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1、山西电网通信电源蓄电池在线监测系统技术方案杭州高特电子设备有限公司11月目录1项目背景11.1系统建设意义11.2系统建设目标22总体方案32.1系统网络结构32.2系统功能结构33系统组成53.1系统主机53.2蓄电池监护模块53.3恒流放电模块54系统功能64.1功能特点64.2系统功能描述75系统技术特点105.1整体功能105.2全面的蓄电池维护105.3灵活性与可扩展性115.4可靠性与安全性115.5系统经济效益116系统管理分析软件111 项目背景山西省全省通信电源系统现有1000多个站点，已能够满足贵局的日常运作、生产，但是由于没有完善的监控管理系统，使得变电站变得分散，难以管
2、理。在变电站中，蓄电池作为备用电源在系统中起着极其重要的作用，面对随时会因交流市电或其他事故状态，蓄电池是负荷的唯一能源供给者，一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。所以建立统一的、实时的智能变电站蓄电池在线监测管理系统组网是保证系统运行安全的首选。目前各个行业广泛使用到的阀控式铅酸蓄电池（VRLA）俗称“免维护”蓄电池，它的应用大大减少了开口式铅酸蓄电池繁琐复杂的维护工作，然而，其“免维护”的优点，正是运行管理的缺点和难点。除了正常的使用寿命周期外，由于电池本身的质量如材料、结构、工艺的缺陷及使用不当等问题导致一些蓄电池早期失效的现象时有发生。所谓“免维护”仅仅指
3、无需加水、加酸、换液等维护，而日常维护仍是必不可少的，开口式铅酸蓄电池运行检测维护方法已不再适用于阀控式铅酸蓄电池，这就对蓄电池测试设备提出了新的要求。因此在提高蓄电池性能、减少维护工作量的同时，如何快捷有效地检测出早期失效电池、预测蓄电池性能变化趋势已成为蓄电池运行管理的重中之重，这对无人值守变电站、通信机房中尤为重要。1.1 系统建设意义 为蓄电池组现场维护方法提供了最为全面、综合的解决方案，为贵公司后续开展蓄电池组监测维护标准的建立提供了参考依据。 通过智能变电站蓄电池在线监测管理系统的实施，为巡检人员提供了一个能够随时随地获取蓄电池组的运行状态的强大工具，以往只能通过看、听、摸或通过万
4、用表逐个测量电压的手段来对蓄电池状况进行感观判断，现在则可以随时查阅电池的电压、电流、均差（电池离散度）、温度等，必要时还可以通过动态放电测试蓄电池组的内阻数据，有效了解蓄电池运行状况。 安装在现场的恒流负载模块（220KV以上变电站）可直接进行远程核对性容量测试，省略了以往核容试验时烦琐的接线工作（约12个工时），不仅降低了工作人员的劳动强度，同时大大的提高了工作效率和工作安全性。 把连续的、相互关联的各种蓄电池信息（浮充电压、核对性放电测试数据、充电曲线等），通过概率统计学、模糊数学和人工神经网络等数学方法，形成了完整的、综合的电池失效数学分析模型，提前预知电池性能和失效状态。 通过内部均
5、衡回路，对失效电池进行定期活化，调整整组电池一致性，增加电池使用寿命。随着系统的长期运用可逐渐将平时工作中蓄电池定期检修转变为状态检修、主动检修，降低检修风险和检修成本，为提高蓄电池的日常维护做好准备。1.2 系统建设目标（1）实现各蓄电池组的智能网络化集中监控与管理：n 蓄电池维护与管理的智能化、信息化、网络化；n 为蓄电池的维护工作带来良好的管理监测手段；n 实现了省局、市局相关部门对蓄电池运行状况的及时掌握，便于采取维护措施；n 采用先进的检测技术，采集精度高；同时，实现蓄电池测试过程中的自动化，节约人力物力；n 建立良好蓄电池的运行维护机制，同时对蓄电池的性能健康状态进行及时诊断，以发
6、现蓄电池劣化、失效的趋势。（2）蓄电池失效判断数学模型的建立n 蓄电池失效判断数学模型将给蓄电池维护带来新的高效的维护手段，大大节约维护时间；n 维护人员能预知蓄电池性能的变化趋势，提前作出维护处理，从而能够避免重大事故的发生，为电力系统的安全运行提供有效的管理手段。（3）建立多元化的蓄电池维护方案n 为蓄电池维护人员带来丰富的维护手段，从不同角度判断蓄电池的性能；n 为提前判断蓄电池终止寿命和蓄电池的更换提供科学依据。2 总体方案2.1 系统网络结构图 系统网络连接拓扑图2.2 系统功能结构本次通信电源智能蓄电池组监测系统主要分为变电站现场监测层，传输网络层，市局应用平台，省局应用平台，通过
7、四个层面上的功能开发和集成，完成对用户通信电源蓄电池监控以及实现山西省省局对各市局数据的实时查询分析的实际需求。 现场监测层：主要实现蓄电池组在线监测设备数据的采集，整理，分析，各类在线监测系统采用总线式的分层分布式结构，这种结构有良好的抗干扰性、可扩展性和整体性能。在线监测设备主要实现被监测设备信息参数的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能。 传输网络层：传统变电站设备信息数据采集，大都采用独立数据网络通信通道，或现场采用RTU方式，设备数据先由现场RTU进行数据解释，然后再由RTU整合其他设备信息后利用同一网络通道实现数据远程传输，最后由计算机软件提取各类设备信息，进行独立的数据发布
8、。而在本系统中采用的控制主机自带通讯协议，可以直接进行数据的传输，控制主机将在线自动监测到的单体电池电压，电池组端电压，充放电电流，温度等各项参数，实时显示数据并存贮，同时将电池信息通过以太网传输实时上传数据到远程监控计算机，通过配套的管理分析软件对数据进行分析，并进行WEB发布。 市局应用平台：市局应用平台包括【数据采集分析平台】和【数据发布应用平台】。服务器数据采集分析平台通过配套数据采集软件通过以太网发送通讯命令，服务器采集平台接收和处理回送的设备运行状态信息数据，进行数据规约解释、分析，并将处理后的设备信息数据送入实时数据库。数据发布应用平台对存入数据库的各类设备数据提供详细的分类处理
9、、WEB查询、监测管理等功能，实现分析数据的处理、显示和WEB发布，等待信息处理单元查询，或供其它系统调用，并提供故障报警和友好的人机交互管理界面。工程维护人员和专业技术人员通过客户端IE浏览器即可查看各直流电源系统各设备的实时运行状态和历史运行数据，实现对设备状态的网络化远程监测管理。 省局应用平台：省局应用平台可通过WEB访问的形式对各市局的数据进行查询和分析。3 系统组成3.1 系统主机构架：数据处理器 + 下行串口通道 + 大屏幕LCD全中文显示器 + 上行串口通道。下行串口通道通过RS485向下访问各蓄电池监测模块，进行数据（电压、电流、内阻）采集，同时对模块进行管理。数据处理器对数
10、据进行解压、存储管理、数值计算、性能分析及报警处理，处理后的数据一部分送往LCD显示屏进行显示，另一部分由上行串口通道发送至协议处理器进行处理。图： 监控主机3.2 蓄电池监护模块采集模块组：由蓄电池组监护模块组成，紧凑合理，各模块前后采用隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。每一个模块可对27节电池进行电压采集，可连接一路电流传感器和一路温度传感器，电压采集模块之间及与监控主机之间采用RS485连接。3.3 恒流放电模块本次通信电源220KV以上的变电站需实现远程放电功能，故配备恒流放电模块，以0.1C10放电电流核对性放电，测试电池容量。采用强制风冷的方式，无明火，安全可靠，出现单体电池电
11、压低于设定值，放电时间、容量到达设定值，交流失电等情况之一，设备自动停止放电。4 系统功能4.1 功能特点本系统集电池测量、电子、计算机控制等多项技术的综合成果。具有如下特点：（1） 系统组成：监控主机、蓄电池组监护模块、放电模块、服务器。（2） 在线自动监测单体电池的内阻、电压，蓄电池组组端电压、充放电电流和温度，数据采集快速准确，可记录蓄电池充放电过程每一瞬间的变化，保证对蓄电池性能的准确判别。（3） 远程核对性放电，测量蓄电池组容量，放电过程各项参数、曲线全程显示。（4） 采用“四线制”内阻测试法，准确可靠。（5） 可在线实现对单体电池电压均衡调节功能，对单体电池进行充放电活化维护，延长
12、蓄电池的使用寿命。（6） 放电保护：出现单体电池电压低于设定值，放电时间、容量到达设定值，交流失电等情况之一，设备自动停止放电。（7） 多种故障报警功能：内阻超限、电压超限、温度超限、电压均差值超限等，报警阀值自由设定。（8） 自动存储报警信息及单体电池内阻、电压、充放电电流、温度、核对性放电数据等。（9） 系统具有自检功能，当系统出现故障时，除给出故障信号报警提示外，不影响直流系统的正常运行，保证系统的可靠性。（10） 支持多种程序升级方式：远程升级、现场USB升级等。（11） 模块化构架，组合模式灵活，可满足对任意数量蓄电池监控的要求。（12） 设备安装、调试、维护简便，各蓄电池组监护模块
13、前后采用隔离技术，安全性、可靠性程度高。（13） 具有多种通讯方式：LAN、RS232、RS485等，以适合不同系统的通讯要求。（14） 配备完善的计算机管理分析监控软件，具有强大的数据处理功能，采用先进的蓄电池专家诊断数学模型，对蓄电池的多项测量结果进行综合计算分析，准确判别蓄电池性能。（15） 实时数据查询功能、历史数据查询功能、报警数据查询功能、运行参数设置功能。（16） 用户可自由设定月报、季报、年报时间间隔。输出报表格式包括：数据表格方式（分类显示电压、内阻）、曲线方式、柱状图方式等。4.2 系统功能描述1) 在线监测功能系统通过现场设备实现对单体电池电压、内阻、核对性容量测试值、电
14、池组组端电压、充、放电电流、环境温度等各项数据的采集。现场或后台同时显示、超标报警、存贮及后台通讯。实现在线自动监测每节电池电压，电池组端电压、充放电电流、环境温度等各项参数,实时存储数据。2) 蓄电池内阻在线测试独有的四线制方式在线测试电池内阻，保证了测量精度，减少了人工测试的误差。四线制方式：即对同一节蓄电池，采用电压采样线（2根）与放电线（2根）分开的方式，从而避免了放电过程中因电流较大产生的线压降影响到内阻测试的精度。测试过程在线、自动进行，无需脱离系统，测试周期自由可设。由于在VRLA蓄电池组监护模块电路中采用了软硬件的滤波措施，可有效的滤除充电机纹波对内阻测试的影响，保证了蓄电池在
15、线内阻测试的准确性、一致性和重复性。3) 蓄电池在线均衡维护功能均衡技术采用间歇式优先充电的双闭环控制模型，内部采用固态开关而非触点继电器，无拉弧、无明火、寿命长。每个模块分散并联安装在每节蓄电池上，实现长期在线动态均衡，利用开关电源技术，以能量转移方式将高电压电池的电量转移到低电压电池，电量转移是双向并行进行，即任何一节高电压电池的电量，都可以同时并行转移到任何一节低电压电池，从而达到电池电压均衡。原理如下图：电压均衡维护的原理4) 蓄电池组容量测试功能系统通过现场配置的专用放电模块，采用行业标准DL/T 724，对蓄电池进行0.1C10核对性放电，测试电池组的实际容量。同时该模块可实现对电池电压动态放电测量每节电池负载能力，瞬间判断电池特性。5) 蓄电池失效判断数学模型判断电池性能变化趋势大量的电池运行数据统计表明，电池电压的变化与电池性能变化有相关性。经验告诉我们，随着电池使用时间的增加，电池性能不断劣化，电池容量不断下降，而此时电池电压的离散性也会变得愈来愈大。这是不容置疑的，也是有理论依据的。找出其中规律，并以一种可用的数学模型表达，即可成为可用的电池测试分析手
