装置通过间隔周期T向采集系统召唤所有单只电池电压、直流母线总电压数据，统计分析变量数据进入软件逻辑运算。

由于只判断蓄电池突变量的变化，会受到采样精度的很大影响，因此我们继续引入蓄电池突变电池数量的统计，这是符合蓄电池开路情况规律的。这使蓄电池突变量统计分析法更加可靠完善。

装置对数据进行各种开路分析并报警：

单节电池开路分析：

通过理论分析和实验室模拟，单只蓄电池开路的变化趋势是，开路电池电压大幅上升，其余电池Δu_n为负。可根据这个数据变化情况进行编程，使装置软件发出某一节电池告警的报警。

多节电池开路分析：

单节开路的情况是一种很特殊的情况，开路电池的电压主要依赖于采样两端存在相对电压，即剩余蓄电池静置总电压与充电机母线的压差。但是两节以上的蓄电池开路，不管是间隔性的还是连续性的开路，对于开路电池的两端电压采集没有可靠的电压参考点，故采集电压几乎为0。

蓄电池组内部发生两节电池以上同时开路的概率会随着开路只数的增加大大下降。

因此，可以得出两只以上蓄电池开路的变化趋势是，开路电池电压为零，达到无压门槛值，其余蓄电池Δu_n为负，蓄电池母线由于充电机处于运行，电压不会下降。可根据这个数据变化情况进行编程，使装置软件发出某几节电池告警的报警。

开路判别闭锁条件：

当出现开路时，非开路电池单节电压都会下降，单节开路时开路电池电压上升，多节开路时电压降为0压。我们可以对发生电压负突变的电池进行统计，考虑10％为电池开路只数裕度，10％部分电池采样精确度裕度，将突变电池数量超过80％作为启动开路判定逻辑的条件，用母线电压下降作为均充转浮充时闭锁，电池电流有流闭锁误采样情况发生，对电压在间隔时间T内发生正突变或降为0压的电池认为是开路电池。

(1)电流闭锁：虽然蓄电池电流在浮充状态很小，不能作为开路的判据，但可以作为蓄电池组开路的闭锁条件，当电池电流I的大小超过有流定值时，应可靠闭锁蓄电池采样异常等原因导致的开路报警。

(2)母线电压闭锁：由于均充状态时，加在电池单体的电压远高于浮充状态时电压，因此当发生开路时，Δu_n变量会更大，判断更准确。但是当均充转浮充过程中，会出现总电压突然下降的情况，这时单只电池电压也会下降，这容易引起开路误判。因此用母线电压下降作为闭锁条件之一。

(3)系统异常报警闭锁：为确保母线、电池电压能作为有效的判别依据，应对电池电压的变化进行报警，当单节点电池电压高于或低于平均电池电压时，应经延时报警并闭锁开路报警。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，所述装置包括：

采样模块和在线监测报警模块；采样模块用于采集蓄电池组的总电压、蓄电池组的总电流、单节电池电压采样数据，并将采集的数据传输给在线监测报警模块；在线监测报警模块用于通过时间间隔T不断对采样模块数据进行召唤并存档分析，再经内部逻辑运算，能够实时反映直流系统的开路情况并及时开出报警信号，并能反映装置自身运行状况；

在线监测报警模块在每一个时间间隔T用于执行以下步骤：

步骤1：将T时刻采样数据减去0时刻采样数据，获得突变量数据，包括：蓄电池组的总电压增量和单节电池电压增量；

步骤2：对突变量数据进行统计分析，包括：判断单节电池电压负突变比例是否达到阈值，若没有达到阈值，则返回步骤1，等待下一个时间间隔T数据运算；若达到阈值，则执行步骤3；

步骤3：判断蓄电池组总电压是否发生负突变；若蓄电池组总电压发生负突变，则判断采样异常发出报警，并返回判断蓄电池组总电压是否发生负突变，直到本轮时间间隔T内运算结束；若蓄电池组总电压未发生负突变，则执行步骤4；

步骤4：通过有流阈值判断蓄电池组是否有电流；若蓄电池组有电流，则判断采样异常发出报警，并返回步骤3，直到本轮时间间隔T内运算结束；若蓄电池组没有电流，则开出蓄电池组开路报警信号。

2.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，所述在线监测报警模块在采样前还执行以下操作：判断所述在线监测报警模块与采样模块的通讯链接是否正常，若正常则进行采样操作，若不正常，则判断与采样模块通讯异常，并返回判断采样模块的通讯链接是否正常。

3.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，采样模块通过采集线与蓄电池组连接，采样模块通过串口线与在线监测报警模块连接。

4.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，当蓄电池组处于充电状态时，蓄电池母线电压U_M为所有单节电池电压之和，即：

u_n是某单节电池实时测量电压，n为电池节数编号；

建立0时刻记忆电压：

此时每节电池电压为蓄电池组浮充电压；

建立开路监测时刻即间隔时间T电压：

此时每节电池电压为蓄电池浮充状态下某只电池出现开路后的电压；

单节电池电压增量Δu_n，Δu_n＝u_n开-u_n0；当浮充状态蓄电池组发生一处开路时，对于开路电池Δu_n>0，其余电池均有Δu_n<0；

蓄电池组总电压增量ΔU_M，ΔU_M＝U_M开-U_M0；当电池组由浮充转均充时，ΔU_M>0，当电池组由均充转浮充时ΔU_M<0。

5.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，所述单节电池电压负突变比例对应的阈值为80％。

6.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，当出现开路时，对发生电压负突变的电池进行统计，考虑10％为电池开路只数裕度，10％部分电池采样精确度裕度，将突变电池数量超过80％作为启动开路判定逻辑的条件，用母线电压下降作为均充转浮充时闭锁，电池电流有流闭锁误采样情况发生，对电压在间隔时间T内发生正突变或降为0压的电池认为是开路电池。

7.根据权利要求6所述的变电站蓄电池组内部开路在线监测报警装置，其特征在于，开路判别闭锁条件包括：电流闭锁、母线电压闭锁、系统异常报警闭锁。

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