淺談高層換流站變電站蓄電池在線監測系統功能與應用

摘要：蓄電池作為換流站及變電站低壓直流系統的重要組成部分，對其進行在線監測具有重要意義;本文主要介紹蓄電池在線監測裝置的基本結構、基本原理，傳統結構的不足，同時提出蓄電池在線監測系統結構的改進方案并對相關通信協議和數據算法進行了簡要說明。

關鍵詞：蓄電池；在線監測；通訊協議

0引言

蓄電池是換流站(變電站)低壓直流系統的重要組成部分，其在運行過程中，容易出現極板短路或開路、蓄電池極柱、螺絲、連接條爬酸或腐蝕、浮充電壓不均衡等異常現象。如果以上現象無法及時被發現，極有可能造成蓄電池電壓降低，供電時間顯著下降，嚴重時，可能導致蓄電池發生火災、引起保護拒動或設備跳閘。而蓄電池的故障往往伴隨著蓄電池電壓、溫度、內阻、容量等參數的變化，因此，研究一種能夠有效監視蓄電池參數的在線監測裝置具有重要意義。

1蓄電池在線監測系統的傳統結構

目前，在換流站及變電站通常采用電池巡檢儀和集中監控裝置相結合的方式對蓄電池參數進行測量。單只電池巡檢裝置可獨立測量蓄電池組中單體電池的端電壓、溫度等狀態量，

實時監視整組蓄電池的運行狀況，同時將數據上傳集中監控器，方便運維人員查看。蓄電池巡檢模塊采用串行總線方式，通過RS232通迅接口與集中監控器相連接。但是，由于單個蓄電池巡檢模塊對應多個蓄電池，因此導致蓄電池巡檢儀接線復雜，容易出現導線松動或連接不到位導致誤報警等情況;同時由于RS232通信標準傳輸距離的局限性，使蓄電池參數僅能就地查看，無法傳送至遠方。

2蓄電池在線監測系統的改進結構

2.1技術要求

針對傳統蓄電池巡檢儀存在的不足，改進結構應滿足以下技術要求:

（1）提高蓄電池的接線可靠性和測量準確性，減少誤報警的發生，同時具備接線簡單，安裝方便等優點;

（2）通過改進通信傳輸方式，實現蓄電池參數遠距離傳輸。

2．2基本構造及原理

蓄電池在線監測系統主要由以下三部分組成，拓撲結構如下圖所示。

蓄電池在線監測系統示意圖

2.2.1蓄電池傳感器

安裝于每一節蓄電池本體，用來測量蓄電池的電壓、內阻、溫度、容量等參數，傳感器均連接與S-BUS總線上。

2.2.2通訊轉換模塊

實現S-BUS與RS485之間的通信轉換，并將數據經網線或光纖傳送至蓄電池監測工作站。鑒于RS232通信標準的理論傳輸距離僅為15米，為實現遠距離傳輸，用RS485通信標準作為替代，可使傳輸距離提升至幾百米至上千米，能夠滿足換流站(變電站)應用范圍的要求。

2.2.3蓄電池監測工作站

位于遠方控制樓內，能夠實時接收顯示管理終端上傳的蓄電池參數信息，方便運行人員遠程監控蓄電池運行狀態。當蓄電池出現故障時，蓄電池監測工作站將發出告警信號，提醒運行人員及時進行檢查處理。該工作站亦可放置于設備室現場，亦可將蓄電池參數通過網線或光線傳送至遠方工控機處。

2.3創新點

（1）每臺蓄電池配置單獨的傳感器，簡化了接線，解決了接線復雜而導致的測量不準及誤報警的情況

（2）用RS485通信標準取代RS232可使傳輸距離由十幾米增加至幾百米上千米，同時進一步提升了抗干擾能力

（3）運用RS232/485轉換器，將RS485信號轉換成RS232信號，實現與工控機或PC的通信連接，通過蓄電池監測工作站中的軟件實時讀取傳輸信息并對異常參數發出告警信號

（4）對于遠距離傳輸(大于100米)，單用網線已無法滿足要求時，可利用光貓實現網線與光纖之間的通信轉換，進一步延長傳輸距離。

2.4蓄電池傳感器通訊協議

2.4.1通訊接口

通信接口波特率的典型值為9600b/s，表征數據傳輸速率;包含8位數據位，1位停止位，無校驗位，其中停止位用以標志數據傳送的結束;傳感器地址可在0-254取值，一般而言默認地址為1。

2.4.2命令格式

當需要測量電壓等參數時，蓄電池監測工作站將發送給傳感器相應的命令。其中，字節1表示傳感器的地址，字節2表示蓄電池監測工作站發送給傳感器的指令，字節3表示校驗和。常用指令主要包括:測量電壓、溫度、阻抗值并存儲測量值，傳送存儲的電壓、溫度、阻抗值，指派ID、軟重啟等。總線上*多可連接254個模塊，對應254節蓄電池。對于110V蓄電池組，以每節蓄電池2．25V計算，則僅需取其中的52個模塊進行連接即可。

2.4.3返回數據格式

蓄電池傳感器模塊接收到正確指令后，將返回給請求端相應的數據。每一個傳感器單元傳送的任何響應均包含4個字節，其中，字節1代表傳感器的地址，字節4代表對字節1和字節2進行’逐位XOR’生成校驗和;數據A采用big-endian格式;數據B采用格式little-endian格式。數據格式為IEEE754無符號半浮點型，取值范圍為0-255.9375。

表1傳感器返回數據格式

2.4.4蓄電池參數的數據算法

IEEE754無符號半浮點型如表2所示。其中，Flag為整體標志，取0表示數據包包含測量信息;取1表示數據包包含狀態信息;Exp表示4個指數位;Man表示11個尾數位。

表2無符號半浮點型數據格式

設指數為Exp，蓄電池電壓為U，則當1＜Exp＜14時，有算法公式:U=2(Exp－7)*(1+Man/211)若指數超出該范圍，數據將溢出或報錯。例如，設數據A為0x42(十六進制)，數據B為0x02(十六進制)，將數據A和B轉化為二進制得:標志位為0，說明數據包包含測量信息，指數為1000，尾數為00100000010。代入公式得:U=2(8－7)*［1+(1*29+1*21)/211］≈2.50V即傳感器測得的電壓值為2．50V，并將該值返回給蓄電池監測工作站。

2.5蓄電池監測工作站的工作原理

傳感器傳送過來的數據經過RS232/485轉換器轉換成工控機或者PC能夠讀取的數據，并通過預裝在蓄電池監測工作站的應用程序對蓄電池參數進行存儲和分析，如果該數據超出正常范圍，則工作站將發出告警，提醒運行人員到現場檢查。

2.6現場應用情況

2.6.1應用實例

目前，該蓄電池在線監測系統已在部分換流站和變電站得到了應用，從應用效果看，該系統在參數測量準確性上有明顯提升，裝置誤報警的情況明顯下降;受限于施工條件，蓄電池數據的遠距離傳輸效果仍有待進一步驗證。

2.6.2經濟效益

該裝置應用于換流站(變電站)的蓄電池系統中，一方面提升了蓄電池的運維水平，另一方面，也避免了蓄電池故障甚至燒毀而引發事故，避免了由此而帶來的巨大經濟損失，從長期看，該裝置可為電力生產提供較好的經濟效益。

3安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理系統

3.1平臺組成

安科瑞電氣緊跟數據中心能效、資源利用率和可用性，提高運維效率并降低運維成本。

AcrelEMS數據中心的能源管理提供的監測和控制，主要分為電力監控、動環監控、能耗統計分析（能源管理）、蓄電池監控、精密配電監控、智能母線監控、智能照明、消防相關的子系統。

3.2平臺拓撲圖

3.3蓄電池監測系統

3.3.1蓄電池組

蓄電池組通常作為UPS電源的補充，用于提供更長時間的應急電源，以便在柴油發電機組無法提供電力時，為數據中心提供電力支持。

3.3.2蓄電池組分類

數據中心的應用已經逐漸被鋰電池所取代。在選擇蓄電池組時，需要根據應用場景的要求和預算來選擇適合的蓄電池類型。

3.3.3蓄電池組一次接線圖

數據中心中的蓄電池通常采用一定數量的電池串聯組成電池組，并通過電線連接到UPS電源系統中。接線應遵循安全可靠的原則，以確保電池組的正常運行和使用壽命。當主電源發生故障或停電時，UPS電源系統將自動切換到蓄電池備用電源狀態，以確保系統的持續運行。蓄電池組一次系統圖如圖所示。

圖蓄電池組一次接線圖

3.3.4蓄電池組監控需求及主要設備選型

蓄電池組在數據中心UPS電源系統中發揮著重要作用，因此需要對其進行監控，以確保其正常工作和延長使用壽命。以下是蓄電池組監控的一些常見需求：

電池組狀態監測：包括電壓、電流、溫度、容量等參數的監測，以實時了解電池組的運行狀況。

電池組剩余壽命預測：通過監測電池組的工作狀態和壽命指標，預測電池組的剩余壽命，提前進行維護和更換，避免電池組失效導致UPS電源系統失效。

自動測試和巡檢：定期對電池組進行自動測試和巡檢，以發現潛在的故障和異常情況，及時處理。

報警和預警功能：當電池組發生異常或出現故障時，通過報警和預警的方式通知運維人員及時處理，避免事故的發生。

數據分析和記錄：通過對電池組數據進行分析和記錄，可以了解電池組的歷史運行情況，為優化管理和維護提供數據支持。

蓄電池監測主要由S模塊、C模塊及HS采集器組成。

4產品選型

5小結

隨著換流站(變電站)自動化水平的不斷提高，對蓄電池設備監視的要求也越來越高，通過改進和優化蓄電池在線監測系統的結構，有效提升了參數測量準確性，解決了數據遠距離傳輸及監視的問題，為換流站(變電站)的安全穩定運行提供了有力保障。

參考文獻

[1] S800BM在線監測系統項目運行報告．深圳市中聯通電子有限公司．

[2］S800BM蓄電池監測系統設備說明書．深圳市中聯通電子有限公司．

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版

[4] 葛萃輝，林錦峰.換流站(變電站)蓄電池在線監測系統研究