變電站蓄電池遠程監測智能系統設計

,,

(1.國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

變電站蓄電池遠程監測智能系統設計

徐滿清1,聶壤2,趙嵐1

(1.國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

介紹了一種穩定可靠的變電站蓄電池遠程智能監測系統，該系統可以實現蓄電池實時、在線、智能監測，同時提供Web Server供遠程主機以及本地人機界面(觸摸屏)實時瀏覽蓄電池數據，并以GSM短信服務的方式將信息發送給責任人，以便在蓄電池劣化早期及時發現并替換，保障整個變電站蓄電池組的安全運行。

蓄電池；智能監測系統；人機界面；短信服務

1 引言

隨著智能電網的向前推進，越來越多的變電站實現了無人值守，而變電站的安全運行對于電力系統尤為重要，值守人員撤離后，安全監視的需求就顯得十分強烈。作為擔負著控制、保護電路和自動裝置等二次負荷電源任務的直流系統，其可靠性將直接影響變電站的正常運行。此時蓄電池成為直流系統最后一道防線，其在變電站發生事故后，所取的作用尤為重要。

現今采用的VRLA(閥控式密封鉛酸 )蓄電池具有全密封、不漏酸等特點，而且在充放電的過程中不會像老式鉛酸蓄電池那樣會產生酸霧而腐蝕蓄電池，污染環境，所以廣受喜愛，在世界上廣泛使用。由于其維護是不加酸、不加水的，有的商家將其定義為“免維護”電池，而實際上由于電池的材料、生產工藝，活性物的結構以及運行狀態等方面的影響，電池的運行存在著許多的安全隱患。故對變電站蓄電池組的在線監測對保障電池的正常工作、電力系統的可靠運行，推動電力生產智能化有著重要的作用。

2 系統硬件設計

本檢測系統實現了對蓄電池的電壓、電流、內阻、溫度以及剩余容量的實時在線檢測，將實時數據上傳到ARM上位機，實現觸摸屏的現場顯示，并將警報信息通過GSM短信服務送到相關責任人，同時通過INTERNET網絡服務供遠方終端瀏覽并控制。系統的總體結構框圖如圖1。

系統硬件設計主要包括三個部分：數據采集系統、ARM嵌入式計算機系統和監測終端系統。數據采集系統將采集到的信息通過RS485總線傳送到嵌入式計算機系統中進行計算處理并保存至特定的空間，供監測終端系統(由觸摸屏、遠程瀏覽終端和責任人短信終端組成)查詢并監測。

2.1數據采集系統

數據采集系統主要以C8051F060單片機為核心，外接信號采集板卡實現對兩組蓄電池各18只12V(每只電池是6個2V/200Ah電池串聯)的數據(包括蓄電池組工作電壓、單體電池電壓、單體電池電流、電池組溫度等)采集。

圖1 系統總體結構框圖

本系統采用二次放電法實現對蓄電池的內阻測量，該方法通過兩次對蓄電池放電的電壓、電流測量，經Ohm定律計算出電池內阻[1]。通過先小電流后大電流可以消除測量中由于電流過大而引起的誤差問題。通過對內阻的在線監測，可實現對電池剩余容量的預測，精確度高。其關系曲線成反比例，即在內阻的增大的同時，剩余容量在減少。通過定量分析對比，即可得到剩余容量的值。

其硬件模塊如圖2所示。8通道模擬輸入主要講采集板采集到的電池電流、電壓、溫度等信號輸入給單片機的12位AD轉換模塊使用。片選信號線實現采集單個電池電壓和通過電壓信號時，利用其24個IO線來選擇MAX306芯片的通道選通信號。信號采集卡采集的信號通過C8051F060單片機進行采樣，獲取信息后單片機通過RS485線送入ARM嵌入式計算機系統。

圖2 數據采集系統結構框圖

2.2 ARM嵌入式計算機系統

本系統構建了基于ARM9硬件平臺嵌入式Linux的軟件開發平臺，主要實現了將C8051F060傳輸的數據通過串口獲取，并存儲到嵌入式系統的CF卡中，同時提供網絡服務功能供本地觸摸屏和遠程瀏覽終端實時在線監測、動態刷新和數據下載。在此同時，還提供GSM服務，在電池出現故障時通過自動發送短信給責任人，以方便實時監測和維修。

采用RISC(精簡指令集計算機)結構的ARM處理器具有體積小、能耗低、成本低、性能高等特點，同時支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能夠兼容8位/16位器件。而Linux系統由于其增減功能簡單、處理速度快、設備獨立性高、可移植性強、網絡功能豐富等特點，被廣泛運用于系統開發應用。

2.3監測終端系統

監測終端系統主要由觸摸屏、遠程瀏覽終端和責任人短信終端組成。具體模塊如下：

(1)觸摸屏：觸摸屏采用三菱公司生產的GOT940觸摸屏，用來顯示內存中存儲的信息，并將觸摸屏的設置信息保存到SD卡中。其主要功能有：蓄電池信息查詢、系統報警設置、報警及報警查詢、管理級別設定等。

(2)遠程瀏覽終端：主要用于遠程調度室查詢電池系統的信息并持續刷新電池的狀態顯示，實現實時監測。只要是能提供IE瀏覽器的任何計算機都可以作為網絡終端，硬件要求低，能動態刷新并查詢蓄電池組的實時信息。

(3)責任人短信終端：用于在電池故障初期就及時通知責任人，通過GSM無線網絡服務技術向責任人發送電池故障短信，讓負責人實時的了解電池的狀態。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包括讀取信號采集模塊，ARM和單片機通信模塊，ARM和觸摸屏通信模塊，以及動態刷新網頁任務和GSM發送短信服務。

3.1讀取信號采集模塊

通過對蓄電池單體電壓、放電電流、浮充電壓以及溫度等原始量的測量，系統采用定時方式，在設定的時間內進行多次重復采樣并持續記錄數據，保證了數據的實時性和單片機的運行效率。其讀取信號采集模塊的流程圖如圖3所示，系統在開始后進行初始化設計然后打開定時器，判斷是否到達指定時間，然后采用兩次放電對電池進行內阻測量，繼電器1為小電流放電，繼電器2為大電流放電，大電流放電電流不能過大，一般為10A左右。

3.2 ARM和單片機通信模塊

由slave程序完成ARM和單片機的通信，其主要要完成的功能有：內存資源的初始化、巡檢命令的發出、數據的接收、接收數據的處理、網頁和觸摸屏的顯示以及數據的存儲等。

在本系統中，通信主要采用ARM為主，單片機為從，ARM發送命令而單片機接收并響應命令。其都用RS232通信，中間部分采用RS485通信，接頭位置采用RS232轉RS485的專用芯片連接起來。主端發送*usual或者*disch命令分別用來控制從端分別采樣單體電池和兩次放電采樣。其流程圖如圖4所示。

圖3 讀取信號采集模塊流程圖

3.3 ARM和觸摸屏通信模塊

觸摸屏用于設置各個參數的數值，還可以設置系統的時間和網絡的IP。觸摸屏初始化設置內存資源后，在運行時顯示數據并更新數據存入SD卡中。當觸摸屏與ARM相連后，通信協議的設置簡易，兩者之間的通信為交互式，觸摸屏動態顯示更新數據。其主界面如圖5所示。

3.4動態刷新網頁任務

Boa服務器是運行于Linux下，支持CGI(客戶端與服務器接口)適合于嵌入式的HTTP服務器。Boa服務器處理用戶請求并返回數據給瀏覽器[2]。Web Server在傳輸信息時，在調用存儲在服務器里面的CGI(公共網關接口)程序后，可以實現動態訪問服務器。瀏覽器把這些信息傳送到服務器的CGI目錄下特定的cgi程序中，然后cgi程序在服務器上按照預定的方法進行處理并通過HTML(超文本標記語言 )所見即所得軟件做出的網頁顯示出來。利用ASP(動態服務器頁面)技術實現頁面數據的動態刷新。

圖4 ARM和單片機的通信模塊流程圖

圖5 主界面顯示

3.5 GSM發送短信服務

GSM模塊通過串口與ARM連接，處理器通過串口發送接收AT命令和GSM模塊形成通信回路，通過PDU模式實現短信的發送。過程如下：首先實現GB2321編碼到Unicode編碼的轉換，然后將Unicode編碼轉換為PDU的16bit編碼并發送，最后形成標準的發送包發送[3]。

4 系統運行效果分析

該系統已經在宜昌的部分變電站開始投入使用，局域網內的用戶均可以方便地隨時查看變電站蓄電池的運行工況，及時發現潛在的故障隱患，為做到設備的預控、在控，保證設備的安全運行提供了有力的技術支持。

下面是近期測的一組數據，取兩組電池中的一組數據進行分析，由圖6可以發現經過一段時間的運行，編號為10的電池的內阻大于其他編號電池的內阻，顯示的容量也只有75%左右，這時候發現其存在輕微漏液現象，更換編號為10的電池后，內阻和容量顯示正常。在容量低于80%時，系統就會報警，并發送提示短信給責任人，實現了蓄電池的實時在線監測。

圖6 實驗測試數據

本系統創新點：用ARM處理器控制單片機對蓄電池組進行在線監測，并自動保存數據以及提示報警功能，特別是GSM短信服務通知負責人，能使負責人在第一時間掌握蓄電池組的工作運行狀態，保障了蓄電池組乃至整個變電站的安全運行。

[1] 施保華，封帆.基于S3C2440的蓄電池遠程在線監測系統[J].微計算機信息，2009.

[2] 孫輝，陸松年.基于Linux和S3c2410嵌入式Web Server的研究與發現[J].計算機應用與軟件，2007.

[3] 苗雨.基于GSM模塊實現短信發送[J].計算機工程應用技術，2008.

2013-09-29

徐滿清，國網宜昌供電公司檢修公司變電運維工區；

聶壤，三峽大學電氣與新能源學院(研究生);

趙嵐,國網宜昌供電公司檢修公司變電運維工區。

TheDesignoftheRomoteIntelligentMonitoringSystemofSubstationStorageBetteries

XUMan-qing1,NIERang2,ZHAOLan1

(1.Yizhang Power Supply Company,State Grid,Yichang 4430002,China;2.Electrical and New Energy College,Sanxia University,Yichang 443002,China)

This article introduces a stable and reliable remote intelligent monitoring system of substation storage batteries,which can not only provide real-time,on-line and intelligent monitor on substation storage battery,but which can also provide and even test the data in the GSM short message service way of the Web Server to the remote host as well as the local human-computer interface(touchscreen) to the principal.It can make sure the degraded storage battery be found out and changed in time,which guarantees the secure running of transformer substation storage battery.

storage battery,intelligent monitoring system,human-computer interface,short message service

1004-289X(2013)06-0028-04

TM912

B