包 蕊

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

變電站蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案

包 蕊

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

針對(duì)變電站蓄電池使用過程出現(xiàn)的各種故障及使用壽命縮短等問題，介紹了一種蓄電池組及蓄電池單體在線監(jiān)測(cè)方案，該方案遵循主從模塊式設(shè)計(jì)，主控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控蓄電池組狀態(tài)、單體電池狀態(tài)查詢和命令執(zhí)行、與上位機(jī)進(jìn)行通信，使用I2C串行總線對(duì)各單體電池測(cè)量單元進(jìn)行鏈路管理。

變電站；蓄電池；在線監(jiān)測(cè)；方案

1 蓄電池在線監(jiān)測(cè)意義

變電站蓄電池組作為保護(hù)、控制、信號(hào)及通信裝置的后備電源，其穩(wěn)定性、耐用性和健康狀態(tài)極為關(guān)鍵，目前蓄電池組的檢測(cè)仍使用人工巡檢的方式，極易發(fā)生人為因素錯(cuò)誤，因此一種快速、準(zhǔn)確、可靠、安全的蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)［1］尤為重要。

隨著微處理器的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)通信的普及，蓄電池組監(jiān)測(cè)技術(shù)可通過監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取蓄電池組及單體電池的狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控中心，對(duì)應(yīng)的運(yùn)維人員可及時(shí)獲取蓄電池組的狀態(tài)信息［2］，并做出維護(hù)計(jì)劃，有助于提高整個(gè)后備電源系統(tǒng)的可靠性，降低運(yùn)維成本，提高工作效率。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案

2.1 總體框架

該方案主要用于對(duì)蓄電池組和蓄電池單體的在線監(jiān)測(cè)，能完成對(duì)單體蓄電池及蓄電池組多種狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［3］。方案由主控模塊、節(jié)點(diǎn)模塊及傳感器組成。

主控模塊用來在線監(jiān)測(cè)蓄電池組的總電壓、總電流和環(huán)境溫度，串行節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模塊由I2C總線作為分配多個(gè)單體蓄電池的電氣隔離總線，由于I2C總線尋址能力達(dá)到8 Bit，即28＝128，可最大連接128個(gè)單體蓄電池，由于蓄電池組整體電池?cái)?shù)量≤120個(gè)，因此，使用I2C總線作為尋址和總線隔離是最佳方案。節(jié)點(diǎn)模塊在線監(jiān)測(cè)各蓄電池的單體電壓、單體電流和單體內(nèi)阻。傳感器模塊用于采集電壓、電流和溫度，并通過主控模塊和節(jié)點(diǎn)模塊的AD轉(zhuǎn)換器將信息轉(zhuǎn)換成處理器可識(shí)別處理的數(shù)據(jù)。該方案還提供標(biāo)準(zhǔn)的RJ45通信接口，基于IEEE802.3協(xié)議，與管理中心的計(jì)算機(jī)一起組成一個(gè)遠(yuǎn)程分布式蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)保證用戶后備蓄電池組的安全運(yùn)行起到了非常重要的作用。方案總體框架如圖1所示。

圖1 蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案總體框架

2.2 主要特點(diǎn)

a.采用主從分開的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)模塊使用I2C串行總線進(jìn)行尋址和隔離，方便了主控端的監(jiān)測(cè)和管理，由于I2C總線的特性，可以最多支持128節(jié)蓄電池單體進(jìn)行測(cè)量和管理，只需1個(gè)模塊即可。

b.主控模塊采用RJ45／IEEE802.3通信接口與管理中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，比傳統(tǒng)的RS232／RS485通信接口具有傳輸更可靠、速度更快等優(yōu)勢(shì)。

c.通過I2C尋址方式，通過主控模塊任意監(jiān)測(cè)某一單體電池狀態(tài)，避免老式的串行總線每次訪問必須采集所有電池狀態(tài)信息，可準(zhǔn)確定位有問題的單體，減少更換修復(fù)成本。

d.節(jié)點(diǎn)模塊具備片上flash，可臨時(shí)存儲(chǔ)單體電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，如主控模塊需要訪問數(shù)據(jù)，可直接通過flash讀取，提高交互數(shù)據(jù)時(shí)間。

明天法院就要開庭了，可是醫(yī)生還不讓竹韻出院，竹韻委托了律師向法庭告假。法官曾經(jīng)征求過她的意見，此案涉及個(gè)人陰私，是否申請(qǐng)不公開審理?她想也沒想就回答說，為什么不公開審理，我那點(diǎn)所謂的“陰私”又不是見不得人!我還恨不得全中國(guó)人民都來旁聽呢。不知庭審結(jié)果會(huì)怎樣呢?竹韻突然有了強(qiáng)烈的當(dāng)眾傾訴的欲望，她覺得自己非去法庭當(dāng)眾陳述不可，要不，這場(chǎng)官司即使贏了，又有多大意義?

e.主控模塊與蓄電池組之間使用2根通信線，1根傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，1根用于時(shí)鐘同步，確保整個(gè)系統(tǒng)安全性和同步性。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案主控模塊由NXP LPC1700 Cortex M3、狀態(tài)指示燈、通信接口、信號(hào)模數(shù)—數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊構(gòu)成，其中LPC1700是120 MHz CPU，內(nèi)部處理能力強(qiáng)，功耗低，外設(shè)接口豐富，內(nèi)部把傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，進(jìn)入LPC1700內(nèi)部的12位AD，完成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過內(nèi)置的MAC層和PHY層實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)數(shù)據(jù)、控制命令的交互。通過內(nèi)置的RS232接口［4］與調(diào)試設(shè)備連接，當(dāng)系統(tǒng)遇到故障時(shí)，可通過此接口進(jìn)行調(diào)試、定位。主控模塊與節(jié)點(diǎn)模塊通過I2C接口通信，具備尋址、收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊完成對(duì)單體電池電壓、溫度和內(nèi)阻的測(cè)量后，主控模塊可對(duì)全部節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行輪詢讀取，也可對(duì)1～128個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行單獨(dú)提取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在主控模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以備上位機(jī)查詢。使用I2C接口連接節(jié)點(diǎn)模塊，該通信端口與節(jié)點(diǎn)模塊在電氣上完全隔離，確保蓄電池組的安全，并具備時(shí)間總線，可精準(zhǔn)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)采樣，使采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更高，主控模塊框架如圖2所示。

圖2 主控模塊框架

3.2 節(jié)點(diǎn)模塊

蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案的節(jié)點(diǎn)模塊包括微處理器、I2C控制器、電池單體電壓測(cè)量電路、電池單體內(nèi)阻測(cè)量電路和通信擴(kuò)展電路。微處理器采用LPC 1100 Cortex M0，具有50 MHz的總線速度，支持32 kB的片上Flash存儲(chǔ)介質(zhì)，可臨時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)的安全性。串行外設(shè)支持高速的I2C總線，可與主控模塊無縫銜接，并內(nèi)嵌了溫度傳感器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元實(shí)時(shí)監(jiān)控單體蓄電池的表面溫度［5］。電池單體電壓測(cè)量電路負(fù)責(zé)測(cè)量蓄電池電壓信號(hào)，電池單體內(nèi)阻測(cè)量電路負(fù)責(zé)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻信號(hào)，節(jié)點(diǎn)模塊框架如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)模塊框架

3.3 精準(zhǔn)內(nèi)阻測(cè)量模塊

測(cè)量?jī)?nèi)阻的方法包括密度法、開路電壓法、直流放電法和交流注入法。前3種測(cè)量方法不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測(cè)量，其精度差，影響蓄電池壽命，交流注入法不需要對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，不會(huì)對(duì)蓄電池壽命造成影響，因此，可使用交流注入法安全地在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻。在使用交流注入法測(cè)量時(shí)，對(duì)蓄電池注入一個(gè)低頻的交流電信號(hào)，低頻電流可確保蓄電池的性能，并同時(shí)測(cè)量蓄電池正負(fù)極之間的低頻交流電壓V0和流過的低頻交流電流Is及電流和電壓之間的相位差α，并通過阻抗計(jì)算公式，利用V0和Vs的比值計(jì)算出阻抗Z：

蓄電池內(nèi)阻可通過阻抗和相位差計(jì)算R＝Zcosα。需要注意的是由于蓄電池內(nèi)阻是毫歐級(jí)，一旦在測(cè)試過程中出現(xiàn)元器件誤差或測(cè)試端交流電壓正弦波形不規(guī)則，內(nèi)阻值將發(fā)生很大變化，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，因此，需要加入精準(zhǔn)的誤差校正算法進(jìn)行修正。通過增加等效極化電阻RC和等效極化電容C實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)電阻的修正。改進(jìn)后的內(nèi)阻模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)內(nèi)阻模型Rc——等效極化電阻；R0——電池電阻；C——極化電容

χ1＝cos（ωt）＋n1（t）

χ2＝cos（ωt＋θ）＋n2（t）

式中 θ——注入電流與輸出電壓的相位差；

ω——輸入測(cè)試電流的頻率；

t——時(shí)間；

n1（t）——低頻電流噪聲；

n2（t）——電壓噪聲。

由于白噪聲信號(hào)在正弦信號(hào)周期中為0，因此上式可以簡(jiǎn)化為

式中 A——電壓波形波動(dòng)值；

T——注入電流周期。

由于內(nèi)阻檢測(cè)需要一個(gè)初始參考值作為基準(zhǔn)，因此，在初次測(cè)量時(shí)記錄數(shù)據(jù)作為以后檢測(cè)結(jié)果的考察依據(jù)，判斷蓄電池健康狀態(tài)。由于采用了噪聲抑制方法，消除了由于元器件和交流電壓波形出現(xiàn)波動(dòng)造成的影響，提高了內(nèi)阻檢測(cè)精度。

4 結(jié)束語

蓄電池在線檢測(cè)方案通過主控模塊、各節(jié)點(diǎn)采集模塊采集實(shí)時(shí)電壓、充放電電流、內(nèi)阻、溫度、電池容量，并將結(jié)果自動(dòng)提交到上位機(jī)及數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)變電站蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)控。

［1］ 陳 曦，張曉東，耿宇缽.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.東北電力技術(shù)，2005，26（7）：38-41.

［2］ 馬 勇，王艷慧.電廠廠用蓄電池組的選型［J］.東北電力技術(shù)，2005，26（10）：45-47.

［3］ 王秀霞.固定型閥控式鉛酸蓄電池組充放電試驗(yàn)與運(yùn)行狀況分析［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（1）：31-33.

［4］ 張河宜，夏業(yè)波，劉 剛，等.變電站閥控鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)［J］.電源世界，2014，7（9）：51-54.

［5］ 張佳倖，陳小惠，楊焱存.網(wǎng)絡(luò)化蓄電池運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，20（2）：26-29.

Substation Battery Online?monitoring Scheme

Bao Rui
（Elenctric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

For varous faults in substation battery in use and the service life shortening，a online?monitoring scheme for storage battery and single battery is introduced.It follows the master?slave modular design，the main control module is responsible for monitoring bat?tery state，querying monomer battery state and the commanding，communicating with PC.And the I2C serial bus is used to link man?agement with each battery measurement unit.

Substation；Battery；Online?monitoring；Scheme

TM912

A

1004-7913（2015）03-0016-03

包 蕊（1981—），女，碩士，高級(jí)工程師，從事二次設(shè)備研究。

2015-01-06）