變電站蓄電池性能遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)研制

程江洲，溫新葉，馮正華

(1.三峽大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.浙江省溫州市平陽縣供電局，浙江溫州 325401)

目前，變電站用蓄電池大都應(yīng)用的是“免維護(hù)電池”[閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)]，其實(shí)“免維護(hù)”只是無需加水、加酸、換液等維護(hù)，而對電池狀態(tài)的檢測也僅僅是測量蓄電池組的浮充電壓、電流等，無法準(zhǔn)確測量出蓄電池的真實(shí)容量，預(yù)測蓄電池的可使用時間，這就使得閥控密封鉛酸蓄電池組的運(yùn)行存在著很多安全隱患，嚴(yán)重影響到直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。此外，長期處于浮充電方式運(yùn)行的蓄電池，可能會出現(xiàn)內(nèi)部失水或干涸，因此根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對性放電試驗(yàn)，以后每隔2～3年進(jìn)行一次核對性試驗(yàn)，運(yùn)行了6年以后的閥控蓄電池，應(yīng)每年作一次核對性放電實(shí)驗(yàn)。由于缺乏有效的設(shè)備，傳統(tǒng)放電實(shí)驗(yàn)，需將蓄電池組脫離運(yùn)行，接上電阻絲或水阻放電，由于負(fù)載體積龐大，搬運(yùn)不方便，放電時產(chǎn)生的巨大熱能，導(dǎo)致電阻絲發(fā)紅，容易引起安全事故，同時，放電過程中手工測量蓄電池的端電壓也比較危險(xiǎn)，放電過程中如果事故出現(xiàn)，交流信號消失，蓄電池又不能及時供電，系統(tǒng)可能癱瘓。針對種種隱患和弊端，本系統(tǒng)采用在線監(jiān)測蓄電池狀態(tài)的方法，使蓄電池的實(shí)時狀態(tài)得到反映，準(zhǔn)確預(yù)判瀕臨故障的蓄電池，而且整個測試過程均為在線測試，不影響蓄電池和直流系統(tǒng)的正常工作，此外系統(tǒng)能夠智能操作核對性放電的整個實(shí)驗(yàn)過程，大大減輕了運(yùn)行人員的工作量，降低了危險(xiǎn)性，避免相關(guān)事故的發(fā)生[1-2]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻和容量等參數(shù)的在線監(jiān)測，同時能將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并通過局域網(wǎng)提供遠(yuǎn)方瀏覽，以期能夠在蓄電池電算化劣化早期及時發(fā)現(xiàn)落后電池，避免出現(xiàn)劣化積累、加劇，避免出現(xiàn)蓄電池過早報(bào)廢的情況發(fā)生。其系統(tǒng)總體原理框圖如圖1。系統(tǒng)主要包含基礎(chǔ)架構(gòu)、資源監(jiān)控和運(yùn)行管理三個方面。

第一是基礎(chǔ)架構(gòu)。主要完成現(xiàn)場蓄電池單體電壓、浮充電流、模擬放電電流和溫度參數(shù)的采集，同時將所有原始數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)(ARM微處理器)和現(xiàn)地監(jiān)控終端，上位機(jī)(ARM微處理器)和現(xiàn)地監(jiān)控終端分別對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存，現(xiàn)地監(jiān)控終端和上位機(jī)能夠并行使用，也能夠各自獨(dú)立運(yùn)行。

第二是資源監(jiān)控。一方面接收現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳的各種實(shí)時數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出蓄電池內(nèi)阻、容量等蓄電池性能參數(shù)，從而綜合評價(jià)蓄電池性能，另一方面通過內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將蓄電池性能數(shù)據(jù)發(fā)布至局域網(wǎng)上，供電力系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)用戶瀏覽查詢，此外通過串口將蓄電池各類參數(shù)傳至觸摸屏上，供運(yùn)行人員查詢以及設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

第三是運(yùn)行管理。這部分內(nèi)容包括遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)瀏覽終端和觸摸屏，用戶可以在本電力系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)上瀏覽蓄電池實(shí)時運(yùn)行狀況，也可以瀏覽和下載歷史數(shù)據(jù)，同時通過超級用戶權(quán)限認(rèn)證后可以修改蓄電池相關(guān)參數(shù)，包括蓄電池單體終止電壓、整組報(bào)警電壓上下限、內(nèi)阻閾值、溫度報(bào)警上下限等參數(shù)；觸摸屏安裝于集控站，主要由運(yùn)行部門人員操作，可以瀏覽蓄電池實(shí)時性能數(shù)據(jù)和修改設(shè)置參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中主要包括兩大部分，基于C8051單片機(jī)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于ARM微處理器的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，分別完成蓄電池參數(shù)的實(shí)時采集和蓄電池性能的評價(jià)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等。其硬件電路圖如圖2所示。

單片機(jī)系統(tǒng)采集蓄電池電流、蓄電池單體電壓、整組電壓和溫度信號等，同時輸出控制繼電器接通模擬負(fù)載，進(jìn)行二次電壓法測蓄電池內(nèi)阻，最后將測試的實(shí)時數(shù)據(jù)通過RS485上傳給上位機(jī)；上位機(jī)將接收到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和計(jì)算，得出蓄電池性能的評價(jià)結(jié)論，同時將處理后的數(shù)據(jù)通過觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布，供用戶查詢。下面從單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩個方面進(jìn)行介紹。

2.1 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本模塊采用芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司(Silicon Laboratories)生產(chǎn)的C8051f060單片機(jī)作為核心控制器，主要實(shí)現(xiàn)三個方面的功能：

(1)模擬信號采集。采集的模擬信號主要包括每個單體蓄電池電壓、一路蓄電池組浮充電流和一路溫度信號。對于單體電壓檢測，由于系統(tǒng)蓄電池組中共有18只蓄電池，因此在采集單體電壓時，系統(tǒng)采用了多路信號轉(zhuǎn)換通道 (采用MAX306芯片)，只需要一路A/D轉(zhuǎn)換器就能輪流檢測多路蓄電池電壓信號。

(2)數(shù)字信號控制。為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算蓄電池內(nèi)阻和容量大小，系統(tǒng)采用了二次電壓法，對蓄電池進(jìn)行瞬時模擬放電，根據(jù)放電前后電壓的變化得到內(nèi)阻和容量，因此單片機(jī)系統(tǒng)通過一個I/O端口控制直流固態(tài)繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)時瞬時放電的開關(guān)操作，從而得到相關(guān)電壓電流變化參數(shù)[1]。

(3)串口通訊。單片機(jī)系統(tǒng)將采集到的原始數(shù)據(jù)直接通過RS232和RS485分別上傳給現(xiàn)地計(jì)算機(jī)和上位機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算和存儲。

2.2 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本模塊采用三星公司生產(chǎn)的S3C2440A核心芯片，該芯片是經(jīng)典的ARM9內(nèi)核芯片，采用Linux操作系統(tǒng)，作為整個系統(tǒng)的上位機(jī)，一方面接收蓄電池原始數(shù)據(jù)，計(jì)算單體蓄電池內(nèi)阻、容量，預(yù)測剩余壽命，另一方面將蓄電池實(shí)時電壓、浮充電流、內(nèi)阻和容量發(fā)布到局域網(wǎng)和觸摸屏上，供用戶查詢?yōu)g覽，其主要功能及特點(diǎn)如下：

(1)蓄電池內(nèi)阻和容量的精確無損測量方法：采用目前國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)對蓄電池內(nèi)阻和容量進(jìn)行實(shí)時在線測量，保證提前預(yù)判故障電池的精確性，其容量的測試精度能保證在5%左右。

(2)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能：用戶不但可以在運(yùn)行現(xiàn)場操作本系統(tǒng)，而且可以通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄本系統(tǒng)，瀏覽系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，修改系統(tǒng)的各項(xiàng)控制參數(shù)，同時為了保證系統(tǒng)的安全性，增加了權(quán)限設(shè)置，只有具有權(quán)限的用戶通過輸入密碼后才可以修改系統(tǒng)參數(shù)。

(3)核對性放電實(shí)驗(yàn)監(jiān)測功能：系統(tǒng)能夠自動進(jìn)行核對性放電實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測，在此期間所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和記錄全部由本系統(tǒng)完成，降低了核對性放電時運(yùn)行人員操作的危險(xiǎn)性和工作量，同時也提高了測試的準(zhǔn)確性。

(4)系統(tǒng)自適應(yīng)功能:當(dāng)局域網(wǎng)IP地址發(fā)生變化時，不需要開發(fā)人員重新修改系統(tǒng)的軟件程序，而是直接由用戶自行在觸摸屏上或網(wǎng)頁上修改系統(tǒng)的IP地址。當(dāng)系統(tǒng)由于認(rèn)為操作出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能在很短時間內(nèi)能自動重啟，恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由三部分構(gòu)成：單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)和現(xiàn)地計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計(jì)，文中只著重介紹單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)。

3.1 單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中單片機(jī)主要完成蓄電池單體電壓、浮充電流、模擬放電電流和溫度等原始參數(shù)的采集和上傳，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用輪詢和中斷相結(jié)合的方式，一方面保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性，另一方面保證單片機(jī)的運(yùn)行效率，其軟件流程圖如圖3所示：單片機(jī)系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中作為從機(jī)，通常狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時電流、溫度和電壓的檢測，同時將實(shí)時數(shù)據(jù)保存在特定的數(shù)據(jù)暫存區(qū)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出通訊指令后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，上傳實(shí)時數(shù)據(jù)或進(jìn)行模擬放電控制等操作[3]。

3.2 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

這里的上位機(jī)是指嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(ARM微處理器)，上位機(jī)的主要任務(wù)向單片機(jī)發(fā)送控制指令完成數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并保存，同時完成和觸摸屏的通信。操作人員通過觸摸屏和網(wǎng)頁觀察電池組和每個單電池實(shí)際情況信息，同時完成系統(tǒng)設(shè)置等工作。其軟件程序流程圖如圖4。

ARM應(yīng)用程序由以下三部分構(gòu)成：

(1)和單片機(jī)通信，向單片機(jī)發(fā)出指令，接收單片機(jī)返回的實(shí)時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并存儲到內(nèi)存中供網(wǎng)頁和觸摸屏顯示，同時將放電歷史數(shù)據(jù)存儲到sd卡。

(2)和觸摸屏通信，將內(nèi)存中電池組和單電池信息送到觸摸屏上供觸摸屏顯示，讀觸摸屏上系統(tǒng)設(shè)置信息并保存到sd卡。

(3)網(wǎng)頁服務(wù)器，該程序在后臺運(yùn)行，根據(jù)網(wǎng)頁上提交的請求，自動生成相應(yīng)的網(wǎng)頁顯示電池組或單電池信息。同時也接受網(wǎng)頁上系統(tǒng)設(shè)置信息并保存到sd卡。

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

本系統(tǒng)已經(jīng)在各變電站投裝8臺，到目前為止運(yùn)行穩(wěn)定三年，同時該項(xiàng)目擁有一項(xiàng)實(shí)用新型專利和一項(xiàng)發(fā)明專利，獲得云南省科技進(jìn)步三等獎等榮譽(yù)。

在其運(yùn)行過程中，成功排除部分隱患，安裝于楚雄供電局110 kV白龍新村、金山變電站的兩套系統(tǒng)分別于2008年6月、7月及時檢測出有故障隱患的的蓄電池并發(fā)出報(bào)警信號，后經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行人員實(shí)地核查發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)檢測出的隱患蓄電池存在輕微漏液和接線柱輕微腐蝕現(xiàn)象，及時排除了隱患，其實(shí)時界面如圖5。圖中可以發(fā)現(xiàn)10號、11號蓄電池內(nèi)阻明顯高于其他蓄電池，計(jì)算出來的剩余容量也明顯小于其他蓄電池，經(jīng)過運(yùn)行人員核查發(fā)現(xiàn)兩只蓄電池有漏液現(xiàn)象，雖然蓄電池仍然可以繼續(xù)使用但其性能已經(jīng)開始變壞，故建議其盡快更換。

[1]程江洲,王斌,楊昌武.鉛酸電池瞬時放電法的研究[J].電池,2008(6):374.

[2]畢大成,周希德.電動汽車鉛酸蓄電池快速充電方法的研究[J].電源技術(shù),2000(3)：159.

[3]李立偉,鄒積巖.蓄電池內(nèi)阻測量裝置的研究[J].電源技術(shù),2003(1):42.