淺談變電站蓄直流係統電池在線監測方案

摘要：針對變電站蓄電池使用過程出現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(ti) 在線監測方案，該方案遵循主從(cong) 模塊式設計，主控模塊負責監控蓄電池組狀態、單體(ti) 電池狀態查詢和命令執行、與(yu) 上位機進行通信，使用I2C串行總線對各單體(ti) 電池測量單元進行鏈路管理。

關(guan) 鍵詞：變電站；蓄電池；在線監測方案

1蓄電池在線監測意義(yi)

變電站蓄電池組作為(wei) 保護、控製、信號及通信裝置的後備電源，其穩定性、耐用性和健康狀態極為(wei) 關(guan) 鍵，目前蓄電池組的檢測仍使用人工巡檢的方式，易發生人為(wei) 因素錯誤，因此一種快速、準確、可靠、安全的蓄電池在線監測技術尤為(wei) 重要。隨著微處理器的快速發展及網絡通信的普及，蓄電池組監測技術可通過監測模塊實時獲取蓄電池組及單體(ti) 電池的狀態，並通過網絡將信息發送至後台監控中心，對應的運維人員可及時獲取蓄電池組的狀態信息，並做出維護計劃，有助於(yu) 提高整個(ge) 後備電源係統的可靠性，降低運維成本，提高工作效率。

2蓄電池在線監測方案

2.1總體(ti) 框架

該方案主要用於(yu) 對蓄電池組和蓄電池單體(ti) 的在線監測，能完成對單體(ti) 蓄電池及蓄電池組多種狀態參數的實時監測.方案由主控模塊、節點模塊及傳(chuan) 感器組成。

主控模塊用來在線監測蓄電池組的總電壓、總電流和環境溫度，串行節點檢測模塊由I2C總線作為(wei) 分配多個(ge) 單體(ti) 蓄電池的電氣隔離總線，由於(yu) I2C總線尋址能力達到8Bit，即28=128，可*大連接128個(ge) 單體(ti) 蓄電池，由於(yu) 蓄電池組整體(ti) 電池數量≤120個(ge) ，因此，使用I2C總線作為(wei) 尋址和總線隔離是*佳方案。節點模塊在線監測各蓄電池的單體(ti) 電壓、單體(ti) 電流和單體(ti) 內(nei) 阻。傳(chuan) 感器模塊用於(yu) 采集電壓、電流和溫度，並通過主控模塊和節點模塊的AD轉換器將信息轉換成處理器可識別處理的數據。該方案還提供標準的RJ45通信接口，基於(yu) IEEE802.3協議，與(yu) 管理中心的計算機一起組成一個(ge) 遠程分布式蓄電池在線監測係統。該係統對保證用戶後備蓄電池組的安全運行起到了非常重要的作用。方案總體(ti) 框架如圖1所示。

圖1蓄電池在線監測方案總體(ti) 框架

2.2主要特點

a．采用主從(cong) 分開的網絡結構，節點模塊使用I2C串行總線進行尋址和隔離，方便了主控端的監測和管理，由於(yu) I2C總線的特性，可以*多支持128節蓄電池單體(ti) 進行測量和管理，隻需1個(ge) 模塊即可。

b．主控模塊采用RJ45/IEEE802.3通信接口與(yu) 管理中心的計算機進行通信，比傳(chuan) 統的RS232/RS485通信接口具有傳(chuan) 輸更可靠、速度更快等優(you) 勢。

c．通過I2C尋址方式，通過主控模塊任意監測某一單體(ti) 電池狀態，避免老式的串行總線每次訪問采集所有電池狀態信息，可準確定位有問題的單體(ti) ，減少更換修複成本。

d．節點模塊具備片上flash，可臨(lin) 時存儲(chu) 單體(ti) 電池狀態數據，如主控模塊需要訪問數據，可直接通過flash讀取，提高交互數據時間。

e．主控模塊與(yu) 蓄電池組之間使用2根通信線，1根傳(chuan) 輸數據信號，1根用於(yu) 時鍾同步，確保整個(ge) 係統安全性和同步性。

3模塊設計

3.1主控模塊

蓄電池在線監測方案主控模塊由NXPLPC1700CortexM3、狀態指示燈、通信接口、信號模數—數模轉換模塊和電源模塊構成，其中LPC1700是120MHzCPU，內(nei) 部處理能力強，功耗低，外設接口豐(feng) 富，內(nei) 部把傳(chuan) 感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，進入LPC1700內(nei) 部的12位AD，完成模擬數字轉換。通過內(nei) 置的MAC層和PHY層實現與(yu) 上位機數據、控製命令的交互。通過內(nei) 置的RS232接口與(yu) 調試設備連接，當係統遇到故障時，可通過此接口進行調試、定位。主控模塊與(yu) 節點模塊通過I2C接口通信，具備尋址、收發數據的功能，當節點模塊完成對單體(ti) 電池電壓、溫度和內(nei) 阻的測量後，主控模塊可對全部節點模塊進行輪詢讀取，也可對1～128個(ge) 節點模塊進行單獨提取數據，並將數據保存在主控模塊的數據緩衝(chong) 區，以備上位機查詢。使用I2C接口連接節點模塊，該通信端口與(yu) 節點模塊在電氣上隔離，確保蓄電池組的安全，並具備時間總線，可精準地對數據進行觸發采樣，使采集數據的準確性更高，主控模塊框架如圖2所示。

圖2主控模塊框架

3.2節點模塊

蓄電池在線監測方案的節點模塊包括微處理器、I2C控製器、電池單體(ti) 電壓測量電路、電池單體(ti) 內(nei) 阻測量電路和通信擴展電路。微處理器采用LPC1100CortexM0，具有50MHz的總線速度，支持30kB的片上Flash存儲(chu) 介質，可臨(lin) 時存儲(chu) 采集到的數據，保障了數據的安全性。串行外設支持高速的I2C總線，可與(yu) 主控模塊無縫銜接，並內(nei) 嵌了溫度傳(chuan) 感器，通過模數轉換單元實時監控單體(ti) 蓄電池的表麵溫度。電池單體(ti) 電壓測量電路負責測量蓄電池電壓信號，電池單體(ti) 內(nei) 阻測量電路負責測量蓄電池內(nei) 阻信號，節點模塊框架如圖3所示。

圖3節點模塊框架

3.3精準內(nei) 阻測量模塊

測量內(nei) 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種測量方法不適合密封鉛酸蓄電池的內(nei) 阻測量，其精度差，影響蓄電池壽命，交流注入法不需要對蓄電池進行放電，不會(hui) 對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量蓄電池內(nei) 阻。在使用交流注入法測量時，對蓄電池注入一個(ge) 低頻的交流電信號，低頻電流可確保蓄電池的性能，並同時測量蓄電池正負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，並通過阻抗計算公式，利用V0和Vs的比值計算出阻抗Z:

Z=V0/Is

蓄電池內(nei) 阻可通過阻抗和相位差計算R=Zcosα。需要注意的是由於(yu) 蓄電池內(nei) 阻是毫歐級，一旦在測試過程中出現元器件誤差或測試端交流電壓正弦波形不規則，內(nei) 阻值將發生很大變化，導致測量精度下降，因此，需要加入精準的誤差校正算法進行修正。通過增加等效極化電阻Rc和等效極化電容C實現蓄電池內(nei) 電阻的修正。改進後的內(nei) 阻模型如圖4所示。

圖4改進內(nei) 阻模型

在蓄電池兩(liang) 端注入低頻測試電流x1，並測得蓄電池電壓降x2。

x1=cos(ωt)+n1(t)

x2=cos(ωt+θ)+n2(t)

式中θ———注入電流與(yu) 輸出電壓的相位差;

ω———輸入測試電流的頻率;

t———時間;

n1(t)———低頻電流噪聲;

n2(t)———電壓噪聲。

由於(yu) 白噪聲信號在正弦信號周期中為(wei) 0，因此上式可以簡化為(wei) ∫T0|x1－x2|2dωt=2T-Tcosθ2T－Tcosθ=Aθ=arccos2T－AT式中A———電壓波形波動值;T———注入電流周期。由於(yu) 內(nei) 阻檢測需要一個(ge) 初始參考值作為(wei) 基準，因此，在初次測量時記錄數據作為(wei) 以後檢測結果的考察依據，判斷蓄電池健康狀態。由於(yu) 采用了噪聲抑製方法，消除了由於(yu) 元器件和交流電壓波形出現波動造成的影響，提高了內(nei) 阻檢測精度。

4安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理係統

4.1平台組成

安科瑞電氣緊跟數據中心能效、資源利用率和可用性，提高運維效率並降低運維成本。

AcrelEMS數據中心的能源管理提的監測和控製，主要分為(wei) 18luck新客户端、動環監控、能耗統計分析（能源管理）、蓄電池監控、精密配電監控、智能母線監控、智能照明、消防相關(guan) 的子係統。

4.2平台拓撲圖

4.3蓄電池監測係統

4.3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為(wei) UPS電源的補充，用於(yu) 提供更長時間的應急電源，以便在柴油發電機組無法提供電力時，為(wei) 數據中心提供電力支持。

4.3.2蓄電池組分類

數據中心的應用已經逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時，需要根據應用場景的要求和預算來選擇適合的蓄電池類型。

4.3.3蓄電池組一次接線圖

數據中心中的蓄電池通常采用一定數量的電池串聯組成電池組，並通過電線連接到UPS電源係統中。接線應遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運行和使用壽命。當主電源發生故障或停電時，UPS電源係統將自動切換到蓄電池備用電源狀態，以確保係統的持續運行。蓄電池組一次係統圖如圖所示。

圖蓄電池組一次接線圖

4.3.4蓄電池組監控需求及主要設備選型

蓄電池組在數據中心UPS電源係統中發揮著重要作用，因此需要對其進行監控，以確保其正常工作和延長使用壽命。以下是蓄電池組監控的一些常見需求：

電池組狀態監測：包括電壓、電流、溫度、容量等參數的監測，以實時了解電池組的運行狀況。

電池組剩餘(yu) 壽命預測：通過監測電池組的工作狀態和壽命指標，預測電池組的剩餘(yu) 壽命，提前進行維護和更換，避免電池組失效導致UPS電源係統失效。

自動測試和巡檢：定期對電池組進行自動測試和巡檢，以發現潛在的故障和異常情況，及時處理。

報警和預警功能：當電池組發生異常或出現故障時，通過報警和預警的方式通知運維人員及時處理，避免事故的發生。

數據分析和記錄：通過對電池組數據進行分析和記錄，可以了解電池組的曆史運行情況，為(wei) 優(you) 化管理和維護提供數據支持。

蓄電池監測主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

5產(chan) 品選型

6小結

蓄電池在線檢測方案通過主控模塊、各節點采集模塊采集實時電壓、充放電電流、內(nei) 阻、溫度、電池容量，並將結果自動提交到上位機及數據中心，實現變電站蓄電池狀態在線監控。

安科瑞侯文莉