变电站蓄电池性能远程在线监测系统研制

程江洲，温新叶，冯正华

(1.三峡大学电气信息学院，湖北宜昌 443002；2.浙江省温州市平阳县供电局，浙江温州 325401)

目前，变电站用蓄电池大都应用的是“免维护电池”[阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)]，其实“免维护”只是无需加水、加酸、换液等维护，而对电池状态的检测也仅仅是测量蓄电池组的浮充电压、电流等，无法准确测量出蓄电池的真实容量，预测蓄电池的可使用时间，这就使得阀控密封铅酸蓄电池组的运行存在着很多安全隐患，严重影响到直流系统的安全运行。此外，长期处于浮充电方式运行的蓄电池，可能会出现内部失水或干涸，因此根据国家相关规定，新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2～3年进行一次核对性试验，运行了6年以后的阀控蓄电池，应每年作一次核对性放电实验。由于缺乏有效的设备，传统放电实验，需将蓄电池组脱离运行，接上电阻丝或水阻放电，由于负载体积庞大，搬运不方便，放电时产生的巨大热能，导致电阻丝发红，容易引起安全事故，同时，放电过程中手工测量蓄电池的端电压也比较危险，放电过程中如果事故出现，交流信号消失，蓄电池又不能及时供电，系统可能瘫痪。针对种种隐患和弊端，本系统采用在线监测蓄电池状态的方法，使蓄电池的实时状态得到反映，准确预判濒临故障的蓄电池，而且整个测试过程均为在线测试，不影响蓄电池和直流系统的正常工作，此外系统能够智能操作核对性放电的整个实验过程，大大减轻了运行人员的工作量，降低了危险性，避免相关事故的发生[1-2]。

1 系统总体方案设计

本监测系统能够实现对蓄电池的电压、电流、温度、内阻和容量等参数的在线监测，同时能将监测到的数据上传至上位机，并通过局域网提供远方浏览，以期能够在蓄电池电算化劣化早期及时发现落后电池，避免出现劣化积累、加剧，避免出现蓄电池过早报废的情况发生。其系统总体原理框图如图1。系统主要包含基础架构、资源监控和运行管理三个方面。

第一是基础架构。主要完成现场蓄电池单体电压、浮充电流、模拟放电电流和温度参数的采集，同时将所有原始数据上传给上位机(ARM微处理器)和现地监控终端，上位机(ARM微处理器)和现地监控终端分别对原始数据进行处理、显示和保存，现地监控终端和上位机能够并行使用，也能够各自独立运行。

第二是资源监控。一方面接收现地数据采集系统上传的各种实时数据，同时进行数据处理计算出蓄电池内阻、容量等蓄电池性能参数，从而综合评价蓄电池性能，另一方面通过内部的网络服务器将蓄电池性能数据发布至局域网上，供电力系统内部局域网用户浏览查询，此外通过串口将蓄电池各类参数传至触摸屏上，供运行人员查询以及设置相关参数。

第三是运行管理。这部分内容包括远程网络浏览终端和触摸屏，用户可以在本电力系统内部局域网上浏览蓄电池实时运行状况，也可以浏览和下载历史数据，同时通过超级用户权限认证后可以修改蓄电池相关参数，包括蓄电池单体终止电压、整组报警电压上下限、内阻阈值、温度报警上下限等参数；触摸屏安装于集控站，主要由运行部门人员操作，可以浏览蓄电池实时性能数据和修改设置参数。

2 系统硬件设计

本系统在硬件设计中主要包括两大部分，基于C8051单片机的现场数据采集系统和基于ARM微处理器的嵌入式计算机系统，分别完成蓄电池参数的实时采集和蓄电池性能的评价以及相关数据的网络发布等。其硬件电路图如图2所示。

单片机系统采集蓄电池电流、蓄电池单体电压、整组电压和温度信号等，同时输出控制继电器接通模拟负载，进行二次电压法测蓄电池内阻，最后将测试的实时数据通过RS485上传给上位机；上位机将接收到的实时数据进行分析、处理和计算，得出蓄电池性能的评价结论，同时将处理后的数据通过触摸屏和网络进行发布，供用户查询。下面从单片机数据采集系统和上位机嵌入式计算机系统两个方面进行介绍。

2.1 单片机数据采集系统设计

本模块采用芯科实验室有限公司(Silicon Laboratories)生产的C8051f060单片机作为核心控制器，主要实现三个方面的功能：

(1)模拟信号采集。采集的模拟信号主要包括每个单体蓄电池电压、一路蓄电池组浮充电流和一路温度信号。对于单体电压检测，由于系统蓄电池组中共有18只蓄电池，因此在采集单体电压时，系统采用了多路信号转换通道 (采用MAX306芯片)，只需要一路A/D转换器就能轮流检测多路蓄电池电压信号。

(2)数字信号控制。为了能够准确计算蓄电池内阻和容量大小，系统采用了二次电压法，对蓄电池进行瞬时模拟放电，根据放电前后电压的变化得到内阻和容量，因此单片机系统通过一个I/O端口控制直流固态继电器的通断，实现模拟实时瞬时放电的开关操作，从而得到相关电压电流变化参数[1]。

(3)串口通讯。单片机系统将采集到的原始数据直接通过RS232和RS485分别上传给现地计算机和上位机嵌入式计算机系统，由上位机对原始数据进行处理、计算和存储。

2.2 嵌入式计算机系统设计

本模块采用三星公司生产的S3C2440A核心芯片，该芯片是经典的ARM9内核芯片，采用Linux操作系统，作为整个系统的上位机，一方面接收蓄电池原始数据，计算单体蓄电池内阻、容量，预测剩余寿命，另一方面将蓄电池实时电压、浮充电流、内阻和容量发布到局域网和触摸屏上，供用户查询浏览，其主要功能及特点如下：

(1)蓄电池内阻和容量的精确无损测量方法：采用目前国内先进技术对蓄电池内阻和容量进行实时在线测量，保证提前预判故障电池的精确性，其容量的测试精度能保证在5%左右。

(2)远程网络监控功能：用户不但可以在运行现场操作本系统，而且可以通过局域网远程登录本系统，浏览系统的实时运行数据，修改系统的各项控制参数，同时为了保证系统的安全性，增加了权限设置，只有具有权限的用户通过输入密码后才可以修改系统参数。

(3)核对性放电实验监测功能：系统能够自动进行核对性放电实验的监测，在此期间所有实验数据的处理和记录全部由本系统完成，降低了核对性放电时运行人员操作的危险性和工作量，同时也提高了测试的准确性。

(4)系统自适应功能:当局域网IP地址发生变化时，不需要开发人员重新修改系统的软件程序，而是直接由用户自行在触摸屏上或网页上修改系统的IP地址。当系统由于认为操作出现故障时，系统能在很短时间内能自动重启，恢复默认状态。

3 系统软件设计

本系统软件设计主要由三部分构成：单片机软件程序设计，上位机软件程序设计和现地计算机监控软件程序设计，文中只着重介绍单片机软件设计和上位机软件程序设计。

3.1 单片机软件程序设计

在本系统中单片机主要完成蓄电池单体电压、浮充电流、模拟放电电流和温度等原始参数的采集和上传，系统在设计中采用轮询和中断相结合的方式，一方面保证数据采集的实时性，另一方面保证单片机的运行效率，其软件流程图如图3所示：单片机系统在整个系统中作为从机，通常状态下进行实时电流、温度和电压的检测，同时将实时数据保存在特定的数据暂存区，当上位机发出通讯指令后，进入中断服务程序，上传实时数据或进行模拟放电控制等操作[3]。

3.2 上位机软件程序设计

这里的上位机是指嵌入式计算机系统(ARM微处理器)，上位机的主要任务向单片机发送控制指令完成数据采集，对数据进行分析处理并保存，同时完成和触摸屏的通信。操作人员通过触摸屏和网页观察电池组和每个单电池实际情况信息，同时完成系统设置等工作。其软件程序流程图如图4。

ARM应用程序由以下三部分构成：

(1)和单片机通信，向单片机发出指令，接收单片机返回的实时数据，对数据进行分析处理并存储到内存中供网页和触摸屏显示，同时将放电历史数据存储到sd卡。

(2)和触摸屏通信，将内存中电池组和单电池信息送到触摸屏上供触摸屏显示，读触摸屏上系统设置信息并保存到sd卡。

(3)网页服务器，该程序在后台运行，根据网页上提交的请求，自动生成相应的网页显示电池组或单电池信息。同时也接受网页上系统设置信息并保存到sd卡。

4 系统调试与结论

本系统已经在各变电站投装8台，到目前为止运行稳定三年，同时该项目拥有一项实用新型专利和一项发明专利，获得云南省科技进步三等奖等荣誉。

在其运行过程中，成功排除部分隐患，安装于楚雄供电局110 kV白龙新村、金山变电站的两套系统分别于2008年6月、7月及时检测出有故障隐患的的蓄电池并发出报警信号，后经过现场运行人员实地核查发现本系统检测出的隐患蓄电池存在轻微漏液和接线柱轻微腐蚀现象，及时排除了隐患，其实时界面如图5。图中可以发现10号、11号蓄电池内阻明显高于其他蓄电池，计算出来的剩余容量也明显小于其他蓄电池，经过运行人员核查发现两只蓄电池有漏液现象，虽然蓄电池仍然可以继续使用但其性能已经开始变坏，故建议其尽快更换。

[1]程江洲,王斌,杨昌武.铅酸电池瞬时放电法的研究[J].电池,2008(6):374.

[2]毕大成,周希德.电动汽车铅酸蓄电池快速充电方法的研究[J].电源技术,2000(3)：159.

[3]李立伟,邹积岩.蓄电池内阻测量装置的研究[J].电源技术,2003(1):42.