摘要(yào)
：針對(duì)變電站蓄電(diàn)池使(shǐ)用(yòng)過(guò)程出現(xiàn)的(dí)各(gè)種故障及(jí)使用壽(shòu)命(mìng)縮短(duǎn)等(děng)問題(tí)，介(jiè)紹(shào)了一種蓄(xù)電池(chí)組(zǔ)及蓄電池單(dān)體(tǐ)在綫(xiàn)監測方案(àn)，該方案遵循主從(cóng)模塊式(shì)設計，主控(kòng)模塊(kuài)負(fù)責(zé)監(jiān)控(kòng)蓄電(diàn)池(chí)組狀態，單(dān)體(tǐ)電(diàn)池狀態查詢和命令(líng)執(zhí)行，與上位(wèi)機(jī)進行通信，使用I2C串行總(zǒng)綫(xiàn)對各單(dān)體電池測量(liáng)單(dān)元(yuán)進行(háng)鏈(liàn)路管(guǎn)理(lǐ)。

關鍵詞
：變電站(zhàn)；蓄電(diàn)池；在(zài)綫(xiàn)監(jiān)測方案(àn)

1，蓄(xù)電池在綫監測(cè)意義(yì)

變(biàn)電(diàn)站(zhàn)蓄電池組作(zuò)為保護，控製，信號(hào)及通(tōng)信裝置的後(hòu)備(bèi)電(diàn)源，其穩定性，耐用(yòng)性和(hé)健康(kāng)狀態極(jí)為(wéi)關(guān)鍵，目前蓄(xù)電池組的檢(jiǎn)測(cè)仍使用(yòng)人工(gōng)巡檢的方式(shì)，易發(fā)生人為因(yīn)素錯(cuò)誤，因此一(yī)種快速(sù)，準(zhǔn)確，可(kě)靠(kào)，安全(quán)的蓄電池(chí)在(zài)綫監測技術尤(yóu)為(wéi)重要(yào)。隨著微處理(lǐ)器的(dí)快(kuài)速(sù)發展(zhǎn)及(jí)網(wǎng)絡(luò)通信的普(pǔ)及，蓄(xù)電(diàn)池組(zǔ)監(jiān)測技術(shù)可通過監(jiān)測模塊(kuài)實時獲取(qǔ)蓄電(diàn)池(chí)組及(jí)單(dān)體電(diàn)池(chí)的狀(zhuàng)態，並(bìng)通過(guò)網絡(luò)將(jiāng)信息發(fā)送至(zhì)後台(tái)監控(kòng)中(zhōng)心，對(duì)應的(dí)運維(wéi)人員可及(jí)時獲取蓄電池組的狀(zhuàng)態信息，並做出維護計(jì)劃(huá)，有助於(yú)提(tí)高(gāo)整個後(hòu)備電源係(xì)統的可(kě)靠性(xìng)，降(jiàng)低(dī)運維(wéi)成(chéng)本(běn)，提高工作效率。

2，蓄電池(chí)在綫監測(cè)方案

2.1總(zǒng)體(tǐ)框(kuàng)架(jià)

該方(fāng)案主(zhǔ)要用(yòng)於(yú)對蓄(xù)電池組(zǔ)和蓄(xù)電(diàn)池單(dān)體的在綫(xiàn)監測，能完(wán)成對(duì)單體(tǐ)蓄電池(chí)及(jí)蓄電池(chí)組(zǔ)多種狀(zhuàng)態參(cān)數(shù)的(dí)實(shí)時(shí)監測(cè).方(fāng)案由主控(kòng)模塊，節點(diǎn)模塊及(jí)傳(chuán)感(gǎn)器組(zǔ)成(chéng)。

主(zhǔ)控(kòng)模塊(kuài)用(yòng)來在(zài)綫(xiàn)監測蓄(xù)電(diàn)池組的總電壓，總電流和環境溫度，串(chuàn)行節點(diǎn)檢測模塊(kuài)由I2C總綫(xiàn)作為(wéi)分(fēn)配(pèi)多個單(dān)體蓄(xù)電池的電氣(qì)隔離(lí)總(zǒng)綫，由於I2C總綫尋(xún)址能力(lì)達(dá)到8Bit，即28=128，可*大(dà)連接(jiē)128個(gè)單(dān)體(tǐ)蓄電池(chí)，由(yóu)於蓄電池(chí)組(zǔ)整(zhěng)體電(diàn)池數量(liáng)≤120個，因此(cǐ)，使用I2C總綫作(zuò)為(wéi)尋址(zhǐ)和(hé)總綫隔離是*佳(jiā)方(fāng)案(àn)。節點(diǎn)模塊(kuài)在綫監測各(gè)蓄電(diàn)池的(dí)單(dān)體(tǐ)電壓(yā)，單體電(diàn)流(liú)和(hé)單(dān)體(tǐ)內阻(zǔ)。傳感(gǎn)器(qì)模塊用於采集電(diàn)壓，電流(liú)和(hé)溫度，並通過主控模(mó)塊和(hé)節點(diǎn)模塊的AD轉換器將信息轉換(huàn)成處理器(qì)可識別(bié)處理(lǐ)的數據。該(gāi)方案還提(tí)供標準的(dí)RJ45通信接口(kǒu)，基(jī)於(yú)IEEE802.3協議(yì)，與管(guǎn)理中(zhōng)心的計算(suàn)機一起組成一(yī)個(gè)遠(yuǎn)程(chéng)分布式(shì)蓄(xù)電(diàn)池在(zài)綫(xiàn)監測(cè)係統。該(gāi)係(xì)統對保(bǎo)證用戶後(hòu)備蓄(xù)電池(chí)組的(dí)安全(quán)運行起到了(liǎo)非(fēi)常重要的作用(yòng)。方案(àn)總(zǒng)體框架(jià)如(rú)圖(tú)1所示(shì)。

圖1蓄電池在綫(xiàn)監測(cè)方案(àn)總體(tǐ)框架(jià)

2.2主要(yào)特點(diǎn)

a．采(cǎi)用主從(cóng)分(fēn)開(kāi)的網絡(luò)結構，節點模(mó)塊使用(yòng)I2C串(chuàn)行(háng)總綫進(jìn)行尋(xún)址和(hé)隔離，方(fāng)便了(liǎo)主控(kòng)端的(dí)監測和管理(lǐ)，由於(yú)I2C總綫的特(tè)性，可(kě)以*多(duō)支(zhī)持128節(jié)蓄電池單體進行(háng)測(cè)量(liáng)和管(guǎn)理(lǐ)，隻需(xū)1個模(mó)塊(kuài)即可。

b．主控(kòng)模塊采用(yòng)RJ45/IEEE802.3通(tōng)信(xìn)接口與管(guǎn)理中(zhōng)心的計(jì)算機進行(háng)通(tōng)信，比(bǐ)傳統的(dí)RS232/RS485通信接口(kǒu)具有(yǒu)傳(chuán)輸更(gēng)可(kě)靠(kào)，速(sù)度(dù)更快等優勢(shì)。

c．通過(guò)I2C尋址方(fāng)式，通(tōng)過主(zhǔ)控模塊(kuài)任(rèn)意監(jiān)測(cè)某一單體(tǐ)電(diàn)池狀(zhuàng)態，避(bì)免老(lǎo)式(shì)的串行(háng)總(zǒng)綫每次訪問(wèn)采(cǎi)集(jí)所有電池狀(zhuàng)態信息，可(kě)準確(què)定位有問(wèn)題(tí)的單(dān)體，減少(shǎo)更換(huàn)修(xiū)復成(chéng)本(běn)。

d．節點模塊(kuài)具備片上(shàng)flash，可臨(lín)時(shí)存儲單體電池狀態數(shù)據(jù)，如主(zhǔ)控模(mó)塊需(xū)要訪問(wèn)數(shù)據(jù)，可(kě)直接通過flash讀取，提(tí)高交互(hù)數據(jù)時(shí)間。

e．主(zhǔ)控模塊(kuài)與(yǔ)蓄電池(chí)組(zǔ)之間(jiān)使(shǐ)用2根通(tōng)信(xìn)綫，1根傳輸(shū)數據(jù)信號(hào)，1根用於時鐘(zhōng)同步(bù)，確保整(zhěng)個係統(tǒng)安(ān)全性和(hé)同(tóng)步(bù)性。

3，模塊設計

3.1主(zhǔ)控模塊(kuài)

蓄電(diàn)池在綫監測(cè)方(fāng)案主(zhǔ)控模塊(kuài)由(yóu)NXPLPC1700CortexM3，狀態指示燈，通信接(jiē)口(kǒu)，信(xìn)號模數—數模轉換模塊和(hé)電(diàn)源(yuán)模(mó)塊(kuài)構(gòu)成，其中(zhōng)LPC1700是120MHzCPU，內(nèi)部處理(lǐ)能力強，功(gōng)耗低，外設接口豐(fēng)富，內部把(bǎ)傳感(gǎn)器(qì)輸(shū)出的(dí)電(diàn)流(liú)信號轉換成(chéng)電(diàn)壓信號(hào)，進入LPC1700內部的(dí)12位(wèi)AD，完成(chéng)模擬數(shù)字(zì)轉(zhuǎn)換(huàn)。通過內置(zhì)的MAC層和(hé)PHY層實現與(yǔ)上(shàng)位機(jī)數(shù)據，控製命令的交互。通過內置的(dí)RS232接口與(yǔ)調(tiáo)試設(shè)備(bèi)連(lián)接，當(dāng)係(xì)統遇(yù)到故障時(shí)，可通過此(cǐ)接(jiē)口進行調(tiáo)試(shì)，定(dìng)位。主控(kòng)模(mó)塊(kuài)與節點(diǎn)模(mó)塊通過(guò)I2C接口(kǒu)通(tōng)信(xìn)，具備尋(xún)址，收(shōu)發(fā)數(shù)據(jù)的(dí)功(gōng)能(néng)，當節點模(mó)塊(kuài)完成對(duì)單體電池(chí)電(diàn)壓(yā)，溫(wēn)度(dù)和內(nèi)阻(zǔ)的測量後，主控(kòng)模(mó)塊可(kě)對(duì)全(quán)部(bù)節(jié)點(diǎn)模(mó)塊進行輪詢讀取(qǔ)，也(yě)可(kě)對(duì)1～128個節(jié)點模塊(kuài)進行單(dān)獨(dú)提取數據，並將數據(jù)保(bǎo)存在(zài)主(zhǔ)控(kòng)模塊的(dí)數據(jù)緩衝區，以備(bèi)上(shàng)位(wèi)機查(chá)詢。使(shǐ)用(yòng)I2C接口連接(jiē)節(jié)點模塊(kuài)，該(gāi)通(tōng)信端(duān)口與節(jié)點(diǎn)模塊(kuài)在電(diàn)氣(qì)上隔離(lí)，確保蓄電池(chí)組的(dí)安(ān)全，並具(jù)備時(shí)間(jiān)總(zǒng)綫(xiàn)，可(kě)對數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)采樣，使采集(jí)數據的(dí)準確性(xìng)更(gēng)高，主控模(mó)塊框(kuàng)架如圖(tú)2所(suǒ)示(shì)。

圖2主控(kòng)模塊(kuài)框(kuàng)架(jià)

3.2節點(diǎn)模(mó)塊(kuài)

蓄(xù)電(diàn)池在綫(xiàn)監測方(fāng)案的(dí)節(jié)點模塊(kuài)包括微處(chǔ)理器(qì)，I2C控(kòng)製(zhì)器，電池單(dān)體(tǐ)電(diàn)壓(yā)測量電(diàn)路(lù)，電(diàn)池(chí)單體(tǐ)內阻測量電路(lù)和(hé)通(tōng)信(xìn)擴(kuò)展電(diàn)路(lù)。微處理(lǐ)器采用LPC1100CortexM0，具有(yǒu)50MHz的總綫速(sù)度，支持(chí)30kB的片(piàn)上Flash存(cún)儲(chǔ)介質(zhì)，可臨時存(cún)儲采(cǎi)集到(dào)的數據，保(bǎo)障了(liǎo)數據的安全(quán)性。串行外(wài)設支(zhī)持高速的I2C總綫，可與(yǔ)主控(kòng)模塊(kuài)無(wú)縫(féng)銜接，並內嵌了溫度傳感器(qì)，通(tōng)過模(mó)數(shù)轉換(huàn)單(dān)元實時(shí)監(jiān)控(kòng)單(dān)體(tǐ)蓄電池(chí)的表(biǎo)麵(miàn)溫度(dù)。電池單體(tǐ)電壓測(cè)量電路負責(zé)測量蓄電池電壓(yā)信(xìn)號，電池(chí)單體(tǐ)內阻(zǔ)測量(liáng)電路負(fù)責(zé)測量(liáng)蓄(xù)電池內阻(zǔ)信號(hào)，節點模塊框架如圖(tú)3所示。

圖3節(jié)點模塊框(kuàng)架

3.3內(nèi)阻(zǔ)測量模塊

測量內阻的(dí)方法包括密(mì)度(dù)法，開(kāi)路電壓(yā)法，直(zhí)流放電法和交流(liú)注(zhù)入法(fǎ)。前(qián)3種測(cè)量方法不(bù)適(shì)合(hé)密封(fēng)鉛酸蓄電池(chí)的內阻(zǔ)測(cè)量，其精度差，影響蓄電(diàn)池(chí)壽命(mìng)，交(jiāo)流注入法(fǎ)不(bù)需要(yào)對蓄(xù)電池進(jìn)行(háng)放電(diàn)，不(bù)會對(duì)蓄電池壽(shòu)命造成(chéng)影(yǐng)響，因此，可使(shǐ)用交(jiāo)流注(zhù)入法(fǎ)安(ān)全地(dì)在(zài)綫(xiàn)測量蓄電池內阻(zǔ)。在使(shǐ)用(yòng)交流注入(rù)法(fǎ)測量(liáng)時，對蓄電池(chí)注入一個(gè)低頻(pín)的交(jiāo)流(liú)電(diàn)信號，低(dī)頻電流可(kě)確(què)保蓄電池(chí)的性(xìng)能，並(bìng)同時測量蓄(xù)電(diàn)池(chí)正(zhèng)負(fù)極(jí)之(zhī)間的低(dī)頻交(jiāo)流(liú)電壓(yā)V0和流過(guò)的低頻(pín)交流電流(liú)Is及電流和(hé)電(diàn)壓之間(jiān)的相位差α，並(bìng)通過阻(zǔ)抗(kàng)計(jì)算公式，利(lì)用(yòng)V0和Vs的(dí)比(bǐ)值計算出阻(zǔ)抗Z:

Z=V0/Is

蓄(xù)電池(chí)內(nèi)阻可(kě)通過(guò)阻(zǔ)抗(kàng)和(hé)相位(wèi)差(chà)計算(suàn)R=Zcosα。需(xū)要注意的是由(yóu)於蓄電池內(nèi)阻(zǔ)是(shì)毫(háo)歐級(jí)，一(yī)旦在(zài)測試過程(chéng)中出現元器件(jiàn)誤差或(huò)測試(shì)端(duān)交流電(diàn)壓正(zhèng)弦波(bō)形不規(guī)則(zé)，內(nèi)阻值將(jiāng)發生(shēng)很大變化，導致測(cè)量精(jīng)度(dù)下降(jiàng)，因此，需要加入(rù)誤差(chà)校正算(suàn)法進行(háng)修(xiū)正。通過(guò)增加(jiā)等(děng)效極化電阻Rc和(hé)等效(xiào)極化電(diàn)容C實現(xiàn)蓄(xù)電(diàn)池內電阻(zǔ)的(dí)修正。改(gǎi)進後(hòu)的內阻(zǔ)模型如(rú)圖4所示。

圖(tú)4改(gǎi)進內(nèi)阻模型

在蓄(xù)電池兩(liǎng)端(duān)注(zhù)入低(dī)頻(pín)測試電流(liú)x1，並測(cè)得蓄(xù)電池電(diàn)壓降x2。

x1=cos(ωt)+n1(t)

x2=cos(ωt+θ)+n2(t)

式(shì)中(zhōng)θ———注(zhù)入電(diàn)流(liú)與輸(shū)出(chū)電壓的(dí)相(xiāng)位差(chà);

ω———輸入(rù)測(cè)試電流的頻率;

t———時(shí)間;

n1(t)———低(dī)頻電(diàn)流噪(zào)聲;

n2(t)———電(diàn)壓(yā)噪聲(shēng)。

由於(yú)白(bái)噪聲信號在(zài)正(zhèng)弦(xián)信(xìn)號周(zhōu)期中(zhōng)為(wéi)0，因此(cǐ)上式可以簡化為∫T0|x1－x2|2dωt=2T-Tcosθ2T－Tcosθ=Aθ=arccos2T－AT式中A———電(diàn)壓(yā)波形波動(dòng)值;T———注入電流周(zhōu)期(qī)。由(yóu)於內(nèi)阻檢(jiǎn)測需(xū)要(yào)一(yī)個(gè)初始參(cān)考值作(zuò)為基準(zhǔn)，因此，在(zài)初次測(cè)量時(shí)記錄數(shù)據作(zuò)為以(yǐ)後(hòu)檢(jiǎn)測(cè)結(jié)果的考察依據，判斷蓄電池(chí)健(jiàn)康狀態。由於采用了(liǎo)噪(zào)聲(shēng)控製方法，消(xiāo)除(chú)了(liǎo)由(yóu)於元(yuán)器件和交流電壓(yā)波(bō)形出現波動(dòng)造(zào)成的(dí)影(yǐng)響(xiǎng)，提高了內阻(zǔ)檢(jiǎn)測精度(dù)。

4，安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心綜合能(néng)效(xiào)管(guǎn)理(lǐ)係(xì)統

4.1平台組(zǔ)成

安(ān)科瑞電氣(qì)緊(jǐn)跟(gēn)數(shù)據中心能效，資源利(lì)用率和(hé)可用性，提(tí)高運維(wéi)效率並(bìng)降(jiàng)低(dī)運維成本(běn)。

AcrelEMS數據中心的(dí)能源管(guǎn)理提供監測(cè)和控製，主(zhǔ)要(yào)分(fēn)為(wéi)電力(lì)監(jiān)控(kòng)，動(dòng)環(huán)監(jiān)控，能耗統計(jì)分(fēn)析（能源(yuán)管理(lǐ)），蓄(xù)電池(chí)監控(kòng)，配電監控(kòng)，智(zhì)能(néng)母綫(xiàn)監(jiān)控(kòng)，智(zhì)能照明(míng)，消防相(xiāng)關(guān)的子(zǐ)係統。

4.2平(píng)台(tái)拓撲圖

4.3蓄(xù)電池(chí)監(jiān)測係統

4.3.1蓄電池組

蓄電池(chí)組通常作(zuò)為UPS電源的補充，用(yòng)於提(tí)供更長時(shí)間的應(yīng)急電(diàn)源(yuán)，以便在(zài)柴(chái)油發(fā)電機組無法提供(gōng)電(diàn)力時，為(wéi)數(shù)據(jù)中心提供(gōng)電力支持。

4.3.2蓄電池組(zǔ)分(fēn)類

數據(jù)中心的應用已經逐(zhú)漸被鋰電(diàn)池所取(qǔ)代(dài)。在選(xuǎn)擇蓄電池(chí)組時(shí)，需要根據應用場景的(dí)要求和預算(suàn)來(lái)選(xuǎn)擇適(shì)合(hé)的蓄電池類型(xíng)。

4.3.3蓄(xù)電(diàn)池組(zǔ)一(yī)次接綫(xiàn)圖

數據(jù)中心(xīn)中(zhōng)的蓄電(diàn)池通常(cháng)采用(yòng)一定(dìng)數(shù)量的(dí)電(diàn)池(chí)串(chuàn)聯組成電池(chí)組，並通過電(diàn)綫(xiàn)連接(jiē)到UPS電源(yuán)係(xì)統(tǒng)中。接綫應(yīng)遵(zūn)循安全可(kě)靠的(dí)原則，以(yǐ)確(què)保(bǎo)電池組的(dí)正(zhèng)常運(yùn)行和使用壽(shòu)命(mìng)。當主電源發生故(gù)障(zhàng)或停電(diàn)時，UPS電源係(xì)統將自動切換到蓄(xù)電(diàn)池備(bèi)用電源狀態，以(yǐ)確(què)保係(xì)統的持(chí)續(xù)運行。

4.3.4蓄(xù)電(diàn)池組監(jiān)控需求(qiú)及(jí)主要設備(bèi)選型(xíng)

蓄(xù)電池組在(zài)數據中心UPS電(diàn)源係(xì)統中發(fā)揮著重要作用(yòng)，因此(cǐ)需(xū)要對其進(jìn)行監控(kòng)，以確保其正常工(gōng)作和(hé)延(yán)長使(shǐ)用(yòng)壽命。以(yǐ)下是(shì)蓄電池組監(jiān)控的一些常(cháng)見(jiàn)需(xū)求
：

電池(chí)組狀(zhuàng)態監(jiān)測
：包括(kuò)電壓，電流，溫度(dù)，容(róng)量等參(cān)數的(dí)監(jiān)測，以實時了(liǎo)解(jiě)電(diàn)池組(zǔ)的運行狀(zhuàng)況。

電(diàn)池組剩餘壽命(mìng)預測(cè)
：通過監測(cè)電池組(zǔ)的工(gōng)作(zuò)狀態和壽命(mìng)指(zhǐ)標，預(yù)測(cè)電(diàn)池組的(dí)剩餘(yú)壽命，提(tí)前進行(háng)維(wéi)護和更換，避免電池(chí)組失效導(dǎo)致UPS電(diàn)源(yuán)係統失(shī)效。

自動(dòng)測試(shì)和(hé)巡檢(jiǎn)
：定期(qī)對(duì)電(diàn)池組(zǔ)進(jìn)行自(zì)動(dòng)測(cè)試和(hé)巡檢(jiǎn)，以發(fā)現潛(qián)在(zài)的故障和異常情(qíng)況，及時處理。

報警和(hé)預警(jǐng)功能
：當(dāng)電(diàn)池(chí)組發(fā)生異常或(huò)出現故(gù)障時，通過報警(jǐng)和預警(jǐng)的(dí)方式(shì)通知運維(wéi)人員(yuán)及(jí)時(shí)處理(lǐ)，避(bì)免(miǎn)事故(gù)的發生。

數據(jù)分析(xī)和記錄(lù)
：通(tōng)過對電池組(zǔ)數據進(jìn)行(háng)分析和記(jì)錄(lù)，可以(yǐ)了解(jiě)電池組的歷史運行(háng)情況，為優化(huà)管理(lǐ)和維護提供數(shù)據支(zhī)持。

蓄電(diàn)池監(jiān)測主(zhǔ)要由(yóu)S模塊(kuài)，C模塊(kuài)及HS采集(jí)器(qì)組(zǔ)成。

5，產品選(xuǎn)型(xíng)

6，小結

蓄(xù)電池在綫檢測方(fāng)案通過主(zhǔ)控(kòng)模塊，各節點(diǎn)采(cǎi)集(jí)模(mó)塊采(cǎi)集實時電壓，充(chōng)放(fàng)電(diàn)電流，內阻，溫(wēn)度，電池容(róng)量(liáng)，並將結果自(zì)動提(tí)交到上位機及數據中(zhōng)心，實現變電(diàn)站(zhàn)蓄電池狀態在(zài)綫(xiàn)監控。

參(cān)考文獻(xiàn)

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[7]包蕊.變電站蓄電(diàn)池在(zài)綫監測(cè)方案

作(zuò)者簡介
：魏(wèi)健輝(huī)，女，現任職於(yú)安科(kē)瑞電(diàn)氣(qì)股(gǔ)份有限公司，主(zhǔ)要(yào)從(cóng)事數據中心的設計與(yǔ)應用。