淺談變電站蓄直流系統電池在線監測方案

黃琴

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

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在線監測方案，該方案遵循主從模塊式設計，主控模塊負責監控蓄電池組狀態、單體電池狀態查詢和命令執行、與上位機進行通信，使用I2C串行總線對各單體電池測量單元進行鏈路管理。

關鍵詞：變電站；蓄電池；在線監測方案

1蓄電池在線監測意義

變電站蓄電池組作為保護、控制、信號及通信裝置的后備電源，其穩定性、耐用性和健康狀態極為關鍵，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電池的狀態，并通過網絡將信息發送至后臺監控中心，對應的運維人員可及時獲取蓄電池組的狀態信息，并做出維護計劃，有助于提高整個后備電源系統的可靠性，降低運維成本，提高工作效率。

2蓄電池在線監測方案

2.1總體框架

該方案主要用于對蓄電池組和蓄電池單體的在線監測，能完成對單體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總線作為分配多個單體蓄電池的電氣隔離總線，由于I2C總線尋址能力達到8Bit，即28=128，可*大連接128個單體蓄電池，由于蓄電池組整體電池數量≤120個，因此，使用I2C總線作為尋址和總線隔離是*佳方案。節點模塊在線監測各蓄電池的單體電壓、單體電流和單體內阻。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，基于IEEE802.3協議，與管理中心的計算機一起組成一個遠程分布式蓄電池在線監測系統。該系統對保證用戶后備蓄電池組的安全運行起到了非常重要的作用。方案總體框架如圖1所示。

圖1蓄電池在線監測方案總體框架

2.2主要特點

a．采用主從分開的網絡結構，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，由于I2C總線的特性，可以*多支持128節蓄電池單體進行測量和管理，只需1個模塊即可。

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

c．通過I2C尋址方式，通過主控模塊任意監測某一單體電池狀態，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，減少更換修復成本。

d．節點模塊具備片上flash，可臨時存儲單體電池狀態數據，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．主控模塊與蓄電池組之間使用2根通信線，1根傳輸數據信號，1根用于時鐘同步，確保整個系統安全性和同步性。

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，內部處理能力強，功耗低，外設接口豐富，內部把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，進入LPC1700內部的12位AD，完成模擬數字轉換。通過內置的MAC層和PHY層實現與上位機數據、控制命令的交互。通過內置的RS232接口與調試設備連接，當系統遇到故障時，可通過此接口進行調試、定位。主控模塊與節點模塊通過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電池電壓、溫度和內阻的測量后，主控模塊可對全部節點模塊進行輪詢讀取，也可對1～128個節點模塊進行單獨提取數據，并將數據保存在主控模塊的數據緩沖區，以備上位機查詢。使用I2C接口連接節點模塊，該通信端口與節點模塊在電氣上隔離，確保蓄電池組的安全，并具備時間總線，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控制器、電池單體電壓測量電路、電池單體內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存儲介質，可臨時存儲采集到的數據，保障了數據的安全性。串行外設支持高速的I2C總線，可與主控模塊無縫銜接，并內嵌了溫度傳感器，通過模數轉換單元實時監控單體蓄電池的表面溫度。電池單體電壓測量電路負責測量蓄電池電壓信號，電池單體內阻測量電路負責測量蓄電池內阻信號，節點模塊框架如圖3所示。

圖3節點模塊框架

3.3精準內阻測量模塊

測量內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阻。在使用交流注入法測量時，對蓄電池注入一個低頻的交流電信號，低頻電流可確保蓄電池的性能，并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，并通過阻抗計算公式，利用V0和Vs的比值計算出阻抗Z:

Z=V0/Is

蓄電池內阻可通過阻抗和相位差計算R=Zcosα。需要注意的是由于蓄電池內阻是毫歐級，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實現蓄電池內電阻的修正。改進后的內阻模型如圖4所示。

圖4改進內阻模型

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———時間;

n1(t)———低頻電流噪聲;

n2(t)———電壓噪聲。

由于白噪聲信號在正弦信號周期中為0，因此上式可以簡化為∫T0|x1－x2|2dωt=2T-Tcosθ2T－Tcosθ=Aθ=arccos2T－AT式中A———電壓波形波動值;T———注入電流周期。由于內阻檢測需要一個初始參考值作為基準，因此，在初次測量時記錄數據作為以后檢測結果的考察依據，判斷蓄電池健康狀態。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波動造成的影響，提高了內阻檢測精度。

4安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理系統

4.1平臺組成

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

AcrelEMS數據中心的能源管理提供監測和控制，主要分為電力監控、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、消防相關的子系統。

4.2平臺拓撲圖

4.3蓄電池監測系統

4.3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補充，用于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，并通過電線連接到UPS電源系統中。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電源系統將自動切換到蓄電池備用電源狀態，以確保系統的持續運行。

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電源系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。

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

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，可以了解電池組的歷史運行情況，為優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產品選型

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、內阻、溫度、電池容量，并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。

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作者簡介：黃琴，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用