胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：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)各單體電池測量單元進(jìn)行鏈路管理。

關(guān)鍵詞：變電站；蓄電池；在線監(jiān)測方案

1、蓄電池在線監(jiān)測意義

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仍使用人工巡檢的方式，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)測技術(shù)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)測技術(shù)可通過監(jiān)測模塊實(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，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，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.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8Bit，即28=128，可*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*佳方案。節(jié)點(diǎn)模塊在線監(jiān)測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)測和管理，由于I2C總線的特性，可以*多支持128節(jié)蓄電池單體進(jìn)行測量和管理，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)測某一單體電池狀態(tài)，避免老式的串行總線每次訪問采集所有電池狀態(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。

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)測方案主控模塊由NXPLPC1700CortexM3、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120MHzCPU，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)模塊在電氣上隔離，確保蓄電池組的安全，并具備時(shí)間總線，可對(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、電池單體電壓測量電路、電池單體內(nèi)阻測量電路和通信擴(kuò)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(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。電池單體電壓測量電路負(fù)責(zé)測量蓄電池電壓信號(hào)，電池單體內(nèi)阻測量電路負(fù)責(zé)測量蓄電池內(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內(nèi)阻測量模塊

測量內(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種測量方法不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量，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量蓄電池內(nèi)阻。在使用交流注入法測量時(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:

Z=V0/Is

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)，一旦在測試過程中出現(xiàn)元器件誤差或測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)致測量精度下降，因此，需要加入誤差校正算法進(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

在蓄電池兩端注入低頻測試電流x1，并測得蓄電池電壓降x2。

x1=cos(ωt)+n1(t)

x2=cos(ωt+θ)+n2(t)

式中θ———注入電流與輸出電壓的相位差;

ω———輸入測試電流的頻率;

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，因此上式可以簡化為∫T0|x1－x2|2dωt=2T-Tcosθ2T－Tcosθ=Aθ=arccos2T－AT式中A———電壓波形波動(dòng)值;T———注入電流周期。由于內(nèi)阻檢測需要一個(gè)初始參考值作為基準(zhǔn)，因此，在初次測量時(shí)記錄數(shù)據(jù)作為以后檢測結(jié)果的考察依據(jù)，判斷蓄電池健康狀態(tài)。由于采用了噪聲控制方法，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)阻檢測精度。

4、安科瑞AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)

4.1平臺(tái)組成

安科瑞電氣緊跟數(shù)據(jù)中心能效、資源利用率和可用性，提高運(yùn)維效率并降低運(yùn)維成本。

AcrelEMS數(shù)據(jù)中心的能源管理提供監(jiān)測和控制，主要分為電力監(jiān)控、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）、蓄電池監(jiān)控、配電監(jiān)控、智能母線監(jiān)控、智能照明、消防相關(guān)的子系統(tǒng)。

4.2平臺(tái)拓?fù)鋱D

4.3蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

4.3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補(bǔ)充，用于提供更長時(shí)間的應(yīng)急電源，以便在柴油發(fā)電機(jī)組無法提供電力時(shí)，為數(shù)據(jù)中心提供電力支持。

4.3.2蓄電池組分類

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場景的要求和預(yù)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(shù)據(jù)中心中的蓄電池通常采用一定數(shù)量的電池串聯(lián)組成電池組，并通過電線連接到UPS電源系統(tǒng)中。接線應(yīng)遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運(yùn)行和使用壽命。當(dāng)主電源發(fā)生故障或停電時(shí)，UPS電源系統(tǒng)將自動(dòng)切換到蓄電池備用電源狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

4.3.4蓄電池組監(jiān)控需求及主要設(shè)備選型

蓄電池組在數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以確保其正常工作和延長使用壽命。以下是蓄電池組監(jiān)控的一些常見需求：

電池組狀態(tài)監(jiān)測：包括電壓、電流、溫度、容量等參數(shù)的監(jiān)測，以實(shí)時(shí)了解電池組的運(yùn)行狀況。

電池組剩余壽命預(yù)測：通過監(jiān)測電池組的工作狀態(tài)和壽命指標(biāo)，預(yù)測電池組的剩余壽命，提前進(jìn)行維護(hù)和更換，避免電池組失效導(dǎo)致UPS電源系統(tǒng)失效。

自動(dòng)測試和巡檢：定期對(duì)電池組進(jìn)行自動(dòng)測試和巡檢，以發(fā)現(xiàn)潛在的故障和異常情況，及時(shí)處理。

報(bào)警和預(yù)警功能：當(dāng)電池組發(fā)生異常或出現(xiàn)故障時(shí)，通過報(bào)警和預(yù)警的方式通知運(yùn)維人員及時(shí)處理，避免事故的發(fā)生。

數(shù)據(jù)分析和記錄：通過對(duì)電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運(yùn)行情況，為優(yōu)化管理和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

蓄電池監(jiān)測主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

5、產(chǎn)品選型

6、小結(jié)

蓄電池在線檢測方案通過主控模塊、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。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：魏健輝，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。