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淺談變電站蓄直流系統(tǒng)電池在線監(jiān)測方案

更新時間:2023-10-27點擊次數(shù):506次
淺談變電站蓄直流系統(tǒng)電池在線監(jiān)測方案

任運業(yè)

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(xiàn)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(jiān)測方案,該方案遵循主從模塊式設(shè)計,主控模塊負責監(jiān)控蓄電池組狀態(tài)、單體電池狀態(tài)查詢和命令執(zhí)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(guān)鍵詞:變電站;蓄電池;在線監(jiān)測方案

1蓄電池在線監(jiān)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(wěn)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、安全的蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)尤為重要。隨著微處理器的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)通信的普及,蓄電池組監(jiān)測技術(shù)可通過監(jiān)測模塊實時獲取蓄電池組及單體電池的狀態(tài),并通過網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至后臺監(jiān)控中心,對應的運維人員可及時獲取蓄電池組的狀態(tài)信息,并做出維護計劃,有助于提高整個后備電源系統(tǒng)的可靠性,降低運維成本,提高工作效率。

2蓄電池在線監(jiān)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(jiān)測,能完成對單體蓄電池及蓄電池組多種狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測.方案由主控模塊、節(jié)點模塊及傳感器組成。

主控模塊用來在線監(jiān)測蓄電池組的總電壓、總電流和環(huán)境溫度,串行節(jié)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(shù)量≤120個,因此,使用I2C總線作為尋址和總線隔離是*佳方案。節(jié)點模塊在線監(jiān)測各蓄電池的單體電壓、單體電流和單體內(nèi)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(jié)點模塊的AD轉(zhuǎn)換器將信息轉(zhuǎn)換成處理器可識別處理的數(shù)據(jù)。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遠程分布式蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(jiān)測方案總體框架

2.2主要特點

a.采用主從分開的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),節(jié)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(jiān)測和管理,由于I2C總線的特性,可以*多支持128節(jié)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(tǒng)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I2C尋址方式,通過主控模塊任意監(jiān)測某一單體電池狀態(tài),避免老式的串行總線每次訪問采集所有電池狀態(tài)信息,可準確定位有問題的單體,減少更換修復成本。

d.節(jié)點模塊具備片上flash,可臨時存儲單體電池狀態(tài)數(shù)據(jù),如主控模塊需要訪問數(shù)據(jù),可直接通過flash讀取,提高交互數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號,1根用于時鐘同步,確保整個系統(tǒng)安全性和同步性。

3模塊設(shè)計

3.1主控模塊

蓄電池在線監(jiān)測方案主控模塊由NXPLPC1700CortexM3、狀態(tài)指示燈、通信接口、信號模數(shù)—數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊構(gòu)成,其中LPC1700是120MHzCPU,內(nèi)部處理能力強,功耗低,外設(shè)接口豐富,內(nèi)部把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,進入LPC1700內(nèi)部的12位AD,完成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過內(nèi)置的MAC層和PHY層實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)、控制命令的交互。通過內(nèi)置的RS232接口與調(diào)試設(shè)備連接,當系統(tǒng)遇到故障時,可通過此接口進行調(diào)試、定位。主控模塊與節(jié)點模塊通過I2C接口通信,具備尋址、收發(fā)數(shù)據(jù)的功能,當節(jié)點模塊完成對單體電池電壓、溫度和內(nèi)阻的測量后,主控模塊可對全部節(jié)點模塊進行輪詢讀取,也可對1~128個節(jié)點模塊進行單獨提取數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存在主控模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),以備上位機查詢。使用I2C接口連接節(jié)點模塊,該通信端口與節(jié)點模塊在電氣上完quan隔離,確保蓄電池組的安全,并具備時間總線,可精準地對數(shù)據(jù)進行觸發(fā)采樣,使采集數(shù)據(jù)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(jié)點模塊

蓄電池在線監(jiān)測方案的節(jié)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(nèi)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(zhì),可臨時存儲采集到的數(shù)據(jù),保障了數(shù)據(jù)的安全性。串行外設(shè)支持高速的I2C總線,可與主控模塊無縫銜接,并內(nèi)嵌了溫度傳感器,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元實時監(jiān)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(nèi)阻測量電路負責測量蓄電池內(nèi)阻信號,節(jié)點模塊框架如圖3所示。

圖3節(jié)點模塊框架

3.3精準內(nèi)阻測量模塊

測量內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)阻是毫歐級,一旦在測試過程中出現(xiàn)元器件誤差或測試端交流電壓正弦波形不規(guī)則,內(nèi)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行修正。通過增加等效極化電阻Rc和等效極化電容C實現(xiàn)蓄電池內(nèi)電阻的修正。改進后的內(nèi)阻模型如圖4所示。

圖4改進內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)作為以后檢測結(jié)果的考察依據(jù),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(xiàn)波動造成的影響,提高了內(nèi)阻檢測精度。

4安科瑞AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)

4.1平臺組成

安科瑞電氣緊跟數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的能源管理提供quan方位的監(jiān)測和控制,主要分為電力監(jiān)控、動環(huán)監(jiān)控、能耗統(tǒng)計分析(能源管理)、蓄電池監(jiān)控、精密配電監(jiān)控、智能母線監(jiān)控、智能照明、消防相關(guān)的子系統(tǒng)。

4.2平臺拓撲圖

4.3蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

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(fā)電機組無法提供電力時,為數(shù)據(jù)中心提供電力支持。

4.3.2蓄電池組分類

數(shù)據(jù)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,需要根據(jù)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(shù)據(jù)中心中的蓄電池通常采用一定數(shù)量的電池串聯(lián)組成電池組,并通過電線連接到UPS電源系統(tǒng)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(fā)生故障或停電時,UPS電源系統(tǒng)將自動切換到蓄電池備用電源狀態(tài),以確保系統(tǒng)的持續(xù)運行。蓄電池組一次系統(tǒng)圖如圖所示。

3.3.2蓄電池組一次接線圖 - 8.3改_00(1)

圖蓄電池組一次接線圖

4.3.4蓄電池組監(jiān)控需求及主要設(shè)備選型

蓄電池組在數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,因此需要對其進行監(jiān)控,以確保其正常工作和延長使用壽命。以下是蓄電池組監(jiān)控的一些常見需求:

電池組狀態(tài)監(jiān)測:包括電壓、電流、溫度、容量等參數(shù)的監(jiān)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(jiān)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,提前進行維護和更換,避免電池組失效導致UPS電源系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(fā)生異?;虺霈F(xiàn)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(fā)生。

數(shù)據(jù)分析和記錄:通過對電池組數(shù)據(jù)進行分析和記錄,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(shù)據(jù)支持。

蓄電池監(jiān)測主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

5產(chǎn)品選型

名稱

圖片

型號

功能

數(shù)據(jù)采集器

untitled.204

ABAT100-HS

可管理六組電池,總數(shù)360節(jié),帶顯示與按鍵。

單體電池監(jiān)測模塊

3

ABAT100-S-12

監(jiān)測一節(jié)12V電池,監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻與負極溫度。

單體電池監(jiān)測模塊

3

ABAT100-S-06

監(jiān)測一節(jié)6V電池,監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻與負極溫度。

單體電池監(jiān)測模塊

3

ABAT100-S-02

監(jiān)測一節(jié)2V電池,監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻與負極溫度。

單組電池監(jiān)測模塊

5

ABAT100-C

監(jiān)測一個充放電電流與一個環(huán)境溫度。

觸摸顯示屏

ATP007KT

7英寸觸控屏,本地顯控拓展。

6小結(jié)

蓄電池在線檢測方案通過主控模塊、各節(jié)點采集模塊采集實時電壓、充放電電流、內(nèi)阻、溫度、電池容量,并將結(jié)果自動提交到上位機及數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)變電站蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)控。

參考文獻

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[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊2022.5版

[7]包蕊.變電站蓄電池在線監(jiān)測方案

作者簡介:任運業(yè),男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計與應用。


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