蘇硯魁

(云南電網(wǎng)公司保山供電局，云南 保山 S 678000)

0 前言

在電力系統(tǒng)中，綜合自動(dòng)化裝置、繼電保護(hù)裝置、照明系統(tǒng)等均由直流系統(tǒng)供電。因此，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著及其重要的作用。蓄電池組在直流電源中充當(dāng)了后備電源的角色。在正常工作狀態(tài)下，充電機(jī)對(duì)蓄電池充電;當(dāng)系統(tǒng)中的交流電源失電時(shí)，蓄電池立即帶負(fù)荷運(yùn)行。為確保直流系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池性能的全面、準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)。

1 蓄電池在線監(jiān)測(cè)原理

通常，對(duì)直流系統(tǒng)蓄電池性能的在線監(jiān)測(cè)是通過對(duì)單體電池端電壓的測(cè)量及核對(duì)性放電來實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)試方法主要是在蓄電池浮充狀態(tài)下完成，無法反映出蓄電池的真實(shí)性能狀況，其主要原因是在浮充時(shí)，蓄電池性能即使比較差，所測(cè)得的端電壓也可能是合格的，但其本身的剩余容量無法滿足在交流系統(tǒng)停電時(shí)的性能需求，極易導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大［1］。

根據(jù)IEEE1188－1996 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池容量與電池內(nèi)阻有著很大的相關(guān)性。一般情況下，電池容量和內(nèi)阻成反比，要想對(duì)容量進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，就需要對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行精確的測(cè)試。一套較完善的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備蓄電池組單體電池電壓、內(nèi)阻、充放電電流以及溫度的測(cè)量功能［1－2］。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)能夠?qū)⑿铍姵亟M的測(cè)試信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息管理。

1.1 單體電池電壓測(cè)量

對(duì)于容量較大的直流操作電源系統(tǒng)，蓄電池多使用108 節(jié)，單體額定電壓為2V 的電池串聯(lián)獲取。其中，單體電池的兩端共模電壓比較高，往往會(huì)超出模擬開關(guān)共模電壓輸入范圍，為了消除這一影響，可以通過輪流切換電磁繼電器來測(cè)量單體電池電壓?？紤]到電磁繼電器壽命以及動(dòng)作時(shí)間上的弊端，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用BURRBROWN 公司的可承受高共模電壓的差分放大器INA148。圖1 為測(cè)量單體電池電壓的原理圖。

圖1 測(cè)量單體電壓的原理圖

1.2 單體電池溫度測(cè)量

內(nèi)阻的存在使得電池充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度的變化。我們?cè)趯?duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，主要安裝一個(gè)溫度傳感器于其負(fù)極柱根部，進(jìn)而找出溫度異常的電池。研究及試驗(yàn)表明，無論電池處于何種狀態(tài)，溫度最高的即是荷電量最小的電池。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的溫度傳感器為DALLAS 生產(chǎn)的DS1820，它不僅具有單線接口技術(shù)，還具備64 位光刻標(biāo)識(shí)碼，不需要外圍元件，且測(cè)溫范圍寬，測(cè)溫精度較高，其測(cè)溫范圍達(dá)到－55℃～+125℃，精度為±0.5℃。

1.3 內(nèi)阻測(cè)量

內(nèi)阻測(cè)量主要有開路電壓法、密度法、交流法、直流放電法等。其中，由于測(cè)量精度等方面的原因，密度法和開路電壓法不適合應(yīng)用于本研究，在此不作討論。直流放電法則是通過瞬時(shí)大電流對(duì)蓄電池組放電，對(duì)電池的瞬時(shí)壓降進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)歐姆定律進(jìn)行計(jì)算得到單體內(nèi)阻，已有一定的應(yīng)用。直流放電測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試速度快，且測(cè)試過程不受充電機(jī)紋波干擾，但需在蓄電池組脫機(jī)或浮充狀態(tài)下進(jìn)行，存在一定的安全隱患，且頻繁的大電流放電可能給蓄電池帶來一定損傷，因此本研究仍考慮采用傳統(tǒng)的交流測(cè)試方案。

交流測(cè)試法的原理是將向蓄電池組注入一個(gè)低頻交流信號(hào)，對(duì)蓄電池中流過的電流IS 以及兩端的低頻電壓U0 進(jìn)行測(cè)量，并獲取二者的相位差，然后根據(jù)相關(guān)公式對(duì)電池的內(nèi)阻進(jìn)行計(jì)算。在應(yīng)用該方法的過程中，無需放電，蓄電池組也無需處于脫機(jī)或浮充狀態(tài)，整體安全性較高;其次由于注入的電流的頻率比較低，幅值也比較小，不會(huì)影響直流系統(tǒng)的性能［3］。同時(shí)，這一方案的成本較低，其具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。圖2 為交流測(cè)試法的原理框圖。

圖2 交流測(cè)試法原理框圖

1.4 充放電電流測(cè)量

本功能單元屬于一個(gè)較為簡(jiǎn)單的測(cè)量環(huán)節(jié)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用霍爾電流傳感器安裝于充電回路獲取電池組充放電電流，將充放電電流轉(zhuǎn)換為－4～+4 V 直流電壓，并完成A/D 轉(zhuǎn)換。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中的重點(diǎn)

蓄電池系統(tǒng)屬于電化學(xué)系統(tǒng)，較為復(fù)雜，以下對(duì)蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中的各重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

首先是測(cè)試過程的穩(wěn)定性及測(cè)試結(jié)果的精確度。荷載、溫度以及使用時(shí)間的變化都會(huì)影響蓄電池可供釋放的剩余容量，此外，高噪聲也會(huì)對(duì)測(cè)量的精度有較大的影響，因此，如何在測(cè)量過程中確保測(cè)試過程的穩(wěn)定性，并消除交流系統(tǒng)的噪聲干擾是一個(gè)重要的研究課題。

其次是數(shù)據(jù)處理的快速性。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用何種處理芯片將決定處理速度的快慢。舉例來說，ATMEL 公司的ATmage128 具有較高的性能及較低的功耗，是一個(gè)相對(duì)理想的選擇。

第三是響應(yīng)的快速性。該方面的主要難點(diǎn)在于選擇哪種總線接口方式以及通信介質(zhì)，例如CAN 總線接口方式對(duì)很多功能進(jìn)行了集成，并廢除了站地址編碼，能夠滿足工業(yè)上的一般需求。至于通信介質(zhì)則可以使用光導(dǎo)纖維、同軸電纜或者雙絞線。

3 蓄電池在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件

在系統(tǒng)硬件方面，主要原理框圖如圖3，主要由MC68332 及外圍電路、聲光報(bào)警和報(bào)警輸出接點(diǎn)模塊、鍵盤顯示模塊、通信接口模塊、單體電池內(nèi)阻采集、電壓采集、溫度采集模塊、電池充放電電流采集模塊等構(gòu)成。其中，單體電池內(nèi)阻采集、電壓采集、溫度采集模塊在應(yīng)用過程中能夠依照具體情況對(duì)其進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，這有利于對(duì)不同電壓以和不同容量規(guī)格的蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

圖3 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件框圖

3.2 系統(tǒng)軟件

為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作需求，提升軟件的編程效率和可讀性，本系統(tǒng)選擇模塊化編程。編程過程中使用ANSI C 語言，并先于SDS65 集成環(huán)境中進(jìn)行編譯、編輯和鏈接，然后經(jīng)過BDM 這一方式進(jìn)行在線的仿真和調(diào)試，對(duì)編程效率及調(diào)試效率起到極大提升。系統(tǒng)程序包括主程序、單體電池電壓采集、內(nèi)阻采集、溫度采集程序、時(shí)鐘處理程序以及串行口通信服務(wù)程序等。主流程見圖4。

圖4 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)是確保直流系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，有利于消除直流系統(tǒng)的安全隱患，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)。本文提出的測(cè)試方案得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，同時(shí)，在測(cè)試過程中，不會(huì)對(duì)蓄電池本身造成損傷，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義，但在測(cè)試速度以及排除系統(tǒng)干擾方面不及直流瞬時(shí)放電測(cè)試法，因此，進(jìn)行對(duì)直流系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)一步深入研究，充分比較和認(rèn)識(shí)各種測(cè)試方案的特點(diǎn)與優(yōu)劣，形成更為完善和可靠的測(cè)試方案，并加強(qiáng)直流系統(tǒng)運(yùn)行性能的監(jiān)測(cè)力度和深度。

［1］高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運(yùn)行維護(hù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用.2009 (11):23－25.

［2］史相玲.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué).2009，12.

［3］熊立峰.蓄電池性能分析與測(cè)試方法比較［M］.2009:1－7.