任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：蓄電池作為換流站及變電站低壓直流系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要意義;本文主要介紹蓄電池在線監(jiān)測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)、基本原理，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不足，同時(shí)提出蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案并對(duì)相關(guān)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。

關(guān)鍵詞：蓄電池；在線監(jiān)測(cè)；通訊協(xié)議

0引言

蓄電池是換流站(變電站)低壓直流系統(tǒng)的重要組成部分，其在運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)極板短路或開路、蓄電池極柱、螺絲、連接條爬酸或腐蝕、浮充電壓不均衡等異常現(xiàn)象。如果以上現(xiàn)象無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，極有可能造成蓄電池電壓降低，供電時(shí)間顯著下降，嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致蓄電池發(fā)生火災(zāi)、引起保護(hù)拒動(dòng)或設(shè)備跳閘。而蓄電池的故障往往伴隨著蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻、容量等參數(shù)的變化，因此，研究一種能夠有效監(jiān)視蓄電池參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)裝置具有重要意義。

1蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，在換流站及變電站通常采用電池巡檢儀和集中監(jiān)控裝置相結(jié)合的方式對(duì)蓄電池參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。單只電池巡檢裝置可獨(dú)立測(cè)量蓄電池組中單體電池的端電壓、溫度等狀態(tài)量，

實(shí)時(shí)監(jiān)視整組蓄電池的運(yùn)行狀況，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳集中監(jiān)控器，方便運(yùn)維人員查看。蓄電池巡檢模塊采用串行總線方式，通過RS232通迅接口與集中監(jiān)控器相連接。但是，由于單個(gè)蓄電池巡檢模塊對(duì)應(yīng)多個(gè)蓄電池，因此導(dǎo)致蓄電池巡檢儀接線復(fù)雜，容易出現(xiàn)導(dǎo)線松動(dòng)或連接不到位導(dǎo)致誤報(bào)警等情況;同時(shí)由于RS232通信標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離的局限性，使蓄電池參數(shù)僅能就地查看，無法傳送至遠(yuǎn)方。

2蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

2.1技術(shù)要求

針對(duì)傳統(tǒng)蓄電池巡檢儀存在的不足，改進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求:

（1）提高蓄電池的接線可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)警的發(fā)生，同時(shí)具備接線簡(jiǎn)單，安裝方便等優(yōu)點(diǎn);

（2）通過改進(jìn)通信傳輸方式，實(shí)現(xiàn)蓄電池參數(shù)遠(yuǎn)距離傳輸。

2．2基本構(gòu)造及原理

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下三部分組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2.1蓄電池傳感器

安裝于每一節(jié)蓄電池本體，用來測(cè)量蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度、容量等參數(shù)，傳感器均連接與S-BUS總線上。

2.2.2通訊轉(zhuǎn)換模塊

實(shí)現(xiàn)S-BUS與RS485之間的通信轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)線或光纖傳送至蓄電池監(jiān)測(cè)工作站。鑒于RS232通信標(biāo)準(zhǔn)的理論傳輸距離僅為15米，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)作為替代，可使傳輸距離提升至幾百米至上千米，能夠滿足換流站(變電站)應(yīng)用范圍的要求。

2.2.3蓄電池監(jiān)測(cè)工作站

位于遠(yuǎn)方控制樓內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)接收顯示管理終端上傳的蓄電池參數(shù)信息，方便運(yùn)行人員遠(yuǎn)程監(jiān)控蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，蓄電池監(jiān)測(cè)工作站將發(fā)出告警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行檢查處理。該工作站亦可放置于設(shè)備室現(xiàn)場(chǎng)，亦可將蓄電池參數(shù)通過網(wǎng)線或光線傳送至遠(yuǎn)方工控機(jī)處。

2.3創(chuàng)新點(diǎn)

（1）每臺(tái)蓄電池配置單獨(dú)的傳感器，簡(jiǎn)化了接線，解決了接線復(fù)雜而導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)及誤報(bào)警的情況

（2）用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)取代RS232可使傳輸距離由十幾米增加至幾百米上千米，同時(shí)進(jìn)一步提升了抗干擾能力

（3）運(yùn)用RS232/485轉(zhuǎn)換器，將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)或PC的通信連接，通過蓄電池監(jiān)測(cè)工作站中的軟件實(shí)時(shí)讀取傳輸信息并對(duì)異常參數(shù)發(fā)出告警信號(hào)

（4）對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸(大于100米)，單用網(wǎng)線已無法滿足要求時(shí)，可利用光貓實(shí)現(xiàn)網(wǎng)線與光纖之間的通信轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步延長(zhǎng)傳輸距離。

2.4蓄電池傳感器通訊協(xié)議

2.4.1通訊接口

通信接口波特率的典型值為9600b/s，表征數(shù)據(jù)傳輸速率;包含8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，其中停止位用以標(biāo)志數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束;傳感器地址可在0-254取值，一般而言默認(rèn)地址為1。

2.4.2命令格式

當(dāng)需要測(cè)量電壓等參數(shù)時(shí)，蓄電池監(jiān)測(cè)工作站將發(fā)送給傳感器相應(yīng)的命令。其中，字節(jié)1表示傳感器的地址，字節(jié)2表示蓄電池監(jiān)測(cè)工作站發(fā)送給傳感器的指令，字節(jié)3表示校驗(yàn)和。常用指令主要包括:測(cè)量電壓、溫度、阻抗值并存儲(chǔ)測(cè)量值，傳送存儲(chǔ)的電壓、溫度、阻抗值，指派ID、軟重啟等?？偩€上*多可連接254個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)254節(jié)蓄電池。對(duì)于110V蓄電池組，以每節(jié)蓄電池2．25V計(jì)算，則僅需取其中的52個(gè)模塊進(jìn)行連接即可。

2.4.3返回?cái)?shù)據(jù)格式

蓄電池傳感器模塊接收到正確指令后，將返回給請(qǐng)求端相應(yīng)的數(shù)據(jù)。每一個(gè)傳感器單元傳送的任何響應(yīng)均包含4個(gè)字節(jié)，其中，字節(jié)1代表傳感器的地址，字節(jié)4代表對(duì)字節(jié)1和字節(jié)2進(jìn)行’逐位XOR’生成校驗(yàn)和;數(shù)據(jù)A采用big-endian格式;數(shù)據(jù)B采用格式little-endian格式。數(shù)據(jù)格式為IEEE754無符號(hào)半浮點(diǎn)型，取值范圍為0-255.9375。

表1傳感器返回?cái)?shù)據(jù)格式

2.4.4蓄電池參數(shù)的數(shù)據(jù)算法

IEEE754無符號(hào)半浮點(diǎn)型如表2所示。其中，F(xiàn)lag為整體標(biāo)志，取0表示數(shù)據(jù)包包含測(cè)量信息;取1表示數(shù)據(jù)包包含狀態(tài)信息;Exp表示4個(gè)指數(shù)位;Man表示11個(gè)尾數(shù)位。

表2無符號(hào)半浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)格式

設(shè)指數(shù)為Exp，蓄電池電壓為U，則當(dāng)1＜Exp＜14時(shí)，有算法公式:U=2(Exp－7)*(1+Man/211)若指數(shù)超出該范圍，數(shù)據(jù)將溢出或報(bào)錯(cuò)。例如，設(shè)數(shù)據(jù)A為0x42(十六進(jìn)制)，數(shù)據(jù)B為0x02(十六進(jìn)制)，將數(shù)據(jù)A和B轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制得:標(biāo)志位為0，說明數(shù)據(jù)包包含測(cè)量信息，指數(shù)為1000，尾數(shù)為00100000010。代入公式得:U=2(8－7)*［1+(1*29+1*21)/211］≈2.50V即傳感器測(cè)得的電壓值為2．50V，并將該值返回給蓄電池監(jiān)測(cè)工作站。

2.5蓄電池監(jiān)測(cè)工作站的工作原理

傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232/485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成工控機(jī)或者PC能夠讀取的數(shù)據(jù)，并通過預(yù)裝在蓄電池監(jiān)測(cè)工作站的應(yīng)用程序?qū)π铍姵貐?shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，如果該數(shù)據(jù)超出正常范圍，則工作站將發(fā)出告警，提醒運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查。

2.6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2.6.1應(yīng)用實(shí)例

目前，該蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在部分換流站和變電站得到了應(yīng)用，從應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)在參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性上有明顯提升，裝置誤報(bào)警的情況明顯下降;受限于施工條件，蓄電池?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸效果仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.6.2經(jīng)濟(jì)效益

該裝置應(yīng)用于換流站(變電站)的蓄電池系統(tǒng)中，一方面提升了蓄電池的運(yùn)維水平，另一方面，也避免了蓄電池故障甚至燒毀而引發(fā)事故，避免了由此而帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，從長(zhǎng)期看，該裝置可為電力生產(chǎn)提供較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3安科瑞AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理系統(tǒng)

3.1平臺(tái)組成

安科瑞電氣緊跟數(shù)據(jù)中心能效、資源利用率和可用性，提高運(yùn)維效率并降低運(yùn)維成本。

AcrelEMS數(shù)據(jù)中心的能源管理提供quan方位的監(jiān)測(cè)和控制，主要分為電力監(jiān)控、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）、蓄電池監(jiān)控、精密配電監(jiān)控、智能母線監(jiān)控、智能照明、消防相關(guān)的子系統(tǒng)。

3.2平臺(tái)拓?fù)鋱D

3.3蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補(bǔ)充，用于提供更長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)急電源，以便在柴油發(fā)電機(jī)組無法提供電力時(shí)，為數(shù)據(jù)中心提供電力支持。

3.3.2蓄電池組分類

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的要求和預(yù)算來選擇適合的蓄電池類型。

3.3.3蓄電池組一次接線圖

數(shù)據(jù)中心中的蓄電池通常采用一定數(shù)量的電池串聯(lián)組成電池組，并通過電線連接到UPS電源系統(tǒng)中。接線應(yīng)遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運(yùn)行和使用壽命。當(dāng)主電源發(fā)生故障或停電時(shí)，UPS電源系統(tǒng)將自動(dòng)切換到蓄電池備用電源狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。蓄電池組一次系統(tǒng)圖如圖所示。

圖蓄電池組一次接線圖

3.3.4蓄電池組監(jiān)控需求及主要設(shè)備選型

蓄電池組在數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以確保其正常工作和延長(zhǎng)使用壽命。以下是蓄電池組監(jiān)控的一些常見需求：

電池組狀態(tài)監(jiān)測(cè)：包括電壓、電流、溫度、容量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)了解電池組的運(yùn)行狀況。

電池組剩余壽命預(yù)測(cè)：通過監(jiān)測(cè)電池組的工作狀態(tài)和壽命指標(biāo)，預(yù)測(cè)電池組的剩余壽命，提前進(jìn)行維護(hù)和更換，避免電池組失效導(dǎo)致UPS電源系統(tǒng)失效。

自動(dòng)測(cè)試和巡檢：定期對(duì)電池組進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和巡檢，以發(fā)現(xiàn)潛在的故障和異常情況，及時(shí)處理。

報(bào)警和預(yù)警功能：當(dāng)電池組發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，通過報(bào)警和預(yù)警的方式通知運(yùn)維人員及時(shí)處理，避免事故的發(fā)生。

數(shù)據(jù)分析和記錄：通過對(duì)電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運(yùn)行情況，為優(yōu)化管理和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

蓄電池監(jiān)測(cè)主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

4產(chǎn)品選型

5小結(jié)

隨著換流站(變電站)自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)蓄電池設(shè)備監(jiān)視的要求也越來越高，通過改進(jìn)和優(yōu)化蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效提升了參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性，解決了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸及監(jiān)視的問題，為換流站(變電站)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版

[4] 葛萃輝，林錦峰.換流站(變電站)蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

作者簡(jiǎn)介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。