蓄电池在线监测系统篇（1）

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-132-02

铅酸蓄电池自发明以来由于其可以大电流放电、有较高的可逆性、电动势较高、原材料来源丰富、制造工艺简便、性价比高等特点，广泛用作启动型铅酸蓄电池、固定型铅酸蓄电池、牵引型铅酸蓄电池等。但在使用和存放过程中由于多种原因致使蓄电池使用寿命缩短甚至失效。本文针对蓄电池叉车中的牵引型铅酸蓄电池开发了一套在线监测和维护系统，可有效监控蓄电池使用状况，并提供智能维护保养策略，对于延长电池使用寿命，节约资源和降低生产成本都大有裨益。

1 影响铅酸蓄电池使用寿命的因素

1.1 充电过程

不当充电是影响电池使用寿命的重要因素。目前常用的蓄电池充电方式主要有恒流型和恒压型，其充电电流或电压和充电时间可根据蓄电池类型、使用环境等因素预先设定，但在充电过程中由于对蓄电池的状态缺乏实时监控，因此不能对充电方案进行及时调整，往往无法达到最优充电效果而影响蓄电池使用寿命。

1.2 电解液密度

目前，很多装运机械中的铅酸蓄电池长期使用同一种密度的电解液，这不利于延长蓄电池使用寿命。不同的环境温度下电解液的密度有不同的要求，冬季时，电解液密度过低既不能保证有效的电容量，又可能冻裂外壳；夏季时，电解液密度过高会加快极板的腐蚀，缩短使用寿命。

1.3 电解液液面高度

蓄电池中的电解液维持一定的水平非常重要。因为电解液不仅用来导电，而且能将产生的热量从极板转移出去。电解液液面应高于隔板顶部10～20mm，过低会使极板而不再具有电化学活性，无法正常使用，从而降低电池寿命。

1.4 电池平衡性

装运机械中大多使用单体电池串联而成的电池组，在长期使用过程中可能由于各种因素导致电池组中各个单体电池之间产生不平衡性，电池组中性能较差的单体电池相对而言具有更高的过充电，更多的水损耗，甚至严重时在使用中会形成反电池效应，限制了整组电池的充放电，影响了电池组的使用性能和使用寿命。

1.5 电池长期存放

目前，国内以牵引型铅酸蓄电池作为能源的装运机械所占比例在不断上升。这类机械设备作业任务具有阶段性特点，当一次作业任务完成后，机械设备可能会长时间放置，在此期间如果对蓄电池组没有进行规范及时的充放电等维护操作，会使负极板放电产物硫酸铅微小颗粒变硬、晶体化，逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅晶体，造成蓄电池失效。

综合以上因素，蓄电池的维护保养是一项繁琐且专业性较强的工作。蓄电池的不当维护操作，极易导致蓄电池的过早损坏，若出现蓄电池过早硫化等严重故障甚至会导致其报废。因此需要研发一套智能铅酸蓄电池维护保养管理系统，使用计算机进行集中管理，分布式控制，由计算机实时监控蓄电池组的各种信息状态并且提供智能维护保养策略。

2 蓄电池监测与维护系统

2.1 系统硬件设计

蓄电池监测与维护系统硬件主要由监控终端、监控中心和远程控制机组成，如图1所示。监控终端使用CAN总线将各个节点连接起来，CAN总线的每个末端节点为一块数据采集控制模块，负责采集电池组的各种信息参数，送给监控终端上位机以供显示、存储和控制决策，同时，接受来自上位机的决策命令，控制充电机和放电机对电池组进行智能化充放电。而监控终端上位机则接入内部局域网与监控中心相连，实时监控得到的电池信息数据通过局域网上传到监控中心数据库服务器并保存。管理人员可以通过远程控制机访问监控中心管理系统查看电池信息数据并实现对监控终端的操作，进而实现对电池充放电机的远程控制。

（1）数据采集控制模块。

数据采集控制模块使用MCU为核心单元，通过MCU自身的多路AD采集获取电池组信息。由于电池组单体电池较多，故使用总线模拟开关切换各路信息分别进行采集，以扩展采集信息接口。CAN通讯接口模块负责与监控终端机通信，上传电池组的端电压、电流、电池温度、电池液位等信息，并且接受监控终端机的控制命令对充放电机进行控制。充电机及放电机的程控接口负责MCU与充电机及放电机通讯，控制充放电机对电池组充放电，如图2所示。

（2）监控终端机。

监控终端机负责所有电池组的充放电控制以及信息显示，监控终端机上的监控软件可以实时显示电池的各种信息，并且对于问题电池给出报警定位。监控终端机监控软件可以编辑设置电池组的充放电策略以及报警参数等，同时还可将收到的电池信息参数实时存入本地数据库同时上传到监控中心数据库。

（3）监控中心机。

监控中心机主要运行智能铅酸蓄电池监控管理软件系统。该系统负责电池监测数据的存储和管理，同时提供远程控制机和监控终端机的通信平台使管理人员可以通过局域网查看实时监测数据并调整充放电策略，监控中心是整个系统的核心管理平台。

2.2 系统软件设计

本系统软件主要包扩监控终端模块的监控软件、监控中心机运行的智能铅酸蓄电池监控管理软件和数据库软件。其中核心控制软件智能监控管理系统是基于技术开发的B/S模式Web应用程序，客户端采用浏览器方式访问，所有的应用程序都建立在服务器端，因此极易维护。同时利用 Ajax控件工具包为整个系统设计了完善的监测和控制界面并提供了强大的安全认证策略和控制授权机制。

3 结束语

在我国铅酸蓄电池使用量逐年增长的同时由于维护保养不当造成了蓄电池使用效率的过早下降甚至废弃，带来了电力、能源、资源的浪费和严重的环境污染。经实验证明铅酸蓄电池监测和维护系统能够有效地监控蓄电池的各种使用参数并提供科学合理的维护保养策略，从而延长电池的使用寿命，相信它的完善和推广将带来良好的经济和社会效益。

参考文献：

蓄电池在线监测系统篇（2）

1 概述

蓄电池作为备用电源在供电系统中往往起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称阀控蓄电池）的广泛使用，加之使用环境及条件欠佳，因蓄电池提前失效而引发的事故时有发生。如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为电池运行管理的新课题。随着技术的发展，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步得到运用。

arm9-lem传感器是专门为应用于蓄电池在线监测而做的蓄电池传感器。该传感器每只模块监测一块蓄电池，模块采用四线制设计，通过与蓄电池的正负极相连实现供电和测量，然后通过rj11接口（电话线接口）实现至多254个模块的相连，经由开放的串口协议通讯实现对整个蓄电池组的监测。该传感器可以直接测量单体蓄电池的阻抗、电压和表面温度（模块贴在电池表面）等。

2 蓄电池在线监测硬件平台的构成

蓄电池在线监测系统一方面需要完成在工业现场如变电站，数据中心等场合蓄电池参数的人机交互，方便用户在现场时观测蓄电池组整体电压，电流以及各单体电池的阻抗，电压和温度；另一方面需要提供网络接口，使用户在远端如中央控制室能够及时了解现场的情况；最后需增加gsm接口，一旦发生故障，可以用发短信或者打电话的方式通知到值班人员。因此有必要设计一台现场监测主机完成以上功能，与arm9-lem传感器sentinel模块相配实现整个蓄电池在线监测系统的构建。

（1）鉴于sentinel模块的独特设计，可以直接对蓄电池阻抗进行测试，因此系统毋须安装单独的放电模块。

（2）由于sentinel模块需要通过地址来识别，该地址是8位的，以上连接最多实现254块蓄电池的连接，对现场监控提出的要求至少有带有人机交互功能，网络功能，gsm发射功能，sbus总线通讯的功能以及a/d转换接口。

3 基于arm9的蓄电池在线监测主机

主机实质上是一个带有人机交互界面的嵌入式系统。拟采用arm9+操作系统的方式，选择atmel公司的at91sam9261作为系统的主控cpu。

3.1 核心板部分设计

核心板的设计框图如图1：

说明：

（1）由于at91sam9261采用dataflash的启动的方式只能工作在温度高于0℃低于70℃的范围，一旦温度低于0℃将无法启动。为了解决这个问题，只能使arm采用外部启动即nor flash启动的方式，因此需要选择启动模式为外部启动（bms=0），以达到工业现场的温度要求。

（2）norflash存储器芯片选择amd公司的am29lv160db，其容量为4m*16bit，用于存储boot程序，小型操作系统及小型应用程序。设计时采用字对齐方式，即芯片的a0地址线对应arm芯片的a1地址线。

3.2 扩展板部分设计

扩展板的设计框图如图2：

（1） spi flash芯片用于存储蓄电池传感器采得的数据。此处将芯片的写保护脚使用arm的一个i/o口管理起来，以防上电或者掉电时修改片内的数据。

（2）gsm模块采用西门子公司的tc35i模块，与扩展接口（连向arm新片）之间通过串口进行通讯，另外使用arm的一个i/o口控制igt管脚进行模块的激活。为了保证模块与sim卡之间通讯正常，他们之间的走线距离要尽量短。

（3）网卡接口芯片采用dm9000，数据包通过它传送至以太网直至上位机软件。同时使用网络协议可以实现远程固件升级，保证主机运行最新的应用软件。

（4）由于at91sam9261提供液晶数据接口，因此可以直接与lcd实现连接。

（5）触摸屏接口芯片采用专用芯片ads7843完成。

4 整机联调

在变电站对该系统进行了实验，使用2组蓄电池，每组分别有54节2v 300ah的蓄电池：

编写测试程序在系统内运行，每隔半小时对各蓄电池模块进行一次取数，然后将信息通过调试串口打印出来。下面为某次取数得到的结果：

# 1 battery ： 2.28v 24.29 404.9 uohm

# 2 battery ： 2.24v 24.08 362.1 uohm

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# 3 battery ： 2.22v 24.29 426.1 uohm

# 4 battery ： 2.29v 24.29 350.1 uohm

# 5 battery ： 2.25v 24.29 381.8 uohm

以上每个电池的参数分别为电压、温度、阻抗。在未来的实际应用中，通过对这些参数的综合分析，可以得知每只蓄电池的健康状况；同时本实验也验证了该平台可以应用于蓄电池在线监测。

5 展望

基于arm9-lem传感器的蓄电池在线监测硬件平台不仅可以用于对蓄电池失效模型和监测算法甚至电池活化技术的研究，配套监测软件可以应用于各种需要监测蓄电池的实际场合，如电力、通信、石油、化工、铁路、煤炭等行业的直流电源系统以及ups系统的蓄电池在线监测，为蓄电池提供更安全的保护。

蓄电池在线监测系统篇（3）

1 概述

蓄电池作为备用电源在供电系统中往往起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称阀控蓄电池）的广泛使用，加之使用环境及条件欠佳，因蓄电池提前失效而引发的事故时有发生。如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为电池运行管理的新课题。随着技术的发展，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步得到运用。

ARM9-LEM传感器是专门为应用于蓄电池在线监测而做的蓄电池传感器。该传感器每只模块监测一块蓄电池，模块采用四线制设计，通过与蓄电池的正负极相连实现供电和测量，然后通过RJ11接口（电话线接口）实现至多254个模块的相连，经由开放的串口协议通讯实现对整个蓄电池组的监测。该传感器可以直接测量单体蓄电池的阻抗、电压和表面温度（模块贴在电池表面）等。

2 蓄电池在线监测硬件平台的构成

蓄电池在线监测系统一方面需要完成在工业现场如变电站，数据中心等场合蓄电池参数的人机交互，方便用户在现场时观测蓄电池组整体电压，电流以及各单体电池的阻抗，电压和温度；另一方面需要提供网络接口，使用户在远端如中央控制室能够及时了解现场的情况；最后需增加GSM接口，一旦发生故障，可以用发短信或者打电话的方式通知到值班人员。因此有必要设计一台现场监测主机完成以上功能，与ARM9-LEM传感器sentinel模块相配实现整个蓄电池在线监测系统的构建。

（1）鉴于sentinel模块的独特设计，可以直接对蓄电池阻抗进行测试，因此系统毋须安装单独的放电模块。

（2）由于sentinel模块需要通过地址来识别，该地址是8位的，以上连接最多实现254块蓄电池的连接，对现场监控提出的要求至少有带有人机交互功能，网络功能，GSM发射功能，sbus总线通讯的功能以及A/D转换接口。

3 基于ARM9的蓄电池在线监测主机

主机实质上是一个带有人机交互界面的嵌入式系统。拟采用ARM9+操作系统的方式，选择ATMEL公司的AT91SAM9261作为系统的主控CPU。

3.1 核心板部分设计

核心板的设计框图如图1：

说明：

（1）由于AT91SAM9261采用Dataflash的启动的方式只能工作在温度高于0℃低于70℃的范围，一旦温度低于0℃将无法启动。为了解决这个问题，只能使ARM采用外部启动即NOR FLASH启动的方式，因此需要选择启动模式为外部启动（BMS=0），以达到工业现场的温度要求。

（2）Norflash存储器芯片选择AMD公司的AM29LV160DB，其容量为4M*16bit，用于存储BOOT程序，小型操作系统及小型应用程序。设计时采用字对齐方式，即芯片的A0地址线对应ARM芯片的A1地址线。

3.2 扩展板部分设计

扩展板的设计框图如图2：

（1） SPI flash芯片用于存储蓄电池传感器采得的数据。此处将芯片的写保护脚使用ARM的一个I/O口管理起来，以防上电或者掉电时修改片内的数据。

（2）GSM模块采用西门子公司的TC35i模块，与扩展接口（连向ARM新片）之间通过串口进行通讯，另外使用ARM的一个I/O口控制IGT管脚进行模块的激活。为了保证模块与SIM卡之间通讯正常，他们之间的走线距离要尽量短。

（3）网卡接口芯片采用DM9000，数据包通过它传送至以太网直至上位机软件。同时使用网络协议可以实现远程固件升级，保证主机运行最新的应用软件。

（4）由于AT91SAM9261提供液晶数据接口，因此可以直接与LCD实现连接。

（5）触摸屏接口芯片采用专用芯片ADS7843完成。

4 整机联调

在变电站对该系统进行了实验，使用2组蓄电池，每组分别有54节2v 300Ah的蓄电池：

编写测试程序在系统内运行，每隔半小时对各蓄电池模块进行一次取数，然后将信息通过调试串口打印出来。下面为某次取数得到的结果：

# 1 battery ： 2.28v 24.29 404.9 uohm

# 2 battery ： 2.24v 24.08 362.1 uohm

# 3 battery ： 2.22v 24.29 426.1 uohm

# 4 battery ： 2.29v 24.29 350.1 uohm

# 5 battery ： 2.25v 24.29 381.8 uohm

以上每个电池的参数分别为电压、温度、阻抗。在未来的实际应用中，通过对这些参数的综合分析，可以得知每只蓄电池的健康状况；同时本实验也验证了该平台可以应用于蓄电池在线监测。

5 展望

基于ARM9-LEM传感器的蓄电池在线监测硬件平台不仅可以用于对蓄电池失效模型和监测算法甚至电池活化技术的研究，配套监测软件可以应用于各种需要监测蓄电池的实际场合，如电力、通信、石油、化工、铁路、煤炭等行业的直流电源系统以及UPS系统的蓄电池在线监测，为蓄电池提供更安全的保护。

蓄电池在线监测系统篇（4）

1 概述

在当前的生产生活中，为保证重要设备和应急使用时的不间断供电和可靠安全运行，蓄电池组作为交流失电或事故应急时的唯一能量供给设备已广泛应用在各行各业的大型计算机网络系统中，承担了越来越重要的紧急电力备份任务。蓄电池组作为整个直流系统的后备电源，是整个电源系统的最后一道供电保障，当交流电失电时蓄电池组一旦不能正常工作，整个直流系统将停运，会造成比较大的运行事故。

当前对于蓄电池管理和运维的技术手段比较有限，变电站多分布于比较便远的地区，且数量较多，现场巡检人员成本较高。对于蓄电池的维护，如在线核容实验要求步骤较多，一担工作人员操作失败，就会造成不可挽回的灾难。

现如今，模式识别和计算机视频为基础的视频分析技术是比较成熟的，能够做到在非人工分析的情况下准确分辨、识别以及获取重要目标的有价值信息，并且这一技术在复杂繁多的视频图像中也能够有效的运用。根据目前视频分析技术的优点，把这一技术应用于蓄电池在线监测系统。使其可以连续不断的非人工分析监控画面，及时的向监控人员反馈有价值的信息。对于现有监控系统的作用与能力，不但可以更加有效的发挥而且极容易拓展，使得智能化无人值守变电站蓄电池远程巡检变为现实。

2 相关背景研究

智能视频分析技术：智能视频分析是以计算机视觉技术为基础的，是人工智能研究领域的重要分支。这一技术可以有效的建立图像和图像描述之间的一一对应关系，故其数学映射关系能够使计算机简单有效地把复杂视频画面翻译成数字图像，然后进行处理和分析。基于计算机图像视觉分析技术的智能视频分析技术，可以将场景中背景和目标分离进而分析并追踪在摄像机场景内出现的目标。根据智能视频分析技术的原理，用户想要充分利用视频的内容分析功能，就可以在每个摄像机的场景中预先设定一种报警规则，当摄像机场景内出现的目标违反了预定义规则，系统会机械地发出报警，监控工作站自动收到报警信息并且发出警示信号，反馈给监控人员。用户可以通过查看报警信息，实现报警的场景重组并采取相关措施。

视频监控中所提到的智能视频内容分析主要指的是非人工的分析和抽取视频源中的有价值信息。假如把摄像机比喻为人的眼睛，而人的大脑就是智能视频系统或设备。智能视频技术有效的利用计算机可以高效处理数据，高速分析视频画面中的海量数据，把用户不关心的信息剪裁掉，只把监控人员所需要的有价值的信息反馈给监控人员。

智能视频分析主要目的是主动监控而不是被动监控――事前预警；实时监视的任务交给计算机完成而不是人工――事中处理；目标与事件可以在大量的视频数据中实现快速搜索――事后取证。

3 技术要求及设计

3.1 技术要求

站端硬件部署主要实现以视频智能算法的任务计算负荷，承担系统整体运行的稳定性和实时传输性。因变电站现场环境复杂，为防止事故发生需要站端系统硬件处理能力和计算能力满足视频智能算法的所需资源负荷，针对智能算法的几种数学模型类型如下。

3.1.1 单高斯背景模型法

对于室内环境和没有复杂背景的室外环境可以使用单高斯背景法。该模型的使用主要由两大步骤组成：初始化背景图像；更新背景图像。

初始化背景图像。读取一段时间内视频序列图像中每一像素的灰度值，计算其平均灰度值以及平均灰度值及像素灰度值的方差，然后构成初始背景图像的高斯分布图，如式（1）所示：

（1）

简化如下：

（2）

（3）

更新背景图像。如果场景变化的情况发生，则背景模型需要根据背景图像的变化而发生相应的变化。实时信息是由视频序列提供的，而背景模型进行更新的算法就是利用这一实时信息，如式（4）所示。可以表示时刻的背景图像和实时图像，背景更新率是固定值，可以看出当前对象对背景图像的更新速率。

Bt（x，y）=？籽Bt-1（x，y）+？籽F（x，y） （4）

3.1.2 基于区域法跟踪

模板匹配的目标跟踪算法，通过距离加权、模板更新及局部匹配的方法来提高不同光照条件及变形情况下的鲁棒性，不再采用简单的平方差度量、相关匹配度量和相关系数度量，而是采用如式（5）所示的相似性度量函数：

硬件平台的技术与设备都应当使用目前国际上比较前沿而且成熟的技术和设备，这是考虑到了网络的发展日新月异，所以硬件平台技术与设备应当使得网络环境非常开放，网络服务非常丰富，升级潜力大，扩展性好。采用主干1000Mbps的以太网作为信息传递和数据传输的媒体以及相应的网络设备、接口设备、应用服务器、工作站和计算机终端设备等。

3.2 系统设计

本系统基于原有蓄电池在线监测装置总站系统，把智能视频图像分析服务器添加在前端变电站，把报警管理平台添加在中心运行管理所。智能视频图像分析服务器不间断的检测前端变电站的视频，报警管理平台反馈报警信息给运行管理所监控人员，然后由监控人员处理报警信息和现场证据收集。这样组成的系统主要功能和实现方式如下：

变电站蓄电池室内蓄电池运行状况检测。一旦确认蓄电池出现运行故障时，如冒烟、着火、爆炸，及时报警并上传到监控中心。

在变电站现场对蓄电池进行在线实验时，一旦确认操作人员操作有误，变电站现场报警灯亮起，并触发警铃，并上传到监控中心。

远程进行蓄电池在线实验时，实验过程中一旦确认蓄电池出现运行故障，会及时报警并上传到监控中心，且将视频信息进行存储，以备事后的故障追忆和事故分析。

本系统是建立在原有的电力变电站监控系统基础上的，只需要把原有的监控摄像机信号源分出2路，智能视频分析服务器接受其中一路视频，就是以现有监控系统为基础实现迅速、平滑的升级为智能视频监控系统。

在前端变电站，摄像机把视频图像输入智能视频分析服务器，使其可以根据人工设定的规则处理视频图像，并且对设定目标完成非人工跟踪和预告报警，当发现目标违反了预先设定的规则，立刻通过电力专网发出告警信息到运行管理所。在管理所监控人员收到报警信息的方式为：视频弹出，声音提示+文字提示。在原有平台基础上，新系统可以实现实时视频浏览，同时实现了人员入侵实时报警及抓拍，使得现有系统报警的误报率和准确率较高的问题得到有效的解决，并且由于报警发生时的实时抓图所需要的存储资源较小，从而使得监控管理效率有了很大的提高。

本方案主要目的是提高变电站监控系统的智能化水平，为蓄电池在线监测提供准确可靠的报警并尽量减少漏报，并及时提供和保留报警现场证据。

3.3 系统实现

系统主要实现了以下业务功能：

前端检测规则设置：主要为报警区域、触发方式。

系统管理：设备管理、用户管理、地图管理、系统设置、布防设置。

报警视图：电子地图、报警视频、报警图片、报警类型。

报警历史信息查询：报警图片、报警视频、报警类型、报警时间。

蓄电池在线监测系统篇（5）

国内外很多学者和技术人员都针对蓄电池状态监测 、直流巡检、充电管理、提高充电效率和延长电池的寿命进行了大量的研究工作。 但这些研究都是单一实现。没有一种装置或系统来统一实现这些必要的功能。 无法满足供电公司降低检修维护工作量、实现智能状态监测维护的需求。而国外科学家针对本国变电站分布情况，大量的研究都是基于蓄电池化学性能，来提高蓄电池使用寿命。

1.传统的直流电源系统存在的问题：①基于整组电池的监测、统一由充电柜充电。每组电池数量大，不能监测到单节电池状态。②单节电池失效会引起整组电池失效，需整组更换电池，新旧电池不能共用。③长期\行导致电池间参数差异加大、长期浮充缩短蓄电池使用寿命。④分项配置直流巡检装置，不能在一套系统软件上显示直流系统所有参数。⑤国家电网18项重大技术反措要求直流系统需对交流窜入直流参数监测。目前直流巡检和蓄电池监测都不具备这项功能，需另配装置。⑥运维班组定期进行维护性活化放电、内阻检测、容量核对，投入人力多，时间长。

2.直流蓄电池最新的监测维护技术方式。①监控直流充电机运行状态、电池的单体电压、内阻、温度、控制母线电压、合闸母线电压、控制母线接地、空开跳闸检测等重要电源特性参数，通过声光报警的方式响应变电站直流电源状态的异常，通过以太网将变电站直流电源异常状态上报到监控中心。②监测各单体蓄电池的电压、总电压及温度信息；对蓄电池故障预测。③蓄电池组在线均衡系统能在线均衡每节电池，使他们工作在相同的电压、内阻、容量状态，防止因蓄电池过充或欠充而导致蓄电池组快速老化。可自动对单节电池进行均衡调整，使各节电池的性能均衡一致，延长电池组使用寿命。④对电力系统直流电源中出现的交流电窜入直流的故障原因进行汇总和分析，并对交流电窜入直流的检测技术和定位技术进行归纳，利用这些方法检测到交流电窜入直流的故障，并能准确选出故障支路，满足《国家电网十八项电网重大反事故措施》关于直流绝缘监测装置的功能要求。⑤基于单体电池的直流系统全参数采集监测与免维护系统，是直流监测及蓄电池均衡维护技术的创新整合。改变依靠人工巡检与维护的繁琐工作方式；改变监测与维护单独分项进行的现状。不仅实现直流系统全参数采集，直流状态在线监测、还实现了蓄电池在线智能维护。综合智能采集维护模块综合了直流绝缘监察、交流窜入直流监测、单体电池状态监测、在线更换、在线核容、蓄电池在线均衡维护活化功能。系统可实现远程传输、远程多种方式预警。

通过上面的介绍和比较可见，基于单体电池的直流系统全参数采集监测与免维护系统功能全面，涵盖直流监测的各项内容，节约多项设备购置成本；在线退出劣化失效电池，更换新电池，免去整组更换的巨大浪费；代替人工巡检、核容，以及相应的维护，节省人财物力； 对蓄电池组在线均衡调整活化，延长蓄电池组使用寿命。降低采购成本。此系统切合供电局运维实际需求，值得在此技术总线上深度开发与技术推广。

二、基于单体电池的全参数采集监测与免维护直流系统

针对传统直流电源系统存在的问题开展研究，对比已有的直流监测及充放电技术的优缺点，利用最新的电力电子技术及嵌入式技术，设计一种基于单体电池的全参数采集监测与免维护直流系统：包含直流巡检、交流窜入直流监测内容，开发一种在线采集、充电、放电、活化一体化分布式智能综合维护模块单元，组建直流全参数采集监测与免维护直流电源系统，替代人工实现对在线运行的直流蓄电池进行不间断、全方位的监测和在线维护。通过实时监测单体蓄电池的运行状态及直流各项运行参数，对单体电池进行自我诊断并自动进行相应的维护，利用网络实现远程遥信、遥测、遥控，数据传输至电力公司各级监控中心，通过GPRS将预警信息发送到运维人员手机。

1. 功能概述。适用于新建站与老站应用，现运行变电站可保持原直流电源系统的架构不变，加装基于单体电池的直流全参数采集监测与免维护系统，由分布式智能综合维护模块、主机、跨接装置、智能维护综合装置组成。采用模块化结构设计，方便安装更换及系统拓展。实时监测每组蓄电池的总电压、电流、环境温度、各节电池电压、各节电池内阻、容量。通过设置告警门限和越限告警，实现蓄电池故障的前期预警。实现在线均衡维护和脉冲活化维护。系统自动判断劣化电池，在线退出更换电池，进行单体核容试验。

2.主要特点。①在线实时监测和异常告警功能： 实时监测蓄电池组运行状态，组端电压、充放电电流、单体电压、单体内阻、电池负极温度、电压均衡度、电池组剩余容量、放电可持续时间。并可设定门限进行超限告警。②在线自动均衡维护功能：小电流的对整组电池进行电压均衡调节。确保自动实现单体电池的电压均衡调整，使电池单体电压保持均衡状态，有效防止个别电池因长期欠充而硫化或长期过充而失水的现象出现，同时能消除劣化电池引起的各种安全隐患。③单体蓄电池在线跨接退出功能：发现电池组中存在个别劣化电池，并无法修复需要更换时，采用跨接装置跨接在落后电池两端，将劣化电池从电池组回路中旁路出来，防止劣化电池影响其他电池，并可实现在线更换新电池。④对劣化单体蓄电池在线核容试验：整组电池容量是由电池组中容量最低的电池（劣化电池）决定的。所以只要能确定电池组中最差容量的单体电池，并对其进行单体容量试验，就能了解整组电池容量。无需离线。 通过在线监测系统自动判断出劣化电池，再进行单体恒流放电核对容量。⑤单体蓄电池在线活化养护： 蓄电池在线脉冲活化功能是系统在浮充状态下自动对性能劣化的单节电池提供正负脉冲电流进行在线活化，激活蓄电池内部电极板的结晶和硫酸的沉淀，防止蓄电池因长期浮充而导致的硫酸盐化，消除由内部引起的安全隐患。

3.工作原理。整体系统包括五部分：①数据采集维护单元：由分布式智能综合采集维护模块组成，每个采集维护模块最多可采集12节电池的电压、内阻、电流和温度，能定期进行内阻测试、能自动进行均衡维护和脉冲活化维护。②现场监控主机单元：现场监控主机主要负责全参数采集监测与免维护直流系统的现场监测显示，告警及告警门限设置、交流窜入直流监测告警、内阻手动测试、核对性放电操作、容量试验操作、容量计算、数据分析判断劣化电池、现场告警记录查询、数据现场存储、数据传输等。配置2个RS485通讯接口和1个以太W、1个GPRS通讯接口，下行接口负责接收各综合采集维护模块采集的电池数据，上行接口负责将电池参数传送到后台监控中心及运维人员手机。③数据监控中心后台：负责数据集中显示、告警、存储、分析、报表，由服务器、数据库和上位机监控分析软件组成。能进行系统设置，实时显示系统各项参数，实现故障告警和越限告警功能，能进行数据分析，绘制总电压、单体电压、充放电电流曲线图，容量柱状图、内阻趋势图、电压平衡度V趋势图等，对交流窜入直流分析，对蓄电池组健康性能和放电能力进行分析、甄别劣化电池，对蓄电池充电状态数据进行分析、计算稳流稳压精度和纹波系数，为充电机性能分析和维护提供依据。可手动或自动生成各类符合客户要求数据报表。④蓄电池在线跨接装置：在线将劣化电池进行旁路脱离电池组，防止劣化电池影响其他电池。⑤蓄电池智能维护综合装置（单体容量试验装置）：对额定电压2V的蓄电池进行10小时率恒流放电，终止电压1.8V。进而核容试验。

蓄电池在线监测系统篇（6）

在电力通信系统中，蓄电池为重要的设备之一。所以，能否加强蓄电池的维护管理，将直接关系到系统运行质量。在过去，采用传统蓄电池在线维护管理方式难以确定电池组的实际容量，所以会导致蓄电池出现未能及时充电或过充的问题，继而影响到蓄电池的使用寿命。而采用基于智能并网远程控制充放电技术的蓄电池在线维护管理系统，则能实现对蓄电池的远程在线维护管理。因此，还应加强对该系统的研究，以便更好的进行系统的应用推广。

1 智能并网远程控制充放电技术概述

在电力通信系统中，还要对蓄电池组可备用时间和容量进行检验，并定期对蓄电池开展充放电测试，以确保系统运行的可靠性。而在蓄电池在线维护管理过程中，利用智能并网远程控制充放电技术，能够使以往采用电阻箱进行蓄电池组核对性放电维护出现的电池过充或充电不及时的问题得到解决，继而实现对蓄电池高效化和智能化管理。因此在进行蓄电池在线维护管理系统的设计时，还要在系统核对性放电单元中引入并网逆变器，以便同时采用先进方法和传统方法进行蓄电池组的维护，继而使蓄电池充放电控制变得更加可靠，并且逐渐向智能化和高效化的方向发展。

2 基于智能并网远程控制充放电技术的蓄电池在线维护管理系统

2.1 系统应用需求

研究基于智能并网远程控制充放电技术的蓄电池在线维护管理系统，其实是为了使以往采用电阻箱M行蓄电池组核对性放电维护出现的电池过充或充电不及时的问题得到解决。具体来讲，就是采用智能在线维护管理系统完成蓄电池运行情况的实时监测，从而及时发现性能不佳的单节电池，然后通过远程充放电测试确定电池组实际容量，并对其可备用时间进行确认，进而使系统运行更加可靠。为满足这一需求，还要通过模块化的设计完成系统构建，以确保系统拥有完善的功能，能够实现对蓄电池的远程在线维护管理。

2.2 系统组成分析

分析系统组成可以发现，系统由主站和分站构成，主站负责进行各分站系统的统一管理，由监控工作站及系统服务器构成。通过系统主站平台，操作人员则可以对系统各项蓄电池核对性放电过程进行远程控制，从而为系统检修维护提供便利。在服务器上，需完成基于智能并网远程控制充放电技术的蓄电池在线维护管理系统的安装，监控站需完成系统客户端软件的安装，从而对系统的运行进行监控。分站系统由在线监测单元、逻辑控制单元、集控单元、在线维护单元、智能并网放电单元构成，能够对蓄电池的运行展开实时监控，并完成核对性放电过程的控制管理。在分站系统中，监测单元能够进行蓄电池运行参数的实时采集，并对在线内阻进行功能测试，并完成蓄电池的主动均衡维护；集控单元负责进行各分站数据的处理、传输和管理；并网放电单元能够实现核对性放电；逻辑单元能够进行放电维护管理。从系统硬件构成上来看，主要采用插板式结构进行硬件设备采用，以满足系统简单维护需求。在软件应用方面，为满足系统交互友好性需求，采用了图形化显示操作界面。在组网方面，系统采用IP网络实现主站与分站的连接，并采用RS232/485/TCP通信方式进行分站各单元连接，从而利用动态网络增强系统扩展性和兼容性。

2.3 系统功能分析

2.3.1 在线监测功能

对系统功能进行分析可以发现，利用系统在线监测软件和设备，能够对蓄电池组充放电情况、电压、温度和单体电池电压等参数进行采集，从而对蓄电池状态进行实时监测。利用信号变换传感器，系统就能完成蓄电池运行物理量的采集，并将得到的数据转换为电信号，然后传输给集控单元进行处理。

2.3.2 在线内阻测试功能

采用以往的在线监测系统进行蓄电池电压等参数的测量，电池组连接容易出现压降，从而导致测量误差增加。而采用在线维护管理系统，能够利用在线内组测试的方法对各节电池的电压、内阻、性能、温度、组端电压和充放电等数据进行测试，并且模块能够利用RS485与各传感器和监控主机连接，所以能够将信息及时反馈给主机，进而对蓄电池运行状态作出准确判断。

2.3.3 远程核对性放电功能

利用科学的蓄电池剩余容量模型，系统则能完成电池组容量的实时监测。而在对系统的远程核对性放电功能进行运用时，还要完成总电压、放电时间、单体电压和放电容量这四个放电终止条件的设定。一旦达到其中任一条件，系统会终止电池组放电。而在对蓄电池进行核对性放电时，系统逻辑控制单元可以通过将电池组与智能并网放电装置间的直流接触器闭合，将蓄电池组直流电转换为交流电，并输出到电网以实现放电。如果交流电网出现异常或故障，放电装置也能借助保护电路将交流输出切断，从而使放电过程得到及时终止，继而使设备得以安全运行。

2.3.4 主动均衡维护功能

系统在对蓄电池进行在线维护管理时，会根据蓄电池状态进行主动均衡维护。具体来讲，就是在蓄电池处于浮冲状态的条件下，系统会主动进行各单体电池电压的巡检，然后对电压值低于设定值的电池进行脉冲式充电。针对存在过充问题的电池，系统则会进行放电，从而使电池组保持电压均衡。而通过均衡维护，则能使每节电池保持较好的活性状态。

3 结论

通过研究可以发现，采用基于智能电网远程控制充放电技术的蓄电池在线维护管理系统，不仅能够满足电力通信的蓄电池管理需求，同时也能更好的实现蓄电池的维护管理。利用该系统，能够对蓄电池的状态进行实时监测，并通过在线内阻测试、远程核对性放电和主动均衡维护实现蓄电池的智能化维护和管理，进而使蓄电池管理存在的问题得到解决。

参考文献

[1]殷晓红，王中明，周维宇等.蓄电池智能在线维护监控管理系统在变电站中的应用[J].黑龙江电力，2015（06）：547-550.

[2]黄影，张引强，王伟等.蓄电池智能在线维护系统在电力通信系统中的应用[J].通信与信息技术，2016（05）：74-75.

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[4]王强.电力通讯电源蓄电池在线监测及系统维护的设计与实现[J].电子世界，2017（03）：179+181.

蓄电池在线监测系统篇（7）

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 22-0000-01

一、电力行业蓄电池组运行情况

在发电厂、变电站、UPS系统等多种场合，重要设备与应急使用都必须保证不间断供电。蓄电池组是交流失电或其它事故时负荷唯一的能源供给，是保证不间断供电的关键设备。但由于蓄电池特性和目前维护技术的局限，蓄电池组无法均衡充电，不能准确在线监测，个别落后电池无法活化――种种问题给蓄电池组运行构成了重大的安全隐患。

二、现蓄电池组运行中存在的一些技术缺陷

目前，阀控密封铅酸蓄电池在各个发电厂、变电站得到广泛应用。有很多人称之为“免维护电池”。其实，这完全是一种理解的错误。阀控电池的出现，是为了避免开口式电池挥发的酸气对设备、人造成的伤害，同时也为了安装、运输方便。“免维护”，只是不再人工加液而已。实际上，阀控密封铅酸蓄电池存在着很多安全隐患：如由于汇流排和板栅遭到腐蚀，造成金属路径变窄而使电池内阻增加；由于安装时电池放置水平度不够，使得极柱受力变形而导致爬酸；由于浮充电压过高，加速正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放，导致干涸；由于环境温度高，使得电池内部温度升高，导致浮充电流增加，浮充电流增加加速电池内部温升，形成恶性循环，引起热失控等等。所有这些，均严重影响到蓄电池的安全运行。

我们通常采用：一组串联的蓄电池组并接在充电机上，充电机供给蓄电池组一定的浮充电流。正是这种运行方式无法保证蓄电池的均衡充电。由于蓄电池组的端电压变化（变高或变低），而导致其它的蓄电池处于过充电或欠充电，过充电的蓄电池容量会迅速下降，欠充电的蓄电池会长期充电不足，内阻升高。

传统的蓄电池组也会采用定时均充方式，目的是对蓄电池中的性能落后的蓄电池进行补偿性充电，恢复它的容量，殊不知这种充电方式往往把蓄电池组中好的蓄电池过充了。

三、蓄电池组无法均衡充电的问题一直是电源运行的隐患

（一）常常因为蓄电池组中某节电池过充或欠充，寿命大大降低。设计寿命为十年的蓄电池组，有的使用两三年就发现容量不足，内阻增大等问题而报废。

（二）一组串联的蓄电池整组性能取决于状态最坏的那块电池。若某节电池端电压过低，容量减少，内阻增大，蓄电池组就处于危险的运行状态，不作处理电源随时可能瘫痪，引发事故。

（三）无法对落后的电池在线活化，只能做到蓄电池定期的容量核对。

四、蓄电池组在线均衡装置使用的必要性

当前电源用户对蓄电池的性能评估一般采用整组电池核对性充放电和蓄电池单体电压巡检，不可否认核对性放电是一种验证电池性能最可靠的方法，但是进行这种类型的测试工作既复杂又费钱费力。

当前浮充状态下的电压并不能真正反映蓄电池内在健康状况，通过测量蓄电池内阻来确定蓄电池的状态被证明是非常可靠的方法，因此蓄电池内阻测试已成为核对性放电测试的廉价补充或替代手段，是蓄电池维护中必备的，也是快捷有效的维护方法之一。

现在蓄电池的使用已经非常普遍，对蓄电池进行准确快速地检测及维护也日益迫切。国内外大量实践证明，电压与容量无必然相关性，电压只是反映电池的表面参数。国际电工IEEE-1188-1996为蓄电池维护制订了“定期测试蓄电池内阻预测蓄电池寿命”的标准。中国信息产业部邮电产品质量检验中心也提出了蓄电池内阻的相关规范（见YD/T799-2002）。蓄电池内阻已被公认是判断蓄电池容量状况的决定性参数。

内阻与容量的相关性是：当电池的内阻大于初始值（基值）的25%时，电池将无法通过容量测试。当电池的内阻大于初始值的2倍时，电池的容量将在其额定容量的80%以下。

蓄电池在线均衡系统，是对直流系统充电机存在弊病的有益补充，解决了长期以来的直流系统蓄电池单体之间的不均衡充电问题。

蓄电池在线均衡装置等同于为每一节电池提供一台充电机，通过先进的微机控制技术和电力技术，自动对蓄电池组中各单体电池在线均衡调节、控制，让每节蓄电池端电压、容量及内阻处于均衡值，防止单体电池过、欠充电，并对性能较弱的电池进行补充电及在线活化；可取代蓄电池巡检仪和在线内阻测试仪等产品。对降低投资成本、节能减排、实现经济可持续发展有着重要的推动作用。

五、在线均衡系统的组成

该系统由监控模块、均衡调节单元、电池测量单元、电池活化单元等组成。

（1）监控单元：对系统进行计算分析，综合管理及通讯。

（2）均衡调节单元：通过对各电池的均衡控制，达到使电池组均衡目的。

（3）电池测量单元：对电池组各节电池的端电压、内阻、容量进行测量。

（4）电池活化单元：采用脉冲式活化方式，消除极板硫酸盐结晶。

六、在线均衡系统的功能

（一）在线均衡功能

蓄电池组在线均衡系统能在线均衡每节电池，使它们工作在相同的电压状态，防止蓄电池过充或欠充而导致蓄电池组快速老化，可自动对单节电池进行均衡调整，使各节电池的性能均衡一致，延长电池组使用寿命。

（二）在线活化功能

能对性能落后的单体电池进行在线活化，防止蓄电池因长期浮充电导致硫酸盐化，能延长蓄电池组的运行使用寿命两倍以上。

（三）在线检测功能

蓄电池组在线均衡系统还具有蓄电池内阻在线测试功能；蓄电池容量在线测试功能；蓄电池端电压巡检功能，可完全取代现有直流电源系统中的蓄电池容量检测仪和电压巡检仪，为蓄电池组优化运行提供了全面而完善的解决方案，大大提高了蓄电池设备运行的可靠性。

七、蓄电池在线监控系统给用户带来的利益

（一）可以随时监测蓄电池单体工作状态，可以每天甚至每小时监测上报蓄电池的工作状态，测试频繁密集，能及时发现蓄电池早期失效。

（二）测试效率高，通过LAN口，对分布在各个不同基站蓄电池进行统一集中地监测，随时发现随机出现的蓄电池故障。

（三）提高蓄电池设备的可靠性，确保设备与电网的安全运行。

（四）延长电池的使用寿命两倍以上，减少因电池而造成的环境污染，符合国家对节能环保的要求，具有良好的社会经济效益及价值。

蓄电池在线监测系统篇（8）

中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

微机自控高频开关电源直流系统由高频开关电源（包括充电模块、监控模块）、直流馈电单元（包括配电监控、绝缘监测）、阀控蓄电池组（包括蓄电池检测仪）等组成。目前，变电站多采用GZDW系列设备。

1 设备概述

高频开关电源的特点是体积小、重量轻、效率高、输出纹波极低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出。模块化的充电设备采用N+1备份方式，模块间自动无主均流，系统电流由N+1个模块平均分配。充电机中任何一个模块故障，系统发出故障信号，不影响系统的运行状态与运行方式。由于采用微机自控，显示出较高智能化。模块具有平滑调节输出电源和电流的功能，通过扩展通讯口，接入智能电池检测仪和绝缘监测等装置。随着系统综合自动化程度提高，该电源系统遥测、遥信量已都接入集控端，实现远程监控。

为了提高可靠性，大部分变电站都采用双充双蓄形式，对蓄电池自动管理及保护，实时自动监测蓄电池的端电压、充电放电电流，并对蓄电池的均浮充电进行智能控制。如果电池过、欠压或充电过流，都会实现声光告警。

2 工作原理

（1）电压模块采用三相三线制380V AC输入，具有软启动功能。在交流输入端，采用先进的尖峰抑制器件及EMI滤波电路，由全桥整流电路将三相交流电整流为直流电，再经无源PFC调整后大大提高了功率因数。由DC/DC高频变换电路把所得的直流电压变成稳定可控的直流输出。脉宽调制电路PWM及软开关谐振回路，根据电网和负载的变化，自动调节高频开关的脉冲度和移相角，使输出电压电流在任何允许的情况下都能保持稳定[1]。微机直流系统绝缘监测用两个变化的分压器取出正对地电压和负对地电压，送A/D转换器，经CPU处理，数字显示电压值和母线对地绝缘电阻值，监测无死区，当电压过高、过低或电阻过低时发出相应报警信号。

（2）直流馈电单元配置1～6路合闸回路和1～8路控制回路，分别连到合闸和控制母线上。输出空气开关联带告警开关接点，与空气开关联动，空气开关发生跳闸动作，同时发出开关状态变化告警信号。采用电压采样板测量电池组、控制母排和合闸母排的高压直流电压。电压采样板将高压变化为隔离的低压信号，并且保证在其测量范围内的良好线性度[2]。在合闸母线和控制母线之间串接降压硅链单元，合闸母线通过降压硅链与控制模块组成控制母线供电。降压硅链由多只大功率硅整流二极管串接而成，利用PN结基本恒定的正向压降来产生调整电压，通过改变串入线路的PN结数量来获得一定的压降，达到电压调节的目的。

3 运行与维护

3.1 微机自控高频开关电源直流系统

运行注意事项如下：

3.1.1 微机自控高频开关电源投入运行，装置配电监控CPU由测量功能进行模拟量及状态量的采集，通信功能接受监控模块的命令，将测量数据及处理结果送给监控模块。比较采集值与系统设置限值驱动故障灯和蜂鸣器进行报警。

3.1.2 微机型直流系统绝缘监测装置，在线监测直流系统两段母线的绝缘状况和支路开关状况[3]。正常时，监测母线、母线对地电压及正负母线对地电阻，自动巡检各支路及接地电阻。显示接地支路号、接地极性、支路接地电阻和接地日期时间。

3.1.3 蓄电池巡检装置在线监测每节蓄电池的端电压及特征点温度。

3.1.4 阀控蓄电池组在正常运行中以浮充电方式运行，若设定浮充计时720 h，即三个月系统自动对蓄电池组进行均衡充电。

3.2 微机自控高频开关电源直流系统应进行普通巡视检查和定期量化巡视检查维护。

3.2.1 检查交流输入状态、直流输出和充电模块、监控模块等部件，以及查阅监控模块的告警信息，包括当前告警信息和历史告警信息。

3.2.2 屏前屏内设备进行清洁维护，防止尘埃腐蚀元件和影响散热效率。

3.2.3 蓄电池组单体电池每月应测量各个电池电压，检查各连接头是否接触良好，有无漏液锈蚀现象。

3.2.4 新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2～3年进行一次核对性试验，运行6年以后每年作一次核对性放电试验。

4 直流系统故障分析

4.1 故障经过

2011年1月2日13时57分，后台监控机弹出“公用测控（6N）_#2蓄电池组单体电压＼温度告警”信息，复归后弹出“公用测控（6N）_#2蓄电池组装置异常”信息。

4.2 故障后的检查

故障发生后，我们迅速组织人员对直流系统进行检查。

4.2.1 后台监控机检查情况

检查#2蓄电池组参数（见表1），符合要求。

4.2.2 现场检查情况

检查蓄电池巡检装置告警记录时发现有“#29蓄电池电压异常”信息。经过现场测试，#29蓄电池电压为2.234 V，符合浮充电压要求。其他蓄电池电压也符合要求（见表2）。

注：“交流2”表示交流电源从第二路交流空开输入，其后面三项依次为UAB、UBC、UCA电压值。“充电机”表示充电机输出的电压和电流。“动力母线”表示动力母线电压。“控制母线”表示控制母线电压，其后面第一项是其电压值，第二项是负母对地电压值。“接地电阻”表示正、负母线对地电阻值。“电池组”表示电池组的电压和电流。

由于故障出现后又在短时间内消失，后台监控机和现场检查都正常，初步判断为保护误发信或接线松动。2 h后，后台监控机又再弹出“公用测控（6N）_#2蓄电池组单体电压＼温度告警”和“公用测控（6N）_#2蓄电池组装置异常”信息。从而基本确定故障为接线松动。根据巡检装置告警记录“#29蓄电池电压异常”信息，在得到调度以及上级部门领导同意的情况下，暂时退出第二组充电机系统并转检修状态。拆除#29蓄电池与#27、#28蓄电池的连接线并重新连接。投入运行后至今正常。

5 结语

直流系统为操作电源、信号电源、继电保护、自动装置、事故照明电源以及通信系统提供专门的直流电源。在全站停电及母线短路的情况下，能保证迅速切除故障，确保安全运行。因此，变电站的运行人员应对之给予重视，保证直流系统的安全、可靠的运行。

参考文献

蓄电池在线监测系统篇（9）

直流系统为变电站内的直流电机、操作机构、事故照明、UPS、控制回路等提供直流动力或控制电源，其正常运行时由交流整流而得到，蓄电池组是直流系统的后备电源，当直流系统的交流电源发生故障时，蓄电池输出直流，不经过充电装置而直接为直流系统母线供电。蓄电池的运行原理涉及物理反应和化学反应，故其从设计、制造、安装、管理和维护方面都与站内其余电气设备有不同之处，在安全监督中有特别需要注意的事项。本文在正常规范要求的基础上，特别提出影响蓄电池运行管理的技术问题。

1.蓄电池组的运行环境及运行条件

1.1 蓄电池组的运行环境

从布置设计和安装的角度来看，符合规范要求的运行环境能够为蓄电池提供安全的运行条件，可以使蓄电池在正常工况下运行，不影响其使用寿命；同时可以减少蓄电池组运行时的安全隐患（系统安全和人身安全），国内参考的规范为《GB 50172电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》，《DL/T 724电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》和《DL/T 5044电力工程直流系统设计技术规程》，国外参考的规范为《IEEE Std 1188》。蓄电池组对运行环境的要求主要源于其运行时的发热量、可能泄露的化学液、气体带来的危险。首先对放置蓄电池的房间要求更严格的通风冷却条件，有足够的间隔距离，具有排水坡度设计的地板和平坦的天花等（防止危险气体聚集）；其次，如果采用电池架，则要求架底到地面有一定距离以便底面通风，与荷载配合的基础，对电池架的水泥台、地面材质都有要求，国外工程还会要求蓄电池组附近有提供运行人员使用的洗眼器等等；另外，对蓄电池室内的灯具、风机等都有防爆要求。可以说，降低蓄电池运行管理和维护工作的工作量的前提是合理、严格的运行环境。

1.2 电气运行条件对蓄电池安全运行的影响

电气因素可能给蓄电池运行带来的安全隐患是其热效应以及绝缘问题。根据规程要求，蓄电池间宜布置在直流系统柜附近，目的是为了尽量缩短蓄电池出线电缆的长度，由于当站用电或直流系统的交流电源发生故障时，蓄电池短时放电电流很大，为了不至于短时间内温升过高带来的电缆、端子的绝缘危险，应选用截面足够大的电缆，从经济上和电压降考虑，该电缆应尽量缩短。

2.影响蓄电池组使用寿命的因素

尽管目前广泛使用的阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）宣称安全便捷、无需维护，使用寿命能达到10年以上，容易使运行人员掉以轻心，而不正确的使用方式将使蓄电池的使用寿命大打折扣。

2.1 浮充电压超限的影响

浮充电压和蓄电池结构、电解液比重及负荷有关，浮充电电压不宜过高或过低，过高则会过充电，过低则会充电不足。比起国外规范规定，我国要求的浮充电压更低一些，单体VRLA电池额定电压为2V，浮充电压为2.23～2.27V，均充电压2.3～2.4V。

（1）失水是蓄电池本身随时间推移一个缓慢发生的现象，气体化合降低、外壳渗水、腐蚀和电池自放电都会使电池失水，然而，当浮充电压高于此限值或者过高，会造成充电电流过大会加速电池内部电解液失水，甚至导致热失控，产生外壳鼓包和漏气，寿命下降，当失水量大于百分之十五时，可认为电池失效。

（2）当浮充电压低于限值，电池处于欠充电状态、充电不及时或者长期搁置备用，内部极板会发生硫酸盐化，形成粗糙坚硬难溶的硫酸盐，而使容量下降，失水也会加速硫酸盐的形成。

值得一提的是，上述电压的影响是建立在电池内阻统一、合格的基础上而言的，如果单体电池内阻过大，会增加发热；如果多组连接的电池内阻大，会造成浮充电流变大，整组电池过热。

2.2 蓄电池管理单元（巡检仪）的应用

（1）由多台蓄电池管理单元组成的监控网络，可以由电网的控制中心监控多个变电站蓄电池组的运行情况，包括蓄电池的单体电压、总电压、充电电流、放电电流、剩余容量、电池温度等数据。后台可获取蓄电池管理单元上的数据，实现蓄电池在线监测及专家诊断，该过程是24小时连续不断进行的，不存在时间死角，运行人员可以随时处理问题，满足无人值守电站的需求。

（2）蓄电池管理单元起在线监测及诊断的功能。从网络连接来看，一般通过RS485上传至直流系统的总监控单元，再连同直流系统的信号一并以通讯的方式上传至后台（有的工程也将一些重要的状态量通过硬接线上送，但需要增加电缆及测点的成本），后台通过在线监控来对蓄电池进行管理，近来有的工程引进国外的蓄电池管理单元，需要注意的是，由于蓄电池和直流系统的关系十分密切，状态监测和故障判断需要经过逻辑过程，所以宜将蓄电池管理单元的信号经过直流系统的总监控单元统一上送，如果总监控单元和蓄电池管理单元不是统一采购，那么国外品牌的报文格式或通信协议与国内品牌的设备很可能不同，而需要单独走通讯通道上送至后台，增加了成本和逻辑上的复杂性。

2.3 重点监测数据

（1）蓄电池组运行时的容量，需要监测是否达到标称值，监测手段为容量测试或内阻测试。如果个别电池处于开路状态，造成蓄电池组无容量输出，即蓄电池组退出运行，如果此时交流电源故障，而无直流电源投入使用，保护设备可能误动，产生严重后果。

（2）浮充电流、单体电压、终端电压，需控制在合格范围内，并注意电流突变的情况。

（3）温度。包括室温和接线端子的温度，前者是确保运行环境，后者是检查端子是否发热、变形等现象。

（4）腐蚀污染。检查导线、螺栓、电池架（柜）是否受到腐蚀或污染。

3.蓄电池组试验典型试验及特性曲线

以某品牌单体蓄电池容量测试为例：

3.1 浮充电压与使用寿命

4.总结及建议

使用端电压来判断蓄电池的容量达标情况、是否失水等方法，对于长期用浮充电方式运行的VRLA电池来说是有难度的，《DL/T 724电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》中提及应对新建工程进行全面核对性放电试验，每隔三年进行一次；投运六年后的蓄电池组，则每年进行一次。这种核对性放电则需要在多项测试中对照标称值和标称曲线，对每个单体蓄电池的维护和故障排除更加有效。

参考文献

蓄电池在线监测系统篇（10）

1背景

轨道交通电动列车车载蓄电池主要所采用的是碱性电池，在列车运营过程中，蓄电池始终处于浮充电过程中，完整的充放电过程在列车运营过程中基本不会出现。因此，列车运营一段时间以后，蓄电池的充放电性能会下降，影响到蓄电池在列车运营过程中的使用效果，极易引起列车因亏电而迫停，引起救援；更有甚者，当列车遇到触网失电或者其他异常情况，需要长时间使用车载蓄电池时，其工作时间往往无法满足供给车载应急设备（应急照明、应急通风）45分钟的必须要求（上海地铁11号线技术招标要求，7.4.1蓄电池的容量必须保证列车的紧急负载工作45分钟），情况严重的，会引起蓄电池自燃、自爆等，可能会引起人员伤亡。

所以，如何保质保量的完成对车载蓄电池的维护保养，是一个值得研究的技术问题。根据各个电动列车车载蓄电池维护手册：

（1）在对蓄电池进行充放电过程中，为确保车辆的充电系统在规定的电压和电流限制内运行需要进行如下工作：1） 安装一块钳式电流表；2） 将一块电压表连接到电池端子上测量电池电压；3）以上数据需要在充放电过程中定时测量；（上海地铁11号线维修手册MMWM0302_蓄电池，5.4.2.4）。

（2）为进行容量测试，将电池与充放电逆变器连接，然后按如下方式：1）用28A的电流放电直至蓄电池电压为1.00V/单体；2）中断至少12小时（冷却阶段）；3）用28A直流电给蓄电池充电7.5小时；4）中断至少2小时；5）蓄电池用28A电流放电至1.00V/单体；6）分别读取并记录容量试验第5步后，3.5小时、4小时、4.5小时甚至5小时之后的各个蓄电池的电压。（上海地铁9号线车辆维护保养、检修及大修手册第3.37卷 蓄电池，2.3节）。

根据以上维修手册的要求，为确保充放电设备在规定的电压和电流限制内运行，保证对蓄电池充放电的质量，检修人员在蓄电池充放电过程中需要每隔一段时间对所有的蓄电池电压电流进行测量并记录，而对完成一组蓄电池的充放电作业需要30个小时，可以说工作强度非常大。并且，在在测量蓄电池充、放电期间，工作人员在使用设备测量时，需要将表棒接触电平液，容易造成腐蚀；而且，长时间重复测量，容易造成接触误差、视觉误差、疲劳误差等多种累积误差；此外，在蓄电池充、放电过程中，由于电解液的电解作用，电离子游动造成电解液产生“沸腾”现象，有毒气雾不断从补液口冒出，吸入人体后，容易造成工作人员的身体危害。

如何减轻轨道交通电动列车蓄电池充、放电工作的劳动强度，提高工作效率及质量，减少有毒有害气体对人体的伤害，是摆在我们面前的迫切任务。为提高蓄电池充、放电各项工艺的质量，减少有毒有害气体对人体的伤害，同时减轻工作人员的劳动强度，提高工作效率，有必要开发并设计一种通用的电动列车蓄电池充放电实时监测技术与系统。

2 技术方案

在国内地铁行业中，使用自动化设备对列车蓄电池充、放电电压的测量无实时监测的先例。我们设想通过设置有反馈信号的仪表，采样蓄电池充放电过程中的电压、电流信号，信号实时传输到两个地方，实时显示屏幕以及实时监测主机，可以做到依靠人员或电脑实时监测每节电池的电压、电流数据变化。在实时监测过程中，实时监测系统的主机能够将实时数据与工作人员预先设置进系统的标准数据进行对比，一旦某节电池数据出现异常时，通过数据对比能够及时判断出来，并且通过蜂鸣器及时报警，并提醒工作人员异常蓄电池的位置，方便工作人员采取相关操作措施，分离有问题的电池，以达到对蓄电池的维护，提高蓄电池使用效率的目的。在设计方案时，为避免某节蓄电池、电压表发生故障时损坏其他设备，可通过每条线路中的保险丝和限流电阻的保护，以达到其它线路能够正常工作。

下图1为部分接线原理图。

在确立制造方案时，必须根据现场使用的实际情况“量身定做”，在选材时充分考虑蓄电池自身组成的特殊性。由于蓄电池自身的碱性具有腐蚀的特性，系统必须采用专用的夹具、耐酸碱导线等，保证设备在使用过程中不会因腐蚀而发生异常。

同时，为确保设备在实际应用中达到蓄电池充放电要求，因此在制作完线路图后，使用电子工作平台EWB进行模拟仿真测试，对各种可能发生的工作故障及意外情况均作了试验，在各项测试指标均达到设计要求后，再执行于实际制造。

3系统设计

在线检测系统主要功能是对镍镉蓄电池组中每一个蓄电池的端电压进行巡检，其工作方式分为实时监测和定时监测两类，定时监测的时间间隔由用户根据实际需要设定，用户可随时切换实时与定时监测两种工作模式，通过监视器显示电压、内阻曲线实现对单个及整体蓄电池的监测操作。可完成曲线显示，图表打印， 图形保存，历史数据回放多种管理功能，设置越限报警电压如有异常情况立即发出报警信号。

它的技术难点如下：（1）每只单体电池检测模块内部均设计了输入过流保护，即使模块内部电压短路也不会损坏被测蓄电池组。（2）如何提高抗干扰性能，确保工作稳定可靠。（3）为了不影响蓄电池组的正常使用，采用低功耗设计。（4）通过放电过程，发现性能不符合要求的单节蓄电池。（5）通过软件计算电池容量。（6）对电池组进行实际容量测试的目的在于能够准确掌握电池组的实际放电能力，根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰。

4应用示范及效果

以上海地铁11号线AC16型车辆为应用示范对象，在使用自今的实际情况统计中，经过充、放电检修的蓄电池各种工艺指标完好，能量充足，测量数据可靠，从而充分确保了地铁列车的安全运营系数。在工作效益和社会效益预测的统计中，由于蓄电池充、放电实时监测设备的制造及使用，降低了工作人员的工作强度，减小了工作人员长期与有害气体接触的时间，直观及时地了解了蓄电池的充、放电的实时情况，从而提高了的工艺质量。从效益上来说，有以下几个方面：

（1）经济效益。该设备的成本造价为5万元人民币，但是通过该设备的利用，避免了原本使用万用表测量蓄电池表棒接触电平液容易造成腐蚀现象；并且大大节约了作业时间，降低了劳动强度，提高了列车维修进度，很好地增加了潜在的经济效益：一列车蓄电池的充、放电需要4个人，现在只需要2个人。时间节约了工时144小时。全年24列车共节约工时3456小时。如果以一个工时￥15计，相当于每年节约了￥51840。如图2所示。

（2）工作环境。蓄电池充放电实时监测设备的使用，不仅使员工直接面对蓄电池的时间减少了，呼吸有毒废气的时间也大大减少了，从而保障了员工的身体健康。如图3所示。

（3）社会效益。由于轨道交通电动列车上所使用的蓄电池结构原理基本相同，每种蓄电池都需要进行定期充放电的工作，也都需要监测在充放电过程中的电压，蓄电池充、放电实时监测设备可以适应目前所有的轨道交通电动列车，对其的使用具有可推广性。蓄电池充、放电实时监测设备的使用，提高了蓄电池的工作质量，减小了蓄电池引发故障的可能，保证了地铁列车的安全运营系数，让市民放心乘坐地铁。

5结语

蓄电池充放电实时监测系统能够在降低工作人员劳动强度、工作环境的基础上，自动地、实时地监测到蓄电池充放电过程中每个蓄电池的性能指标。

蓄电池充放电实时监测系统的开发是一个从无到有的工作，它的出现能够大大提高工作人员对蓄电池充放电工作的检修效率，对检修人员保质保量的完成对车载蓄电池的维护保养起到了积极的作用，从而提高了列车运营时的运营质量。