蓄电池运行监测与诊断系统

　　引言
　　
　　直流系统是发电厂、变电站中十分重要的配套系统，其关键部分蓄电池组是在故障或无交流电情况下使用的。蓄电池组发生故障后，如果人工维护，由于蓄电池数量多，情况各异，维护工作量大，许多因素无法判断，将直接影响故障处理的准确和及时。因此，平时对蓄电池组运行的自动监测、故障诊断及其早期发现就显得十分必要，如能实时地提供蓄电池组的各种数据，当发生故障时便能及时报警。
　　
　　1技术原理
　　
　　蓄电池运行监测与诊断系统可实现蓄电池组基本参数（单个蓄电池电压、充放电电流、工作温度、总电压）的实时在线监测与报警。对蓄电池组剩余电荷量的估计、早期故障诊断和健康排序是其关键的创新技术。
　　
　　蓄电池的电化学过程比较复杂，其影响因素较多。100多年来，蓄电池电化学基本上是一门实验性学科。因此，要准确估计蓄电池组剩余电荷量和蓄电池故障诊断、健康排序都是相当复杂的过程，两者之间又有密切关系。这就需要：对各种类型和厂家的蓄电池进行试验，采集蓄电池所有外部基本参数在一段时间内的实际运行数据，进行统计、排序、分析、比较；结合各种类型和厂家的蓄电池的物理化学特性及一致性的差异，蓄电池额定容量、输出电压及蓄电池内部温度、内阻、环境温度等参数的动态变化率，蓄电池组在充放电时的电压电流变化特性[1]，经过反复试验和总结，提出蓄电池一些平均的特性规律；利用模糊统计理论、智能化技术、神经网络技术，根据需要分别推算出一个剩余电荷量估计的数学模型以及对蓄电池健康状况（SOR）和故障状态进行诊断排序的数学模型；再参照蓄电池专家、维护人员长期使用蓄电池而总结出的一些实用规则和经验以及历史档案信息建立的数据库，从而实现对蓄电池组剩余电荷量做出估计和故障诊断、健康排序。
　　
　　一般情况下，为了组合一组蓄电池，在其投入运行前要进行性能测试和分组优选，尽量提高每一个蓄电池的电压、容量、内阻等出厂参数的一致性[2]，以保证电荷量估计、故障诊断、健康排序的准确性。
　　
　　本系统首先根据蓄电池的zui长使用寿命、已使用时间、类型、额定容量以及单个蓄电池的参数特性与蓄电池组的平均参数特性之间的差异，对初始电荷量进行修正，再根据采集不同时间的温度值、充放电电流值、单个蓄电池电压值、蓄电池组总电压值，记录充放电时间，计算电池内阻[3]，并定时采集长期处在浮充电状态下的以上参数值等，通过依据上述原理整合出的数学模型进行计算和判断，依据充放电过程的电荷量累计数值，从而对蓄电池组的电荷量进行估计。
　　
　　蓄电池运行的SOR和故障诊断是通过相应的数学模型进行分析计算，再结合数据库内容的比较得到的。排序和诊断按SOR值进行。SOR值越大，说明蓄电池健康程度越高；反之，健康程度越差，说明蓄电池有故障。
　　
　　深圳某变电站使用美国豹牌6V／200A·h铅酸蓄电池，每组36只，zui长使用寿命20年，已使用2年。通过实地考察和咨询，这组蓄电池的基本特性较好，主要表现在各个蓄电池的电压变化较为一致，充放电时各个蓄电池状况也较为一致，没有出现因负载的缓慢变化引起电压、电流突变的现象。由于蓄电池安装环境较好，温度变化不大，平时基本上都处在浮充状态，但也会有不定期的合闸或拉闸作业，有瞬间放电过程。利用该系统对该组蓄电池进行连续10h核对性充放电实验和不定期瞬间放电实验，来验证该系统的准确性。
　　
　　具体实现过程是：首先，进行初始参数的设定，主要有蓄电池额定容量、使用寿命、已使用年数等；然后，在放电过程中，不定时采集一组蓄电池组总电压、放电电流、温度和单个蓄电池电压的数据，记录5h放电的整个过程并形成必要的变化曲线。
　　
　　表1为某蓄电池组放电过程中的部分数据。用同样方法，记录5h充电的整个过程并形成必要的变化曲线。表2为该蓄电池组在充电过程中的部分数据。　　
　　通过数学模型对这些参数和曲线的统计、计算、分析、判断，再与数据库内容比较，对整个蓄电池组的剩余电荷量做出估计，并且根据充放电过程实时增加或减少。对每个蓄电池进行健康排序和故障诊断，以SOR值告知。该系统中SOR值分为1，2，3，4，5，共5个。其中：1，2为有故障的蓄电池，可报警；3为故障早期状态蓄电池；4，5为健康蓄电池。健康排序则按SOR值的大小顺序显示在屏幕上。
　　
　　2软硬件设计
　　
　　根据发电厂、变电站的实际情况和所使用蓄电池的种类及其容量，采用并联非直接连接法对蓄电池组的各种数据进行采集，也就是利用传感技术和光电耦合技术采集各种数据，以保证用户系统的安全，同时也是为了保证在安装过程中不影响用户系统的正常工作。系统的功能框图如图1所示。
　　　　该系统主要由单片机87C552及其时钟复位电路、程序和数据存储器、RS-232接口电路、12C总线驱动的显示键盘和时间存储器电路、采集电路等组成。
　　
　　硬件的系统部分基本上是常用的5l系列单片机的系统电路，这些电路构成了一个基本的软件运行环境。由于87C552带有A／D转换，因此对蓄电池模拟量的采集电路就比较简单。
　　
　　蓄电池组总电压和充放电电流的采集均使用霍尔元件，经运算放大器电路，送入87C552的A／D端口。
　　
　　单元蓄电池电压的采集由光电耦合电路进行线性耦合输出，经多路模拟开关的选择后，进行A／D转换。
　　
　　温度信号的采集使用温度传感eSAD590，经运算放大器电路进行A/D转换。
　　
　　2.2软件设计
　　
　　主控制程序如图3所示。　　
　　主控程序一个循环程序，首*行硬件初始化，随即进入对状态的搜索，根据不同的程序状态（变量），以中断形式进入相应程序模块处理。
　　
　　整个系统软件程序全部采用C语言编写，按不同功能模块化分成不同的程序模块，这种编程方法使得功能明确，程序清晰，便于维护和增加功能。
　　
　　3结语
　　
　　本文从蓄电池的特性出发，根据使用环境的变化，运用实验数据统计原理对蓄电池运行监控和诊断系统进行了分析与论述。尤其是剩余电荷量估计和故障诊断系统，技术，并有创新，倍受用户青睐。该系统已由北京承天冀科技有限公司投入批量生产，并在东北、河北、河南等地的发电厂、变电站使用。实践证明，该系统的运行是可靠、稳定的，对蓄电池组的监测与诊断也是有效的，因而具有广阔的发展前景。