毛君龍，陳文鋼

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

柱上開關(guān)設(shè)備 FTU（饋線終端裝置）是電力系統(tǒng)監(jiān)控中的智能化裝置，可與配電自動(dòng)化主站通信[1]，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器、重合閘、環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備的監(jiān)視和控制[2]。配電終端設(shè)備在配電網(wǎng)自動(dòng)化中發(fā)揮著舉足輕重的地位，正常運(yùn)行時(shí)配電終端設(shè)備是由 TV 供電，通常采集 3 個(gè)相電流或 2 個(gè)相電流和 1 個(gè)零序電流。電壓信號(hào)的采集也是根據(jù) TV 配備情況處理。大部分情況下，在開關(guān)兩側(cè)不同的相間（AB相間、BC 相間）各裝一個(gè) TV，在給終端設(shè)備供電的同時(shí)提供兩個(gè)線電壓測(cè)量信號(hào)。

閥控式鉛酸蓄電池通常作為配電終端設(shè)備的后備電源使用，是配電終端設(shè)備不可或缺的一部分。閥控式鉛酸蓄電池因其容量大、免維護(hù)、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)在后備供電電源系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位[3]。因此，為保證配電終端設(shè)備的后備供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的可用性檢測(cè)就顯得尤為重要。

柱上開關(guān)后備電池可用性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由下位機(jī)蓄電池在線監(jiān)測(cè)模塊，通信模塊和上位機(jī)電池?cái)?shù)據(jù)分析平臺(tái)組成。下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊主要完成閥控式鉛酸蓄電池等數(shù)據(jù)參量的采集。通信模塊主要負(fù)責(zé)電池參數(shù)檢測(cè)單元和上位機(jī)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。上位機(jī)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)主要完成數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)和查詢。

1 閥控式鉛酸蓄電池的工作原理

1.1 閥控式鉛酸蓄電池組工作原理

閥控式鉛酸蓄電池因具有不漏液、無污染、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而作為備用電源，廣泛應(yīng)用于饋線自動(dòng)化設(shè)備中。鉛酸蓄電池的正負(fù)極分別采用二氧化鉛（PbO2）和鉛（Pb）作為其正、負(fù)電極的工作反應(yīng)物質(zhì)，稀硫酸（H2SO4）為電解液[5]。蓄電池工作化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

值得注意的是，閥控式鉛酸蓄電池在反向充電過程中伴隨著水的分解。蓄電池的正、負(fù)極分別會(huì)析出氧氣（O2）和氫氣（H2）：

若析出的氫氣和氧氣不能進(jìn)行重復(fù)化合利用，那么蓄電池將因失水而導(dǎo)致其性能降低，直至失效。對(duì)此閥控式鉛酸蓄電池在其物理結(jié)構(gòu)和材料方面做出了重大改善，使蓄電池正極板在工作過程中產(chǎn)生的氧氣通過隔板空隙傳至蓄電池的負(fù)極板表面，并再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新生成水。在此過程中蓄電池的負(fù)極板應(yīng)處于放電狀態(tài)，這樣可達(dá)到抑制氫氣產(chǎn)生的目的。這就是閥控式鉛酸蓄電池所特有的內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)，其反應(yīng)過程如圖1 所示。

圖1 閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)過程圖

1.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素

在蓄電池實(shí)際運(yùn)行過程中，閥控式鉛酸蓄電池常受到多種因素的影響而使其實(shí)際壽命與理論壽命之間存在較大差異。影響蓄電池可用性壽命的主要因素包括：（1）浮充電壓。在正常狀態(tài)下，閥控式鉛酸蓄電池處于浮充狀態(tài)。浮充電壓的大小對(duì)蓄電池的可用性會(huì)產(chǎn)生較大的影響。若浮充電壓過大，會(huì)在蓄電池內(nèi)部發(fā)生水解反應(yīng)，嚴(yán)重影響了蓄電池的可用壽命。（2）環(huán)境溫度。當(dāng)蓄電池長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境時(shí)，電池內(nèi)部的熱量難以向外界環(huán)境中發(fā)散，容易形成惡性循環(huán)，逐步發(fā)展為熱失控，會(huì)造成電池電解液干涸，直至蓄電池失效。（3）電池內(nèi)阻。通常來說，剛出廠的蓄電池的內(nèi)阻值很小，但隨著蓄電池的服役與使用年限的增加，其內(nèi)阻值會(huì)明顯增大。（4）放電電流。在放電時(shí)，蓄電池的放電電流越大，相應(yīng)的蓄電池的剩余容量降低得就越快。并且放電電流的大小會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，而剩余容量則會(huì)隨著放電電流的增大而減小。

2 蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的數(shù)據(jù)采集、通信等功能，主要分為主控單元和從屬單元。其中，主控單元側(cè)重于通信傳輸部分，從屬單元側(cè)重于數(shù)據(jù)監(jiān)控部分。

2.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元是整個(gè)管理系統(tǒng)中負(fù)責(zé)高速計(jì)算和通信傳輸?shù)臉屑~單元。一方面，獲取底層從屬單元的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；另一方面，與頂層應(yīng)用程序建立連接，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)可供分析預(yù)警，排除故障后，有針對(duì)性地向從屬單元發(fā)出是否需要均衡的指令，以完成系統(tǒng)蓄電池管理的目的。其設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 主控單元設(shè)計(jì)流程圖

2.1.1 主控芯片

配電終端備用電池可用性檢測(cè)系統(tǒng)所采用的主控芯片是由意法半導(dǎo)體集團(tuán)所設(shè)計(jì)的 STM32F103系列單片機(jī)。該單片機(jī)具有 ARMCortex-M3 內(nèi)核，在滿足 MCU 需求的同時(shí)，減低系統(tǒng)管腳并降低能耗需求，被廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能家居、智能儀表、移動(dòng)終端等領(lǐng)域。該單片機(jī)集成 144 引腳，521KFLASH，64KSRAM，容量大，并集成了 UART、PWM、I2C、SPI、16 位 A/D 轉(zhuǎn)換等功能，集成度高，免去諸多外部電路設(shè)計(jì)問題，簡(jiǎn)化了下位機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.1.2 電源電路設(shè)計(jì)

主控電路電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。若通過 LM2940 穩(wěn)壓芯片，可將電源電壓穩(wěn)壓至 5 V，可分別為單片機(jī)和 GPRS 模塊供電，同時(shí)在電源輸入端與電源輸出端串聯(lián) 1 μ F 或 0.1 μ F 的電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源進(jìn)線段的濾波，從而減少電源雜波干擾。通過 LM1113 穩(wěn)壓芯片，將電源由 5 V 穩(wěn)壓至 3.3 V，為 A/D 轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)電壓，并供給至其他外設(shè)模塊，如 EPROM 模塊等。同樣該 3.3 V 電源輸入端與電源輸出端串聯(lián) 1 μF 或 0.1 μF 電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源進(jìn)線段的濾波處理。考慮后期電路拓展，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 LM2941S 電源芯片，為 2～20 V 可調(diào)電源模塊。最后，將 5 V_GND、3.3 V_GND 通過 0 Ω電阻與 GND 進(jìn)行共地處理。

圖3 主控電路電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

2.2 GPRS 通信單元

蓄電池可用性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由下位機(jī)蓄電池在線監(jiān)測(cè)模塊、GPRS 通信模塊和上位機(jī)后臺(tái)監(jiān)測(cè)模塊組成。下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊主要完成蓄電池各個(gè)參量數(shù)據(jù)的采集。GPRS 通信模塊主要完成下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 SIM7000 集成射頻天線。該芯片具有 NB-loT、eMTC、EDGE、GPRS 和 GNSS功能。如圖4 所示，管腳 TXD 與 RXD 負(fù)責(zé)與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DTR 和 PWR 控制發(fā)送與消除請(qǐng)求。本檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)集成 SIM 卡模塊：3.3_SIM 接口為模塊提供 3.3 V 電源；SIM1_DATA 為模塊提供信號(hào)接收；SIM1_RST 提供復(fù)位功能；SIM1_CLK提供時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 GPRS 通訊模塊原理圖

2.3 從屬單元設(shè)計(jì)

從屬監(jiān)控單元主要功能是對(duì)蓄電池進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，然后將數(shù)據(jù)收集到主控單元上進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算處理。其設(shè)計(jì)主要包括電壓采集，溫度和內(nèi)阻等參數(shù)采集設(shè)計(jì)。從屬監(jiān)控單元監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制中心，并且使用自制硬件電路，利用溫度監(jiān)測(cè)模塊與蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的溫度和內(nèi)阻等電池參數(shù)。作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)采集各監(jiān)測(cè)信號(hào)，并對(duì)采集到的電池參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理與存儲(chǔ)顯示。對(duì)于較為嚴(yán)重故障信息，檢測(cè)模塊還需要一定的報(bào)警功能。從屬單元電路設(shè)計(jì)如圖5 和圖6 所示。

圖5 恒流源切換電路原理圖

圖6 放大濾波電路原理圖

3 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)起到與主控單元通信的作用，主要包括數(shù)據(jù)顯示和配置預(yù)警兩大主要功能。上位機(jī)需要配置相關(guān)參數(shù)的合理閾值，并且上傳數(shù)據(jù)與之作比較。若上傳的數(shù)據(jù)超出閾值，則系統(tǒng)上位機(jī)做出報(bào)警處理，若數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)，則正常顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

3.1 通訊協(xié)議

通信協(xié)議是通信雙方對(duì)數(shù)據(jù)傳送的約定，即在此協(xié)議下，雙方對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)和解析。本設(shè)計(jì)根據(jù) GPRS 的特性和 BMS 功能需求制定了較為合理的通信協(xié)議。表1～3為BMS的部分通信協(xié)議。BMSV_1～ BMSV_60：0x18FF1010～0x18FF101F。要求所有單體電池的電壓信息在2 000 ms 內(nèi)全部發(fā)送出來。如果單體的數(shù)量超過 60串，則 ID 順延；如果低于 60 串，則多余的報(bào)文不發(fā)送。

表1 電池管理系統(tǒng)電壓報(bào)文（部分）

表2 電池管理系統(tǒng)溫度報(bào)文（部分）

表3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)阻報(bào)文（部分）

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)通常包括一個(gè)常規(guī)界面，主要含三大部分：主控單元信息展示、從屬單元設(shè)備連接狀態(tài)、參數(shù)配置和單元實(shí)時(shí)監(jiān)控。軟件初始默認(rèn)進(jìn)入配置界面，即設(shè)備連接、主控單元、從屬單元配置。設(shè)備連接界面主要展示設(shè)備連接情況，一共有 10 組從屬單元，對(duì)應(yīng)切換 3 種狀態(tài)：“等待連接”為白色背景；“連接成功”為藍(lán)色背景；“連接失敗”為紅色背景提出報(bào)警。初始狀態(tài)默認(rèn)“等待連接”狀態(tài)。主控單元界面是對(duì)數(shù)據(jù)的總體展示，包括測(cè)試時(shí)間、總電壓、總電流、最大電壓、最小電壓、最大電流、最小電流、最高溫度、最低溫度、電池內(nèi)阻。電壓和溫度是指同一時(shí)間的最大/最小值。電流是指開始到當(dāng)前時(shí)段出現(xiàn)的最大/最小值。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)更新的數(shù)據(jù)，當(dāng)超出閾值時(shí)背景由白色變?yōu)榧t色，發(fā)出報(bào)警。這里的閾值和從屬單元配置的閾值匹配。另外有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鈕，可以對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)操作。從屬單元配置界面對(duì)每一個(gè)從屬單元的電壓、電流、溫度進(jìn)行配置。首先用CheckBox 控件選擇需要配置的單元。溫度配置包括上限、下限溫度和溫差值。電流配置包括充電上限倍率、放電上限倍率和電池額定容量。電壓配置包括單體和電池組的上限電壓、下限電壓和電壓差。全部單元配置完成后，點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”按鈕，設(shè)備連接狀態(tài)自動(dòng)更新，進(jìn)入監(jiān)控模式。

閥控式鉛酸蓄電池可用性檢測(cè)系統(tǒng)包括用戶登錄界面（見圖7）、電池狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)界面（見圖8）、電池可用性判定界面以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面。用戶可以輸入賬號(hào)密碼進(jìn)入電池系統(tǒng)界面，并在用戶菜單界面對(duì)不同變電站閥控式鉛酸蓄電池的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，利用蓄電池相關(guān)參數(shù)信息對(duì)其可用性進(jìn)行探究，通過蓄電池可用性結(jié)果判定功能對(duì)當(dāng)前工作中的電池性能予以確定。同時(shí)還可查詢電池的歷史數(shù)據(jù)，在電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面顯示蓄電池的工作狀態(tài)、批次編號(hào)、電池型號(hào)以及該電池參數(shù)的極大值和極小值。

圖7 閥控式鉛酸蓄電池組可用性檢測(cè)系統(tǒng)登錄界面圖

圖8 蓄電池組端電壓監(jiān)測(cè)界面圖

在信息采集的過程中，需要保證監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的重要遙信、遙測(cè)信息均被采集到。不同廠家、不同型號(hào)的設(shè)備的各類信號(hào)，采集原則應(yīng)保持一致，且信號(hào)名稱應(yīng)統(tǒng)一規(guī)范。同時(shí)，按照采集上報(bào)信息對(duì)系統(tǒng)的影響程度和重要等級(jí)，將信息分為故障信息、異常信息、越限信息、變位信息和告知信息[7]。在滿足“不遺漏重要信息”的前提下，保證優(yōu)化治理后的信息能反應(yīng)終端設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 結(jié)論

閥控式鉛酸蓄電池組可用性檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)用便捷的系統(tǒng)。其建設(shè)與運(yùn)行可以給饋線自動(dòng)化設(shè)備的后備電源—閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)和利用提供科學(xué)的理論依據(jù)，避免配電網(wǎng)直流系統(tǒng)發(fā)生電力故障而不能給相關(guān)電力設(shè)備提供后備電源，從而使整個(gè)配電網(wǎng)造成重大損失。針對(duì)運(yùn)行中蓄電池可用性的快速檢測(cè)方法，在分析配電終端后備電源閥控式鉛酸蓄電池組失效原因的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并采用配電終端備用電池可用性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集運(yùn)行中的電池參數(shù)數(shù)據(jù)，傳送到上位機(jī)分析平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了蓄電池組可用性的快速、準(zhǔn)確的判斷。