山西电网通信电源蓄电池在线监测系统.doc

山西电网
通信电源蓄电池在线监测系统

技
术
方
案

杭州高特电子设备有限公司
2011年11月

目录
1 项目背景 1
1.1 系统建设意义 1
1.2 系统建设目标 2
2 总体方案 3
2.1 系统网络结构 3
2.2 系统功能结构 3
3 系统组成 5
3.1 系统主机 5
3.2 蓄电池监护模块 5
3.3 恒流放电模块 5
4 系统功能 6
4.1 功能特点 6
4.2 系统功能描述 7
5 系统技术特点 10
5.1 整体功能 10
5.2 全面的蓄电池维护 10
5.3 灵活性与可扩展性 11
5.4 可靠性与安全性 11
5.5 系统经济效益 11
6 系统管理分析软件 11

1 项目背景
山西省全省通信电源系统现有1000多个站点，已能够满足贵局的日常运作、生产，但是由于没有完善的监控管理系统，使得变电站变得分散，难以管理。在变电站中，蓄电池作为备用电源在系统中起着极其重要的作用，面对随时会因交流市电或其他事故状态，蓄电池是负荷的唯一能源供给者，一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。所以建立统一的、实时的智能变电站蓄电池在线监测管理系统组网是保证系统运行安全的首选。
目前各个行业广泛使用到的阀控式铅酸蓄电池（VRLA）俗称“免维护”蓄电池，它的应用大大减少了开口式铅酸蓄电池繁琐复杂的维护工作，然而，其“免维护”的优点，正是运行管理的缺点和难点。除了正常的使用寿命周期外，由于电池本身的质量如材料、结构、工艺的缺陷及使用不当等问题导致一些蓄电池早期失效的现象时有发生。所谓“免维护”仅仅指无需加水、加酸、换液等维护，而日常维护仍是必不可少的，开口式铅酸蓄电池运行检测维护方法已不再适用于阀控式铅酸蓄电池，这就对蓄电池测试设备提出了新的要求。因此在提高蓄电池性能、减少维护工作量的同时，如何快捷有效地检测出早期失效电池、预测蓄电池性能变化趋势已成为蓄电池运行管理的重中之重，这对无人值守变电站、通信机房中尤为重要。
1.1 系统建设意义
Ø 为蓄电池组现场维护方法提供了最为全面、综合的解决方案，为贵公司后续开展蓄电池组监测维护标准的建立提供了参考依据。
Ø 通过智能变电站蓄电池在线监测管理系统的实施，为巡检人员提供了一个能够随时随地获取蓄电池组的运行状态的强大工具，以往只能通过看、听、摸或通过万用表逐个测量电压的手段来对蓄电池状况进行感观判断，现在则可以随时查阅电池的电压、电流、均差（电池离散度）、温度等，必要时还可以通过动态放电测试蓄电池组的内阻数据，有效了解蓄电池运行状况。
Ø 安装在现场的恒流负载模块（220KV以上变电站）可直接进行远程核对性容量测试，省略了以往核容试验时烦琐的接线工作（约1～2个工时），不仅降低了工作人员的劳动强度，同时大大的提高了工作效率和工作安全性。
Ø 把连续的、相互关联的各种蓄电池信息（浮充电压、核对性放电测试数据、充电曲线等），通过概率统计学、模糊数学和人工神经网络等数学方法，形成了完整的、综合的电池失效数学分析模型，提前预知电池性能和失效状态。
Ø 通过内部均衡回路，对失效电池进行定期活化，调整整组电池一致性，增加电池使用寿命。
随着系统的长期运用可逐渐将平时工作中蓄电池定期检修转变为状态检修、主动检修，降低检修风险和检修成本，为提高蓄电池的日常维护做好准备。
1.2 系统建设目标
（1）实现各蓄电池组的智能网络化集中监控与管理：
n 蓄电池维护与管理的智能化、信息化、网络化；
n 为蓄电池的维护工作带来良好的管理监测手段；
n 实现了省局、市局相关部门对蓄电池运行状况的及时掌握，便于采取维护措施；
n 采用先进的检测技术，采集精度高；同时，实现蓄电池测试过程中的自动化，节约人力物力；
n 建立良好蓄电池的运行维护机制，同时对蓄电池的性能健康状态进行及时诊断，以发现蓄电池劣化、失效的趋势。
（2）蓄电池失效判断数学模型的建立
n 蓄电池失效判断数学模型将给蓄电池维护带来新的高效的维护手段，大大节约维护时间；
n 维护人员能预知蓄电池性能的变化趋势，提前作出维护处理，从而能够避免重大事故的发生，为电力系统的安全运行提供有效的管理手段。
（3）建立多元化的蓄电池维护方案
n 为蓄电池维护人员带来丰富的维护手段，从不同角度判断蓄电池的性能；
n 为提前判断蓄电池终止寿命和蓄电池的更换提供科学依据。

2 总体方案
2.1 系统网络结构

图 系统网络连接拓扑图
2.2 系统功能结构
本次通信电源智能蓄电池组监测系统主要分为变电站现场监测层，传输网络层，市局应用平台，省局应用平台，通过四个层面上的功能开发和集成，完成对用户通信电源蓄电池监控以及实现山西省省局对各市局数据的实时查询分析的实际需求。
Ø 现场监测层：
主要实现蓄电池组在线监测设备数据的采集，整理，分析，各类在线监测系统采用总线式的分层分布式结构，这种结构有良好的抗干扰性、可扩展性和整体性能。在线监测设备主要实现被监测设备信息参数的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能。
Ø 传输网络层：
传统变电站设备信息数据采集，大都采用独立数据网络通信通道，或现场采用RTU方式，设备数据先由现场RTU进行数据解释，然后再由RTU整合其他设备信息后利用同一网络通道实现数据远程传输，最后由计算机软件提取各类设备信息，进行独立的数据发布。
而在本系统中采用的控制主机自带通讯协议，可以直接进行数据的传输，控制主机将在线自动监测到的单体电池电压，电池组端电压，充放电电流，温度等各项参数，实时显示数据并存贮，同时将电池信息通过以太网传输实时上传数据到远程监控计算机，通过配套的管理分析软件对数据进行分析，并进行WEB发布。
Ø 市局应用平台：
市局应用平台包括【数据采集分析平台】和【数据发布应用平台】。
服务器数据采集分析平台通过配套数据采集软件通过以太网发送通讯命令，服务器采集平台接收和处理回送的设备运行状态信息数据，进行数据规约解释、分析，并将处理后的设备信息数据送入实时数据库。
数据发布应用平台对存入数据库的各类设备数据提供详细的分类处理、WEB查询、监测管理等功能，实现分析数据的处理、显示和WEB发布，等待信息处理单元查询，或供其它系统调用，并提供故障报警和友好的人机交互管理界面。工程维护人员和专业技术人员通过客户端IE浏览器即可查看各直流电源系统各设备的实时运行状态和历史运行数据，实现对设备状态的网络化远程监测管理。
Ø 省局应用平台：
省局应用平台可通过WEB访问的形式对各市局的数据进行查询和分析。

3 系统组成
3.1 系统主机
构架：数据处理器 + 下行串口通道 + 大屏幕LCD全中文显示器 + 上行串口通道。下行串口通道通过RS485向下访问各蓄电池监测模块，进行数据（电压、电流、内阻）采集，同时对模块进行管理。数据处理器对数据进行解压、存储管理、数值计算、性能分析及报警处理，处理后的数据一部分送往LCD显示屏进行显示，另一部分由上行串口通道发送至协议处理器进行处理。

图： 监控主机
3.2 蓄电池监护模块
采集模块组：由蓄电池组监护模块组成，紧凑合理，各模块前后采用隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。每一个模块可对27节电池进行电压采集，可连接一路电流传感器和一路温度传感器，电压采集模块之间及与监控主机之间采用RS485连接。

3.3 恒流放电模块
本次通信电源220KV以上的变电站需实现远程放电功能，故配备恒流放电模块，以0.1C10放电电流核对性放电，测试电池容量。采用强制风冷的方式，无明火，安全可靠，出现单体电池电压低于设定值，放电时间、容量到达设定值，交流失电等情况之一，设备自动停止放电。

4 系统功能
4.1 功能特点
本系统集电池测量、电子、计算机控制等多项技术的综合成果。具有如下特点：
（1） 系统组成：监控主机、蓄电池组监护模块、放电模块、服务器。
（2） 在线自动监测单体电池的内阻、电压，蓄电池组组端电压、充放电电流和温度，数据采集快速准确，可记录蓄电池充放电过程每一瞬间的变化，保证对蓄电池性能的准确判别。
（3） 远程核对性放电，测量蓄电池组容量，放电过程各项参数、曲线全程显示。
（4） 采用“四线制”内阻测试法，准确可靠。
（5） 可在线实现对单体电池电压均衡调节功能，对单体电池进行充放电活化维护，延长蓄电池的使用寿命。
（6） 放电保护：出现单体电池电压低于设定值，放电时间、容量到达设定值，交流失电等情况之一，设备自动停止放电。
（7） 多种故障报警功能：内阻超限、电压超限、温度超限、电压均差值超限等，报警阀值自由设定。
（8） 自动存储报警信息及单体电池内阻、电压、充放电电流、温度、核对性放电数据等。
（9） 系统具有自检功能，当系统出现故障时，除给出故障信号报警提示外，不影响直流系统的正常运行，保证系统的可靠性。
（10） 支持多种程序升级方式：远程升级、现场USB升级等。
（11） 模块化构架，组合模式灵活，可满足对任意数量蓄电池监控的要求。
（12） 设备安装、调试、维护简便，各蓄电池组监护模块前后采用隔离技术，安全性、可靠性程度高。
（13） 具有多种通讯方式：LAN、RS232、RS485等，以适合不同系统的通讯要求。
（14） 配备完善的计算机管理分析监控软件，具有强大的数据处理功能，采用先进的蓄电池专家诊断数学模型，对蓄电池的多项测量结果进行综合计算分析，准确判别蓄电池性能。
（15） 实时数据查询功能、历史数据查询功能、报警数据查询功能、运行参数设置功能。
（16） 用户可自由设定月报、季报、年报时间间隔。输出报表格式包括：数据表格方式（分类显示电压、内阻）、曲线方式、柱状图方式等。
4.2 系统功能描述
1) 在线监测功能
系统通过现场设备实现对单体电池电压、内阻、核对性容量测试值、电池组组端电压、充、放电电流、环境温度等各项数据的采集。现场或后台同时显示、超标报警、存贮及后台通讯。实现在线自动监测每节电池电压，电池组端电压、充放电电流、环境温度等各项参数,实时存储数据。
2) 蓄电池内阻在线测试
独有的四线制方式在线测试电池内阻，保证了测量精度，减少了人工测试的误差。

四线制方式：即对同一节蓄电池，采用电压采样线（2根）与放电线（2根）分开的方式，从而避免了放电过程中因电流较大产生的线压降影响到内阻测试的精度。测试过程在线、自动进行，无需脱离系统，测试周期自由可设。
由于在VRLA蓄电池组监护模块电路中采用了软硬件的滤波措施，可有效的滤除充电机纹波对内阻测试的影响，保证了蓄电池在线内阻测试的准确性、一致性和重复性。
3) 蓄电池在线均衡维护功能
均衡技术采用间歇式优先充电的双闭环控制模型，内部采用固态开关而非触点继电器，无拉弧、无明火、寿命长。每个模块分散并联安装在每节蓄电池上，实现长期在线动态均衡，利用开关电源技术，以能量转移方式将高电压电池的电量转移到低电压电池，电量转移是双向并行进行，即任何一节高电压电池的电量，都可以同时并行转移到任何一节低电压电池，从而达到电池电压均衡。原理如下图：

电压均衡维护的原理
4) 蓄电池组容量测试功能
系统通过现场配置的专用放电模块，采用行业标准DL/T 724－2000，对蓄电池进行0.1C10核对性放电，测试电池组的实际容量。同时该模块可实现对电池电压动态放电测量每节电池负载能力，瞬间判断电池特性。
5) 蓄电池失效判断数学模型判断电池性能变化趋势
大量的电池运行数据统计表明，电池电压的变化与电池性能变化有相关性。
经验告诉我们，随着电池使用时间的增加，电池性能不断劣化，电池容量不断下降，而此时电池电压的离散性也会变得愈来愈大。这是不容置疑的，也是有理论依据的。找出其中规律，并以一种可用的数学模型表达，即可成为可用的电池测试分析手段。
基于以上经验，我们对大量的电池组运行数据进行了长时间的跟踪分析，证明了这一规律的存在，并在此基础上我们建立了分析的数学模型。
电池失效数学模型的判定依据有以下几点：
1) 伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的电池电压离散度将逐步变大；
2) 伴随着电池性能的劣化，该电池相对于整组电池的电池电压离散度将逐步变大；
3) 伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的内阻值将逐步变大；
4) 伴随着电池性能的劣化，该电池的充放电曲线电压之差相对于电池组其它电池的值将逐步变大。
显然，面对不断采集到的大量电池电压数据，要快速分析这些数据，理出有用的信息是非常复杂的，并非可以通过简单的函数关系计算所能得到。
在电池失效分析数学模型中，我们采用了模糊数学和人工神经网络的诊断原理，以一种非线性处理方式，以某种拓扑结构对各种数据进行关联，并得出判断结论。其最大特点就是它的自适应功能，网络权值可以通过学习算法不断地调整，从而不断提高判断的精度。一般通过3-6个月的数据积累，模型即可给出分析结果，随着时间增加和测试结果的反馈，模型将不断学习改进，分析精度也会得到提高。
在本系统软件中，集成了电池失效分析数学模型，因而为电池的失效预测和电池容量估算提供了有效手段。较之现在单一的测试电导或测试电压，而相互数据没有关联，模型提供的分析更完善，更有效，更准确。

6) 完善的软件功能
现场设备将电池信息（数据）通过以太网传输方式，实时上送数据到远程监控计算机，实时监控蓄电池组的运行状态及任意时刻电池的各项参数、曲线；通过配套的管理分析软件和蓄电池失效判断数学模型对数据进行分析、处理，判断电池现有性能以及性能的变化趋势；丰富的报表服务功能，可生成Excel和Word等文档格式的报表；友好的人机交互管理界面，运行维护人员通过IE浏览器即可察看各变电站蓄电池组的实时运行信息及历史运行数据，实现对现场直流系统蓄电池组的远程在线监测管理。
7) 多种故障报警功能
电压超限、温度超限、电压均差值超限等，报警阀值自由设定；系统支持声光报警，故障报警可采用短信息提示提示用户等功能。
8) 远程核对性放电功能（选配）
通过远程核对性放电系统，减少现场接线工作，节省人力物力，大大提高作业安全。放电模块可配合远程动态放电控制器使用，在现场无人但需要远程控制放电时，后台发送放电命令给放电模块，放电模块输出电压启动远程动态放电控制器（目的在于断开控制母线HM+到蓄电池组正极的流向，但是蓄电池组正极到控制母线HM+的流向仍然接通）然后放电模块才开始启动远程放电。如果放电过程中发生控制母线失电，电池会迅速通过远程动态放电控制器给负荷供电，保证系统安全。
远程核对性放电接线示意图：

5 系统技术特点
5.1 整体功能
系统实现对各变电站直流系统设备信息的采集，分析，并通过统一发布平台进行发布。
Ø 在局域网内实现对蓄电池组数据（组端电压、各单体电压、组电流、温度、核对性放电容量数据、内阻测试等）的采集；
Ø 在线自动定期测试蓄电池内阻，可设测试周期；
Ø 蓄电池性能分析专家诊断模型具有自主知识产权并获得专利证书，通过模型诊断分析，输出各电池的容量、寿命预估，准确判断电池性能，并给出各电池的维护建议；
Ø 数据发布基于IE浏览器，采用B/S构架，支持多用户同时访问；
Ø 数据采集基于SQL SRVER数据库，采用C/S构架。
5.2 全面的蓄电池维护
u 实时以表格、曲线、柱状图等形式显示电池电压、电流、温度、容量，平均电压、内阻等；
u 实现蓄电池组就地核对性容量测试功能；
u 实现根据平时蓄电池组浮充电压、内阻、电池均差、及离散性参数建立电池组性能评判的智能分析模型，并实时分析各单体电池的性能状况；
5.3 灵活性与可扩展性
产品设计模块化，使整个系统连接非常方便，且可灵活调整、扩展，可监管不同种厂家的蓄电池。既减少了安装调试的工作量，又大大提高了系统的安全性和可靠性。
系统组合模式非常灵活，可以实现大数量电池的数据监测（如，二组240节电池组），同时由于各模块已实现同步采集，实现了电池电压采集的高速和同步。
5.4 可靠性与安全性
l 硬件系统平台具有可行的高可靠性方案；
l 具有系统冗余再备份方案；
l 应用软件具有高可靠性方案；
l 系统具有完整的数据、主机、网络、应用、管理的安全设计方案；
l 自动停止放电保护：当单节电池电压低于设定值、到达设定的放电时间或容量、交流失电等，设备自动停止放电；
l 多种故障报警功能：电压超限、温度超限、电压均差值超限等，报警值自由设定。
5.5 系统经济效益
本系统可以根据用户要求，增加采集模块和放电模块，即使增加电池数量和电池容量，而增加的费用也只是少量模块的费用，从而有效的降低了系统的投入成本，且易于系统升级改进。
6 系统管理分析软件
通过智能蓄电池组在线管理系统对电池组的各项参数进行采集，采用以太网传输手段，将数据实时上送，集中存储到远端数据接收服务器中，通过应用程序进行数据分析统计、故障报警，并提供友好的人机交互管理界面，运行维护人员通过IE浏览器即可察看各变电站蓄电池组的实时运行信息及历史运行数据，实现对现场直流系统蓄电池组的远程在线监测管理。后台管理界面举例：
（1） 系统登陆：

（2） 现场蓄电池状态信息界面：

蓄电池状态信息界面
（3） 蓄电池运行监测界面：

蓄电池运行监测界面
上图为蓄电池组实时运行状态的曲线和报表图，可以通过右边下拉菜单分别选择蓄电池组浮充电、核对性放电、内阻测试界面的信息，也可以通过左边的的选择项，分别选择电流、温度、容量、组端电压、平均电压、单体电池电压、均差电压的实时/历史曲线和柱状图，并在对应的界面打印数据表格或导出到Excel文档，便于用户分类管理和保存。

蓄电池运行监测数据表格
（4） 蓄电池充放电记录

蓄电池放电记录曲线

蓄电池放电记录表格
（5） 蓄电池内阻分析
蓄电池内阻查询可查询内阻报表和内阻的柱状图，如下图：

蓄电池内阻测试结果查询界面
（6） 蓄电池性能分析
性能分析主要显示蓄电池失效判断数学模型中的分析结果，默认显示所有电池性能棒图，可通过单选按钮显示最近一次动态放电内阻榜图，如下图：

蓄电池性能分析图

蓄电池内阻分析图
点击上图中的任一节电池棒图可链接到该节电池的历次动态放电内阻图和最近一次核对性放电电压曲线图和预估容量值。界面如下图所示：

蓄电池内阻分析与核对性放电曲线比较图
（7） 远程内阻测试控制
该动能主要用于用户手动启用远程控制内阻测试，如下图：

远程内阻测试控制界面

（8） 历史报警记录查询

蓄电池历史告警记录
（9） 相关报表输出举例

变电站蓄电池运行月报
根据DL/T 724-2000要求，每月对蓄电池组可自动生成运行月报，为电池维护提供依据。
核对性放电后，可通过如下界面查询放电曲线，并可生成WORD格式的放电报表，如下图所示：

蓄电池放电测试报告
点击下图中的“生成报表”按钮，即可生成WORD格式的放电实验报告。

蓄电池放电测试报表
7.技术服务范围和程度
7.1技术服务
（1） 服务响应时间
服务时间主要是针对设备或系统运行过程中发生故障时的响应时间。
售后服务电话响应：每周七天，每天24小时；
问题解答响应：电话由专人负责接听，对产品运行咨询和故障问题应立即给出分析和解答，并给出解决方案，对确有困难的，必须在1小时内给予明确的分析判断及解决方案的答复；
派员处理响应：对确认需要派员服务的，白天在8小时内做出响应，晚上接到电话在12小时内做出响应，并给出明确的执行计划；
故障处理时间：上门响应时间为24小时以内，48小时修复。
（2） 长期技术支持
1 本公司将长期为业主提供免费的、详细的技术支持，以确保用户及时获得所需的增值服务。
2 技术支持有以下几种形式：
1）首先拔打本公司的售后服务热线：[phone]，。然后提供以下信息：用户单位名称、联系电话、E-mail地址、需要的支持的项目和内容。
2）如果本公司的工程师能够在第一时间内找到解决的方法，会立刻给用户以详细的回答。针对客户在系统运行中出现的故障，工程师认为通过电话热线无法解决问题，就会根据客户的要求提供现场技术支持服务。现场技术支持包括故障诊断、提交解决方案、系统参数恢复、重装系统等服务。
3）用户可以通过E-mail给本公司的工程师提出技术的要求。本公司的技术支持的电子信箱是：support@china-，请在E-mail的主题一栏中注明“技术支持”。
4）如果厂家有新的产品或技术资料，本公司会通过最快的途径送达用户。
5）本公司将定期为用户举办产品使用专题技术培训及其他技术交流会议。
7.2培训服务承诺
本公司提供对业主维修、操作等有关人员的培训。通过培训使受训的业主技术人员能够对蓄电池在线监测装置及蓄电池放电装置有效地进行操作和维护。
因本公司原因导致培训不能按期完成，或原有的设计需要改变，业主有权要求重新进行培训，所有费用由本公司承担。
1、 操作培训
对用户的操作技术人员进行培训，通过培训，使受培训人员了解系统运行构成及功能，掌握蓄电池在线监测装置及蓄电池放电装置的各操作界面，能在日常和紧急情况下有效地操作和使用设备，保证设备所有的测试功能在运行过程中一直处于良好状态。因此，学员应要求是未来的设备操作人员。
2、 维护培训
对用户的设备维护技术人员进行培训，通过培训，使受培训人员能够熟悉设备的构成和技术特点，掌握设备各类状态参数，掌握系统的特点、维护重点、技术难点、维修方法，了解设备的安装、调试和其中问题的处理，直接了解工程实施过程中的实际情况等。
3、 现场培训
本公司为业主的维护、操作等有关人员安排1次集中的现场培训。该培训内容主要包括正常操作程序、一般故障修复和紧急情况下的处理方法。
现场培训由本公司人员负责。如授课时需用到常用教学设施，本公司将至少提前15天通知业主准备，而任何特殊的工具和测试设备由本公司准备。地点施工现场，培训人员由业主根据需要确定。
另外，在设备测试、调试过程中，本公司技术人员将随时对业主技术人员进行技术指导，解决技术疑问，并共享设备测试与维护经验。

通过多年的努力，本公司在变电站设备状态监测和蓄电池监测技术领域已取得领先地位，为用户提供了完备可靠的维护方案，产品已在全国范围内得到了广泛的应用，其优良的性能和完善的服务体系一直为众多用户所认同。我们相信，我们的技术、产品和服务将使用户满意和受益。

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