（电气工程专业论文）变电站直流系统在线监测系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m , u n a t t e n d e ds u b s t a t i o ni s g e t t i n gm o r ea n dm o r e i ti su n a b l et og u a r a n t e et h a tt h ei n s p e c t i o nb ec o m p l e t e do n s c h e d m e d u et ot h en u m b e r so fs u b s t a t i o nw h i c hd i s t r i b u t ed i s p e r s e s ，a n dt h ea t t e n d a n t s o fas m a l ls t a f f t h i st o p i cd e s i g n sa n dr e a l i z e so n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ed c s u b s t a t i o ni no r d e rt or e a l i z e t r a n s f o r m a t i o nf r o m p l a n n e d m a i n t e n a n c et o c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ev a r i o u sd cs u b s t a t i o n s ，t h i st o p i ch a s c o m p l e t e dt h e o n 1 i n em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g nb yu s i n gt h et h i r d - g e n e r a t i o n o f c 8 0 51fs e r i e ss o cm c ua n dh i g h p r e c i s i o na d ，d a ，a n do t h e rc h i p s i nt h i ss y s t e m ， t h em e t h o do fo n 1 i n em o n i t o r i n go ft h eb a t t e r yi st h ea ca n a l y s i so ft h ef o u r - w i r e i n t e m a lr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，w h i c hi s a tt h ec o r eo ft h el o c k i na m p l i f i c a t i o n i t o v e 哟m e st h ee f f e c to fc h a r g e r sa n db a de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n te f f e c t i v e l y a r o u n dt h er u n n i n gs y s t e m t h es y s t e mh a sah i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n db e t t e r r e p e a t a b i l i t y t h r o u g h t h ec o n t r o l s y s t e m ，u s e r s c a na u t o m a t i c a l l ya c h i e v e c h a r g e d i s c h a r g ee x p e r i m e n t so fb a t t e r yf o rc o n f i r m a t i o n i nt h es y s t e m ，t h ea c q u i s i t i o n m o d u l eo fm u l t i c h a n n e ls w i t c hs i g n a la n da n a l o gq u a n t u mr e a l i z e st h ed a t aa c q u i s i t i o n o n c h a r g e d i s c h a r g ee x p e r i m e n t s o fb a t t e r yf o rc o n f i r m a t i o n ，a c q u i r e s t h e c h a r g e d i s c h a r g ec u r v e ，a n dp r o v i d e sa r e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h em a i n t e n a n c eo ft h e b a t t e r y a tt h es a m et i m e ，i tc a l la l s os o l v et h ep r o b l e m st h a tt h em o n i t o r i n gm o d u l e so f 9 d m ed cs u b s t a t i o n sc a n tg e tc o m p l e t ed a t a i nt h es y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o lm o d u l ew i t h2 4 0 * 12 8d o tm a t r i xl c da c h i e v e sa9 0 0 dc o m b i n a t i o no fe x i s t i n g s v s t e r nm o n i t o r i n gm o d u l e s t h i sc a na v o i dd u p l i c a t i o no f i n v e s t m e n tf o rt h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h eu s e r sc a nq u e r y a l ls t a t u se a s i l ya n ds e tp a r a m e t e r sf l e x i b l y t h i ss y s t e mr e a l i z e sm u l t i s t a t i o nr e m o t eo n - l i n em o n i t o r i n gb yn e t w o r kp r o g r a m m e d u n d e rd e l p h id e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i th a sag o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n d p r o v i d e sd a i l yr e p o r t so u t p u t t h er e p o r t sp r o v i d ea s t r o n gs u p p o r tf o rc o n d i t i o n - b a s e d m a i n t e n a n c e 。t h es y s t e mt r u l yr e a l i z e sr e m o t eo n l i n em o n i t o r i n gm u l t i - s t a t i o n f i n a l l y , t h r o u g has t a t i o n sm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i st h i sp a p e rs h o w st h a tt h e s y s t e m h a sa c h i e v e dt h ed e s i g np u r p o s ec o m p l e t e l y t h e ni tp r o v i d e s f u r t h e r i m p r o v e m e n ta n df o r e c a s to ft h es y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d cs y s t e m ；l o c k - i na m p l i f y ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s o c ；o n l i n e 北京交通大学专业硕七学位论文 a b s t r a c t m o n i t o r i n gs y s t e mo fb a t t e r y 北京交通火学专业硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 6 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字e l 期：年月日 致谢 本论文是在我的导师王玮教授的悉心指导下完成的，王玮教授严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师渊博的学识、严谨的治学态 度、忘我投入的工作作风使我受益非浅。特向王老师表示衷心的感谢和深深的敬 意。 马峰高工对于我的科研工作和论文在现场层面给出了许多的指导和宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 同时，我还要感谢协助我完成工作的直流系统设备厂的技术人员，由于有他 们的支持，系统才能有机的形成一个总体，也感谢与我一同努力工作的同事，有 了他们的支持，我才能顺利进行全局的调试。 我还要感谢一直默默支持我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成论 文。 引言 1 引言 1 1 变电站直流系统在线监控系统的意义 电力系统中的直流电源部分由蓄电池组、充电设备、直流屏等设备组成。它 的作用是：正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源，故障时，当厂、站用 电中断的情况下为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、载波通信等提供工 作电源。它的正常与否直接影响着电力系统的安全可靠运行n 】【引。随着电力系统的 不断发展，无人值班的变电站越来越多，目前l l o k v 变电站大多实现了无人值守， 不久之后，2 2 0 k v 乃至更高电压等级的变电站也会成为无人值守站。而站多且分 布分散，道路又较远、维护人员少，显然无法保证按期按量完成巡查，并在异常 或故障时得不到及时处理。这样无人值守站内直流系统设备的维护、检查及操作 就非常不便，虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息， 但对于直流设备部分只能得到少量的重要信息( 如：充电机交流电源故障、充电 机故障、直流绝缘接地、直流电源电压异常这些遥信量，控制母电压等遥测量) 。 不能反映直流系统运行的详细信息，特别是不能发现直流系统刚刚开始出现异常 运行的情况，只有到长期的异常运行发展为故障时才上传至调度中心，而此时事 故已经扩大。如果能在异常现象刚出现时就及时发现并处理，就可以避免异常情 况扩大。所以对无人值班变电站内直流设备进行在线监控是行之有效的方法。利 用站内的光纤把各个变电站的直流设备信息上传到调度中心( 监控中心) ，供相关 人员查询同时在调度中心( 监控中心) 也可以向各站发送控制命令。这样，维护 人员不但可以在调度中心对直流设备进行远方监控，还可以及时发现设备运行的 不正常状态，从而及时地处理，不待其发展演变成事故。所以直流监控系统的建 立，可以节省人力物力，提高工作效率。 1 2 国内外研究的现状 目前，国外在线监测技术开展的比较普遍，同时对电池的监测也有不少在线监 测方法在实行，基本实现了直流站管理的自动化，实现了从定期检修到状态检修 的转变b 1 。国内情况发展则相对比较晚一些，虽然各电源厂家根据时代的需要已经 做了一些工作，但在电池方面目前还没有一个完整的解决方法，各站基本只实现 了遥测和遥信的部分在线监控。基本部还在定期计划检修的状态。在新的形势下 北京交通人学专业硕士学位论文 为了实现从计划检修到状态检修的目标，全面的在线监测技术是当前必须要解决 的问题m 。 1 3 本文研究的主要内容 变电站直流系统一般由充电屏、馈线屏、馈线分屏和电池屏以及监控模块组 成。电力系统使用的直流电源以前主要使用的是相控电源，它的纹波、高次谐波 干扰大，效率低及体积庞大，监控系统不完善，难以满足综合自动化及无人值守 变电站或发电厂的要求。另外，由于阀控式密封铅酸蓄电池内阻较小，一般为零 点几到一点几毫欧，在带负载浮充电运行时，太大的纹波，在纹波的峰值对蓄电 池有较大明显的充电，在纹波的谷值时蓄电池对负载有较大明显的放电，蓄电池 长期在这种较大的脉动充放电工作，会加速蓄电池老化过程，减小蓄电池的使用 寿命璐1 。所以电力系统使用的直流电源已大部分采用高频开关电源，相控电源作为 被淘汰产品也有部分在使用。高频开关电源具有稳压、稳流精度高、体积小、重 量轻、效率高、输出纹波及谐波失真小、自动化程度高等优点，在邮电、电力、 航空航天、计算机及家电等领域已逐步取代相控电源，电力部规划设计院已大力 推广并使用高频开关电源。 监控模块在电力操作高频开关电源系统中对充电模块、充电柜、馈电柜、电 池监测仪以及绝缘监测仪等下级智能设备实施数据采集并加以显示；也可根据系 统的各种设置数据进行报警处理、历史数据管理等动作；同时能对处理的结果加 以判断，根据不同的情况实行电池管理、输出控制和故障回叫等操作，最后，监 控模块还可以实现与后台机的通讯。监控模块一般通过r s 4 8 5 通讯口将各充电模 块监控、充电柜监控、馈电柜监控、绝缘监测联结为一体，同时提供r s 2 3 2 和 r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 接口，通过对不同监控发出数据或各种控制命令，获取系统的各 种参数的运行，实施各种控制操作，很好的实现电源系统的“四遥”功能即“遥 测 、“遥信、“遥控 、“遥调”哺1 。 遥测：系统母线电压、负载总电流、电池电压、电池充放电电流；输入市电 电网电压；各充电模块的输出电压、输出电流；母线对地绝缘情况。 遥信：直流配电各输出支路空开通断状态、电池组熔断通断状态；电池充电 电流过大、电池电压欠压、过压；市电电网停电、缺相、电网电压过高、过低； 合闸控制母线过欠充电模块保护、故障。 遥控：充电模块开启、关停控制、充电模块均、浮充转换控制。 2 引言 遥调：充电模块输出电流无极限流控制( 根据监控单元的命令，在1 0 1 0 0 范围内调节充电模块输出电流限流点) ，充电模块输出电压调节控制( 根据监控 单元的命令，调节充电模块输出电压的大小) 。 从上面的情况来看，目前的直流站已经具有一定条件下的在线监控能力，但在 实际工作中很多只有“遥信 、“遥测 基本实现了远程监控，而对于其它部分 的状态则基本不处理。有关资料表明，v r l a b 在使用3 4 年后，大部份电池组很难 通过容量检测，只有少数能超过6 年。在实际使用中，只有很少用户定期检查蓄电 池并对蓄电池作定期容量测试，很多情况下是在市电停电后才发现蓄电池放电容 量达不到设计要求，甚至有的电池组的容量达不到额定容量的5 0 还在继续“工 作”。蓄电池的现状一方面说明蓄电池的质量还有待提高，从设计和生产控制方 面还需不断完善：另一方面，正确、科学地使用电池，加强日常维护和监测管理 非常必要，从而及时发现落后电池，为维护与处理提供科学、准确的依据。这就 说明，在蓄电池用户这里，是迫切需要能够实时在线监测阀控铅酸蓄电池性能状 况的监测设备。 由于存在着技术的问题，目前最多做到了监测单体电池的电压检测，但它不能 反映电池的容量值口1 。所以本系统不但需要把当前以及能测到的数据管理起来，而 且还能将那些没有在线监测的部分增加监测模块，并通过光纤实现数据的集中管 理和监测，实现直流站的全面在线监测和管理。 1 4 本文的组织结构 第一章：研究分析直流站在线监测系统设计背景、国内外现状、设计研究的 内容和意义。 第二章：电池在线检测系统原理和方法的选择以及其它电源系统数据的获取 方法。 第三章：从总体描述了电池在线监测以及附加采集模块、显示控制模块硬件 实现过程及设计过程e m c 问题的处理方法。 第四章：从不同的模块分别描述了底层软件的具体实现过程。 第五章：描述了基于网络的集中监控管理软件的实现过程。 第六章：系统调试和实验结果分析。 第七章：对本文进行了总结，展望了直流站在线监控系统下一步的完善工作。 北京交通大学专业硕士学位论文 1 5 本章小结 本章对直流站在线监控系统的设计实现背景、国内外现状、本文设计研究的 内容和意义进行说明，对本论文的章节组织结构进行了介绍。 4 系统分析以及方案确定 2 系统分析以及方案确定 2 1 系统总体需求分析 系统总需求分析可分为分两个层次来看，一个是从全局角度来看，另外一个 是对单个站来看。 根据当前直流系统的现状以及发展趋势从全局角度的需求基本如下m ： ( 1 ) 能够将各站直流系统的所有主要状态数据全部集中到一个服务器； ( 2 ) 服务器通过巡检可以实时看到各站的状态，并能对状态进行合理的分析后 提出建议； ( 3 ) 通过服务器，结合一定的权限可实现对各站的一些设备的控制，如充电机 的开关机动作、均充浮充改变、均浮充电压的改变以及馈线的合断，一定条件下 的核对性自动充放电； ( 4 ) 相关班组人员通过内部网络连接服务器后可以了解各站的基本状态； ( 5 ) 外网的m i s 管理系统可以通过手动更新外网的服务器的数据后，在一定的 权限下可查看各站历史运行状态。 根据以上要求以及各站通讯基本实现了以太网情况系统总结构设计如下： 变电站1 变电站2变电站n 1 变电站n 监控服务器 图2 1 基于i pe 1 分布式检测控制系统图 f i g u r e2 - lb a s e d0 1 1i pp o r td i s t r i b u t i o n a le x a m i n a t i o nc o n t r o ld i a g r a m 北京交通大学专业硕士学位论文 从某个具体站的角度来分析，站内在线监控的主要内容可分为两块，一部分 是目前直流电源这一块，随着计算机和电子技术的发展以及系统稳定的需求，一 般来说系统中已经有监控模块，它能获取的重要状态量如下： 一、直流系统模拟量： 充电机组输出电压 充电机组输出电流 充电机组纹波系数 蓄电池组电压 蓄电池组电流 蓄电池组温度 控制母线电压 控制母线电流 合闸母线电压 合闸母线电流 交流a 相电压 交流b 相电压 交流c 相电压 交流a 相电流 交流b 相电流 交流c 相电流 一段母线j 下对地电压 一段母线j 下对地电阻 一段母线负对地电阻 二、直流系统开关量： 充电机一组状态 充电机一组模块状态 蓄电池一组状态 一段母线状态 装置状态 绝缘状态 熔断器状态 开关状态 三、遥调命令 充电机一组浮充电压 6 系统分析以及方案确定 充电机一组均充电压 充电机一组输出过压值 充电机一组输出欠压值 充电机一组限流档位 从上面的状态量和控制量来看基本已经实现除电池状态以外的所有量的采 集，所以本系统需要完成主要工作为以下部分： l 、通过网络实现远程实时查看各站的工作状态并能能做部分控制： 2 、电池在线监测系统设计，目标实现对电池状态的在线监测： 3 、多路开关量和模拟量的采集模块开发和设计；目标是采集核对性充放电实 验中的电流、电压、温度等数据，确保能获得核对性充放电曲线，针对各站自动 化程度的差异，有些站监测模块功能不全则用该模块可以来进行采集； 4 、设计一个合理的通讯协议保证数据能够进行集中管理。 从上面的分析可以分成四个模块来实现 ( 1 ) 电池在线监控模块 ( 2 ) 采集模块 ( 3 ) 显示控制通讯模块 ( 4 ) 数据通讯接口 根据以上要求系统整体站内系统方案如下： 绝 图2 - 2 变电站内方案总图 f i g u r e2 - 2s u b s t a t i o np l a na s s e m b l yd r a w i n g 北京交通大学专业硕士学位论文 从上面的两个层次方案来看，由于各站在建设初期已经预留了足够的光纤 接口，所以全局站部分设计不需要进行多少投资，主要工作是基于p c 的软件 方面的工作，而站内部分需增加一些模块的硬件和软件的设计( 四个类型的模 块) 。 下面从模块角度来确定系统的实现方案。 2 2 电池在线检测模块的方案的确定 2 2 1 阀控铅酸蓄电池监测技术研究现状 随着阀控式密封铅酸蓄电池技术的发展号称免维护阀控式密封铅酸蓄电池， 已成为当前直流系统的首选，这些电池平时处于充电状态，与充电装置的输出并 联，一旦市电中断，蓄电池立即开始放电。与循环深度放电使用情况相比，由于 蓄电池长期处于浮充状态，即使偶然放电，因放电深度与市电中断时间有关，因 此很难获得蓄电池的保有容量。在电池运行过程中检测蓄电池的劣化程度( s t a t eo f h e a l t h s o h ) 是用户最为关心的问题，也是蓄电池的检测的最大难题之一m 1 。 蓄电池在线监测管理是针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而设 计的，其发展大致经历了三个阶段：( 1 ) 整组电压监测、( 2 ) 单电池电压监测、( 3 ) 单 电池内阻巡检阻1 。 ( 1 ) 整组电压监测 整组电池监测功能一般设计在整组电源内，测量电池组的电压，电流和温度， 进行充电和放电管理，尤其是根据环境温度变化调整电池的浮充电压，在电池放 电时电池组电压低至某下限时报警。这是在人工维护的基础上发展的在线监测， 就是最初级的在线监测。 但是对于蓄电池而言，整组监测仍存在较大的不足，如在蓄电池组放电时， 放电的截止电压是以n x l 8 w 只( n 为蓄电池数量) ，但是由于蓄电池组中蓄电池的 一致性无法严格保证，因此在放电中当个别电池已经达到放电截止电压，但电池 组没有达到n x l 8 w 只，这样就会出现个别电池过放。由于整组监测很难发现单电 池的缓慢变化，包括单电池本身的老化和因单电池一致性问题而带来的积累效应。 以一组2 2 0 v 电池来说，如果只有1 个电池在变坏，其电压变化的信号会被其它电 池淹没。所以即使在蓄电池组中出现个别“坏电池”，但结果仍然是“好电池”。 ( 2 ) 单电池电压监测 由此发展到单电池的电压监测。前期通过继电器式实现蓄电池单电池电压的巡 检，后来发展出全电子式的监测，这样对蓄电池的运行情况可以作到较为全面的 系统分析以及方案确定 监测与管理，如单电池电压、电池组电压、充放电电流、蓄电池的环境温度等。 通过蓄电池运行参数的监测，从而保证了蓄电池可以在正常的条件下的运行与工 作。 但在实际应用中，尤其当蓄电池运行条件保障的前提下，蓄电池仍然无法在投 运时提供充足的后备电源。这就涉及到蓄电池的健康程度的问题，而蓄电池运行 参数的监测是无法反映其性能参数的。 ( 3 ) 单电池内阻监测 单电池内阻监测是目前争议最多，也是最具革命性意义的进步。 众所周知，铅酸蓄电池的端电压并不能反映电池的容量特性，容量严重下降的 电池，在整组浮充电的电池中，其浮充电压的区别不足以用来判断电池是否因容 量降低而失效，一旦电池组进行放电，这些电池因为充电量少，端电压很快就会 跌落，并妨碍电池组的放电性能，这时从电池的端电压上可以很容易的发现他们， 但是已经太晚了，电池组在需要备份电源的时候已经起不到备份作用。大量的现 场数据表明老化电池的内阻和放电能力之间存在着一定的关系。 2 2 2 内阻与剩余容量的相关性研究 人们希望通过检测内阻把握s o h 。由于电池的老化失效是多因素造成的，其 失效模式往往只有在事后解剖、观察测试才能确定，因此单纯的阻抗变化很难准 确反映s o h ，但是现场测试数据还是表明了阻抗与s o h 之间的极大相关性。这表 明几方面的情况： ( 1 ) 电池的劣化失效遵循一定的规律； ( 2 ) 某些类型的电池劣化引起该测量频率下降的阻抗的变化； ( 3 ) 尚有部分类型的电池劣化不影响阻抗值的变化，尤其是在容量下降幅度较 小的情况； ( 4 ) 严重失效的电池其阻抗变化强烈，即用阻抗方法能发现所有严重失效的电 池。 m i d t r o n i c s 是内阻测试仪的世界最大生产商之一，其现场测试数据很能说明问 题，图2 3 是表明内阻与s o h 相关性的一组数据。“+ ”为运行4 5 年的电池，“” 为运行6 年的电池数据。 图中数据不仅表明内阻与劣化程度有关，而且有极高的相关度。 9 北京交通大学专业硕士学位论文 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 图2 3 电池内阻与劣化程度的关系 f i g u r e2 - 3r e l a t i o no f ta n ds o h y - 1 1 7 o + 8 3 4 6 1 x 叫；慨了脚a 口墨j ： 占a 口墨j 少。 u 口 口 一8 0 c o n d u c i 咐 1 i 1 01 5 2 02 53 03 54 0 图2 - 4 电池内阻与劣化程度的关系 f i g u r e2 - 4r e l a t i o no f l r a n ds o h 图2 4 是m i d t r o n i c s 公司对1 6 8 个1 0 0 0 a h 的电池进行的现场测试数据，进一 步表明阻抗与劣化程度的相关性。 2 2 3 蓄电池内阻及内阻测试 为了便于问题的分析，我们将蓄电池的等效电路等效另一种形式，如下图所示： l o 系统分析以及方案确定 ；! ；1 0 r 极化- 一 r 欧姆 图2 5 蓄电池等效电路图 f i g u r e2 - 5b a t t e r ye q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 根据国外及我们在实验中的情况表明：欧姆阻抗是电池早期失效的最大隐患。 而极化阻抗虽然影响蓄电池的容量和供电维持时间，但涂膏、电解液以及隔膜组 成的极化阻抗，只是蓄电池放电后期才得以明显体现。电池总内阻是电荷转移电 阻与各部件欧姆电阻的总和，由于一些部件的不一致性，初始内阻的值在士2 0 之 间呈一定的分布。 随着电阻老化，某个部件的内阻变化可能由其它部件的变化所掩盖。当内阻 变化足够大，并同电解液的减少和活性物质的使用有关时，内阻和电池容量的对 应关系就比较明显。 因板栅腐蚀和生长、电解质损失或再分布而引起的电池部件内阻增加都伴随 有一个类似的平缓的指数曲线。 电池容量的损失也与此类似。其中内阻的剧升同电池容量的减少有关，尤其 是在电池寿命未到8 0 的时候更为明显。高放电速率下的使用时间似乎对这些因 素更为敏感，一般电池内阻增加2 0 - 2 5 时就到了寿命期限。在低放电速率下，电 池内阻一般增加2 肚3 5 后寿命才结束。 以下是最通常的影响内阻变化的因素： 腐蚀：随栅板和汇流排的腐蚀，金属导电回路变化，使内阻增大。 栅板：腐蚀和长年使用会导致活性物质从栅板上脱落，使内阻增大。 硫化：随一部份活性物质硫化，涂膏的电阻亦增加。 电池干涸：由于v r l a 电池无法加水，失水可能使电池报废。 制造：制造缺限，如铸铅和涂膏，都能导致高的金属电阻和容量问题。 充电状态：从浮充状态到2 0 容量的放电，几乎不影响内阻。实验表明2 0 的放电对内阻的影响小于3 。 金属电阻方面的问题是潜在的最大危险，极可能导致放电时单体的爆裂。这 类问题导致母线电压急剧下降，在毫无准备的情况下造成直流系统的崩溃。 电化学的问题影响电池容量和供电维持时间，涂膏和电解质是整个电阻中很 小的一部份，因此其变化可能难于察觉。 北京交通大学专业硕士学位论文 庆幸的是，涂膏和涂膏与栅板的电阻随电池的老化而增大，因此，老化的问 题可以轻易检测出来。 现场收集了一些数据结果表明，内阻比基准值高出5 0 的电池，不能通过标 准的容量测试，这一点是确实无疑的。结果亦表明，开口电池往往成组的损坏， 而v r l a 电池是一个接一个地失效。使用3 4 年的电池组，各个内阻值分布高于 基线值的0 , - - 1 0 0 也是常事。 用内阻测试来考核电池的状况是一种相当可靠的方法。电池内阻与其失效有 关，并且通过电池内阻能预测其放电性能。对于影响电源系统的电池变坏，内阻 测试相当有效。现场测试的数据表明，个别电池的内阻偏离平均值的2 5 时，就 应该做一次放电容量测试了。 2 3 内阻测量方法 以美国m i d t r o n i e s 为代表的电池监测设备厂商在近几年推出了对单电池进行 内阻检测的监测产品，由此带来电池监测技术的质变，即由被动监测电压到主动 测试电池内部状态。正是由于电压巡检在蓄电池健康度监测存在的不足，从而带 来最近两年内阻巡检装置的发展飞速。内阻巡检一方面可以监测蓄电池的电压、 电流、温度等运行参数，另一方面可以通过内阻的监测及时发现蓄电池的健康程 度。 在线内阻测试技术难度大，各厂家的具体实现技术各有特点，其内阻准确度 和抗干扰能力差别也很大。内阻实时在线监测的方法归为两类：直流放电法、交 流法。 2 3 1 直流放电法 以美国a l b e r 为代表的企业以直流放电的方法监测蓄电池的内阻，该方法是以 在瞬间大电流放电( 7 0 a ) 测量电池电压降，由此得到蓄电池的内阻，并通过蓄电 池内阻变化的情况分析蓄电池落后情况或失效趋势，较好地解决蓄电池失效的监 测，同时并辅以电压、电流等运行参数的监测，是目前比较领先的监测技术。 但该方法存在的不利之处是： ( 1 ) 采用大电流的放电，对蓄电池性能会带来一定的损害：如果测量频度较大， 则这种损害又会累积，从而严重影响蓄电池性能； ( 2 ) 直流法只能测量蓄电池内阻中的欧姆阻抗，对于内阻中极化阻抗则无法测 量。对于蓄电池的失效、落后在判断上，至少是不充分的； 1 2 系统分析以及方案确定 ( 3 ) 同蓄电池的连线需1 0 平方毫米以上，连线方式要求较高。放电器及连线 的可靠性要求要高，否则对电源系统带来隐患。 2 3 2 交流法 交流法测量蓄电池内阻是随着数字信号处理技术的发展而产生的，在九十年 代以前由于数字信号处理技术的落后，充电机与外界噪音对信号的干扰无法彻底 消除，一直没有得到广泛的应用，故一般只是在实验室、军事部门使用。近几年 随着数字信号处理技术的发展，使得有效地消除了其他电磁信号干扰成为可能。 交流法就是向蓄电池注入一定频率的交流信号，由于蓄电池内部存在的阻抗，然 后测量其反馈的电流信号，进行信号处理，比较注入信号与反馈信号的差异，从 而测得蓄电池内阻。 交流方法相对直流法要简单。 当使用受控电流时，a i = i m a xs i n ( 2 a f 0 ，产生的电压响应为： a v = v m a xs i n ( 2 n f f + ( p )( 2 1 ) 若使用受控电压激励，v = v m a xs i n ( 2 n f t ) ，产生的电流响应为： a i = v m a xs i n ( 2 x f t 办舻)( 2 - 2 ) 两种情况的阻抗均为：z ( f ) 2 坠e ( 2 - 3 )两种情况的阻抗均为： 厶v 一， c ) 即阻抗是与频率有关的复阻抗，其模i z l = v m a x i m a x ，相角为( p 。 一般情况下激励引起的电压幅值变化小于1 0 m v ，这样能保证阻抗测量的线 性。使用方波在技术实现上更为简单，通过改变方波的频率可以测试电池的阻抗 递 旧。 从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化 即可测得电池的内阻。 r = v a v i a v ( 2 6 ) 式中：v a v 一为检测到交流信号的平均值； i a v 为馈入交流信号的平均值 相比较直流放电法，交流法得益于新技术的产生，因为它避免了直流法的诸 多不足： ( 1 ) 由于无需放电，避免了大电流放电对蓄电池性能的损害的可能。 ( 2 ) 由于无需使蓄电池脱机或静态，避免了系统安全性的隐患；真正实现实时 在线测量。 ( 3 ) 交流法同时测量蓄电池的欧姆阻抗和极化阻抗，使对蓄电池健康度的分析 北京交通大学专业硕士学位论文 更加真实、可靠。 ( 4 ) 由于没有负载，其成本大大减少。 正是基于以上几点，交流法在目前的实际中得到了越来越广泛的应用。 根据上面的分析本系统用了交流注入法进行蓄电池内阻的测量， 在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级( 见 下表) 1 2 v 阀控铅酸蓄电池1 m q 2 v3 0 0 1 0 0 0 a h 蓄电池 1 1 0 1 m q 2 v1 0 0 0 a h 以上蓄电池1 1 0 2 m q 因此，产生的电压变化幅值也在微欧级，信号容易受到干扰。尤其是在线测 量时，会受到充电机或用电负载的影响。工频和射频干扰也影响读数，为了能够 从噪声中提取出微弱的信号我们采用锁相放大器。这里采用锁相放大技术很好地 抑制了充电机的干扰和环境噪声。交流注入法测量电池内阻的原理框图如图2 4 所示。由于在变电站和通信基站中使用的免维护铅酸蓄电池的内阻都很小，一般 为零点几个毫欧至几个毫欧，所以电池内阻测量导线的阻抗是不可忽略的，应采 用四线法进行测量，即将注入电流回路与信号测量回路分开。图2 6 中，低频交流 恒流源发出为一个频率为l k h z 的交流恒流电流源，用于给电池注入交流信号。同 时从电阻r c 个获取到一个和流过电池同频同相的参考。 图2 - 6 交流注入法测量电池内阻原理框图 f i g u r e2 - 6e x c h a n g ei n j e c t i o nm e t h o db a t t e r yi n t e r f a c er e s i s t a n c ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 锁相放大及滤波电路是内阻测量的核心部分，用于分离电池内阻上固有的容 性成分，并对微弱的内阻测量信号进行锁相放大及滤波处理。测量内阻一般是先 通过测量电压计算出内阻抗，再测量相移，然后再计算出内阻抗中的纯阻性部分 ( 即常说的电池内阻) 。这种方法电路设计比较复杂，并且精度也很难做得很高。 在设计中，采用了锁相放大法进行内阻的测量，可直接计算出内阻，既简化了设 1 4 系统分析以及方案确定 计，又有效地抑制了干扰和噪声，大大提高了测量精度。 对于存在噪声的非周期信号，通常用滤波器减小系统的噪声带宽，即所谓的 带宽压缩法。对于深埋在噪声信号中的周期性重复信号，通常采用锁相放大技术 ( 频域的窄带化处理) 进行处理。相敏检波器是锁相放大器的心脏。对周期信号 进行互相关运算的电路框图如图2 7 所示。 u o ；u s u r 图2 7 互相关运算电路框图 f i g u r e2 7m u t u a lc o r r e l a t i o na r i t h m e t i cc i r c u i td i a g r a m 设弧= e s 幸s i n ( 2 万z h 仍) u r = e r 宰s i n ( 2 n f z t + 仍) 则 u o = u s 幸所 ：下e s e rc o s 2 万( 一f 2 ) t + ( 矿l 一妒2 ) 卜_ e s 广e rc o s 2 万( 五+ 厶) f + ( 伊i + 伊2 ) 】 上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差 频分量，后者为和频分量，当被测的有用信号与参考信号同步时，即f l = f 2 时，差 频为零，这时差频分量变成相敏直流电压分量，而和频分量成为倍频。其物理意 义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率轴作了相对位移，即由原来以 l k h z 为中心的频谱迁移至以直流( = 彳一五= o ) 和倍频( = 彳+ z = 2 彳) 为中心 的两个频谱。通过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为： u o ：e _ s e rc o s 2 万( 彳一z ) f + ( 仍一仍) 】 在实际的电路中，常常采用对称方波作为参考信号，使相敏检波器处于开关 状态，这时的相敏检波器称为开关型相敏检波器。为简化，令e r = l ，将方波参考 信号展开为傅立叶级数： 昕：! 主l _ s i n ( 2 力+ 1 ) ( 2 z t f 2 f + 仍) 】 7 怠( 2 n 一1 ) “ 式中，n 为谐波次数，f 2 为参考方波的频率。 当被测的有用信号为伪= e s 幸s i n ( 2 n f - t + 彤, j ) ，则相敏检波器的输出为： 踟= 芋薹南c o s 陬i f , ( 2 川圳f + ”+ 1 ) 矧) 北京交通大学专业硕士学位论文 若 2 厶，则上式中存在直流分量为： 2 e s ，一仍) ：2 e sc o s 0 c o s ( o , 一仍) = aa 式中伊2 仍一仍为输入信号也s 与参考信号毋的相位差。 在本设计中，采用了a d 公司生产的平衡调制解调芯片a d 6 3 0 。其实现的电 路原理如下图所示。 l 输入信号f 生 一笮ff ，r 0 l 一缓冲放大器l 尘叫低通 兹泼器l i 寥考信号学- 4 t t 较器 l - 一 lf l 够1 飓 l 图2 - 8 a d 6 3 0 组成的锁相放大电路原理框图 f i g u r e2 - 8a d 6 3 0c o m p o s i t i o np h a s e - l o c ka m p l i f y i n gc i r c u i tf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 参考信号为交流电流信号源同步输出的重考的电压信号，此信号与电池上的 注入信号是同频同相的。但由于电池的内阻抗上存在容性分量，所以从电池上来 的取样信号与注入信号有相位差，设为矽。并设电池的内阻抗为r z ，纯内阻为r ， 则有：r = l r zi 幸c o s 0 设交流电流信号源的输出电流为j f 。a s i n c a t ，则取样电阻r r 两端的电压降为 谚= ，木r r = a r 车s i n c o t 。由于电池内阻抗上有容性成分存在，所以电池上产生的交 流电压信号会产生相移，设差分放大器的增益为b ，则采样信号经放大后的值为 协= ，幸r z 幸b = 彳宰b 木lr zi 宰s i n ( c o t + 0 ) 。 将u f 作为a d 6 3 0 调制时的参考信号，由于此信号在a d 6 3 0 内部是经过一个 与零电平作比较的比较器后再进行调制的，所以实际的相敏检波的参考信号为一 个对称的方波u r ，通过外围管脚的适当连接可使a d 6 3 0 工作在1 ：1 的调制模式下。 将此方波参考信号u r 展开为傅立叶级数， 为昕= ! n y = o 上( 2 n - 1 ) s i n ( 2 删2 万五f + 删 则a d 6 3 0 的输出为： u o = u s 木u r = a 幸b 木i 亿l 幸s i n ( c o t + 护) 幸u r 令e ，= 彳宰b 幸lr zl ，且国= 2 万厂 根据前面的运算结果，可得： u o = 芋薹志c o s 【1 ( 2 川黼【o m + 1 ) 钏 1 6 系统分析以及方案确定 u o 经低通滤波器( 其增益为c ) 后，输出为： 协：2 e sc c o s 0 ：2 a b ci & ic o s 0 ：2 a b _ _ _ _ _ c cr 冗冗a 用基准电阻r c 替换电池进行同样的测试( 恒流源电流保持不变) ，通过类似的 推导可得输出信号为： u o c t - 2 a b c r c 万 堕：旦 r ：堕r c 一= 一，f = 一，f ， 根据以上两式，可得u o c r c ，于是电池内阻 u o c 。 直流电压和u o c 值可通过a d 变换得到，而基准电阻r c 的阻值是已知的， 所以电池的内阻就可计算出来了。 2 4 采集模块方案的确定 从采集的目标来看主要包括充电和放电电流以及状态信号，而这些信号已经 有比较成熟的解决方案只需要根据电流大小选择合适的电流传感器就行加上合适 的调理电路就可以了。 2 5 显示控制通讯模块方案的确定 显示控制部分主要主要完成以下方面的工作： ( 1 ) 控制和收集电池在线监测的数据； ( 2 ) 控制和接收系统已经有的监控系统的数据； ( 3 ) 收集采集模块的数据； ( 4 ) 通过数据通讯接口实现和总服务器进行状态数据更新，同时接收服务器 发出的命令； ( 5 ) 提供友好的人机交互界面，方便就地操作者查看状态数据和设置参数。 2 6 数据通讯接口模块方案的确定 由于站和总服务器的距离很远，所以该接口模块主要负责将接口信号转变成能 和上面通讯的电信号，由于一般站已经具备有口通讯的能力，为了组网方便，该 模块主要是将数据通