韓歡慶

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(guò)程出現的各種故障及使用壽命縮短等問(wèn)題，介紹了一種蓄電池組及蓄電池單體在線(xiàn)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(tài)、單體電池狀態(tài)查詢(xún)和命令執行、與上位機進(jìn)行通信，使用I2C串行總線(xiàn)對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(xiàn)監測方案

1蓄電池在線(xiàn)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(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)生人為因素錯誤，因此一種快速、準確、可靠、安全的蓄電池在線(xiàn)監測技術(shù)尤為重要。隨著(zhù)微處理器的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò )通信的普及，蓄電池組監測技術(shù)可通過(guò)監測模塊實(shí)時(shí)獲取蓄電池組及單體電池的狀態(tài)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將信息發(fā)送至后臺監控中心，對應的運維人員可及時(shí)獲取蓄電池組的狀態(tài)信息，并做出維護計劃，有助于提高整個(gè)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(xiàn)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(xiàn)監測，能完成對單體蓄電池及蓄電池組多種狀態(tài)參數的實(shí)時(shí)監測.方案由主控模塊、節點(diǎn)模塊及傳感器組成。

主控模塊用來(lái)在線(xiàn)監測蓄電池組的總電壓、總電流和環(huán)境溫度，串行節點(diǎn)檢測模塊由I2C總線(xiàn)作為分配多個(gè)單體蓄電池的電氣隔離總線(xiàn)，由于I2C總線(xiàn)尋址能力達到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數量≤120個(gè)，因此，使用I2C總線(xiàn)作為尋址和總線(xiàn)隔離是*佳方案。節點(diǎn)模塊在線(xiàn)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(guò)主控模塊和節點(diǎn)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(xié)議，與管理中心的計算機一起組成一個(gè)遠程分布式蓄電池在線(xiàn)監測系統。該系統對保證用戶(hù)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(xiàn)監測方案總體框架

2.2主要特點(diǎn)

a．采用主從分開(kāi)的網(wǎng)絡(luò )結構，節點(diǎn)模塊使用I2C串行總線(xiàn)進(jìn)行尋址和隔離，方便了主控端的監測和管理，由于I2C總線(xiàn)的特性，可以*多支持128節蓄電池單體進(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算機進(jìn)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(yōu)勢。

c．通過(guò)I2C尋址方式，通過(guò)主控模塊任意監測某一單體電池狀態(tài)，避免老式的串行總線(xiàn)每次訪(fǎng)問(wèn)采集所有電池狀態(tài)信息，可準確定位有問(wèn)題的單體，減少更換修復成本。

d．節點(diǎn)模塊具備片上flash，可臨時(shí)存儲單體電池狀態(tài)數據，如主控模塊需要訪(fǎng)問(wèn)數據，可直接通過(guò)flash讀取，提高交互數據時(shí)間。

e．主控模塊與蓄電池組之間使用2根通信線(xiàn)，1根傳輸數據信號，1根用于時(shí)鐘同步，確保整個(gè)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(xiàn)監測方案主控模塊由NXPLPC1700CortexM3、狀態(tài)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(jìn)入LPC1700內部的12位AD，完成模擬數字轉換。通過(guò)內置的MAC層和PHY層實(shí)現與上位機數據、控制命令的交互。通過(guò)內置的RS232接口與調試設備連接，當系統遇到故障時(shí)，可通過(guò)此接口進(jìn)行調試、定位。主控模塊與節點(diǎn)模塊通過(guò)I2C接口通信，具備尋址、收發(fā)數據的功能，當節點(diǎn)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(diǎn)模塊進(jìn)行輪詢(xún)讀取，也可對1～128個(gè)節點(diǎn)模塊進(jìn)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(xún)。使用I2C接口連接節點(diǎn)模塊，該通信端口與節點(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(xiàn)，可精準地對數據進(jìn)行觸發(fā)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(diǎn)模塊

蓄電池在線(xiàn)監測方案的節點(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(xiàn)速度，支持30kB的片上Flash存儲介質(zhì)，可臨時(shí)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(xiàn)，可與主控模塊無(wú)縫銜接，并內嵌了溫度傳感器，通過(guò)模數轉換單元實(shí)時(shí)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(diǎn)模塊框架如圖3所示。

圖3節點(diǎn)模塊框架

3.3精準內阻測量模塊

測量?jì)茸璧姆椒ò芏确?、開(kāi)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(jìn)行放電，不會(huì )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(xiàn)測量蓄電池內阻。在使用交流注入法測量時(shí)，對蓄電池注入一個(gè)低頻的交流電信號，低頻電流可確保蓄電池的性能，并同時(shí)測量蓄電池正負極之間的低頻交流電壓V0和流過(guò)的低頻交流電流Is及電流和電壓之間的相位差α，并通過(guò)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(guò)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(guò)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(fā)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(jìn)行修正。通過(guò)增加等效極化電阻Rc和等效極化電容C實(shí)現蓄電池內電阻的修正。改進(jìn)后的內阻模型如圖4所示。

圖4改進(jìn)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(shí)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(jiǎn)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。由于內阻檢測需要一個(gè)初始參考值作為基準，因此，在初次測量時(shí)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(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波動(dòng)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的監測和控制，主要分為電力監控、動(dòng)環(huán)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(xiàn)監控、智能照明、消防相關(guān)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(cháng)時(shí)間的應急電源，以便在柴油發(fā)電機組無(wú)法提供電力時(shí)，為數據中心提供電力支持。

4.3.2蓄電池組分類(lèi)

數據中心的應用已經(jīng)逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時(shí)，需要根據應用場(chǎng)景的要求和預算來(lái)選擇適合的蓄電池類(lèi)型。

4.3.3蓄電池組一次接線(xiàn)圖

數據中心中的蓄電池通常采用一定數量的電池串聯(lián)組成電池組，并通過(guò)電線(xiàn)連接到UPS電源系統中。接線(xiàn)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(fā)生故障或停電時(shí)，UPS電源系統將自動(dòng)切換到蓄電池備用電源狀態(tài)，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(fā)揮著(zhù)重要作用，因此需要對其進(jìn)行監控，以確保其正常工作和延長(cháng)使用壽命。以下是蓄電池組監控的一些常見(jiàn)需求：

電池組狀態(tài)監測：包括電壓、電流、溫度、容量等參數的監測，以實(shí)時(shí)了解電池組的運行狀況。

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

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

報警和預警功能：當電池組發(fā)生異?；虺霈F故障時(shí)，通過(guò)報警和預警的方式通知運維人員及時(shí)處理，避免事故的發(fā)生。

數據分析和記錄：通過(guò)對電池組數據進(jìn)行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運行情況，為優(yōu)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(chǎn)品選型

6小結

蓄電池在線(xiàn)檢測方案通過(guò)主控模塊、各節點(diǎn)采集模塊采集實(shí)時(shí)電壓、充放電電流、內阻、溫度、電池容量，并將結果自動(dòng)提交到上位機及數據中心，實(shí)現變電站蓄電池狀態(tài)在線(xiàn)監控。

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，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。