一拖多在線式節能型蓄電池組遠程運維系統

陳明剛

(貴州電網有限責任公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554000)

0 引言

電力系統的通信是電網的“神經網絡”，承載著安全監控、繼電保護、自動控制、調度信息、售電信息以及行政通信等諸多信息的傳遞任務，尤其在國家大力發展智能電網的今天，對電力系統通信設備的可靠性要求更高，而通信設備電源是保證自動化信息傳輸通道暢通的基礎。通信設備電源主要使用市電轉48 V直流，還會用到一至多組后備蓄電池，用于突發事件的應急處理。

對電力系統中通信設備的后備蓄電池組狀態進行檢測與管理運維，傳統的方法要耗費大量人力、物力、能耗，仍難以保證時效性。基于當前熱門的物聯網、云技術，對現場多蓄電池組進行遠程的實時監測，既保證了數據獲取的及時性，還節省大量的人力、物力；利用實際負載對蓄電池組進行全在線的放電核容，可以有效節省能耗，避免人力現場接線的人身傷害風險；使用智能三段式充電技術給電池組充電，使電池組充電更飽，而不會損壞電池；采用RS 485通信，一組單體采集模塊采集單節電池的電壓、電阻、溫度參數，再由匯集模塊收集，匯集模塊之間串聯通信，最終實現對多個蓄電池組的檢測，還包括對蓄電池組端電壓、電流采集，容量計算，并結合大數據預判蓄電池組的續航時間，使蓄電池組的管理、運維工作變得簡單安全、穩定高效。

1 系統概述

一拖多在線式節能型蓄電池組遠程運維系統使用了物聯網技術、云技術及全在線技術，利用實際負載對電池組分別進行放電容量測試，充電時使用智能三段式充電技術即恒流、恒壓、涓流讓電池組充飽。再結合單節電池的電壓采集，達到對電壓落后電池進行精準定位的目的。通過在線均衡技術，將整組蓄電池中單節蓄電池進行均衡維護，實現將所有單體蓄電池之間的電壓均衡，提高了蓄電池的可用率。以及在線對蓄電池進行除硫養護修復工作，對已經硫化的單體電池可以起到漸進除硫的效果，延長蓄電池使用年限。在軟件后臺方面，可以根據不用的應用場景要求，進行大數據集成，篩選有效的后備電源數據，為通信電源系統的運行維護管理提供強大的數據支撐，使電源系統管理更加透明、安全、穩定、經濟。

2 系統組成

一拖多在線式節能型蓄電池組遠程運維系統組成如圖1所示，各部分組成介紹如下。

圖1 一拖多在線式節能型蓄電池組遠程運維系統組成

(1) 單體采集模塊。該模塊負責對電池組中每節電池單體的信息進行采集，包括對單體電壓、單體內阻、單體極柱溫度、組端電壓、充放電電流等各項參數進行實時采集監控，并充當充放電線路。

(2) 匯集模塊。該模塊把各組蓄電池單體采集模塊采集到的數據匯集上傳到主機，并且各個匯集模塊串聯連接，支持多達10組蓄電池的數據采集與匯總。

(3) BTS主機。該主機對采集到的電池信息進行數據處理，進行本地存儲，并基于GPRS把數據上傳到云平臺服務器。根據各應用場景，可以遠程設置不同的組端電壓低閾值、組端電壓恢復值、標稱容量、放電電流、單體上限電壓、單體下限電壓等參數。后臺軟件采用瀏覽器/服務器模式（Browser/Server，B/S）架構，使用者無需安裝客戶端、終端或移動設備直接通過Web瀏覽器進行訪問或操作。B/S架構直接放在廣域網上，通過不同的訪問權限對相關授權內容進行訪問。

(4) 云平臺服務器、專有數據庫。該模塊用來存儲全國各地安裝的電池組監控信息，并安裝數據智能管理軟件，在終端可隨時隨地查看信息與手動設置。

3 系統工作原理

3.1 系統各模塊功能

系統結構原理如圖2所示，各模塊單元的功能如下：

圖2 系統結構原理

(1) 單體模塊105A/105B配有編號1～24的單體；各個單體采集到的數據由匯集模塊106A/106B收集；匯集模塊106B與106A通過網線制的RS 485通信方式串聯，更多蓄電池組時，其對應的匯集模塊依次串聯在匯集模塊106B的后面；匯集模塊106A與主機內蓄電池監測單元107連接；蓄電池監測單元107負責檢測各節電池的電壓、內阻、極柱溫度，和各個蓄電池組的端電壓，并計算續航時間。

(2) MCU主控單元108，本電路模塊以MCU單元的系統程序指令為控制模式，以控制所有與其相連及相關的所有外圍電路或模塊，其工作電源電路為109。

(3) 充放電單元110內部多路通道都集成有大功率二極管，當被測蓄電池組進行在線測試工作狀態時，其大功率二極管連接于蓄電池組與通信電源設備之間，保證被測的蓄電池組始終處于安全在線狀態。各路通道大功率二極管的負極接BATC1+或BATC2+端，即通信系統電源的正極端；正極接BATD1+或BATD2+端，即該路通道的蓄電池組正極端。內部集成等電位連接安全控制電路，在完成被測蓄電池組放電測試結束后，以及自動完成在線限流充電后，進行等電位安全連接恢復被測蓄電池組至在線正常工作。

3.2 系統充放電核容原理

系統充放電核容原理如圖3所示。充放電單元內部集成蓄電池組在線測試切換開關K01，K02，KM1，KM2，KMC；其 中K01，K02，KM1，KM2為常閉接觸器，KMC為常開接觸器。默認情況下，K01，K02，KM1，KM2閉合，KMC斷開，各個蓄電池組104A，104B等都處于與通信系統103通信用電48 V等電位連接狀態。當K01，KM1斷開，KMC閉合的時候，蓄電池組104A進入在線測試回路狀態，當被測蓄電池組104A測試完畢，三段式限流充電結束后，K01，KM1閉合，KMC斷開，蓄電池組104A將恢復到默認的等電位在線連接狀態；當K02，KM2斷開，KMC閉合的時候，蓄電池組104B進入在線測試回路狀態，當被測蓄電池組104B測試完畢，三段式限流充電結束后，K02，KM2閉合，KMC斷開，蓄電池組104B將恢復到默認的等電位在線連接狀態。

圖3 系統充放電核容原理

更多的蓄電池組104N，按蓄電池組104A，104B的邏輯依次進行在線回路測試、放電核容、三段式充電。

(1) 蓄電池組104A放電過程。充放電單元110對蓄電池組104A的在線升壓放電過程如下，在MCU主控單元108的控制下，充放電單元110內K01，KM1斷開，同時KMC閉合，蓄電池組104A進入在線測試回路狀態。MCU主控單元108控制充放電單元110中的高頻DC/DC升壓模塊工作，高頻DC/DC升壓模塊起到隔離變壓的作用，此時充放電單元110工作在升壓模式。MCU主控單元108根據BATD1端電池放電測試電流，MCU主控單元108會的驅動控制電路會實時控制調整高頻DC/DC升壓模塊的驅動PWM脈寬，從而實現蓄電池組104A達到220的升壓。當所升的電壓小幅度超過48V通信電源的電壓時，蓄電池組104A將實現對用電負載通信系統103進行放電。放電電流大小取決于用電負載通信系統103和MCU主控單元108所設定的預放電電流大小。隨著放電過程的進行，蓄電池組104A的端電壓持續下降，MCU主控單元108的驅動控制電路具備硬件電流環路和電壓環路監測能力，能動態實時調整驅動PWM脈寬參數，使整個升壓放電安全可控，最終完成整個深度在線節能放電的過程。

(2) 蓄電池組104A充電過程。當在線升壓放電過程結束后，蓄電池組104A的端電壓與48 V通信電源相比低很多。需要通過充放電單元110的限流充電電路對蓄電池組104A進行充電，避免直接將虧電的蓄電池組104A直接并接到通信系統103的48 V通信電源，而造成的大電流沖擊。其限流充電過程如下：保持K01，KM1閉合，KMC斷開，MCU主控單元108驅動控制關閉高頻DC/DC升壓模塊的PWM脈沖。然后再驅動控制啟動高頻DC/DC穩壓充電模塊的PWM脈沖，并實時調整脈沖寬度大小，此時，充放電單元110工作在BUCK降壓電路的模式，通信系統103的48V電源將通過充放電單元110對蓄電池組104A進行三段式充電。先是恒流充電，等到蓄電池組104A的端電壓接近通信系統103的48 V端電壓時，恒流充電電流將逐漸下降，當下降到所設定的閥值時，MCU主控單元108驅動控制K01，KM1閉合，然后關閉高頻DC/DC穩壓充電模塊的PWM脈寬，最后斷開KMC。使蓄電池組104A恢復到等電位在線連接狀態，這樣就完成了一個蓄電池組的節能充放電測試過程。

以上蓄電池104A的放電與充電過程完成后，MCU主控單元就開始邏輯控制蓄電池組104B的放電與充電過程，按此依次進行更多蓄電池組104N的放電與充電過程。整個過程都由MCU主控單元108控制，充放電單元110被控制而自動完成實現。這樣就達到了無人值守自動維護、測試蓄電池組的目的。

4 系統應用

在全國數十省市運用了此系統，該系統可以方便地查看電池組電壓、整流器電壓、電池組電流、各節電池的電壓、各節電池的溫度在充放電核容過程中的數據、曲線，同時以柱狀圖展示各節電池在不同時間點的電壓、溫度、剩余容量等信息，蓄電池組所有的歷史充放電核容數據都可以進行電子表格輸出及打印。

5 結束語

一拖多在線式節能型蓄電池組遠程運維系統對初裝電池和質保到期前輕松進行精確容量測試，不合格電池供應商按要求免費更換(不合格電池為容量不達標電池)，后期測試能準確剔除性能落后電池，避免單個電池性能落后導致的電池組整體報廢情況，有效地延長電池組使用壽命，減少購買電池的費用。該系統提供大數據分析，用客觀數據甄別好壞電池產品。電池平臺可實現對集中監控、電池維護管理數據進行大數據分析，給今后的人員規劃、基礎建設提供了準確的數據支撐，便于合理化管理。