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技术篇 | 轨道交通蓄电池智能维护

作者: 本站编辑     发布时间: 2020-08-26      来源: 本站

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【摘要】阀控式铅酸蓄电池是后备电源核心组成部分,但同时也是后备电源故障的主要来源。据权威统计,目前后备电源的故障,超过50%由蓄电池失效引起。如何对后备电源蓄电池进行有效的实时在线监测,准确掌握蓄电池状态,变得尤为重要。根据目前轨道交通行业蓄电池的故障情况,重点分析目前行业内对蓄电池的维护运营存在的困难点,降低蓄电池的潜在隐患,本文提出基于总线供电的全分布式在线电池监测系统,能及时发现和甄别落后、失效蓄电池,提出系统安全预警,避免事故的发生,进而提高蓄电池维护质量和效率,降低维护成本。

--珠海东帆科技有限公司 苏大亮








引言




随着轨道交通在我国迅猛发展,铅酸蓄电池在轨道交通有着非常广泛的应用。蓄电池作为电源系统核心组成部分,是供电、通信、信号等系统应急保障的最后屏障。不仅是地铁供电系统继电保护、操作控制正常启动的有力保障,也是通信、信号、综合监控网络安全运行的守护。

正常情况下,供电、通信、信号等系统负荷使用国家电网提供的交流电源,但一旦出现市电波动或断电,就需要作为后备电源的蓄电池进行应急供电,但如果作为最后电源屏障的蓄电池供电异常等,地铁的各大系统将失效或瘫痪,最终造成系统设备失效、地铁停运等重大事故。

受到蓄电池的制造工艺以及使用方法、维护手段不够准确等因素的影响,导致蓄电池的使用寿命远远达不到免维护程度,有些甚至只能达到设计寿命的一半,严重影响到轨道交通的安全运行。由于现在轨道交通行业对于蓄电池的维护管理手段较少,人工维护管理为主,对蓄电池状态无法有效进行预判。如何提高轨道交通行业的蓄电池维护管理能力,帮助运维人员及时了解蓄电池工作状态,找到落后蓄电池,具有很大的意义。




蓄电池维护现状




2.1 传统维护方式

没有在线式蓄电池监测系统面世之前,后备电源系统只能监测组电压、组电流、环境温度等少量电池状态参数。而电池单体的电压、内阻、温度、SOC和SOH这些核心参数,却未提供实时监测,或使用人工方式,只能靠万用表、钳形表等仪表进行人工来测量。

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传统的维护主要是人工定期巡检(3个月或6个月一次),通过手持测量仪器测量电池电压、内阻等关键参数,费时费力,周期长,容易存在维护盲点,不能及时发现安全隐患。人工测量不但工作量很大,而且人工测量精度差、易受人为因素影响,实时性和连续性差。人工测试大都为定期进行,无法及时发现落后失效电池。  


2.2 电池运行维护问题

根据权威维修结果统计,超过50%的后备电源故障由于蓄电池失效引起的。常见问题主要表现为几个方面:

(1)、蓄电池实际使用寿命远低于电池设计寿命


蓄电池的运行环境不佳,难以长期有效保持在15~25℃,尤其在南方复杂气候条件下,蓄电池在前期施工安装阶段已进场,长期处于高温的运行环境。根据蓄电池行业标准,蓄电池要求运行环境温度为20℃-25℃,温度超过25℃后,温度每提高10℃,蓄电池寿命将减少一半。如一般蓄电池使用寿命为10年,若蓄电池长期在35℃运行,蓄电池的使用寿命将在5年以内。

(2)、个别电池老化,引起整组电池容量下降

蓄电池组中容量最小的单台电池的容量,即为整组电池可使用的总容量,这就是我们经常引用的“木桶理论”。电池组整体性能取决于单个劣化最严重电池。 某单个蓄电池劣化时,该蓄电池内阻一般会急剧增大,对于串联回路,充电时最快充满,放电时最快到达截止电压。即我们常说的“一充就饱,一放就光”的现象。若长期运行未及时处理,将引起整组蓄电池的容量长期处于低水平状态。大部分状态良好的蓄电池无法可得到有效使用,从而慢慢导致大量蓄电池惰性,进而使整组蓄电池寿命缩短,后备电源的可靠性也无法得到保证。

(3)、蓄电池生产质量及工艺一致性差

后备电源中,铅酸蓄电池组是串联回路,电压等级越高,电池节数越多。轨道交通行业对电池组运行中电压偏差值有明确的要求:

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GB/T13281-2008《铁路客车用铅酸蓄电池》开路电压组合一致性,容量组合一致性;

TB/T3061-2008《机车车辆用阀控密封式铅酸蓄电池》蓄电池容量及容量不均衡率;

这不仅仅对电源充电设备提出很高要求,同时也对电池生产质量及工艺一致性提出很高要求。,厂家分批次生产的蓄电池质量上存在一定程度上差异性,如果蓄电池出厂时质量严格性得不到保证,那么同一批次的蓄电池中质量差的蓄电池也在现场蓄电池成组使用时,会因组内每节蓄电池的优劣程度不一致,这种程度上的电池混用将加速整组电池快速失效。

(4)、目前后备电源系统只能监控整组电池

常见的传统后备电源系统只能监测组电压、组电流、环境温度等少量电池状态参数。而电池单体的电压、内阻、温度、SOC和SOH这些核心参数,却无法进行实时监测,只能依靠人工方式拿手持设备检测获取。但实时性和连续性较差,运维成本升高的同时效率也急剧降低。

另外,在一些常见的后备电源系统中,有可能会配备传统的电池巡检仪。电池巡检仪虽然也能在线测量,但它主要测量点对象是单体电池电压,而蓄电池的内阻、温度、SOC和SOH这些核心参数,却无法及时得到体现。如下图

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2.3 轨道交通特征

城市轨道交通呈现网路复杂线路多,单程线路长,车站呈量多离散状态,蓄电池组广泛分布于城市东西南北不同位置,维护工作量巨大。

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例:广州地铁六号线共32个车站,按传统维护模式,每个站点的蓄电池组维护至少需要两天时间,整条线路的维护工作至少需要2个月的时间。





分布式在线监控


针对轨道交通行业特征及传统蓄电池维护的不足和缺陷,本文提出基于总线供电的全分布式在线电池监测系统,对分布在轨道交通沿线各个站点的蓄电池进行远程实时监测和采集,将电池组及单体电池关键参数:电池组电压、电池组电流、单体电池电压、单体电池内阻、单体电池温度、单体电池SOC、单体电池SOH等,通过以太网或4G方式,将数据传送到服务器后台系统,后台系统进行蓄电池个体自身历史趋势对比以及蓄电池组内个体间的对等比较,预测存在故障隐患的蓄电池,实现对蓄电池组的状态预警和智能化管理。

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3.1 系统构成

分布式的在线电池检测系统由采集层的传感器,通讯层的收敛电池网关,以及主站层的系统构成。


3.2 采集层

采集层由电池传感器和组电压组电流传感器组成,电流采用开口霍尔测量,无需拆开级联线,便能方便轻松接入。所有的传感器都是从通讯层蓄电池网关供电,无需从电池取电,通讯采用RS485总线,稳定可靠。采集器自带运行和告警灯,电池故障,对应的传感器会立即有红灯告警,可以快速定位机房内有故障的电池。单体采集器对每节电池的电压,温度,内阻,液位及漏液进行采集。组电压电流传感器对每一组的组电压,组电流进行采集。


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3.3 通讯层

通讯层主要是由收敛蓄电池网关组成,灵活配置,可适用于1-6电池组的监控,最多支持420节电池全部数据的监控,实时在线估算电池剩余电量SOC,电池健康度SOH,及在均衡度不一致时执行均衡的策略,电池告警的处理,以及实现提供最多5年的历史数据存储;通讯接口方面向上提供对上提供2路485端口 + 1路网口,支持标准的Modbus-Rtu 和 Modbus-Tcp协议,及SNMP协议,可方便快速接入第三方系统。

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3.4 系统层

主站层由服务器,PC主机,HMI组成和主站的软件系统组成。主站可以监控多个轨道站点的数据,实现遥信,遥测,遥控和遥调等功能,实现轨道站点中所有收敛蓄电池网关进行数据采集,并且对数据进行统计存储、统计、分析,形成各种报警信息,报表,曲线图及趋势图,充放电曲线等。当产生告警事件时,会通过动态订阅配置进行告警手机APP端、 短信、邮箱、语音电话等消息推送。

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方案总结



基于总线供电的全分布式在线电池监测系统,能有效解决轨道交通行业蓄电池维护的难点和痛点,相对于传统人工方式,传统的电池巡检仪,以及目前市面上一些蓄电池监测产品,有着一下几点明显优势:


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4.1 替代人工巡检

市面上的分布式电池监测产品,大都从电池取电。电池监控模块从电池取电,会加快消耗电池电能,更为关键的是,如果电池监控模块因生产质量不一致,及现场运行故障,会造成消耗电能的不同,进而对运行电池组的一致性产生冲击,可能造成电池电压新的不平衡。本文提到的基于总线供电的全分布式在线电池监测模块,采用主机总线供电技术,无需从电池供电,能有效维护运行电池的电压均衡;


4.2 总线供电技术

市面上的分布式电池监测产品,大都需要人工设置地址,安装调试环节费时费力,还容易出错。本文提到的基于总线供电的全分布式在线电池监测主机,可以一键自动搜索各个电池单体监测模块,自动配置通讯地址,无需人工过多干预和设置,有效减少工程工作量和配置错误,进而很大程度提高调试维护效率,减少调试出错,降低调试、运维成本。


4.3 单体模块地址自动配置

市面上的电池监测产品,两线制测试内阻居多,根据内阻测试电路,会引入导线内阻误差。蓄电池内阻是毫欧级,一旦有导线内阻引入,对蓄电池内阻精确度影响较大。人为补偿导线内阻,将增大调试工作量,增加调试、维护成本,并且补偿值难以准确估算。本文提到的基于总线供电的全分布式在线电池监测产品,采用开尔文四线制法,消除导线引入的内阻误差,保证测量内阻高精度。同时,该产品采用近1KHz的内阻测量频率,有效避开常规UPS工频干扰,保证了内阻测试结果的准确性。

4.4 高精度内阻测试技术

市面上的电池监测产品,大都提供常规的内阻,温度,电压,电流及SOC测量功能,本文提到的基于总线供电的全分布式在线电池监测产品,还提供纹波电压,纹波电流,漏液,液位检测等更加丰富的测量数据。基于这些数据,通过后台大数据分析系统,更准确的对运行的蓄电池进行故障预测分析、健康预测分析,优化了蓄电池的维护手段,实现蓄电池的状态维护,延长了蓄电池的使用年限。





结束语


基于总线供电的全分布式在线电池监测系统,不仅弥补了传统蓄电池维护与检测上的步骤,节省了大量的维护时间和人力、物力的消耗、降低维护成本。同时能及时发现和甄别落后、失效蓄电池,发出系统安全预警,避免事故的发生,进而提高蓄电池维护质量和效率,也提高了电源系统运行安全性和可靠性。全分布式在线电池监测系统目前已应用于合肥地铁2号线、长沙地铁4号线、乌鲁木齐地铁1号线、成都有轨电车2号线、哈尔滨地铁2号线等轨道交通项目中,取得较好的应用效果。随着轨道交通的快速发展,新的蓄电池在线监测产品也必将在轨道交通得到更好、更广泛应用。



【参考文献】:

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[2] 南方电网蓄电池组在线监测装置技术规范 2010

[3] 刘雷.城市轨道交通阀控式铅酸蓄电池的运行与维护探讨[J].科技论坛,2014.07:469,462.

[4] 武亚波.阀控式密封铅酸蓄电池的性能特点及其维护[J].UPS应用,2011,1:56-57

[5] 张晓明.浅谈阀控式蓄电池的检修、维护.西铁科技,2010,1:44-55



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