技术领域
[0001] 本
发明属电
力系统变电站直流系统技术领域，具体涉及一种
蓄电池有效性在线判别装置及检验方法，用于变电站直流系统蓄
电池组有效性监测和带载能力测试。
背景技术
[0002] 直流电源系统是变电站的
基础电源，是保证保护装置、自动化设备动作、
开关跳合、防止事故扩大和恢复系统正常运行所必不可少的系统和设备，其安全稳定运行是保障电力系统安全稳定运行的关键。
[0003] 蓄电池作为直流电的核心设备，一但出现问题，随之而来的便是保护失灵、开关拒动、通道中断等问题，后果不堪设想。目前，针对电力蓄电池组性能测试，主要以在线
电压检测为主，并按规程进行年度核对性放电试验；电压在线检测只能反应电压高低，不能代表容量大小和电池性能好坏，核对性放电试验，能准确测出电池的实际容量，反应电池的性能，但放电试验费时费力，效率低下，且存在空窗期，不能实时反应蓄电池性能的变化。
[0004] 因此，亟需提供一种解决上述问题的蓄电池有效性在线判别装置及检验方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种蓄电池有效性在线判别装置及检验方法，适用于蓄电池组在线有效性监测和带载能力测试，准确、便捷、快速判断蓄电池组的在运状态和性能好坏。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种蓄电池有效性在线判别装置，由
二极管D1…Dn、直流
接触器K1、电压
传感器TV1和TV2、
电流传感器TA、模拟负载
电阻R1…Rn、IGBT M1…Mn、CPU以及接线
端子M+、M-和CD+组成。
[0007] 进一步的，直流
母线带有常规直流负荷，其中直流正母线+KM与蓄电池组正极相连、负母线-KM与蓄电池负极及充
电机直流输出-端连接，在线判别装置CD+端与充电机直流输出+端相连、M+端与直流正母线+KM相连、M-端与直流负母线-KM相连；在线判别装置二极管D1…Dn顺序
串联构成一降压
电路，二极管D1的A端与在线判别装置CD+连接，直流接触器K1主触点的一端、电压传感器TV1的正输入端并联于在线判别装置CD+端，直流接触器K1主触点的另一端、电压传感器TV1的负输入端与二极管Dn的K端并联穿过电流传感器TA连接于在线判别装置M+端；在线判别装置模拟负载电阻R1…Rn的一端和电压传感器TV2负输入端并联于一起与M-相连，IGBT M1的E极与模拟负载电阻R1另一端相连…IGBT Mn 的E极与模拟电阻Rn相连，IGBT M1… Mn 的C极、电压传感器TV2正输入端并联与电压传感器TV1负输入端相连；IGBT M1…Mn的G极端、直流接触器K1的线圈两端与CPU的I/O口连接，电压传感器TV1、TV2电流传感器TA1的二次输出端与CPU的A/D口连接。
[0008] 进一步的，所述CPU型号为MSP430AFE253。
[0009] 一种利用蓄电池有效性在线判别装置的检验方法，包括以下步骤：步骤一，检验前，对直流系统状态检查；
步骤二，启动测试；
步骤三，投入模拟负载电阻；
步骤四，放电过程监视；
步骤五，结束放电；
步骤六，试验结果判断。
[0010] 进一步的，在检验蓄电池组性能前，直流接触器K1主触点处于闭合状态，二极管D1…Dn被短接不起作用，通过电压传感器TV2先检查充电机及
直流母线电压，以确认直流系统的运行状况正常。
[0011] 进一步的，所述步骤二中启动测试过程为：CPU驱动直流接触器K1线圈，使K1主触点处于断开状态，二极管D1…Dn 投入运行，降低充电机上母线直流
输出电压，从而使蓄电池组承担站用直流常规负荷，处于放电状态。
[0012] 进一步的，所述步骤三中投入模拟负载电阻过程为：在站用直流负荷较小时，CPU驱动IGBT M1…Mn，自动投入模拟负载电阻R1…Rn，以增大蓄电池组放电电流。
[0013] 进一步的，所述步骤四中放电过程监视过程为：放电过程中，通过电压传感器TV1、TV2，实时在线监视充电机输出直流电压和直流母线电压，一旦充电机或蓄电池组输出异常，立即结束放电，恢复到正常运行状态。
[0014] 进一步的，所述步骤五中结束放电过程为：设定的放电时间到，CPU驱动IGBT M1…Mn断开已投入的模拟负载电阻R1…Rn，再控制直流接触器K1线圈，使K1主触点处于闭合状态，短接二极管D1…Dn，充电机自动向常规站用直流负荷供电及蓄电池组充电，直流电源系统恢复正常运行方式。
[0015] 进一步的，所述步骤六中试验结果判断过程为：放电结束时，如果直流母线电压高于定值，表明蓄电池组性能基本良好，满足变电站实际需要；如果直流母线电压低于定值，表明蓄电池组容量不足，蓄电池性能出现明显下降，尽快进行标准放电核容试验予以准确验证。
[0016] 与
现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：本发明的判别装置及检验方法可以实现蓄电池组有效性在线监测和带载能力动态测试。
[0017] 1、电池有效性检测功能：能够自动定期或手动启动全面检查蓄电池的有效性，及时发现
单体电池开路、电池组开关故障或断开、电池组保险熔断、
连接线脱落、跨层线断线、螺丝松动等情况，验证系统是否能够承担常态负荷，确保直流系统运行安全。
[0018] 2、电池抗冲击能力检测：该可以智能投切内部负荷，模拟多个
断路器同时保护跳闸或合闸动作电流，并动态检测母线电压
波动和压降，验证蓄电池组抗
叠加冲击负荷的能力。
[0019] 3、电池除硫活化功能：通过变频脉冲扫描技术，对蓄电池进行共振式扫频，可起到一定抑制、消除电池极板硫化、恢复电池容量的作用。
附图说明
[0020] 附图1是本发明装置的电路原理；附图2是本发明检验方法的工作
流程图；
附图3是电池完全失效时最极端情况下快速保护动作时序图；
附图4是电池在脱离充电机后电压下降随时间变化过程的曲线汇总图。
具体实施方式
[0021] 下面将结合本
申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0022] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本
说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0023] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0024] 在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、
水平”和“顶、底”等所指示的方位或
位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0025] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被
定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0026] 此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行
声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
[0027] 如图1所示，一种蓄电池有效性在线判别装置，由二极管D1…Dn、直流接触器K1、电压传感器TV1、TV2、电流传感器TA、模拟负载电阻R1…Rn、IGBT M1…Mn、CPU及接线端子M+、M-、CD+组成，其中CPU型号为：MSP430AFE253。
[0028] 工作原理为：利用二极管单向导通和自动降压特性，在保证充电机在线的前提下，对充电机上母线直流输出电压进行适当降低，从而使蓄电池组承担站用直流常规负荷，如果现场负荷太小，可投入模拟负载，对蓄电池组进行放电测试，以快速验证蓄电池组的有效性和带载能力。
[0029] 直流母线带有常规直流负荷，其中直流正母线+KM与蓄电池组正极相连、负母线-KM与蓄电池负极及充电机直流输出-端连接.在线判别装置CD+端与充电机直流输出+端相连、M+端与直流正母线+KM相连、M-端与直流负母线-KM相连；在线判别装置二极管D1…Dn顺序串联构成一降压电路，二极管D1的A端与在线判别装置CD+连接，直流接触器K1主触点的一端、电压传感器TV1的正输入端并联于在线判别装置CD+端，直流接触器K1主触点的另一端、电压传感器TV1的负输入端与二极管Dn的K端并联穿过电流传感器TA连接于在线判别装置M+端；在线判别装置模拟负载电阻R1…Rn的一端和电压传感器TV2负输入端并联于一起与M-相连，IGBT M1的E极与模拟负载电阻R1另一端相连…IGBT Mn 的E极与模拟电阻Rn相连，IGBT M1… Mn 的C极、电压传感器TV2正输入端并联与电压传感器TV1负输入端相连；IGBT M1…Mn的G极端、直流接触器K1的线圈两端与CPU的I/O口连接，电压传感器TV1、TV2电流传感器TA1的二次输出端与CPU的A/D口连接。
[0030] 一种利用蓄电池有效性在线判别装置的检验方法，包括以下步骤：a.试验前直流系统状态检查：
在测试蓄电池组性能前，直流接触器K1主触点处于闭合状态，二极管D1…Dn被短接不起作用，通过电压传感器TV2先检查充电机及直流母线电压，判断直流系统的运行状况是否正常，确认正常后，方可进行下一步操作。
[0031] b.启动测试：CPU驱动直流接触器K1线圈，使K1主触点处于断开状态，二极管D1…Dn 投入运行，降低充电机上母线直流输出电压，从而使蓄电池组承担站用直流常规负荷，处于放电状态。
[0032] c.投入模拟负载电阻如果站用直流负荷较小，CPU驱动IGBT M1…Mn，自动投入模拟负载电阻R1…Rn，以增大蓄电池组放电电流。
[0033] d.放电过程监视放电过程中，通过电压传感器TV1、TV2，实时在线监视充电机输出直流电压和直流母线电压，一旦充电机或蓄电池组输出异常，立即结束放电，恢复到正常运行状态。
[0034] e.结束放电设定的放电时间到，CPU驱动IGBT M1…Mn断开模拟负载电阻R1…Rn（如果已投入），再控制直流接触器K1线圈，使K1主触点处于闭合状态，短接二极管D1…Dn，充电机自动向常规站用直流负荷供电及蓄电池组充电，直流电源系统恢复正常运行方式。
[0035] f.试验结果判断放电结束时，如果直流母线电压高于定值，表明蓄电池组性能基本良好，可满足变电站实际需要；如果直流母线电压低于定值，表明蓄电池组容量不足，蓄电池性能出现明显下降，应尽快进行标准放电核容试验予以准确验证。
实施例
[0036] 利用本发明装置对蓄电池性能的检验过程：1） 检验程序开始后首先打开全局定时中断采集
数据处理，采集数据包括控制母线电压(Ukm)、控制母线与充电机模
块输出电压差(Uyc)、充电机模块负荷输出电流(Icd), 并且开启在中断中实时处理快速压差保护，实现最高优先级的对蓄电池失效情况下对母线供电连续性的快速恢复，此快速保护可以实现任何情况下压差大于35V后能够确保在100ms以内快速恢复运行开关，保障直流母线供电连续性和
稳定性，如图3所示，电池完全失效时最极端情况下快速保护动作的母线电压时序图。
[0037] 2） 第一步首先检查当前母线电压是否满足启动条件: 禁测电压值
[0038] 禁测电压建议设置值为母线正常运行电压减5V(Ukm-5V)，例如母线正常运行电压为234V，建议禁测电压设置值为229V，这样设置的话首先检测母线电压是否介于229V 239V~之间，如果母线电压低于229V电池处于放电状态(交流停电、模块故障等)应立即禁止启动检验，如果母线电压高于239V电池可能处于均充状态，如果电池脱离充电机，电池在放电状态，而充电机在均充状态，两者本身压差就在10V以上，再加上负载加持，接下来的冲击检验、检验回路内阻等项目可能直接导致压差过大无法准确检验，所以应立即禁止启动检验。
[0039] 3） 接下来第二步将检查当前充电机电流是否满足条件，Icd<禁测电流，如果充电机电流≥禁测电流则立即退出检验，若满足条件则继续检验过程。
[0040] 禁测电流设置值建议为母线负荷正常投入运行并且蓄电池处于浮充状态时的负荷电流值+蓄电池均充限流值/4(此值小于3A时可取3A，为适应现场电池配置较小时尽量保证检验过程能够正常检验而不被意外负荷波动情形导致禁止)；4） 满足检验条件后装置立即断开运行开关，若此时蓄电池回路严重故障(电池保险熔断、电池开关断开、电池汇流排断裂、连接线脱落、虚接接触不良等故障)母线电压将急速跌落，直到控合压差逐渐加大到30V以上时，负荷电流通过装置内部的
硅降压装置逐渐开始供电，此时保证母线电压并没有跌落到0V，而是被降压装置钳位到199V左右，再加上中断快速保护加持，可保证在100ms内母线电压恢复到正常，并且直接告警并退出检验过程,母线电压过程时序见图1。若此时蓄电池是正常状态时负荷将从充电机模块输出转移到直接由蓄电池输出，此时母线电压将平缓下降，并且充电机与控制母线(蓄电池)之间压差较小(10V以下)，此时将继续执行检验过程，母线电压下降过程时序见图2。
[0041] 5） 接下来1秒后检查压差是否符合条件，Uyc<1秒压差设置值，若满足条件则继续进行下面检验，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成检验过程。
[0042] 1秒压差值建议设置为10～13V，参照电池性能正常时母线电压下降汇总图，性能劣化后电池1秒压降大约在10V左右。
[0043] 6） 接下来2-6秒每秒检查压差是否符合条件，Uyc<6秒压差设置值，若满足条件则继续进行下面检验，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成检验过程。
[0044] 6秒压差值建议设置为15～18V，参照电池性能正常时母线电压下降汇总图，性能劣化后电池6秒压降大约在15V左右。
[0045] 7） 接下来7-30秒每秒检查压差是否符合条件，Uyc<30秒压差设置值，若满足条件则继续进行下面检验，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成检验过程。
[0046] 30秒压差值建议设置为20～23V，参照电池性能正常时母线电压下降汇总图，性能劣化后电池30秒压降大约在20V左右。
[0047] 8） 接下来最多90秒内监测母线电压每秒变化率和等待蓄电池电压进入稳定期，如果母线电压每秒下降大于100mV/s则继续等待，如果等待时间超过90秒或监测过程中母线电压下降率小于100mV/s则继续进行下面检验。
[0048] 9） 接下来检查压差是否符合进入负载放电检验回路内阻条件，Uyc<内阻压差设置值，若满足条件则继续进行下面检验，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成检验过程。
[0049] 内阻压差值建议设置为25～28V，参照电池性能正常时母线电压下降汇总图，性能劣化后电池30秒压降大约在25V左右。
[0050] 10）接下来对母线和蓄电池回路进行施加10A负荷电流，使用直流放电法进行蓄电池及母线回路内阻检验，检验内阻过程中同时属于中断快速保护的范围，如果压差异常直接中断保护并且告警和恢复运行。
[0051] 在内阻检验过程中检查控母电压和控合压差之和,如果大于禁测电压+10V(Ukm+Uyc>禁测电压+10V)此时说明在检验过程中充电机自动转为均充状态，这样的话将直接导致控合压差变高10V，如果强行冲击将会导致充电机通过硅降压装置对冲击负荷进行供电，完全无法起到考核蓄电池到母线回路内阻的作用，冲击负荷的检验将失去意义，此时策略是立即停止检验，等待下次检验在正常状态时在检验内阻值，避免提供一次不准确并且没有意义的一组内阻数据。
[0052] 11）接下来检查前一步回路内阻检验结果是否符合要求，如果回路内阻<回路内阻设定值则继续下面检验，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成检验过程。
[0053] 回路内阻设定值设置范围为50～999mΩ，具体设定建议首先通过装置进行一次实测后，然后再根据现场实际电池和线缆情况进行一次估算，如果出入不大则按照实测值+50mΩ设置即可，如果实测值比估算值大较多的情况时，可以逐步检查电池螺丝、连接线、
电缆接头、电池保险、电池开关等环节是否出现锈蚀、接触不良、虚接等异常情况后再次实测，内阻估算值=(单体内阻+0）1)*电池节数+40*电缆长度/电缆截面+20。
[0054] 12）接下来进行四个循环冲击负荷检验，每个循环中包括施加负荷电流约为20A，施加时间为1秒，然后等待29秒。前面所有步骤的主要检验目的是为了验证当交流停电后，蓄电池是否能够承担当前实际的负荷电流正常运行，电池是否还有效。施加1秒冲击负荷电流的目的是为了模拟当前蓄电池在承担目前正常负荷的情况下是否还可以承担如断路器跳闸等冲击负荷的要求(能否完成开关跳闸)。
[0055] 施加电流的选取是按照变电站每个高压断路器跳闸电流2A左右，极端情况下可能出现8个断路器同时跳闸，此时电流可能达到16A，为确保能够承担16A电流并留有余量后选取模拟负荷电流20A，负载冲击检验过程中母线电压不得超过母线电压允许最低值(压差不超过35V)才算合格。
[0056] 13）在4个循环冲击过程中始终检查母线电压是否符合条件，Ukm>=198V，若满足条件则继续进行下面测试，若条件不满足则立即点亮告警指示灯、驱动告警继电器、设置告警标志、闭合运行开关、并且完成测试过程。
[0057] 设置此值是为了防止负载终端电压无法满足跳闸线圈最低跳闸电压要求，一般为额定电压70%，也就是额定220V线圈必须满足线圈电压高于154V才能确保开关跳闸满足标准，中间必须考虑电源到开关之间线路压降是一个不确定因素，所以此处使用对电源供电范围要求，一般为最低输出电压为额定电压的90%，及额定220V系统电源侧最低输出应满足不低于198V。
[0058] 14）测试完成时闭合运行开关，使系统完全恢复到正常运行状态，清理程序内部标志，此时告警继电器、指示灯等保持过程中设置的状态不变，直到人工复归为止。
[0059] 15）此测试过程可以通过长按启动按钮3秒人工启动测试，也可以通过设置自动启动时间来实现定期自动启动，自动启动周期设置范围为1～90天，一般建议设置为7天左右。
[0060] 装置定时周期启动时会自动等待测试条件允许后立即启动测试功能，避免定时周期测试正好测试时赶上充电机均充、交流停电、负荷切换等问题导致此次启动测试失败，虽然可能几分钟内就能恢复正常，但是对于测试失败后将会等到下一个测试周期才能进行测试和发现系统问题，此举有效避免周期测试部分失效，拉长测试周期问题，有效降低系统允许
风险。
[0061] 本发明的判别装置及检验方法可以实现蓄电池组有效性在线监测和带载能力动态测试。
[0062] 1、电池有效性检测功能：能够自动定期或手动启动全面检查蓄电池的有效性，及时发现单体电池开路、电池组开关故障或断开、电池组保险熔断、连接线脱落、跨层线断线、螺丝松动等情况，验证系统是否能够承担常态负荷，确保直流系统运行安全。
[0063] 2、电池抗冲击能力检测：该可以智能投切内部负荷，模拟多个断路器同时保护跳闸或合闸动作电流，并动态检测母线电压波动和压降，验证蓄电池组抗叠加冲击负荷的能力；3、电池除硫活化功能：通过变频脉冲扫描技术，对蓄电池进行共振式扫频，可起到一定抑制、消除电池极板硫化、恢复电池容量的作用。
[0064] 以上所述实例表达了本发明的优选实施例，描述内容较为详细和具体，但并不仅仅局限于本发明；特别指出的是，对于本领域的研究人员或技术人员来讲，在不脱离本发明的结构之内，系统内部的局部改进和子系统之间的改动、变换等，均属于本发明的保护范围之内。
