閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳加健 李 昊 俞 威

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司建德市供電公司，浙江杭州 311600）

0 引言

變電站一般使用串聯(lián)閥控鉛酸蓄電池組作為后備電源，因此單節(jié)蓄電池的失效可能會(huì)影響整個(gè)電池組的可靠性。電池容量是蓄電池的重要指標(biāo)，目前蓄電池容量一般使用恒流放電法進(jìn)行測(cè)試[1]。然而，在蓄電池組投入運(yùn)行后，用恒流放電法檢測(cè)蓄電池容量的工作量很大，而且要求蓄電池退出運(yùn)行狀態(tài)，這嚴(yán)重影響了變電站的正常運(yùn)行[2]。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)蓄電池認(rèn)識(shí)的不斷深入，蓄電池內(nèi)阻在蓄電池容量上的評(píng)估價(jià)值逐漸得到人們的重視。內(nèi)阻的大小能在一定程度上反映蓄電池的容量和電能輸出能力。盡管許多研究指出，蓄電池的內(nèi)阻值并不能直接反映電池的剩余容量，但內(nèi)阻明顯的變化還是可以在一定程度上反映蓄電池性能的劣化[3]。IEEE在其關(guān)于蓄電池維護(hù)的推薦性指標(biāo)中，也把蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量作為重要維護(hù)手段。因此，對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)評(píng)估蓄電池的工作狀態(tài)有著重要價(jià)值[4]。

此外，目前變電站蓄電池充電模塊充電采用恒流模式，當(dāng)單個(gè)蓄電池內(nèi)阻出現(xiàn)變化時(shí)，充電模塊不能減小充電電流，仍然根據(jù)設(shè)定電流進(jìn)行充電，這樣易造成性能下降的蓄電池脫水，發(fā)生過(guò)充外殼鼓包現(xiàn)象，還可能造成過(guò)熱起火燃燒。日常蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能下降的蓄電池。但變電站蓄電池?cái)?shù)量多則數(shù)百只，少則十?dāng)?shù)只，采用傳統(tǒng)便攜式蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)儀器，依靠運(yùn)維人員人工檢測(cè)工作量很大，且容易造成疏漏。

交流注入法是指將蓄電池視作有源電阻，并在蓄電池兩端注入50 mA、1 000 Hz的交流電流，經(jīng)整流、濾波和采樣后確定蓄電池電壓值，并經(jīng)計(jì)算后得到蓄電池電阻值[5]。交流注入法能有效測(cè)量不同容量蓄電池的電阻，且不受電池極化的影響。此外，該方法的測(cè)量耗時(shí)僅在100 ms左右，耗時(shí)極短，不會(huì)對(duì)蓄電池造成損傷，且能多次進(jìn)行測(cè)量，并支持在線測(cè)量。ARM具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，且具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，是嵌入式開(kāi)發(fā)的重要工具。本研究基于ARM設(shè)計(jì)閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)蓄電池內(nèi)阻的突變進(jìn)行實(shí)時(shí)上報(bào)，能實(shí)時(shí)有效發(fā)現(xiàn)性能下降的蓄電池，確保變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置的設(shè)計(jì)

閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)裝置是基于交流信號(hào)注入法設(shè)計(jì)。其工作原理是采集終端由ARM控制DDS信號(hào)模塊產(chǎn)生1 kHz信號(hào)送入增益放大器，ARM控制DAC芯片輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)放大器的增益，輸出符合幅值要求的信號(hào)，送到推挽功率放大電路進(jìn)行功率放大，經(jīng)過(guò)隔離放大器后輸出加到被試品兩端。采集終端保存特性參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，運(yùn)檢人員可通過(guò)手持終端讀取每節(jié)蓄電池的特性參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集器采用基于DDS數(shù)字信號(hào)源設(shè)計(jì)的變頻電源，ARM控制DDS器內(nèi)部生成數(shù)字頻率合成信號(hào)，經(jīng)過(guò)DAC芯片程控變頻源的輸出幅值，電流源最大輸出1 A，開(kāi)口電壓5 V，采用阻容集成傳感器采集輸出電流，通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償，具有抗干擾能力強(qiáng)、輸出電流大、穩(wěn)定度高、頻率分辨率高、諧波小、數(shù)字化控制等優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)邏輯功能的區(qū)別，將本裝置分為主控模塊、母線直流電流檢測(cè)模塊、合成信號(hào)輸出調(diào)理模塊和電源模塊。

1.2 主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的核心，主要由ARM 芯片LPC11U6X/JBD48和外部電路構(gòu)成，通過(guò)串口和時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)外部蓄電池組的采樣、放電控制、串口通信等功能，如圖2所示。

1.3 母線直流電流檢測(cè)模塊

母線直流電流檢測(cè)模塊以運(yùn)放為核心，由電阻R3、R6等構(gòu)成放大電路，再經(jīng)電阻R4、R5、R7、R8和電容C12濾波后，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流檢測(cè)的功能，如圖3所示。

圖3 母線直流電流檢測(cè)模塊電路原理圖

1.4 合成信號(hào)輸出調(diào)理模塊

合成信號(hào)輸出調(diào)理模塊主要負(fù)責(zé)濾波、限幅等，使信號(hào)能適應(yīng)后續(xù)測(cè)試要求，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 合成信號(hào)輸出調(diào)理模塊電路原理圖

1.5 電源模塊

電源模塊承擔(dān)著主控模塊的供電功能，其原理圖如圖5所示。

圖5 電源模塊電路原理圖

2 閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置的應(yīng)用

該閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)裝置主要包括數(shù)據(jù)采集器和手持終端，如圖6所示。

圖6 閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)裝置

建德市供電公司下涯變電站對(duì)閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置進(jìn)行了測(cè)試，完成了對(duì)該變電站蓄電池的內(nèi)阻特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 下涯變電站蓄電池內(nèi)阻測(cè)試表

測(cè)試結(jié)果表明，本方法能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，為技術(shù)人員通過(guò)內(nèi)阻來(lái)評(píng)估蓄電池工作狀態(tài)提供參考。

3 結(jié)束語(yǔ)

為提高變電站蓄電池的管理效率，基于交流信號(hào)注入法設(shè)計(jì)閥控式蓄電池直流內(nèi)阻特性在線監(jiān)測(cè)采集裝置來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池內(nèi)阻，并在建德市供電公司下涯變電站對(duì)該裝置進(jìn)行了應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明，本裝置能很好地監(jiān)測(cè)蓄電池電阻的變化，對(duì)技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握變電站蓄電池工作狀態(tài)有著重要作用。