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(1.國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變電站蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)測智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐滿清1,聶壤2,趙嵐1

(1.國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

介紹了一種穩(wěn)定可靠的變電站蓄電池遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池實(shí)時(shí)、在線、智能監(jiān)測，同時(shí)提供Web Server供遠(yuǎn)程主機(jī)以及本地人機(jī)界面(觸摸屏)實(shí)時(shí)瀏覽蓄電池?cái)?shù)據(jù)，并以GSM短信服務(wù)的方式將信息發(fā)送給責(zé)任人，以便在蓄電池劣化早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并替換，保障整個(gè)變電站蓄電池組的安全運(yùn)行。

蓄電池；智能監(jiān)測系統(tǒng)；人機(jī)界面；短信服務(wù)

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的向前推進(jìn)，越來越多的變電站實(shí)現(xiàn)了無人值守，而變電站的安全運(yùn)行對于電力系統(tǒng)尤為重要，值守人員撤離后，安全監(jiān)視的需求就顯得十分強(qiáng)烈。作為擔(dān)負(fù)著控制、保護(hù)電路和自動(dòng)裝置等二次負(fù)荷電源任務(wù)的直流系統(tǒng)，其可靠性將直接影響變電站的正常運(yùn)行。此時(shí)蓄電池成為直流系統(tǒng)最后一道防線，其在變電站發(fā)生事故后，所取的作用尤為重要。

現(xiàn)今采用的VRLA(閥控式密封鉛酸 )蓄電池具有全密封、不漏酸等特點(diǎn)，而且在充放電的過程中不會(huì)像老式鉛酸蓄電池那樣會(huì)產(chǎn)生酸霧而腐蝕蓄電池，污染環(huán)境，所以廣受喜愛，在世界上廣泛使用。由于其維護(hù)是不加酸、不加水的，有的商家將其定義為“免維護(hù)”電池，而實(shí)際上由于電池的材料、生產(chǎn)工藝，活性物的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行狀態(tài)等方面的影響，電池的運(yùn)行存在著許多的安全隱患。故對變電站蓄電池組的在線監(jiān)測對保障電池的正常工作、電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，推動(dòng)電力生產(chǎn)智能化有著重要的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻、溫度以及剩余容量的實(shí)時(shí)在線檢測，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到ARM上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的現(xiàn)場顯示，并將警報(bào)信息通過GSM短信服務(wù)送到相關(guān)責(zé)任人，同時(shí)通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供遠(yuǎn)方終端瀏覽并控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ARM嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和監(jiān)測終端系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的信息通過RS485總線傳送到嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算處理并保存至特定的空間，供監(jiān)測終端系統(tǒng)(由觸摸屏、遠(yuǎn)程瀏覽終端和責(zé)任人短信終端組成)查詢并監(jiān)測。

2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以C8051F060單片機(jī)為核心，外接信號采集板卡實(shí)現(xiàn)對兩組蓄電池各18只12V(每只電池是6個(gè)2V/200Ah電池串聯(lián))的數(shù)據(jù)(包括蓄電池組工作電壓、單體電池電壓、單體電池電流、電池組溫度等)采集。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)采用二次放電法實(shí)現(xiàn)對蓄電池的內(nèi)阻測量，該方法通過兩次對蓄電池放電的電壓、電流測量，經(jīng)Ohm定律計(jì)算出電池內(nèi)阻[1]。通過先小電流后大電流可以消除測量中由于電流過大而引起的誤差問題。通過對內(nèi)阻的在線監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對電池剩余容量的預(yù)測，精確度高。其關(guān)系曲線成反比例，即在內(nèi)阻的增大的同時(shí)，剩余容量在減少。通過定量分析對比，即可得到剩余容量的值。

其硬件模塊如圖2所示。8通道模擬輸入主要講采集板采集到的電池電流、電壓、溫度等信號輸入給單片機(jī)的12位AD轉(zhuǎn)換模塊使用。片選信號線實(shí)現(xiàn)采集單個(gè)電池電壓和通過電壓信號時(shí)，利用其24個(gè)IO線來選擇MAX306芯片的通道選通信號。信號采集卡采集的信號通過C8051F060單片機(jī)進(jìn)行采樣，獲取信息后單片機(jī)通過RS485線送入ARM嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 ARM嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

本系統(tǒng)構(gòu)建了基于ARM9硬件平臺嵌入式Linux的軟件開發(fā)平臺，主要實(shí)現(xiàn)了將C8051F060傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過串口獲取，并存儲到嵌入式系統(tǒng)的CF卡中，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能供本地觸摸屏和遠(yuǎn)程瀏覽終端實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、動(dòng)態(tài)刷新和數(shù)據(jù)下載。在此同時(shí)，還提供GSM服務(wù)，在電池出現(xiàn)故障時(shí)通過自動(dòng)發(fā)送短信給責(zé)任人，以方便實(shí)時(shí)監(jiān)測和維修。

采用RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)的ARM處理器具有體積小、能耗低、成本低、性能高等特點(diǎn)，同時(shí)支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能夠兼容8位/16位器件。而Linux系統(tǒng)由于其增減功能簡單、處理速度快、設(shè)備獨(dú)立性高、可移植性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)功能豐富等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。

2.3監(jiān)測終端系統(tǒng)

監(jiān)測終端系統(tǒng)主要由觸摸屏、遠(yuǎn)程瀏覽終端和責(zé)任人短信終端組成。具體模塊如下：

(1)觸摸屏：觸摸屏采用三菱公司生產(chǎn)的GOT940觸摸屏，用來顯示內(nèi)存中存儲的信息，并將觸摸屏的設(shè)置信息保存到SD卡中。其主要功能有：蓄電池信息查詢、系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置、報(bào)警及報(bào)警查詢、管理級別設(shè)定等。

(2)遠(yuǎn)程瀏覽終端：主要用于遠(yuǎn)程調(diào)度室查詢電池系統(tǒng)的信息并持續(xù)刷新電池的狀態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。只要是能提供IE瀏覽器的任何計(jì)算機(jī)都可以作為網(wǎng)絡(luò)終端，硬件要求低，能動(dòng)態(tài)刷新并查詢蓄電池組的實(shí)時(shí)信息。

(3)責(zé)任人短信終端：用于在電池故障初期就及時(shí)通知責(zé)任人，通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)向責(zé)任人發(fā)送電池故障短信，讓負(fù)責(zé)人實(shí)時(shí)的了解電池的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括讀取信號采集模塊，ARM和單片機(jī)通信模塊，ARM和觸摸屏通信模塊，以及動(dòng)態(tài)刷新網(wǎng)頁任務(wù)和GSM發(fā)送短信服務(wù)。

3.1讀取信號采集模塊

通過對蓄電池單體電壓、放電電流、浮充電壓以及溫度等原始量的測量，系統(tǒng)采用定時(shí)方式，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次重復(fù)采樣并持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和單片機(jī)的運(yùn)行效率。其讀取信號采集模塊的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)在開始后進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)然后打開定時(shí)器，判斷是否到達(dá)指定時(shí)間，然后采用兩次放電對電池進(jìn)行內(nèi)阻測量，繼電器1為小電流放電，繼電器2為大電流放電，大電流放電電流不能過大，一般為10A左右。

3.2 ARM和單片機(jī)通信模塊

由slave程序完成ARM和單片機(jī)的通信，其主要要完成的功能有：內(nèi)存資源的初始化、巡檢命令的發(fā)出、數(shù)據(jù)的接收、接收數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)頁和觸摸屏的顯示以及數(shù)據(jù)的存儲等。

在本系統(tǒng)中，通信主要采用ARM為主，單片機(jī)為從，ARM發(fā)送命令而單片機(jī)接收并響應(yīng)命令。其都用RS232通信，中間部分采用RS485通信，接頭位置采用RS232轉(zhuǎn)RS485的專用芯片連接起來。主端發(fā)送*usual或者*disch命令分別用來控制從端分別采樣單體電池和兩次放電采樣。其流程圖如圖4所示。

圖3 讀取信號采集模塊流程圖

3.3 ARM和觸摸屏通信模塊

觸摸屏用于設(shè)置各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，還可以設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)的IP。觸摸屏初始化設(shè)置內(nèi)存資源后，在運(yùn)行時(shí)顯示數(shù)據(jù)并更新數(shù)據(jù)存入SD卡中。當(dāng)觸摸屏與ARM相連后，通信協(xié)議的設(shè)置簡易，兩者之間的通信為交互式，觸摸屏動(dòng)態(tài)顯示更新數(shù)據(jù)。其主界面如圖5所示。

3.4動(dòng)態(tài)刷新網(wǎng)頁任務(wù)

Boa服務(wù)器是運(yùn)行于Linux下，支持CGI(客戶端與服務(wù)器接口)適合于嵌入式的HTTP服務(wù)器。Boa服務(wù)器處理用戶請求并返回?cái)?shù)據(jù)給瀏覽器[2]。Web Server在傳輸信息時(shí)，在調(diào)用存儲在服務(wù)器里面的CGI(公共網(wǎng)關(guān)接口)程序后，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)訪問服務(wù)器。瀏覽器把這些信息傳送到服務(wù)器的CGI目錄下特定的cgi程序中，然后cgi程序在服務(wù)器上按照預(yù)定的方法進(jìn)行處理并通過HTML(超文本標(biāo)記語言 )所見即所得軟件做出的網(wǎng)頁顯示出來。利用ASP(動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁面)技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁面數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)刷新。

圖4 ARM和單片機(jī)的通信模塊流程圖

圖5 主界面顯示

3.5 GSM發(fā)送短信服務(wù)

GSM模塊通過串口與ARM連接，處理器通過串口發(fā)送接收AT命令和GSM模塊形成通信回路，通過PDU模式實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送。過程如下：首先實(shí)現(xiàn)GB2321編碼到Unicode編碼的轉(zhuǎn)換，然后將Unicode編碼轉(zhuǎn)換為PDU的16bit編碼并發(fā)送，最后形成標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送包發(fā)送[3]。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

該系統(tǒng)已經(jīng)在宜昌的部分變電站開始投入使用，局域網(wǎng)內(nèi)的用戶均可以方便地隨時(shí)查看變電站蓄電池的運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，為做到設(shè)備的預(yù)控、在控，保證設(shè)備的安全運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。

下面是近期測的一組數(shù)據(jù)，取兩組電池中的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖6可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，編號為10的電池的內(nèi)阻大于其他編號電池的內(nèi)阻，顯示的容量也只有75%左右，這時(shí)候發(fā)現(xiàn)其存在輕微漏液現(xiàn)象，更換編號為10的電池后，內(nèi)阻和容量顯示正常。在容量低于80%時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，并發(fā)送提示短信給責(zé)任人，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)：用ARM處理器控制單片機(jī)對蓄電池組進(jìn)行在線監(jiān)測，并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)以及提示報(bào)警功能，特別是GSM短信服務(wù)通知負(fù)責(zé)人，能使負(fù)責(zé)人在第一時(shí)間掌握蓄電池組的工作運(yùn)行狀態(tài)，保障了蓄電池組乃至整個(gè)變電站的安全運(yùn)行。

[1] 施保華，封帆.基于S3C2440的蓄電池遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009.

[2] 孫輝，陸松年.基于Linux和S3c2410嵌入式Web Server的研究與發(fā)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007.

[3] 苗雨.基于GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2008.

2013-09-29

徐滿清，國網(wǎng)宜昌供電公司檢修公司變電運(yùn)維工區(qū)；

聶壤，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院(研究生);

趙嵐,國網(wǎng)宜昌供電公司檢修公司變電運(yùn)維工區(qū)。

TheDesignoftheRomoteIntelligentMonitoringSystemofSubstationStorageBetteries

XUMan-qing1,NIERang2,ZHAOLan1

(1.Yizhang Power Supply Company,State Grid,Yichang 4430002,China;2.Electrical and New Energy College,Sanxia University,Yichang 443002,China)

This article introduces a stable and reliable remote intelligent monitoring system of substation storage batteries,which can not only provide real-time,on-line and intelligent monitor on substation storage battery,but which can also provide and even test the data in the GSM short message service way of the Web Server to the remote host as well as the local human-computer interface(touchscreen) to the principal.It can make sure the degraded storage battery be found out and changed in time,which guarantees the secure running of transformer substation storage battery.

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1004-289X(2013)06-0028-04

TM912

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