网络环境下的蓄电池在线监测系统

1网络环境下的蓄电池在线监测系统实践总结广东电网深圳供电局深圳市锦祥自动化设备有限公司2007.11摘要：本文总结了在深圳供电局变电站安装的蓄电池在线监测系统的实践效果，并深入分析了网络环境下蓄电池监控数据—电压、内阻、连接电阻。关健词：蓄电池监测内阻连接电阻在实践中发现浮充状态下传统的电池电压信息，不足以准确反应电池的劣化，为解决浮充状态下数据信息不足的问题，我们采用了美国alber公司的BDS-256蓄电池在线监测系统，此监测系统不仅采集蓄电池的电压、还采集蓄电池的内阻数据和关健点（长连接线）连接电阻，监测到的数据以数据库方式保存，可以通过网络下载，终端软件可以通过对电压、电阻数据趋势进行电池劣化（SOH）和剩余容量（SOC）的预测。最重要的是网络不仅改变了设备连接形式，而且可以通过设备信息的集中和融合提高了工作效益。目前，在深圳供电局中航变电站、梅林变电站、龙塘变电站、公明变电站、鹏城变电站、深圳变电站、水贝变电站、平安变电站、东湖变电站、环象变电站、凤凰变电站、上步变电站、沙河变电站、沙头角变电站、清水河变电站、大鹏变电站、五村变电站、皇岗变电站、西乡变电站、坪山变电站、简龙变电站、李朗变电站、少年宫变电站、新安变电站、向前变电站、龙岗变电站、新洲变电站、马坳变电站、经贸变电站、坑梓变电站、六约变电站、春风变电站、大芬变电站、塘尾变电站、桂庙变电站、大铲湾变电站安装了蓄电池在线监测系统，让我们获得最大的安全效益和经济效益有着很重要的意义，现场验证了网络环境下的蓄电池在线监测系统的可行性和合理性。1.现场蓄电池在线监测装置连接模式在现场安装的系统中，为了保证电源的稳定性，有两种供电模式，配置的原则是有逆变电源屏的变电站，装置的电源都是从逆变电源屏接入（如下图一）；如果变电站没有逆变电源屏，则从直流电源屏上接一组电源供电（如下图二），此时在蓄电池在线监测装置屏上要求加装一个逆变电源装置，逆变成交流电源供给装置用。对于通信的连接，该套系统除了可在本地通过RS232进行连接外，还可以通过网络方式进行远程连接，设备使用标准的MODBUS通信协议向上传送数据和接收控制命令。但是，由于我们现在的系统中各变电站现场通信方式的配置、网络端口分配等的不统一，以及涉及到不同部门，通信方案还没达成一致意见。所以网络连接模式也有两种，但只试点了十四个变电站，其中中航变电站、梅林变电站、龙塘变电站、鹏城变电站、深圳变电站、水贝变电站、东湖变电站、清水河变电站、西乡变电站、坪山变电站、新洲变电站、马坳变电站、经贸变电站采取的是直接通过光纤转接屏，再经以电话线通道建立专用的VDSL网连接到终端（如下图三），每个站点一个IP地址，数据读取由ALBER提供终端软件完成。2平安变电站是通过保信系统连接到局域网的模式，在终端通过局域网连接（如下图四）。图一：直流供电模式图二：交流供电模式3图三：通信网络连接模式一42.网络环境下的蓄电池监测应用特点及其技术研究2.1蓄电池在线监测装置的主要原理在正常浮充状态下，蓄电池在线监测进行日常的电压巡检，电阻的测量按一定周期启动（如一个月）进行一次内阻值的扫描，并且分析其变化趋势，若发现电压或内阻异常发出报警信号。在内阻测试期间，通过瞬间大电流放电并依据蓄电池内阻模型运算，准确得知蓄电池内阻。变电站网络基础的发展为我们蓄电池的在线监测和管理提供了很好的解决路径。随着网络设施的普及，使用网络来管理蓄电池是可行的，因此，蓄电池监测系统的网络化是必然的发展方向。为此我们在选择蓄电池在线监测系统时增加了以下功能：（1）内阻数据，系统采集与传送每个电池的内阻，此数值按设定的周期（一个月）更新一次；图四：通信网络连接模式二5（2）上传数据增加了内阻数据和关健点的连接内阻数据；2.2蓄电池内阻特性技术分析及要求蓄电池内部参数、传导途径和容量关系理解为：内部电路由电阻、电感和电容组成。电感影响非常小（仅有0.05～0.2H），而电容又出奇大，每100Ah蓄电池电容可达1.7F，但又无证据证明电容与电池容量的关系，故而认为阻抗（电化学电阻）同时包含了电容和电感的因素。近几年推出了对单电池进行内阻的检测技术，带来了电池监测技术的飞跃，即由被动监测电压到主动测试电池内部状态，正是由于电压巡检在蓄电池健康状态监测存在的不足，从而蓄电池在线内阻巡检被认为蓄电池在线监视的一个重要有效的方法。正因如此，国内外这两年跟随其后产生了多种测试的方法，内阻测试技术难度大，具体实现技术方法区别很大，其内阻准确度和抗干扰能力差异也很大。遗憾的是，目前国内还没有相关的标准对蓄电池内阻数据进行解释说明，只有IEEEStd1188—1996中对内阻测最和数据分析作了简单的说明，IEEEStd1188一1996指出：内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表而的活性物质的活性三方面因素的影响，内阻值与所采用的仪器和测量方法有关，内阻的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变，超过30％的变化即可认为明显，但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。测试要求的数量级：12V阀控铅酸蓄电池：1×mΩ2V300~1000Ah蓄电池：1×10-1mΩ2V1000Ah以上蓄电池：1×10-2mΩ2.3蓄电池在线监测装置符合的设计要求根据阀控铅酸电池的一般使用情况和监测管理的目的，美国alber蓄电池在线监测装置的设计符合以下几个方面的设计基本要求：1）浮充电压测量电池浮充电压的相对差异很小，要求测量电路具有高准确度，电池组串联后的高电压采样电路具有抗高共模干扰性能。2）放电模式监测监测电池在正常运行中的放电模式。3）环境温度监测蓄电池运行环境温度。4）内阻测量在线测量每个单电池的内阻值。5）模块结构系统包括控制器模块、负载模块、采集模块、逆变电源模块（交流供电模式下无此模块），便于现场安装与维护。6）网络化设计网络化和信息化是电子设备的发展趋势，系统设计具有RS232通讯接口和网络接口方案，便于远程管理和集中监控。7）可靠性要求装置长期稳定工作。8）电磁兼容在线监测装置应对用户设备不能产生任何附加干扰，保证用户设备同监测系统共同长期稳定工作。同时还要求装置具有较强的抗干扰能力，在大功率设备投切时保持稳定。2.4控制模块功能控制模块用于数据传输、管理以及与上层间的通信，对异常的电池运行情况进行及时报警。6另外本套系统快速容量测试和中等深度的容量测试功能，暂未使用，原理是在设备中增加了控制命令，可启动快速容量测试和中等深度的容量测试。值得注意的是，此功能的使用，为了保证安全，这种放电性测试需要维护人员到现场操作。2.5高精度、高时效、高抗干扰性的采集模块设计检测模块完成数据采集，并将数据传给控制模块。高精度、高时效的数据采集采用模块化设计方案，兼顾了专用化与通用化原则，配置灵活，根据采样点种类及规模的需求，各个模块可单独使用，亦可自由组合，能适应不同的监测场合。电池的串联给采样电路的设计带来困难，美国alber蓄电池在线监测装置中使用新型光耦合的耐高压电子开关解决巡检的困难，它与普通的光耦相似，但输出端为场效应管，克服了晶体管的管压降问题，这种设计原理不仅符合高耐压、高精度、高速的要求，而且在A/D和CPU之间实现了电气隔离具有抗高共模干扰功能。2.6纯阻性的大电流负载测试蓄电池内阻模式负载模块与系统的分布式结构相适应，接受采集模块的控制，用于向电池组（每36V为一段）施加一个纯阻性的负载形成放电大电流。其测试时电流为30A左右，测试原理示意图如图五。该测试原理是以在瞬间大电流放电（30A）对负载放电（28A左右）产生电压降后再断开负载时其瞬间电压恢复，同时测出电池极柱上电压和电流的瞬间变化，便可通过数学运算算法，计算出蓄电池内部真实的等效内阻。图五描述了蓄电池在接通负载后几秒钟内发生的变化。该方法的取数的时间、电流的大小都是确定的，利用高速采样速度，完全能准确采集V1、V2、I并即时计算，A／D转换器能在有效地测量直流参数的同时，将电池的交流信号忽略，因此仪器能精确地测出内阻，并通过蓄电池内阻变化的情况分析蓄电池落后情况或失效趋势，较好地解决蓄电池失效的监测，同时并辅以电压、电流等运行参数的监测，是目前比较领先的监测技术。该测试原理的设计解决了以下几个方面问题：1）解决了交流测试内阻的不稳定性、不准确性。2）独立性测试电流不受电池充放电回路的影响。3）重复性可在高噪声环境中对电池进行在线测试，得出稳定结果。4）抗干扰能力强2.7在线监测装置的运行效果图五：内阻测试原理示意图71）通过内阻的数据趋势能及时能准确的判断电池性能状态，提前找出劣状态乃至于失效的电池单晶体，以确定蓄电池运行维护的准确方案。2）通过运行维护、加上在线监测装置收到的大量数据，我们虽没有找到蓄电池内阻与蓄电池容量的绝对关系特性，但我们找到它们间的相关特性（如图五、图六），给我们对利用内阻值对蓄电池的性能判断提供了有力的证据。从图五可以发现这组新电池中7号电池单体和20单体是是不合格电池单晶体，从图六中可以看整组蓄电池都达不到运行要求（≥容量80%），尤其是16号和32号电池明显是失效电池，再继续使用随时会有危险。蓄电池电阻与放电容量关系图（新电池）05001000150020002500300035004000450050000.00%9.98%15.38%20.66%25.66%30.63%35.20%38.67%42.92%0.00%10.00%20.00%放电及充电容量内阻值（uΩ）R1R3R6R7R9R16R20R21R22R28平均值电池组电阻与放电容量关系图（现场使用四年电池）0100020003000400050006000700080000.00%5.59%10.68%17.24%21.58%28.63%33.37%35.59%0.00%5.00%10.00%20.00%36.67%43.33%放电及充电容量内阻值（uΩ）R1R5R6R16R25R29R31R323）安全生产：系统实现实时监测，根据监测到的蓄电池的运行状态数据，尤其是蓄电池的内阻，让我图六图五8们可以及时发现蓄电池存在的问题，让我们可以准确对不良的电池有针对性实行处理措施，达到将故障处理在发生之前的目的。4）提高劳动生产率：系统的实时远程监测功能，让我们可以在很短的时间、在办公室或其它工作站点，都能对各站点的运行数据进行监测、收集、分析；数据可以自动保存、自动生成报告；大大的提高了劳动生产率。5）管理水平：根据系统监测到的同一蓄电池组不同时间的数据形成的报告，可以分析蓄电池的运行状态数据的变化趋势，为对蓄电池组的运行的可靠性提供了直接的依据。3.小结本文总结了网络环境下的蓄电池在线监测系统的新特点、利用网络对蓄电池进行远程和集中监控的新手段达到的效益，也对现场使用的薄弱环节提出了改进的思想，随着网络技术的不断发展，我们相信基于网络环境下的蓄电池在线监测系统必将得到广泛应用，为了分析蓄电池的性能特点，我还有必要进行数据的收集，对蓄电池运行特性作进一步的研究。1）电池的劣化是非常复杂的化学、物理过程，失效的情形千差万别，内阻值参数与蓄电池的容量的对应关系，目前还需要收集大量的数据、进一步研究。2）在近几年对几十组电池的测试后发现，现场的电池或者劣化程度不够严重，或者已经完全失效，处于中间状态的电池非常少，不同劣化程度的电池非常难于获得全面，我需要收集大量的数据、进一步研究中间状态的特殊性。3）蓄电池的使用寿命由设计、制造和使用的多因素影响，内阻值参数与蓄电池的使用时间的对应关系目前还需要进一步研究。另外，在蓄电池在线监测系统推广的基础上，我们认为，蓄电池组还仍然有必要周期性的采用三类不同深度的放电测试，以达到维护蓄电池完全达到现场使用要求的目的：1）完全放电电池在投运之前应进行一次100%深度的放电，以确认该电池组能满足设计要求。否则，若存在产品本身的质量问题，初次测试到的内阻参数的不准确性、不合格数据的掺入，会影响到后续监测数据分析的准确性，放电前应该充满并在浮充状态保持一定