Замечали ли вы, как всё больше появляется электрических станций, работающих на постоянном
оперативном токе?
Если вы имеете отношение к строительству новых станций или участвуете в реконструкции
существующих, то, должно быть, уже давно заметили: переменный оперативный ток уходит на задворки истории.
Всё это — благодаря широкому распространению аккумуляторных батарей.
Виды и применение перезаряжаемых аккумуляторных батарей
Первые перезаряжаемые аккумуляторы были изобретены ещё в 1859 году. Это были именно
свинцово-кислотные АКБ, которые, несмотря на более чем 150-летнюю историю, до сих пор не утратили своей актуальности.
Безусловно, технологии производства с тех пор шагнули далеко вперёд. Свинцово-кислотные АКБ
получили множество разновидностей, из которых основными стали:
- Кальциевые — в этих аккумуляторах в свинцовые пластины добавляется кальций вместо
традиционного олова - Гелевые (GEL) — в них электролит находится в гелеобразной форме
- AGM (Absorbent Glass Mat) — электролит поглощён в специальную стекловолоконную матрицу
На станциях классом 6 кВ и выше чаще всего применяются именно гелевые и AGM-аккумуляторы. На объектах с экстремальными климатическими условиями, а также на нефтегазовых станциях и
подстанциях без постоянного обслуживания могут использоваться щёлочные аккумуляторы (например, никель-кадмиевые). А вот литий-ионные аккумуляторы — пока настоящая диковинка для постсоветского пространства из-за своей высокой стоимости.
Проблемы современных АКБ
Все эти типы АКБ объединяет то, что физические и химические процессы, происходящие в их ячейках, подвержены старению, разбалансировке и деградации. В свою очередь, это может приводить к:
- снижению общей ёмкости батареи
- преждевременному выходу из строя отдельных элементов
- искажению параметров аварийного питания
- риску отказа при аварийном отключении
Система управления батареями — Battery Management System
В условиях современной энергетики, где к надёжности систем защит и автоматик предъявляются крайне высокие требования, становится очевидным, что одной только качественной батареи уже недостаточно. Нужен инструмент, который сможет обеспечить интеллектуальное управление, защиту и мониторинг аккумуляторных систем в реальном времени.
Таким инструментом является система управления батареями или, по-другому, автоматическая система балансировки, она же BMS (Battery Management System). Данная система способна совмещать ряд крайне полезных для эксплуатации АКБ функций:
- контроль напряжения и тока на каждой ячейке аккумулятора
- мониторинг температуры элементов и окружающей среды
- балансировка ячеек для устранения разбалансировки по заряду
- защита от аварийных режимов: перегрузки, короткого замыкания, перезаряда и переразряда
- оценка остаточной ёмкости (SoC) и состояния здоровья батареи (SoH)
- диагностика и прогнозирование отказов, передача данных в АРМ или в SCADA-систему
- регистрация аварий и циклов, ведение журнала событий
Системы балансировки в зависимости от набора функций могут быть пассивными (рассеивают лишний заряд через резисторы), активными (перераспределяют заряд между ячейками, сохраняя общий заряд) и модульными, необходимыми для реализации каскадных уровней мониторинга.
Система управления и балансировки батарей — Репей
Как раз именно представителем модульной системы управления и балансировки является устройство Репей производства НПП «Микропроцессорные технологии» (см. рисунок 1). Предназначение Репей — повышение надёжности системы АКБ за счёт непрерывного поэлементного мониторинга, сбора и анализа данных и передачи их на верхние уровни.
Рисунок 1 — система мониторинга АКБ Репей
В этом устройстве балансировка реализована в виде встроенного в сенсор балансировочного канала, активируемого программно при превышении заданного порога. Таким образом, Репей включает в себя элементы пассивной BMS по функции, а по архитектуре — телеметрическую подсистему с обратной связью.
Защитные функции на станциях с АКБ выполняют зарядно-подзарядные устройства (как правило, со встроенной активной балансировкой), в то время как Репей способен выполнять остальные функции, работая с ЗПУ в симбиозе (см. таблицу 1).
Таблица 1 — Взаимная работа ЗПУ и Репей
| Наименование функции | ЗПУ (с активной BMS) | Репей | Итог совместной работы |
| Балансировка | Надежность системы балансировки определяется надежностью DC/DC-преобразователей | Высокая степень надежности системы балансировки (из-за более простого исполнения) | Повышение надежности системы АКБ и срока ее эксплуатации |
| Защита от коротких замыканий | Различные виды защит, в зависимости от марки устройства | Не является устройством для защиты АКБ от КЗ | Сохранение селективности защит системы АКБ |
| Поэлементная диагностика | Частичная | Контролируется каждый элемент | Предоставление точных измерений для эксплуатации |
| Предиктивная автоматика | Отсутствует | Выполняет предиктивную аналитику АКБ | Анализ «поведения» элементов в течение долгого времени |
| Интеграция в SCADA | Возможна (ЗПУ с такой функцией на порядок дороже) | Через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus-RTU | Общая визуализация, централизованный контроль |
| Сигнализация | Необходимость в применении указательных реле и/или панели оператора | Встроенная сигнализация состояния АКБ | Повышение информативности и истории отказов |
Такой комплексный подход к балансировке позволяет значительно увеличить срок службы аккумуляторов, в особенности литий-ионных (см. таблицу 2).
Таблица 2 — Приведенные данные по среднему сроку службы АКБ
| Тип АКБ | Средний срок службы, лет | Эффект от BMS, % |
| Свинцово-кислотные | 8-15 | 20-50 |
| Щелочные | до 20 | Малый эффект, не описан в научных источниках |
| Литий-ионные | 10-15 | 200 |
Поясним, что «эффект от BMS» — это не прирост к сроку службы, а гарантия того, что батарея не деградирует уже через 3–4 года при заявленном сроке службы в 10. Напротив, она может прослужить как минимум честные паспортные 10 лет, а как максимум — 15 (свинцово-кислотные) и даже 30 (литий-ионные) при оптимальных условиях.
Пример работы системы управления и балансировки АКБ Репей
Наглядно работу балансировки устройства Репей можно посмотреть в одноимённом ПО, подключившись к базовой станции. На изображениях ниже представлено рабочее окно приложения до (рисунок 2) и после (рисунок 3) балансировки.
Как видно из рисунка, АКБ, показания которых отличаются от нормы, выделены цветом. Всё это гибко настраивается при наладке — подробнее можно узнать в руководстве по эксплуатации. Далее происходит «магия» балансировки.
Таким образом, сочетание BMS и Репей создаёт двухуровневую систему управления: первая отвечает за активное вмешательство и защиту, а вторая — за глубокую диагностику, модульную балансировку и предиктивное обслуживание. Особенно это актуально для резервных систем на свинцово-кислотных АКБ, где важны стабильность, срок службы и отказоустойчивость.
Стоит отметить, что такой подход уже применяется на многих десятках станций с СОПТ. Согласно данным, полученным с объектов, алгоритм балансировки задействовался в 41 % случаев, а отклонение напряжения между аккумуляторами не превышало 0,5–0,75 %. Также на ряде станций были зафиксированы глубокие разряды, перегревы и перезаряды, что могло привести к ускоренному износу батарей, но этого удалось избежать.
Пользователи устройств Репей получают не просто непрерывный мониторинг напряжения и температуры каждой ячейки, а ряд отличных, бесспорных преимуществ:
- Больше нет необходимости в ручных измерениях — как следствие, экономия времени персонала и исключение ошибок, вызванных человеческим фактором, и всё это при более высокой точности измерений
- Прогнозирование отказов — как говорится: «Предупреждён — значит вооружён». Никаких аварийных ремонтов, только плановое обслуживание
- Увеличение срока службы батарей за счёт встроенной балансировки напряжения
- Визуализация и удалённый мониторинг благодаря наглядному ПО и поддержке протокола Modbus-RTU
А ещё Репей легко интегрировать в существующую систему АКБ без замены основного оборудования и масштабировать при необходимости.
Репей — полезность устройства
Если вы дочитали до конца, то уже точно знаете, что Репей — это инструмент снижения операционных рисков, повышения надёжности питания и продления срока службы АКБ, способный сделать эксплуатацию батарей предсказуемой, наглядной и экономически оправданной
НПП «Микропроцессорные технологии» — создаём надёжное будущее!