饋線自動化終端后備電源可用性快速檢測

毛君龍，徐丙垠，陳文鋼，趙艷雷

(山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000 )

閥控式鉛酸(VRLA)電池作為饋線自動化終端(FTU)的后備電源，起著儲存電能、維持FTU正常運行的作用[1]。FTU采用的VRLA電池組，具有電壓穩定和密封性好等優點。在實際生產過程中，若FTU設備的庫存時間較長，會造成電池電量虧損、電壓下降，進而出現后備電池組過放電到截止電壓的情況。如何快速、準確地檢測出長期擱置的FTU后備電池組中是否存在失效電池，是研究的重點。目前，國內外對VRLA電池的研究，集中在壽命的預測及日常維護等方面，而電池可用性的快速檢測，是困擾設備廠家的一個問題。

本文作者搭建電池組可用性快速檢測系統，對組裝的電池組進行測試，獲得并分析實驗數據，得到可靠的結果判定，幫助企業和用戶對電池性能進行快速評估和區分。

1 VRLA電池電壓檢測分析

1.1 VRLA電池工作原理與失效原因

VRLA電池主要由外殼、隔板、電解液槽、槽接點、安全閥、極板和電解液等組成，二氧化鉛(PbO2)和鉛(Pb)分別作為正、負極活性物質，稀硫酸(H2SO4)作為電解液。

FTU在倉庫中長期處于閑置狀態，后備電池組端電壓下降的主要原因是自放電[2]。在此過程中，會出現正負極材料從極片上脫落、極板被電解液腐蝕和電池殼體滲水等現象，進一步加速電池的放電與老化，甚至可能導致電池組完全損壞。這就需要通過相應方法對電池組的可用性進行檢測。

1.2 FTU后備鉛酸電池組檢測判定

目前對后備電池組可用性的檢測，只是對比電池組的端電壓與系統設定的電壓閾值。若高于閾值，判定電池組可用；反之，則判定電池組失效。這就經常出現完好的電池組因長期閑置而導致電能過少和電壓過低，在FTU設備上電時產生錯誤判斷，誤報故障，進而將好的電池組誤判為失效電池組的問題。在實際使用時，較低的端電壓并不意味著該電池組已失效或損壞，部分電池可通過充電再次激活，重新使用。有必要在設備上電時，通過對電池組進行短時間的充放電，采集數據進行分析處理，來對長期未啟用或放置過久鉛酸電池組的可用性進行快速檢測，避免誤判。

2 電池可用性快速檢測系統

2.1 檢測系統方案與策略

實驗選取大量同一批次長期閑置(閑置時間16個月)在倉庫中的BT-12M7.0AT型FTU后備電池組(泉州產，批號P26M1014S09)，對其中的失效電池單體以及完好的電池單體進行編號分類，并重新組裝電池組，其中部分不含失效電池單體，部分含有數量不等的失效電池單體。搭建電池組可用性快速檢測系統，對組裝的電池組進行測試，分析結果，從而進一步完善檢測系統，提高檢測的精度與速度。

FTU后備鉛酸電池檢測系統采用STM32型32位系列微控制器單片機(深圳產)，配合16位高速模數轉換器(ADC，深圳產)采集芯片。被測電池的電壓最高可達54 V，而ADC模塊最高只可處理5 V的電壓信號，需進行分壓，以實現對電壓的實時測量。在電池正、負極兩側并聯電路，通過電阻分壓，等比例調整，即可獲得電池兩端的實際電壓。

采集過程中，將實時采集的數據同步存入安全數字(SD)卡中，其中安全數字輸入輸出接口(SDIO)的控制代碼可設置為直接存儲器訪問(DMA)傳輸模式或輪詢模式，實驗時裝置使用DMA傳輸模式，提高數據傳輸效率。

實驗數據系統采集過程如圖1所示。

圖1 電池可用性快速檢測系統數據采集圖

首先對電池組進行短時充電，利用內部分壓電路將分壓數據傳遞給模數轉換電路。模擬信號轉換為數字信號，一般分為采樣、保持、量化和編碼等4個步驟。用ADS1115模數轉換器(深圳產，16位高精度)采集電壓數據，每100 ms采樣一次，充電時間為1 min，共計采樣600個點，實現電壓數據的實時采集和處理。考慮到配電終端設備FTU運行過程中會產生具有高頻震蕩、周期性等特點的干擾信號，在采集數據的過程中對數據進行實時濾波。將采集的數據生成相應的曲線，利用巴特沃斯低通濾波器對曲線進行處理，使曲線看起來更直觀、立體，避免因數據誤差產生錯誤判斷。

電池可用性快速檢測系統檢測策略表如表1所示。

表1 電池可用性快速檢測系統檢測策略表

2.2 檢測系統數據預處理

在實時采集電池端電壓數據的過程中，影響數據采樣精度的因素有：①互感器轉換精度的限制；②內部電磁噪聲的影響；③ADC參考電源的電壓精度。實驗時，通過對數據進行預濾波處理，提高采樣數據的準確性，減小信號的波動。鑒于干擾信號具有高頻震蕩、周期性的特點，選用遞推平均濾波對所采集的實時數據進行預濾波處理。

數據處理過程中，取數據隊列長度M=12，將連續采樣的電壓、電流數據依次存入隊列中，按照先進先出的原則，更新隊列數據，對隊列數據求取算數平均值，從而得到濾波后的電池端電壓數據，以削弱配電終端設備FTU的高頻振蕩及周期性干擾對互感器采樣的影響。

以電池端電壓為例，將連續采樣的12組端電壓信號存入E[12]數組中，即任意t時刻的電池端電壓為：

E[t]=(E[0]+…+E[11])/12

(1)

下一次采樣時，E[12]數組整體向左位移一位，即此前的E[0]舍棄，E[1]左移為E[0]，以此類推依次左移，最后一位E[12]存入采樣，此時采樣的電壓值為E[t]。濾波后的電池端電壓、電流數據更準確，排除了數據采集過程中可能因噪聲而造成的電池端電壓的瞬時激變，提高了數據的精度和準確性，也排除了數據采集過程中可能出現的偶然性。

3 數據處理與分析

3.1 巴特沃斯低通濾波器處理實驗數據

對含有1只失效電池的FTU后備VRLA電池組進行檢測，利用電池檢測系統進行短時充電，并采集電壓數據，將采集的數據點(電壓值)繪制成一條曲線，如圖2所示。

圖2 電池組端電壓數據實時采集圖

從圖2可知，采集到的數據點有很大的噪聲，為了方便處理與分析，需要進行濾波。根據傅里葉變換理論可知，采集到的數字信號會存在噪聲干擾，表現為頻域中的高次諧波比重增加，致使時域信號的曲線不平滑、有毛刺，高次諧波的比重太大，還會嚴重干擾原本的時域信號。針對該問題，實驗在設計巴特沃斯低通濾波器時，對采集的數據進行降噪處理，且根據原始信號的特性，選擇濾波器參數N與Ωc[3]。只要求出了N與Ωc，就可求出濾波器的系統函數Ha(s)。

以軟件巴特沃斯低通濾波器為例，圖2數據為1 min采集的600個采樣點。采樣頻率為10 Hz，取N為5，得到巴特沃斯低通濾波器為：

(2)

式(2)中：p為歸一化參數；Ga(p)為模擬系統的歸一化系統函數。

為使濾波后的曲線更加平滑，令截止頻率為0.1 Hz，去歸一化后，得到巴特沃斯低通濾波器系統函數為：

(3)

式(3)中：s為拉氏變換中的復變量。

為進一步提升數字離散信號的濾波效果，采用雙線性變換法對由巴特沃斯濾波得到的歸一化函數進行處理。令：

(4)

式(4)中：T為采樣周期；z為Z變換的復變量。

令T=2s，代入式(3)，得到Ha(z)。經過巴特沃斯低通濾波器后的信號，如圖3所示。

從圖3可知，經過濾波后的電池組端電壓曲線，基本消除了噪聲，整體較為平滑。

圖3 巴特沃斯低通濾波器濾波后的電池組電壓

之后，分別對不含失效單體、含1只失效單體、含2只失效單體及含3只失效單體的FTU后備VRLA電池組進行短時充電，并獲得相應的電池電壓曲線，結果如圖4所示。

圖4 含不同失效單體的FTU后備鉛酸電池組的電壓

從圖4可知，含有失效單體的電池組，在第80個取樣點附近發生一個明顯的電壓躍變，之后，電池端電壓會緩慢上升，由于充電時間較短(1 min)，躍變后的端電壓變化量較小。不含失效單體的電池組，充電曲線平滑，不會出現端電壓躍變的情況，且端電壓的變化量也較小。

為進一步驗證實驗結論，隨機選取含有2只失效單體的電池組與不含失效單體的電池組進行對照實驗，結果見圖5。

圖5 含不同失效單體的電池組的電壓

從圖5可知，含有失效單體的電池組在前100個取樣點內有明顯的電壓躍變，而不含失效單體的電池組，充電電壓曲線平滑。對電池組進行短時充電，若在所采集到的前100個點內端電壓發生了約4～7 V的躍變，即U100-U0≥4 V(U100為第100個點的端電壓，U0為起始端電壓)，所得曲線會有一個階躍函數似的明顯躍變，但在躍變后變化平緩。這是由于失效后的電池近似一個大電阻，在充電時，失效電池會迅速達到滿電狀態，則此時判斷該電池組中存在1只失效電池。以此類推，當含2只失效單體時，端電壓會有8～14 V的躍變；當含3只失效單體時，端電壓會有15～20 V的躍變；若不含失效單體，端電壓曲線為一條平滑的曲線，不會躍變。

電池可用性快速檢測系統檢測結果統計表見表2。

表2 電池可用性快速檢測系統檢測結果

3.2 小波變換進行結果分析判定

由實驗數據處理結果可知，可利用躍變量檢測方法，根據端電壓曲線的躍變情況判定電池組的失效單體數量。目前躍變量檢測的方法有數學求導、奇異值分解(SVD)及小波變換等方法。數學求導的誤差較大，檢測速度較慢；SVD存在運算量大、計算時間慢等問題。小波變換具有運算速度快，理論基礎完善，可檢測非平穩信號及更好地觀察信號的局部特性等優點，得到廣泛的應用[4]。引入小波變換分析數據，并對濾波后的電壓躍變量進行檢測。

對任意信號f(x)∈L2(R)，小波變換為：

(5)

式(5)中：a、b分別為尺度參數及伸縮參數；x為時間序列；φ(x)為基本小波；wf為連續小波變換或者是小波變換；L2(R)為平方可積空間；φa(x)為db4小波(一種基本小波)。

為檢測電池端電壓的變化時刻，需要確定端電壓信號的躍變點。端電壓信號的躍變點即為小波變換的模極大值點，可通過小波分解來確定。假設原始信號θ(x)是低通光滑函數，積分為1，無窮時極限為0，則一階導數為：

(6)

(7)

(8)

信號f(x)在尺度a上的小波變換為：

wf(a,x)=f(x)×φa(x)

(9)

wf(a，x)就是在尺度a下信號平滑后的一階導數，wf(a，x)模極大值點對應電池端電壓信號的躍變點。

經過小波變換后的檢測結果如圖6所示。

圖6 小波變換躍變量檢測結果

從圖6可知，可用小波變換在各個尺度上的模極大值點，代表電池端電壓信號的躍變點，來獲得準確的結果判定，排除偶然性。利用電池端電壓幅值躍變量對該組電池中失效單體的數量進行可靠判斷，可提高檢修的工作效率。

4 結論

在無需停電的狀態下，電池可用性快速檢測系統可對電池組進行短時充電，實時采集和存儲端電壓數據，及時捕獲電池組的電壓躍變。對數據進行濾波處理后，引入小波變換對端電壓曲線進行躍變量檢測分析，可根據電池組端電壓躍變的幅值大小，對電池組中可用電池及故障電池的數量進行分析判斷。利用小波變換進行躍變量檢測，可提高檢測精度和系統工作效率，避免因誤判而造成可用電池的浪費。