蓄電池運行監測與診斷系統

　　引言
　　
　　直流系統是發電廠、變電站中十分重要的配套系統，其關鍵部分蓄電池組是在故障或無交流電情況下使用的。蓄電池組發生故障后，如果人工維護，由于蓄電池數量多，情況各異，維護工作量大，許多因素無法判斷，將直接影響故障處理的準確和及時。因此，平時對蓄電池組運行的自動監測、故障診斷及其早期發現就顯得十分必要，如能實時地提供蓄電池組的各種數據，當發生故障時便能及時報警。
　　
　　1技術原理
　　
　　蓄電池運行監測與診斷系統可實現蓄電池組基本參數（單個蓄電池電壓、充放電電流、工作溫度、總電壓）的實時在線監測與報警。對蓄電池組剩余電荷量的估計、早期故障診斷和健康排序是其關鍵的創新技術。
　　
　　蓄電池的電化學過程比較復雜，其影響因素較多。100多年來，蓄電池電化學基本上是一門實驗性學科。因此，要準確估計蓄電池組剩余電荷量和蓄電池故障診斷、健康排序都是相當復雜的過程，兩者之間又有密切關系。這就需要：對各種類型和廠家的蓄電池進行試驗，采集蓄電池所有外部基本參數在一段時間內的實際運行數據，進行統計、排序、分析、比較；結合各種類型和廠家的蓄電池的物理化學特性及一致性的差異，蓄電池額定容量、輸出電壓及蓄電池內部溫度、內阻、環境溫度等參數的動態變化率，蓄電池組在充放電時的電壓電流變化特性[1]，經過反復試驗和總結，提出蓄電池一些平均的特性規律；利用模糊統計理論、智能化技術、神經網絡技術，根據需要分別推算出一個剩余電荷量估計的數學模型以及對蓄電池健康狀況（SOR）和故障狀態進行診斷排序的數學模型；再參照蓄電池專家、維護人員長期使用蓄電池而總結出的一些實用規則和經驗以及歷史檔案信息建立的數據庫，從而實現對蓄電池組剩余電荷量做出估計和故障診斷、健康排序。
　　
　　一般情況下，為了組合一組蓄電池，在其投入運行前要進行性能測試和分組優選，盡量提高每一個蓄電池的電壓、容量、內阻等出廠參數的一致性[2]，以保證電荷量估計、故障診斷、健康排序的準確性。
　　
　　本系統首先根據蓄電池的zui長使用壽命、已使用時間、類型、額定容量以及單個蓄電池的參數特性與蓄電池組的平均參數特性之間的差異，對初始電荷量進行修正，再根據采集不同時間的溫度值、充放電電流值、單個蓄電池電壓值、蓄電池組總電壓值，記錄充放電時間，計算電池內阻[3]，并定時采集長期處在浮充電狀態下的以上參數值等，通過依據上述原理整合出的數學模型進行計算和判斷，依據充放電過程的電荷量累計數值，從而對蓄電池組的電荷量進行估計。
　　
　　蓄電池運行的SOR和故障診斷是通過相應的數學模型進行分析計算，再結合數據庫內容的比較得到的。排序和診斷按SOR值進行。SOR值越大，說明蓄電池健康程度越高；反之，健康程度越差，說明蓄電池有故障。
　　
　　深圳某變電站使用美國豹牌6V／200A·h鉛酸蓄電池，每組36只，zui長使用壽命20年，已使用2年。通過實地考察和咨詢，這組蓄電池的基本特性較好，主要表現在各個蓄電池的電壓變化較為一致，充放電時各個蓄電池狀況也較為一致，沒有出現因負載的緩慢變化引起電壓、電流突變的現象。由于蓄電池安裝環境較好，溫度變化不大，平時基本上都處在浮充狀態，但也會有不定期的合閘或拉閘作業，有瞬間放電過程。利用該系統對該組蓄電池進行連續10h核對性充放電實驗和不定期瞬間放電實驗，來驗證該系統的準確性。
　　
　　具體實現過程是：首先，進行初始參數的設定，主要有蓄電池額定容量、使用壽命、已使用年數等；然后，在放電過程中，不定時采集一組蓄電池組總電壓、放電電流、溫度和單個蓄電池電壓的數據，記錄5h放電的整個過程并形成必要的變化曲線。
　　
　　表1為某蓄電池組放電過程中的部分數據。用同樣方法，記錄5h充電的整個過程并形成必要的變化曲線。表2為該蓄電池組在充電過程中的部分數據。　　
　　通過數學模型對這些參數和曲線的統計、計算、分析、判斷，再與數據庫內容比較，對整個蓄電池組的剩余電荷量做出估計，并且根據充放電過程實時增加或減少。對每個蓄電池進行健康排序和故障診斷，以SOR值告知。該系統中SOR值分為1，2，3，4，5，共5個。其中：1，2為有故障的蓄電池，可報警；3為故障早期狀態蓄電池；4，5為健康蓄電池。健康排序則按SOR值的大小順序顯示在屏幕上。
　　
　　2軟硬件設計
　　
　　根據發電廠、變電站的實際情況和所使用蓄電池的種類及其容量，采用并聯非直接連接法對蓄電池組的各種數據進行采集，也就是利用傳感技術和光電耦合技術采集各種數據，以保證用戶系統的安全，同時也是為了保證在安裝過程中不影響用戶系統的正常工作。系統的功能框圖如圖1所示。
　　　　該系統主要由單片機87C552及其時鐘復位電路、程序和數據存儲器、RS-232接口電路、12C總線驅動的顯示鍵盤和時間存儲器電路、采集電路等組成。
　　
　　硬件的系統部分基本上是常用的5l系列單片機的系統電路，這些電路構成了一個基本的軟件運行環境。由于87C552帶有A／D轉換，因此對蓄電池模擬量的采集電路就比較簡單。
　　
　　蓄電池組總電壓和充放電電流的采集均使用霍爾元件，經運算放大器電路，送入87C552的A／D端口。
　　
　　單元蓄電池電壓的采集由光電耦合電路進行線性耦合輸出，經多路模擬開關的選擇后，進行A／D轉換。
　　
　　溫度信號的采集使用溫度傳感eSAD590，經運算放大器電路進行A/D轉換。
　　
　　2.2軟件設計
　　
　　主控制程序如圖3所示。　　
　　主控程序一個循環程序，首*行硬件初始化，隨即進入對狀態的搜索，根據不同的程序狀態（變量），以中斷形式進入相應程序模塊處理。
　　
　　整個系統軟件程序全部采用C語言編寫，按不同功能模塊化分成不同的程序模塊，這種編程方法使得功能明確，程序清晰，便于維護和增加功能。
　　
　　3結語
　　
　　本文從蓄電池的特性出發，根據使用環境的變化，運用實驗數據統計原理對蓄電池運行監控和診斷系統進行了分析與論述。尤其是剩余電荷量估計和故障診斷系統，技術，并有創新，倍受用戶青睞。該系統已由北京承天冀科技有限公司投入批量生產，并在東北、河北、河南等地的發電廠、變電站使用。實踐證明，該系統的運行是可靠、穩定的，對蓄電池組的監測與診斷也是有效的，因而具有廣闊的發展前景。