基于智能物聯(lián)網(wǎng)柱上開關(guān)蓄電池可用性檢測系統(tǒng)

毛君龍，陳文鋼

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

柱上開關(guān)設(shè)備 FTU（饋線終端裝置）是電力系統(tǒng)監(jiān)控中的智能化裝置，可與配電自動化主站通信[1]，提供配電系統(tǒng)運行過程中所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對斷路器、重合閘、環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備的監(jiān)視和控制[2]。配電終端設(shè)備在配電網(wǎng)自動化中發(fā)揮著舉足輕重的地位，正常運行時配電終端設(shè)備是由 TV 供電，通常采集 3 個相電流或 2 個相電流和 1 個零序電流。電壓信號的采集也是根據(jù) TV 配備情況處理。大部分情況下，在開關(guān)兩側(cè)不同的相間（AB相間、BC 相間）各裝一個 TV，在給終端設(shè)備供電的同時提供兩個線電壓測量信號。

閥控式鉛酸蓄電池通常作為配電終端設(shè)備的后備電源使用，是配電終端設(shè)備不可或缺的一部分。閥控式鉛酸蓄電池因其容量大、免維護(hù)、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢在后備供電電源系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位[3]。因此，為保證配電終端設(shè)備的后備供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，對閥控式鉛酸蓄電池的可用性檢測就顯得尤為重要。

柱上開關(guān)后備電池可用性監(jiān)測系統(tǒng)主要由下位機蓄電池在線監(jiān)測模塊，通信模塊和上位機電池數(shù)據(jù)分析平臺組成。下位機監(jiān)測模塊主要完成閥控式鉛酸蓄電池等數(shù)據(jù)參量的采集。通信模塊主要負(fù)責(zé)電池參數(shù)檢測單元和上位機數(shù)據(jù)分析平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。上位機數(shù)據(jù)分析平臺主要完成數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和查詢。

1 閥控式鉛酸蓄電池的工作原理

1.1 閥控式鉛酸蓄電池組工作原理

閥控式鉛酸蓄電池因具有不漏液、無污染、免維護(hù)、經(jīng)濟性好、性價比高等優(yōu)點而作為備用電源，廣泛應(yīng)用于饋線自動化設(shè)備中。鉛酸蓄電池的正負(fù)極分別采用二氧化鉛（PbO2）和鉛（Pb）作為其正、負(fù)電極的工作反應(yīng)物質(zhì)，稀硫酸（H2SO4）為電解液[5]。蓄電池工作化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

值得注意的是，閥控式鉛酸蓄電池在反向充電過程中伴隨著水的分解。蓄電池的正、負(fù)極分別會析出氧氣（O2）和氫氣（H2）：

若析出的氫氣和氧氣不能進(jìn)行重復(fù)化合利用，那么蓄電池將因失水而導(dǎo)致其性能降低，直至失效。對此閥控式鉛酸蓄電池在其物理結(jié)構(gòu)和材料方面做出了重大改善，使蓄電池正極板在工作過程中產(chǎn)生的氧氣通過隔板空隙傳至蓄電池的負(fù)極板表面，并再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新生成水。在此過程中蓄電池的負(fù)極板應(yīng)處于放電狀態(tài)，這樣可達(dá)到抑制氫氣產(chǎn)生的目的。這就是閥控式鉛酸蓄電池所特有的內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)，其反應(yīng)過程如圖1 所示。

圖1 閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)過程圖

1.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素

在蓄電池實際運行過程中，閥控式鉛酸蓄電池常受到多種因素的影響而使其實際壽命與理論壽命之間存在較大差異。影響蓄電池可用性壽命的主要因素包括：（1）浮充電壓。在正常狀態(tài)下，閥控式鉛酸蓄電池處于浮充狀態(tài)。浮充電壓的大小對蓄電池的可用性會產(chǎn)生較大的影響。若浮充電壓過大，會在蓄電池內(nèi)部發(fā)生水解反應(yīng)，嚴(yán)重影響了蓄電池的可用壽命。（2）環(huán)境溫度。當(dāng)蓄電池長期工作在高溫環(huán)境時，電池內(nèi)部的熱量難以向外界環(huán)境中發(fā)散，容易形成惡性循環(huán)，逐步發(fā)展為熱失控，會造成電池電解液干涸，直至蓄電池失效。（3）電池內(nèi)阻。通常來說，剛出廠的蓄電池的內(nèi)阻值很小，但隨著蓄電池的服役與使用年限的增加，其內(nèi)阻值會明顯增大。（4）放電電流。在放電時，蓄電池的放電電流越大，相應(yīng)的蓄電池的剩余容量降低得就越快。并且放電電流的大小會隨著負(fù)載的變化而變化，而剩余容量則會隨著放電電流的增大而減小。

2 蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)下位機設(shè)計

下位機主要實現(xiàn)對蓄電池組的數(shù)據(jù)采集、通信等功能，主要分為主控單元和從屬單元。其中，主控單元側(cè)重于通信傳輸部分，從屬單元側(cè)重于數(shù)據(jù)監(jiān)控部分。

2.1 主控單元設(shè)計

主控單元是整個管理系統(tǒng)中負(fù)責(zé)高速計算和通信傳輸?shù)臉屑~單元。一方面，獲取底層從屬單元的各項數(shù)據(jù)；另一方面，與頂層應(yīng)用程序建立連接，實時顯示數(shù)據(jù)可供分析預(yù)警，排除故障后，有針對性地向從屬單元發(fā)出是否需要均衡的指令，以完成系統(tǒng)蓄電池管理的目的。其設(shè)計流程如圖2 所示。

圖2 主控單元設(shè)計流程圖

2.1.1 主控芯片

配電終端備用電池可用性檢測系統(tǒng)所采用的主控芯片是由意法半導(dǎo)體集團(tuán)所設(shè)計的 STM32F103系列單片機。該單片機具有 ARMCortex-M3 內(nèi)核，在滿足 MCU 需求的同時，減低系統(tǒng)管腳并降低能耗需求，被廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能家居、智能儀表、移動終端等領(lǐng)域。該單片機集成 144 引腳，521KFLASH，64KSRAM，容量大，并集成了 UART、PWM、I2C、SPI、16 位 A/D 轉(zhuǎn)換等功能，集成度高，免去諸多外部電路設(shè)計問題，簡化了下位機的設(shè)計。

2.1.2 電源電路設(shè)計

主控電路電源系統(tǒng)設(shè)計原理如圖3 所示。若通過 LM2940 穩(wěn)壓芯片，可將電源電壓穩(wěn)壓至 5 V，可分別為單片機和 GPRS 模塊供電，同時在電源輸入端與電源輸出端串聯(lián) 1 μ F 或 0.1 μ F 的電容，實現(xiàn)對電源進(jìn)線段的濾波，從而減少電源雜波干擾。通過 LM1113 穩(wěn)壓芯片，將電源由 5 V 穩(wěn)壓至 3.3 V，為 A/D 轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)電壓，并供給至其他外設(shè)模塊，如 EPROM 模塊等。同樣該 3.3 V 電源輸入端與電源輸出端串聯(lián) 1 μF 或 0.1 μF 電容，實現(xiàn)對電源進(jìn)線段的濾波處理。考慮后期電路拓展，電源系統(tǒng)設(shè)計采用 LM2941S 電源芯片，為 2～20 V 可調(diào)電源模塊。最后，將 5 V_GND、3.3 V_GND 通過 0 Ω電阻與 GND 進(jìn)行共地處理。

圖3 主控電路電源系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2.2 GPRS 通信單元

蓄電池可用性監(jiān)測系統(tǒng)主要由下位機蓄電池在線監(jiān)測模塊、GPRS 通信模塊和上位機后臺監(jiān)測模塊組成。下位機監(jiān)測模塊主要完成蓄電池各個參量數(shù)據(jù)的采集。GPRS 通信模塊主要完成下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

本系統(tǒng)設(shè)計采用 SIM7000 集成射頻天線。該芯片具有 NB-loT、eMTC、EDGE、GPRS 和 GNSS功能。如圖4 所示，管腳 TXD 與 RXD 負(fù)責(zé)與單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DTR 和 PWR 控制發(fā)送與消除請求。本檢測系統(tǒng)同時集成 SIM 卡模塊：3.3_SIM 接口為模塊提供 3.3 V 電源；SIM1_DATA 為模塊提供信號接收；SIM1_RST 提供復(fù)位功能；SIM1_CLK提供時鐘信號。

圖4 GPRS 通訊模塊原理圖

2.3 從屬單元設(shè)計

從屬監(jiān)控單元主要功能是對蓄電池進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，然后將數(shù)據(jù)收集到主控單元上進(jìn)行進(jìn)一步計算處理。其設(shè)計主要包括電壓采集，溫度和內(nèi)阻等參數(shù)采集設(shè)計。從屬監(jiān)控單元監(jiān)測系統(tǒng)以STM32 單片機為控制中心，并且使用自制硬件電路，利用溫度監(jiān)測模塊與蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測模塊實時監(jiān)測蓄電池組的溫度和內(nèi)阻等電池參數(shù)。作為檢測系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)采集各監(jiān)測信號，并對采集到的電池參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理與存儲顯示。對于較為嚴(yán)重故障信息，檢測模塊還需要一定的報警功能。從屬單元電路設(shè)計如圖5 和圖6 所示。

圖5 恒流源切換電路原理圖

圖6 放大濾波電路原理圖

3 上位機軟件程序設(shè)計

上位機起到與主控單元通信的作用，主要包括數(shù)據(jù)顯示和配置預(yù)警兩大主要功能。上位機需要配置相關(guān)參數(shù)的合理閾值，并且上傳數(shù)據(jù)與之作比較。若上傳的數(shù)據(jù)超出閾值，則系統(tǒng)上位機做出報警處理，若數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)，則正常顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

3.1 通訊協(xié)議

通信協(xié)議是通信雙方對數(shù)據(jù)傳送的約定，即在此協(xié)議下，雙方對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)和解析。本設(shè)計根據(jù) GPRS 的特性和 BMS 功能需求制定了較為合理的通信協(xié)議。表1～3為BMS的部分通信協(xié)議。BMSV_1～ BMSV_60：0x18FF1010～0x18FF101F。要求所有單體電池的電壓信息在2 000 ms 內(nèi)全部發(fā)送出來。如果單體的數(shù)量超過 60串，則 ID 順延；如果低于 60 串，則多余的報文不發(fā)送。

表1 電池管理系統(tǒng)電壓報文（部分）

表2 電池管理系統(tǒng)溫度報文（部分）

表3 電池管理系統(tǒng)內(nèi)阻報文（部分）

3.2 上位機界面設(shè)計

上位機通常包括一個常規(guī)界面，主要含三大部分：主控單元信息展示、從屬單元設(shè)備連接狀態(tài)、參數(shù)配置和單元實時監(jiān)控。軟件初始默認(rèn)進(jìn)入配置界面，即設(shè)備連接、主控單元、從屬單元配置。設(shè)備連接界面主要展示設(shè)備連接情況，一共有 10 組從屬單元，對應(yīng)切換 3 種狀態(tài)：“等待連接”為白色背景；“連接成功”為藍(lán)色背景；“連接失敗”為紅色背景提出報警。初始狀態(tài)默認(rèn)“等待連接”狀態(tài)。主控單元界面是對數(shù)據(jù)的總體展示，包括測試時間、總電壓、總電流、最大電壓、最小電壓、最大電流、最小電流、最高溫度、最低溫度、電池內(nèi)阻。電壓和溫度是指同一時間的最大/最小值。電流是指開始到當(dāng)前時段出現(xiàn)的最大/最小值。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)更新的數(shù)據(jù)，當(dāng)超出閾值時背景由白色變?yōu)榧t色，發(fā)出報警。這里的閾值和從屬單元配置的閾值匹配。另外有數(shù)據(jù)存儲按鈕，可以對監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲操作。從屬單元配置界面對每一個從屬單元的電壓、電流、溫度進(jìn)行配置。首先用CheckBox 控件選擇需要配置的單元。溫度配置包括上限、下限溫度和溫差值。電流配置包括充電上限倍率、放電上限倍率和電池額定容量。電壓配置包括單體和電池組的上限電壓、下限電壓和電壓差。全部單元配置完成后，點擊“開始監(jiān)控”按鈕，設(shè)備連接狀態(tài)自動更新，進(jìn)入監(jiān)控模式。

閥控式鉛酸蓄電池可用性檢測系統(tǒng)包括用戶登錄界面（見圖7）、電池狀態(tài)參數(shù)檢測界面（見圖8）、電池可用性判定界面以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面。用戶可以輸入賬號密碼進(jìn)入電池系統(tǒng)界面，并在用戶菜單界面對不同變電站閥控式鉛酸蓄電池的參數(shù)進(jìn)行實時查詢，利用蓄電池相關(guān)參數(shù)信息對其可用性進(jìn)行探究，通過蓄電池可用性結(jié)果判定功能對當(dāng)前工作中的電池性能予以確定。同時還可查詢電池的歷史數(shù)據(jù)，在電池狀態(tài)監(jiān)測界面顯示蓄電池的工作狀態(tài)、批次編號、電池型號以及該電池參數(shù)的極大值和極小值。

圖7 閥控式鉛酸蓄電池組可用性檢測系統(tǒng)登錄界面圖

圖8 蓄電池組端電壓監(jiān)測界面圖

在信息采集的過程中，需要保證監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)備的重要遙信、遙測信息均被采集到。不同廠家、不同型號的設(shè)備的各類信號，采集原則應(yīng)保持一致，且信號名稱應(yīng)統(tǒng)一規(guī)范。同時，按照采集上報信息對系統(tǒng)的影響程度和重要等級，將信息分為故障信息、異常信息、越限信息、變位信息和告知信息[7]。在滿足“不遺漏重要信息”的前提下，保證優(yōu)化治理后的信息能反應(yīng)終端設(shè)備的實時狀態(tài)。

4 結(jié)論

閥控式鉛酸蓄電池組可用性檢測系統(tǒng)是一個實用便捷的系統(tǒng)。其建設(shè)與運行可以給饋線自動化設(shè)備的后備電源—閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)和利用提供科學(xué)的理論依據(jù)，避免配電網(wǎng)直流系統(tǒng)發(fā)生電力故障而不能給相關(guān)電力設(shè)備提供后備電源，從而使整個配電網(wǎng)造成重大損失。針對運行中蓄電池可用性的快速檢測方法，在分析配電終端后備電源閥控式鉛酸蓄電池組失效原因的基礎(chǔ)上，設(shè)計并采用配電終端備用電池可用性監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集運行中的電池參數(shù)數(shù)據(jù)，傳送到上位機分析平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了蓄電池組可用性的快速、準(zhǔn)確的判斷。