一种用于变电站的直流系统实时检测方法与流程

本发明涉及变电站安全控制技术领域，更具体地说是涉及一种用于变电站的直流系统实时检测方法。

背景技术：

直流系统不仅为变电站继电保护、自动装置、控制、信号及事故照明等提供可靠的直流电源，而且还为日常倒闸操作提供可靠的操作电源。其可靠与否直接对变电站的安全运行起着至关重要的作用。

当变电站整站失压，充电机停止工作，蓄电池组作为变电站安全运行的最后一道屏障，它能否为变电站提供可靠的直流电源意义甚大，近年来，发生过多起因为变电站蓄电池故障而造成整个变电站全站停电、设备烧毁等事故。因此，对蓄电池进行实时可靠的在线监测对整个变电站甚至电网意义重大。

铅酸蓄电池自1859年由普兰特发明以来，至今已有150多年的历史，技术十分成熟，是全球上使用最广泛的化学电源。尽管近年来镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等新型电池相继问世并得以应用，但铅酸蓄电池仍然凭借大电流放电性能强、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉等一系列优势，在电力系统中占据着绝对的主导地位。阀控式密封铅酸蓄电池凭借性能稳定，运行可靠、维护工作量小、使用寿命长等优点，自20世纪90年代以来短短数年就几乎取代了所有变电站的传统直流设备。

蓄电池组由于工艺制造、使用年限及日常维护不当等原因，可能会造成蓄电池电解液蒸发、内阻变大和容量减小等情况，如果不能及时发现并处理，就可能会造成蓄电池在电力系统故障发生时无法提供可靠的直流电源，无法配合自动装置快速切除故障以致造成设备损毁等严重后果。因此必须定期对其进行核对性充放电试验，确保蓄电池组的容量满足电网运行的要求。《变电站直流运行规程》规定“新安装蓄电池组应进行全容量核对性充放电试验，容量达到100％；以后每两年进行一次核对性充放电试验。运行四年以后每年进行一次核对性充放电试验，容量需达到80％及以上”。

全核对性放电试验能够对蓄电池组进行全面、细致的检查，但是试验过程中需要将蓄电池组退出直流系统。因此，当变电站配置有两套阀控式密封铅酸蓄电池组时可以采用，当变电站仅有一组蓄电池时，为了确保直流系统运行的安全可靠，此蓄电池组不能够退出直流系统运行，也不能够作全核对性放电试验，只能在充电机停用后，由蓄电池组向直流负载和放电电阻供电，作30％～50％额定容量的核对性放电试验。在这种情况下，由于已将充电机退出系统，变电站发生短路故障时，如果蓄电池容量不足、内部断路等都可能会造成变电站整个直流系统失电、保护拒动等严重事故。因此，这种试验方法对试验人员专业水平要求高，在试验过程中要严格按照规定的方法进行试验，否则极有可能因为试验人员的操作方法不当引起整站直流系统失压事故。

在传统的阀控式密封蓄电池组的运行中主要监视蓄电池组的端电压值，浮充电流值，每只蓄电池的电压值、蓄电池组及直流母线的对地电阻和绝缘状态等。如图1所示为单母线接线的直流系统，正常工作情况下，K1、K2都是合闸位置，需要做核对性充放电试验时，断开K1，接通K3，试验完毕后恢复。K1、K2和K3这三组刀闸的位置对整个直流系统的运行起决定性作用，但这三组刀闸却常常被变电站运维人员与检修人员所轻视大意，其辅助触点位置信号也没有通过通信接口送到监控后台和调度，这成为电力系统一个监控盲区，给变电站直流系统稳定运行埋下深深的隐患。2016年8月，西安某330kV变电站直流系统中由于蓄电池连接至直流小母线的刀闸(如图1中K2刀闸)未能按规定正确投入，在变电站短路故障情况下，充电装置停止工作，直流系统失电，保护拒动，最终导致变电站主变烧毁。因此，实时在线加强变电站蓄电池的“健康”管控以及与直流系统的完整性是非常必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种用于变电站的直流系统实时检测方法，解决运行电能计量装置管理中监测困难的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于变电站的直流系统实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

蓄电池以浮充电方式运行；

控制与检测单元降低充电电压，启动自检测中断系统；

控制与检测单元对蓄电池进行检测，并控制蓄电池放电回路的通断；

升高蓄电池的充电电压，蓄电池进入均衡充电。

进一步地，所述控制与检测单元降低充电电压，启动自检测中断系统，具体为，在进行均衡充电前5min启动自检测中断系统，对蓄电池进行检测，此时将充电电压降为浮充电电压的90％。

进一步地，所述控制与检测单元对蓄电池进行检测，并控制蓄电池放电回路的通断；具体包括：检测蓄电池的输出电流表功率是否反向，反向时，蓄电池放电回路接通进行一定时间恒流放电，否则发出回路异常告警信号。

进一步地，所述一定时间为3min。

进一步地，所述控制与检测单元还包括用于检测蓄电池断流的断流检测装置，所述断流检测装置通过时间元件，设定时间闭锁，电流为零的时间未到达设定值时可靠不动作，达到设定值时，由判别元件启动向监控后台和远方调度发送告警指令。

进一步地，所述浮充电压为2.23～2.28V/单体。

优选的，所述浮充电压选择为2.25V/单体。

进一步地，所述均衡充电电压为2.3～2.4V/单体。

优选的，所述均衡充电电压选择2.35V/单体。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明加强了蓄电池的自身实时检测，强化了与直流系统的联系。蓄电池自检测模式能够在正常浮充电工作情况下自动实时检测蓄电池的优劣，并且能通过电流表是否有读数验证直流回路的完整性。相比较现有蓄电池核对性充放电试验，安全可靠，省时省力。而且蓄电池自检测周期与均衡充电相配合，有充有放，使蓄电池容量得到最大程度的释放，延长了蓄电池的使用寿命；蓄电池断流检测能够实时有效的检测蓄电池组与直流系统的联系，当蓄电池组因为任何原因脱离直流系统时，变电站值班员或者调度都能够在第一时间接受到告警信号，确保故障能够及时可靠的处理。

附图说明

图1为本发明提到的现有的直流系统检测结构图；

图2为本发明提出的一种用于变电站的直流系统实时检测方法流程图；

图3为图2所述的方法具体流程图；

图4为本发明实施例中的一组蓄电池组内阻等效图；

图5为本发明提出的蓄电池断流检测电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

参见图1至图3，为本发明提出的一种用于变电站的直流系统实时检测方法流程图。

如图1至图3所示，一种用于变电站的直流系统实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

蓄电池以浮充电方式运行；

控制与检测单元降低充电电压，启动自检测中断系统；

控制与检测单元对蓄电池进行检测，并控制蓄电池放电回路的通断；

升高蓄电池的充电电压，蓄电池进入均衡充电。

本发明提供的一种用于变电站的直流系统实时检测方法，通过在直流系统中增加控制与检测单元，对变电站的直流系统中蓄电池的状态进行检测，通过远程通信接口可以进行数据的实时传输，在正常运行时，蓄电池以浮充电方式运行，浮充电压一般控制在2.23～2.28V/单体，浮充电压过高、过低都会造成蓄电池极板硫化、活性物质松动，从而使蓄电池容量变小，缩短了电池寿命，在25℃时，一般设置为2.25V/单体。由于蓄电池在使用过程中会产生的不均匀现象，为使其恢复到规定的范围内，一般每隔3个月进行均衡充电，均衡充电电压一般控制在2.3～2.4V/单体，在25℃时，通常取2.35V/单体，通过设置直流系统实时检测方法，可以自动控制蓄电池进行均衡充电的切换，不需要人为干预，保证直流系统中蓄电池的正常运行，提高供电系统的可靠性。

进一步地，所述控制与检测单元降低充电电压，启动自检测中断系统，具体为，在进行均衡充电前5min启动自检测中断系统，对蓄电池进行检测，此时将充电电压降为浮充电电压的90％。

进一步地，所述控制与检测单元对蓄电池进行检测，并控制蓄电池放电回路的通断；具体包括：检测蓄电池的输出电流表功率是否反向，反向时，蓄电池放电回路接通进行一定时间恒流放电，否则发出回路异常告警信号。

进一步地，所述一定时间为3min。

蓄电池组正常浮充电时，由于浮充电电流较小，每个单体蓄电池的电压相差不是很大，当蓄电池大电流充电、放电时，根据基尔霍夫电流定律，内阻较大的蓄电池分压较大，因此，通过在大电流放电模式下比较蓄电池组各个单体蓄电池的电压可以精确监控蓄电池运行工况。

如图4所示为一组蓄电池组的内阻等效图，E为单体蓄电池的电动势，Zeq为等效单体内阻。正常情况下可以近似认为各个单体蓄电池电动势相等，即：

E1＝E2＝……＝En

蓄电池内阻正常情况下都在mΩ级，因此各个蓄电池内阻分压较小，可以近似认为：

U1＝U2＝……＝Un

当蓄电池组中一个单体蓄电池Ei内阻Zeqi偏大时，在蓄电池组放电时，由于基尔霍夫效应，其分压较大，则：

U1＝U2＝……＝Un>Ui

因此可以通过不同蓄电池的电压差是否大于设定值来监视蓄电池组，即差压测量法：

|U_i-U_j|＞U_set(i∈{1,2,…n},j∈{1,2,…n})

当变电站仅有一组蓄电池时，做核对性放电试验时如果突发变电站短路及蓄电池故障会造成直流系统失电。本发明提供的直流系统实时检测方法，可以用来弥补这种不足，用更为安全、简单的方法实现蓄电池的自动检测。

本发明实施例中，控制与检测单元对蓄电池进行检测，并控制蓄电池放电回路的通断；还包括：检测蓄电池单体电压是否小于设定值，若小于设定值，则断开蓄电池放电回路，否则发出蓄电池内阻异常告警信号。

正常浮充模式下，充电机为直流母线和蓄电池提供稳定的直流电源，维持整个变电站的正常直流负荷与蓄电池组内部的自放电。蓄电池连接至直流母线的电流表读数为蓄电池的正常自放电电流，方向由直流母线指向蓄电池。通过降低充电机的充电电压使蓄电池处于放电状态，根据直流系统技术规程的要求，直流母线电压不能低于90％U_N，因此，设定充电机电压为90％直流额定电压，以确保直流系统稳定运行。继而通过高精度电流表的功率流向确保蓄电池处于放电状态，然后接通蓄电池的放电回路刀闸K3，通过自动调节放电电阻使蓄电池处于“恒流放电”状态。为便于计算与分析，设定恒流放电的电流为蓄电池组的额定放电电流，该额定放电电流通过装置自动调节放电电阻实现，进行恒流放电3分钟，然后通过差压测量法，即根据蓄电池恒流放电下每个单体蓄电池的端电压，当蓄电池组单体之间电压差大于0.4V时，即向后台和调度发告警信号。或者通过直流法或交流法监测此时蓄电池的内阻，蓄电池完全充电和完全放电时，其内阻相差2-4倍左右。随着放电过程的进行，内阻逐步增大，正常情况下蓄电池的内阻在mΩ级，蓄电池容量不足时，内阻会大大增加，有时甚至可达Ω级，因此可以通过检测内阻确定蓄电池容量是否满足要求；当有单体蓄电池内阻大于设定值时，即可判断此蓄电池组容量不满足要求，需要对此蓄电池组进行维护检修或者更换。

一般情况下，蓄电池两个电极会发生着氧化还原等化学反应，它会消耗蓄电池的活性物质，降低蓄电池的能量，将其转化为不可利用的热能，我们称之为蓄电池的自放电。在蓄电池组浮充电模式下，充电机除了给变电站直流负荷提供直流电源外，还时刻补充蓄电池组的自放电，以确保蓄电池组容量时刻满足系统正常运行的要求。

蓄电池组自放电电流大小与蓄电池容量、制造工艺、运行工况和环境等有关，如图5所示，在蓄电池正常浮充状态下，可以通过蓄电池组连接到直流母线回路中的高精度电流表获取。一般浮充电流为1～3mA/Ah。

如图5所示，当蓄电池刀闸K2人为断开，或者自行故障跳开和刀闸内部故障断路时，蓄电池与直流母线脱离，充电机不再为蓄电池组提供自放电电流，电流表的读数为零。因此，可以通过这种断流检测的方法来确保直流母线与蓄电池组的紧密联系，为了保证可靠准确动作，加入时间元件，设定时间闭锁，电流为零的时间未到达设定值时可靠不动作，达到设定值时，由判别元件启动向监控后台和远方调度发送告警指令，提醒运维人员或检修人员对此故障进行消除，确保直流系统的可靠稳定。

本发明加强了蓄电池的自身实时检测，强化了与直流系统的联系。蓄电池自检测模式能够在正常浮充电工作情况下自动实时检测蓄电池的优劣，并且能通过电流表是否有读数验证直流回路的完整性。相比较现有蓄电池核对性充放电试验，安全可靠，省时省力。而且蓄电池自检测周期与均衡充电相配合，有充有放，使蓄电池容量得到最大程度的释放，延长了蓄电池的使用寿命。

蓄电池断流检测能够实时有效的检测蓄电池组与直流系统的联系，当蓄电池组因为任何原因脱离直流系统时，变电站值班员或者调度都能够在第一时间接受到告警信号，确保故障能够及时可靠的处理。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。