智能化蓄电池在线监测系统技术白皮书(金煜)

1、 智能化蓄电池在线监测解决方案技术白皮书山东金煜电子科技有限公司中国济南 目录一前言 (11.1方案背景 (11.2设计原则和规范 (2二应用现状及原理 (32.1国内应用现状 (32.2设计原理 (5三智能化蓄电池在线监测技术方案 (73.1方案概述 (73.2系统拓扑图 (73.3系统技术优势 (93.4LE-BMD1系列在线监测单元 (113.5LE-CAPM系列容量监测单元 (123.6LE-DIP100数字化信息平台 (143.7LE-BMS2000在线监测管理系统 (15四技术服务 (204.1质保期内的技术服务 (204.2质保期后的技术服务 (20 一前言1.1方案背景电力二次

2、设备及动力设备等系统中,蓄电池是重要的储能设备。它可以保证通信设备及动力设备的不间断供电,但如果不能妥善地管理蓄电池组,例如过充电、过放电及电池老化等现象都会导致电池损坏或电池容量急剧下降(即使只有一节电池性能恶化,也会影响整组电池的性能,从而影响设备的正常供电。因此,及时可靠的对电池组进行巡回检测对维护通信系统设备的正常运转具有十分重要的意义。在电力系统中,在实际操作里,对蓄电池日常的管理和维护总存在如下问题:大多数“免维护”电池使用寿命比预期要短得多;电池安装以后可能没有专人管理;手工检测很困难,数据分析需要专业知识;很多场合不具备定期放电检查条件;电池放电测试的风险很高;无人值守变电站的

3、日常检查费用很高;大部分电池监测系统只采集了电池的电压,反映不出问题;以上对蓄电池管理的短板,往往会付出惨烈的教训:2007年9月福建某电力公司220KV线路遭到雷击,220KV进线跳闸,造成全电站所用电失电,直流屏电源重合闸充电机无法工作,蓄电池失败造成了该地区220KV全面停电,长达9小时停电事故。2006年3月29日广西某电厂48V直流系统整流充电器失电后,蓄电池长时间放电,造成循环冷却泵站直流系统低电压故障,故障改有送传机组控制室报警,造成两台机组停运,全厂核对外停电。2005年3月,某电力公司某地的主变压器发生通讯故障,当外电断电时,通讯电源中蓄电池不能正常工作,致使整个东部区通讯的

4、中断。该事件被该局定性为事故,相关责任人受到处理。进入二十一世纪以来,随着社会和经济的发展、技术的进步以及人类社会对电力依赖程度的加大,智能电网的概念应运而生,并在近两年成为全球电力行业 研究和探讨的热点。智能电网是结合信息技术、通讯技术、新能源发展要求的产物,是适应经济发展和能源发展的要求。中国电网的发展,将在下一步能源体系里起到重要的作用,同时,能源体系能否取得良好发展的问题也对电网发展提出了更多、更高的要求。直流电源系统是变电站中非常重要的二次设备部分,它的主要功能是给继电保护装置、开关分合及控制提供不间断连续可靠电源,其性能和质量的好坏直接影响关系到电网的稳定运行和设备安全。整个直流系

5、统中,蓄电池运行状况的好坏是关键。为了适应智能电网的建设要求,直流系统及蓄电池的在线监测必须实现智能化和网络化,且按照IEC61850规范,实现数字化变电站的统一建模,以便信息的共享。变电站网络化、智能化蓄电池在线监测系统应用在智能化、数字化变电站才刚刚起步,应用前景将非常广阔。1.2设计原则和规范产品设计过程中依据的原则:(1必须满足客户在产品性能和服务上的要求。(2保证产品的易用性。(3保证产品的可扩展性。(4必须确保产品在使用过程中的稳定性和安全性。产品设计符合国家及国际相关规定:(1 DL/T856部标规定的内阻测量要求。(2 IEEE国际标准规定内阻测量要求。(3 GB/T 2887

6、-2000 计算机场地通用规范。(4 GB/T 9361-1988 计算机场地安全要求。(5 IEC 61850系列标准。 二应用现状及原理2.1国内应用现状无人值守变电站推广、维护设备自动化程度不高、变电站地理位置分散等原因,导致维护人员维护工作不堪重负,无法确切掌握蓄电池组运行真实数据,造就不能有效预防事故的发生。而且,阀控蓄电池由于特殊的阀控式密封结构,使得我们无法准确掌握蓄电池的健康状况,其“免维护”的这一优点,已经成为蓄电池运行管理中的缺点和难点。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蓄电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为蓄电池运行管理的新课题。目前,国内

7、有很多厂家都在致力于蓄电池在线监测这一技术,但大多监测系统均存在一些问题:(1内阻在线测试目前带内阻测试功能的监测系统都采用下面的方法来测试,即通过对电池的整组放电同时测得每个电池的压降来计算内阻的。 图2-1如上图所示,R为纯阻性负载,K1、K2、K3为空开,D1为大功率二极管。正常运行时K1闭合,K2、K3断开,充电机对电池浮充。测量内阻时,K1断开, K2、K3闭合,蓄电池组通过负载R进行放电。如果在测量过程中交流失电,蓄电池组通过D1、K2给母线供电。测量完成后重新合上K1,断开K2、K3。这种测试方法的最大缺点是:不能自动测量;安全性差及测量不准确; 测量内阻时必须人到现场合空开;测

8、量内阻时必须人到现场去合空开,而K1、K2、D1的增加对直流系统的安全带来隐患,万一在大电流充击时断开将造成重大事故。另外,由于放电采用纯阻性负载,对于不同的组压,其放电电流是不一样的,会造成测量不准。在实际应用过程中,通过这种方法测量,其测量误差高达100%以上。(2内阻分析方法测得蓄电池内阻后,如何通过内阻来判断电池容量是十分重要的。许多厂家都建议采用横向比较的方法,即先求出蓄电池组的平均内阻值,然后逐个比较,内阻比较高的电池再做核对性放电来判断电池是否有问题。这种方法经常会发生误判。因为对于一组容量能达到100%的蓄电池组,其每个电池的内阻是不一样的,最低与最高可能会差一倍或更多,但对高

9、内阻的电池做容量核对发现容量仍能达到100%。这些内阻上的偏差往往是由于制造工艺及材料上的偏差造成的。所以利用横向比较并不能准确判断电池容量。 (3测量精度目前许多蓄电池巡检仪运行时间一长测量就不准确,原因是由于采集电路采用了校准用的电位器。由于电位器时间一长阻值会发生漂移,造成电压采样误差增大。引起漂移的另一个原因是基准源。一般设备采用25PPM的基准源。另一个特点是高输入阻抗。在实际应用中有时电池采样线会比较长,甚至会超过二十米,对于一般的电池巡检仪,会在采样线上产生压降,最后导致电压测量不准。(4安全性 对于用户来说,监测设备的的安全性是极其重要的。(5智能化随着智能电网工作的全面展开,

10、基于IEC61850的智能化变电站逐渐投入使用,在自动化领域,技术水平已经达到了国际水平。但是在对于非电气参数的监测手段仍然处于正在发展阶段,在线监测系统往往都是孤立运行的系统,无法适应目前智能电网的发展需求。2.2设计原理2.2.1蓄电池内阻设计原理蓄电池在线监测单元采用直流瞬间放电测量内阻方法,即对电池进行级短暂的恒流放电(放电时间约3s,通过高速的采集手段测出电池极柱上电压的瞬间变化值,根据电池表现出来的欧姆特性,计算便可推导出其内阻。现以2V、300Ah电池为例说明其测试原理,如下图二所示: 图2.4系统原理电池内阻的计算公式为:R = V / I = (V2 - V1 / I2.2.

11、2容量单元设计原理容量单元放电材料采用PTC放电片,不会发红,具有高安全性,整个放电回路无易损的元件。PTC温度特性曲线如下: 简单的框图如下: 主放电回路上由一个开关与PTC组成,PTC具有正温度特性,温度越高其电阻越大,起到了很好的温度保护作用。利用这个特性,可以通过关闭冷却设备来停止放电,确保放电开关失灵时也可以停止放电。控制电路部分具有自检的功能,一旦发现开关或其他器件出现问题时,将不会执行放电命令。 三 智能化蓄电池在线监测技术方案3.1 方案概述蓄电池的"安全卫士"-智能化蓄电池在线监测系统是金煜电子面向智能电网 推出的新一代实时在线监测系统。该系统数据采集高效

12、稳定,数据分析全面可靠,图形界面直观,规约扩展灵活,故障定位准确。系统可靠,安全性高,防过压、过流、高频磁场干扰能力强,可在高频强磁场工作环境下正常运行。3.2 系统拓扑图3.2.1 单机版单机版蓄电池在线监测系统主要由蓄电池采集模块通过采集线采集蓄电池 的电压、内阻等参数后对数据进行处理、分析、存储及显示,并通过串口或者网络将数据上传给智能化信息平台或者单机版采集软件,实现数据的展示、处理等。 单机版蓄电池在线监测系统该单机版可适用于单个变电站、电厂、计算机机房的UPS 等不需要组网监控的现场。3.2.2 网络版智能化蓄电池在线监测系统主要由三层结构构成:采集层、汇聚层和主站层。 主站层主要

13、由一系列服务器、网络设备和主站软件组成。主要实现全网各个 变电站蓄电池内阻、电压、电流、环境温度、组压、容量等在线监测,对数据进行统计分析、存储,形成各种报警信息、报表、曲线图以及趋势图等,通过WEB 发布到内部局域网。而且,该主站系统与MIS 系统、调度系统等做接口,实现数据的共享,解决了信息“孤岛”的难题。汇聚层主要由数字化信息平台和通信网络组成,是数据的采集和转发中心。 数字化信息平台采集各个变电站蓄电池采集单元的数据,通过101、104、CDT 等规约,转发相应数据到变电站综自系统、上一层主站系统等。该数字化信息平台具备IEC61850标准接口,可在数字化变电站内无缝接入,实现信息的共

14、享。该层可根据现场实际需求配置。采集层负责数据的采集,通过采集线采集每节电池的电压、内阻、容量等, 每根采集线上都有防短路的限流电阻或保险丝。蓄电池在线监测单元发送数据给数字化信息平台,也可发送控制命令对控制单元参数进行修改。方案系统拓扑图如下: 防火墙WEB 发布打印机工作站数据服务器前置采集服务器数据接口网络/串口等数字化信息平台LE-DIP100蓄电池在线监测单元LE-BMD1蓄电池组1直流系统/综自/IEC61850等蓄电池组2数字化信息平台LE-DIP100蓄电池在线监测单元LE-BMD1通信电池组1直流系统/综自/IEC61850等通信电池组2网络版蓄电池在线监测系统 该系统适用于

15、任何县级、地区级的蓄电池在线监测环境。3.3 系统技术优势3.3.1内阻在线监测技术采集模块采用了多循环的在线测试技术,其工作原理是将一组电池组分成多个循环,每次测量内阻时先对第一个循环进行放电,结束后再对第二个循环进行放电,直至最后一个循环。在放电的同时,系统高速采集每节电池的放电曲线,取得压降后测出每节电池的内阻。放电负载采用了恒流负载,确保电压变化时每次放电的电流不变。系统可以被设成间隔一定时间自动测量一次内阻,无需人工干预。3.3.2内阻分析方法内阻分析采用了纵向比较的方法,即对同一个电池在不同时间测得的内阻进行比较,以容量为100%时取得的内阻为基准值,如果高出基准值50%时我们认为

16、电池容量低于80%,高出基准值30%-50%时,我们认为处在临界状态,需要活化或做进一部确认。这种方法在实际应用中被验证是非常有效的。 3.3.3电池在线核对性放电及活化技术通过对PTC 放电片的电阻温度特性曲线进行分析,利用PTC 的正温度系数所表现出的非线性阻抗特性,控制PTC 表面的温度,间接调节PTC 的阻抗,实现大容量蓄电池组恒流放电。这种放电装置在实际使用中,效果很好,对准确标定大容量蓄电池组容量、更好的对大容量蓄电池组进行维护起到了良好的作用,延长了大容量蓄电池组的使用寿命。 3.3.4 高精度测量针对电阻测量的精度问题,我们采用以下两种方案解决:(1 采用了无电位器设计,利用芯

17、片内固化系数的技术,解决了时间飘移的问题;(2 采用稳定性高出五倍的5PPM 基准源,确保测量电路的参考值的稳定性。3.3.5 高安全性我们对产品安全性能的一个基本设计原则就是即使设备发生任何故障也不能影响被监测系统的安全。所以除了在设备内部做了多重保护功能外,在每根采样线上都接有专用保险丝,一旦后端发生任何短路,保险就立刻断开。 3.3.6 高可靠性通过设计而不是生产来确保系统的可靠性。我们采用一体化的设计,将所有线路集中在一块板上,这样避免了由于连接器与跳线造成系统不稳定。在元器件选用上,90%以上采用国际知名厂家的工业级芯片,并在出厂前进行72小时的高温老化,确保系统的高可靠性。 3.3

18、.7 智能化功能我们在系统设计时充分考虑了目前智能电网的发展趋势,系统除具备常规的电压采样保险丝0.4A内阻测量保险丝 15A 数据接口外还具备IEC61850标准数据接口,满足在线监测系统在智能化变电站中的通讯需求,实现在线监测系统数据的信息共享。这也是未来智能化变电站在线监测系统的一个发展方向。3.4 LE-BMD1系列在线监测单元3.4.1监测单元型号 3.4.2监测单元特点全自动巡检电池内阻、电压、电流、环境温度等,自动记录监测数据。受控单检。巡检电池内阻、电压、电流、环境温度等,自动记录测试数椐。自动监测电池组性能均衡性,诊断电池故障,电池故障自动报警。单体电池和电池组性能状态即可在

19、现场观测;也可在数据中心观测。标志明确,显示直观。现场检测无需人工介入,避免了因人工检测误操作引起的短路、触电和负载断电风险。全隔离独立测试回路,既不受用户设备干扰,也不影响用户设备和电池组的正常运行。电池资源管理全面数字化、信息化。能够随时查询单节电池的内阻、电压、计算出容量,内阻偏高报警等功能。3.4.3监测单元技术参数 3.5 LE-CAPM 系列容量监测单元容量监测单元是一个固定式放电负载,可以被固定在现场,可以受蓄电池监测系统控制。在做核对性放电时无需再带便携式放电负载,无需再接线,减轻了工作量。 3.5.1 容量单元型号 DC220V 系统用 DC110V 系统 3.5.2容量单元

20、特点精确预测电池组放电剩余容量、剩余时间;在线实时的对电池组的放电电压、电流、电池温度、外界温度等进行在线的测量;安全保证功能:通过无缝连接技术将被测试电池组与LE-CAPM系列容量单元设备串接。在放电过程中,如果市电中断,主机自动停止对电池放电。保证该蓄电池组始终处于安全在线状态。恒流放电连续可调;放电过程,全中文触摸屏显示放电电池电压、电流、温度等信息;实时监控:放电过程中,可实时察看电池放电情况,以报表、图形方式全面、直观地显示电池的放电电压。并以电压时间曲线显示电池组电压、单体电压(如果配置电池单体电压检测仪变化趋势,快速辨别电池的性能;具有多种报警功能:能实时发出报警信号,并自动停止

21、放电。3.5.3容量单元技术参数 3.6 LE-DIP100数字化信息平台LE-DIP100数字化信息平台是金煜电子面向智能电网推出的新一代智能监测平台。IEC61850确立了电力系统的建模标准,为变电站定义了标准的信息模型和信息交换模型。该平台具备标准的IEC61850接口,可做为蓄电池监测单元及直流系统的数据转发平台,也可接入智能设备数据(包括监测绝缘监测装置数据监测、充电机及电源监测、开关状态监测等,统一上送到后台软件、综自系统等。3.5.1产品特点可靠性高。系统采用32位工业级嵌入式微控制器,先进的嵌入式实时操作系统,各任务模块独立设计,功能强大,稳定性好,可靠性高。输入输出均采用隔离

22、技术,有较好的防雷性能。抗电磁干扰、绝缘性好。系统对高频干扰、快速瞬变、浪涌及静电等抗干扰能力都达到标准中规定的最严酷4级标准,可在恶劣环境下使用。扩展灵活。数字化信息平台LE-DIP100可扩展网口、串口配置,根据现场要求接入不同的后台、主站系统等。接口丰富。数字化信息平台LE-DIP100支持串口、网口、光口等多种通讯接口。且支持CDT、101、104、MODBUS、IEC61850等多种规约,与智能化、数字化变电站的间隔层、变电站层无缝接入。维护方便。数字化信息平台配有点阵大液晶显示器,全中文菜单,显示内容丰富,无需帮助,轻松使用。系统配备了相应软硬件调试维护工具,组网简单,调试方便,可

23、维护性强。3.5.2技术参数 3.7 LE-BMS2000在线监测管理系统蓄电池在线监测管理系统LE-BMS2000可根据实际需求定制B/S或者C/S结构的模式。该系统可跨平台、支持多种主流数据库,数据图形化展示功能丰富,可统一建模,具有完善的预警机制,告警形式多样,接口功能丰富,系统稳定可靠,完全满足电力系统运行的要求,力求解决“信息孤岛”的难题。3.6.1主站功能(1实时监控实时监控模块监控各路电池的电压、内阻、电流、组压及环境温度,并自动查找电压、内阻、电流、组压及环境温度最大值、平均值、最小值及其相应电池号。还可以根据需要选择电池编号排序、电压从大到小排序、电压从小到大排序、内阻从大到

24、小排序、内阻从小到大排序。实时监控图如下: 数据展示功能(2统计分析系统可以对蓄电池的数据进行分析。只要选择开始时间和结束时间,系统可以自动搜索符合条件的记录,分析模块可回放各路电池的电压、内阻、容量,并查找电压、内阻、容量最大值、平均值、最小值及其相应电池号。可回放各路电池的电压、内阻、容量直方图。可回放各路电池的电压、内阻、容量折线图。 电压柱状图 组压和电流曲线图(3预警管理系统预警管理根据各蓄电池各时期的内阻值、电压值、电流值等统一建模,形成对现场各个蓄电池整体的决断分析,对将要达到设置的报警限值时,及时发出预警信号,方便用户及时排除。(4历史数据管理用户可根据自身的需求设置历史数据的

25、存盘周期。用户可自定义数据报表,包括各种测量点的分时报表、日报表、月报表、季度报表、年报表等。历史数据可采用多种方式呈现:树状数据显示、棒状图、趋势图、曲线图、 潮流图等。用户可方便打印所选择的各种图形、数据报表等信息。历史数据删除。只有最高权限的用户方可操作,此操作前需对数据及时备份。内阻测量柱状图如下: 内阻柱状图(5实时人机监控用户可在绘图管理系统上任意定制现场的各种蓄电池符号,绘成电厂、变电站等监测区域内的监测工况图。监测工况图直观、清晰、一目了然,用户可实时了解各测量点的动态实时数据、报警信息、内阻越限值等情况。(6WEB发布管理采用Web方式实现信息发布及人机会话,支持采集数据、考

26、核统计数据等信息的发布和检索。相关人员能够在各自客户机上及时获取相关信息。客户端采用浏览器方式获取数据,做到免安装、免维护,特别适合于电力生产这样多个部门同时使用的系统。采用全动态网页设计,方便调出各种图形和统计报表,便于用户查询。提供数据下载功能,客户端可以下载各种电量数据和统计、计算数据。个性化设计,利用用户密码、权限范围限制实现分层分类管理,能够自动识别硬件地址,提高安全性。Web应用的内容跟选择的应用模块有关。 WEB发布界面(7多接口管理系统可支持与电厂内的MIS系统、SIS系统、调度端的SCADA系统、生产管理系统等接口。(8告警事项管理主站系统可自动采集现场采集设备的运行告警事项;监测各个测量点的运行状况并产生报警事项;监测自身软件的运行状况并产生告警事项等等。告警信息可采用声光、语音、短信告警等。告警方式可定制。事项记录分类存储,用户可方便查询与打印。事项查询界面: 告警记录:智能化蓄电池在线监测解决方案 事项记录： （9） 用户权限管理 登录智能化蓄电池在线监测软件时，需要通过身份验证。分为两级管理员权 限：最高权限为系统管理员；普通管理员的权限最低。系统管理员权限拥有对系 统操作的最高权限；二级权限用户只可浏览、查询以及打印相