一拖多在線(xiàn)式節(jié)能型蓄電池組遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)

陳明剛

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554000)

0 引言

電力系統(tǒng)的通信是電網(wǎng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，承載著安全監(jiān)控、繼電保護(hù)、自動(dòng)控制、調(diào)度信息、售電信息以及行政通信等諸多信息的傳遞任務(wù)，尤其在國(guó)家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的今天，對(duì)電力系統(tǒng)通信設(shè)備的可靠性要求更高，而通信設(shè)備電源是保證自動(dòng)化信息傳輸通道暢通的基礎(chǔ)。通信設(shè)備電源主要使用市電轉(zhuǎn)48 V直流，還會(huì)用到一至多組后備蓄電池，用于突發(fā)事件的應(yīng)急處理。

對(duì)電力系統(tǒng)中通信設(shè)備的后備蓄電池組狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與管理運(yùn)維，傳統(tǒng)的方法要耗費(fèi)大量人力、物力、能耗，仍難以保證時(shí)效性?；诋?dāng)前熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既保證了數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性，還節(jié)省大量的人力、物力；利用實(shí)際負(fù)載對(duì)蓄電池組進(jìn)行全在線(xiàn)的放電核容，可以有效節(jié)省能耗，避免人力現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)；使用智能三段式充電技術(shù)給電池組充電，使電池組充電更飽，而不會(huì)損壞電池；采用RS 485通信，一組單體采集模塊采集單節(jié)電池的電壓、電阻、溫度參數(shù)，再由匯集模塊收集，匯集模塊之間串聯(lián)通信，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)蓄電池組的檢測(cè)，還包括對(duì)蓄電池組端電壓、電流采集，容量計(jì)算，并結(jié)合大數(shù)據(jù)預(yù)判蓄電池組的續(xù)航時(shí)間，使蓄電池組的管理、運(yùn)維工作變得簡(jiǎn)單安全、穩(wěn)定高效。

1 系統(tǒng)概述

一拖多在線(xiàn)式節(jié)能型蓄電池組遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)及全在線(xiàn)技術(shù)，利用實(shí)際負(fù)載對(duì)電池組分別進(jìn)行放電容量測(cè)試，充電時(shí)使用智能三段式充電技術(shù)即恒流、恒壓、涓流讓電池組充飽。再結(jié)合單節(jié)電池的電壓采集，達(dá)到對(duì)電壓落后電池進(jìn)行精準(zhǔn)定位的目的。通過(guò)在線(xiàn)均衡技術(shù)，將整組蓄電池中單節(jié)蓄電池進(jìn)行均衡維護(hù)，實(shí)現(xiàn)將所有單體蓄電池之間的電壓均衡，提高了蓄電池的可用率。以及在線(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行除硫養(yǎng)護(hù)修復(fù)工作，對(duì)已經(jīng)硫化的單體電池可以起到漸進(jìn)除硫的效果，延長(zhǎng)蓄電池使用年限。在軟件后臺(tái)方面，可以根據(jù)不用的應(yīng)用場(chǎng)景要求，進(jìn)行大數(shù)據(jù)集成，篩選有效的后備電源數(shù)據(jù)，為通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，使電源系統(tǒng)管理更加透明、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。

2 系統(tǒng)組成

一拖多在線(xiàn)式節(jié)能型蓄電池組遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)組成如圖1所示，各部分組成介紹如下。

圖1 一拖多在線(xiàn)式節(jié)能型蓄電池組遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)組成

(1) 單體采集模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)電池組中每節(jié)電池單體的信息進(jìn)行采集，包括對(duì)單體電壓、單體內(nèi)阻、單體極柱溫度、組端電壓、充放電電流等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控，并充當(dāng)充放電線(xiàn)路。

(2) 匯集模塊。該模塊把各組蓄電池單體采集模塊采集到的數(shù)據(jù)匯集上傳到主機(jī)，并且各個(gè)匯集模塊串聯(lián)連接，支持多達(dá)10組蓄電池的數(shù)據(jù)采集與匯總。

(3) BTS主機(jī)。該主機(jī)對(duì)采集到的電池信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并基于GPRS把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)服務(wù)器。根據(jù)各應(yīng)用場(chǎng)景，可以遠(yuǎn)程設(shè)置不同的組端電壓低閾值、組端電壓恢復(fù)值、標(biāo)稱(chēng)容量、放電電流、單體上限電壓、單體下限電壓等參數(shù)。后臺(tái)軟件采用瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，使用者無(wú)需安裝客戶(hù)端、終端或移動(dòng)設(shè)備直接通過(guò)Web瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)或操作。B/S架構(gòu)直接放在廣域網(wǎng)上，通過(guò)不同的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限對(duì)相關(guān)授權(quán)內(nèi)容進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

(4) 云平臺(tái)服務(wù)器、專(zhuān)有數(shù)據(jù)庫(kù)。該模塊用來(lái)存儲(chǔ)全國(guó)各地安裝的電池組監(jiān)控信息，并安裝數(shù)據(jù)智能管理軟件，在終端可隨時(shí)隨地查看信息與手動(dòng)設(shè)置。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 系統(tǒng)各模塊功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，各模塊單元的功能如下：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

(1) 單體模塊105A/105B配有編號(hào)1～24的單體；各個(gè)單體采集到的數(shù)據(jù)由匯集模塊106A/106B收集；匯集模塊106B與106A通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)制的RS 485通信方式串聯(lián)，更多蓄電池組時(shí)，其對(duì)應(yīng)的匯集模塊依次串聯(lián)在匯集模塊106B的后面；匯集模塊106A與主機(jī)內(nèi)蓄電池監(jiān)測(cè)單元107連接；蓄電池監(jiān)測(cè)單元107負(fù)責(zé)檢測(cè)各節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、極柱溫度，和各個(gè)蓄電池組的端電壓，并計(jì)算續(xù)航時(shí)間。

(2) MCU主控單元108，本電路模塊以MCU單元的系統(tǒng)程序指令為控制模式，以控制所有與其相連及相關(guān)的所有外圍電路或模塊，其工作電源電路為109。

(3) 充放電單元110內(nèi)部多路通道都集成有大功率二極管，當(dāng)被測(cè)蓄電池組進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)試工作狀態(tài)時(shí)，其大功率二極管連接于蓄電池組與通信電源設(shè)備之間，保證被測(cè)的蓄電池組始終處于安全在線(xiàn)狀態(tài)。各路通道大功率二極管的負(fù)極接BATC1+或BATC2+端，即通信系統(tǒng)電源的正極端；正極接BATD1+或BATD2+端，即該路通道的蓄電池組正極端。內(nèi)部集成等電位連接安全控制電路，在完成被測(cè)蓄電池組放電測(cè)試結(jié)束后，以及自動(dòng)完成在線(xiàn)限流充電后，進(jìn)行等電位安全連接恢復(fù)被測(cè)蓄電池組至在線(xiàn)正常工作。

3.2 系統(tǒng)充放電核容原理

系統(tǒng)充放電核容原理如圖3所示。充放電單元內(nèi)部集成蓄電池組在線(xiàn)測(cè)試切換開(kāi)關(guān)K01，K02，KM1，KM2，KMC；其 中K01，K02，KM1，KM2為常閉接觸器，KMC為常開(kāi)接觸器。默認(rèn)情況下，K01，K02，KM1，KM2閉合，KMC斷開(kāi)，各個(gè)蓄電池組104A，104B等都處于與通信系統(tǒng)103通信用電48 V等電位連接狀態(tài)。當(dāng)K01，KM1斷開(kāi)，KMC閉合的時(shí)候，蓄電池組104A進(jìn)入在線(xiàn)測(cè)試回路狀態(tài)，當(dāng)被測(cè)蓄電池組104A測(cè)試完畢，三段式限流充電結(jié)束后，K01，KM1閉合，KMC斷開(kāi)，蓄電池組104A將恢復(fù)到默認(rèn)的等電位在線(xiàn)連接狀態(tài)；當(dāng)K02，KM2斷開(kāi)，KMC閉合的時(shí)候，蓄電池組104B進(jìn)入在線(xiàn)測(cè)試回路狀態(tài)，當(dāng)被測(cè)蓄電池組104B測(cè)試完畢，三段式限流充電結(jié)束后，K02，KM2閉合，KMC斷開(kāi)，蓄電池組104B將恢復(fù)到默認(rèn)的等電位在線(xiàn)連接狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)充放電核容原理

更多的蓄電池組104N，按蓄電池組104A，104B的邏輯依次進(jìn)行在線(xiàn)回路測(cè)試、放電核容、三段式充電。

(1) 蓄電池組104A放電過(guò)程。充放電單元110對(duì)蓄電池組104A的在線(xiàn)升壓放電過(guò)程如下，在MCU主控單元108的控制下，充放電單元110內(nèi)K01，KM1斷開(kāi)，同時(shí)KMC閉合，蓄電池組104A進(jìn)入在線(xiàn)測(cè)試回路狀態(tài)。MCU主控單元108控制充放電單元110中的高頻DC/DC升壓模塊工作，高頻DC/DC升壓模塊起到隔離變壓的作用，此時(shí)充放電單元110工作在升壓模式。MCU主控單元108根據(jù)BATD1端電池放電測(cè)試電流，MCU主控單元108會(huì)的驅(qū)動(dòng)控制電路會(huì)實(shí)時(shí)控制調(diào)整高頻DC/DC升壓模塊的驅(qū)動(dòng)PWM脈寬，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池組104A達(dá)到220的升壓。當(dāng)所升的電壓小幅度超過(guò)48V通信電源的電壓時(shí)，蓄電池組104A將實(shí)現(xiàn)對(duì)用電負(fù)載通信系統(tǒng)103進(jìn)行放電。放電電流大小取決于用電負(fù)載通信系統(tǒng)103和MCU主控單元108所設(shè)定的預(yù)放電電流大小。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池組104A的端電壓持續(xù)下降，MCU主控單元108的驅(qū)動(dòng)控制電路具備硬件電流環(huán)路和電壓環(huán)路監(jiān)測(cè)能力，能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)PWM脈寬參數(shù)，使整個(gè)升壓放電安全可控，最終完成整個(gè)深度在線(xiàn)節(jié)能放電的過(guò)程。

(2) 蓄電池組104A充電過(guò)程。當(dāng)在線(xiàn)升壓放電過(guò)程結(jié)束后，蓄電池組104A的端電壓與48 V通信電源相比低很多。需要通過(guò)充放電單元110的限流充電電路對(duì)蓄電池組104A進(jìn)行充電，避免直接將虧電的蓄電池組104A直接并接到通信系統(tǒng)103的48 V通信電源，而造成的大電流沖擊。其限流充電過(guò)程如下：保持K01，KM1閉合，KMC斷開(kāi)，MCU主控單元108驅(qū)動(dòng)控制關(guān)閉高頻DC/DC升壓模塊的PWM脈沖。然后再驅(qū)動(dòng)控制啟動(dòng)高頻DC/DC穩(wěn)壓充電模塊的PWM脈沖，并實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖寬度大小，此時(shí)，充放電單元110工作在BUCK降壓電路的模式，通信系統(tǒng)103的48V電源將通過(guò)充放電單元110對(duì)蓄電池組104A進(jìn)行三段式充電。先是恒流充電，等到蓄電池組104A的端電壓接近通信系統(tǒng)103的48 V端電壓時(shí)，恒流充電電流將逐漸下降，當(dāng)下降到所設(shè)定的閥值時(shí)，MCU主控單元108驅(qū)動(dòng)控制K01，KM1閉合，然后關(guān)閉高頻DC/DC穩(wěn)壓充電模塊的PWM脈寬，最后斷開(kāi)KMC。使蓄電池組104A恢復(fù)到等電位在線(xiàn)連接狀態(tài)，這樣就完成了一個(gè)蓄電池組的節(jié)能充放電測(cè)試過(guò)程。

以上蓄電池104A的放電與充電過(guò)程完成后，MCU主控單元就開(kāi)始邏輯控制蓄電池組104B的放電與充電過(guò)程，按此依次進(jìn)行更多蓄電池組104N的放電與充電過(guò)程。整個(gè)過(guò)程都由MCU主控單元108控制，充放電單元110被控制而自動(dòng)完成實(shí)現(xiàn)。這樣就達(dá)到了無(wú)人值守自動(dòng)維護(hù)、測(cè)試蓄電池組的目的。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在全國(guó)數(shù)十省市運(yùn)用了此系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以方便地查看電池組電壓、整流器電壓、電池組電流、各節(jié)電池的電壓、各節(jié)電池的溫度在充放電核容過(guò)程中的數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)，同時(shí)以柱狀圖展示各節(jié)電池在不同時(shí)間點(diǎn)的電壓、溫度、剩余容量等信息，蓄電池組所有的歷史充放電核容數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行電子表格輸出及打印。

5 結(jié)束語(yǔ)

一拖多在線(xiàn)式節(jié)能型蓄電池組遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)初裝電池和質(zhì)保到期前輕松進(jìn)行精確容量測(cè)試，不合格電池供應(yīng)商按要求免費(fèi)更換(不合格電池為容量不達(dá)標(biāo)電池)，后期測(cè)試能準(zhǔn)確剔除性能落后電池，避免單個(gè)電池性能落后導(dǎo)致的電池組整體報(bào)廢情況，有效地延長(zhǎng)電池組使用壽命，減少購(gòu)買(mǎi)電池的費(fèi)用。該系統(tǒng)提供大數(shù)據(jù)分析，用客觀數(shù)據(jù)甄別好壞電池產(chǎn)品。電池平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)集中監(jiān)控、電池維護(hù)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，給今后的人員規(guī)劃、基礎(chǔ)建設(shè)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，便于合理化管理。