CN104333059A - 用于通信基站备用电源的智能维护系统及方法 - Google Patents

Abstract

用于通信基站备用电源的智能维护系统及方法，所述系统包括相互之间可双向数据通信的一个或多个监控终端、服务器和位于远程运维中心的客户端。每个监控终端均包括检测模块、充/放电控制切换模块、温/湿度测量模块、机房功率测量模块、ARM处理器及其供电模块。蓄电池组通过直流接触器在浮充电路和放电回路之间进行切换，直流接触器藉由所述切换模块进行切换。检测模块、温/湿度测量模块和机房功率测量模块的输出端均连接至ARM处理器，充/放电控制切换模块的输入端与ARM处理器相连，且输出端与直流接触器相连。本发明的系统和方法能实现对基站备用电源的科学维护和智能管理，延长蓄电池使用寿命，提高备用电源的可靠性，节约运维成本。

Description

用于通信基站备用电源的智能维护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于通信基站备用电源的智能维护系统及方法。

背景技术

通信基站多采用铅酸蓄电池组作为其独立的备用电源，以便在停电或电网出现故障时，由铅酸蓄电池组为机房设备独立供电，从而避免重大事故的发生，确保信号的稳定和通信的畅通。作为通信基站的备用电源，铅酸蓄电池组的寿命对通信系统的可靠性和稳定性有重大影响。为保证铅酸蓄电池组的使用寿命，需要对蓄电池组进行日常维护。

然而，目前通信运营商在铅酸蓄电池组的管理和维护工作中存在一些问题，主要体现在以下几方面：

1、管理模式粗放，维护方法单一

对铅酸蓄电池的维护工作，通信运营商主要采用定期巡检的方式。即定期进站检查铅酸蓄电池的工作状态、按照蓄电池的技术要求对蓄电池进行充放电维护。这种固定周期的巡检模式能够在一定程度上帮助管理者预防故障的发生。然而，维护周期的制定缺乏一定的合理性。

在实际工作过程中，铅酸蓄电池的维护周期是动态的，它受蓄电池的工作时间、工作状态的影响。例如，由于市电断电，一组铅酸蓄电池在维护前刚刚完成一次放电，那么这次例行的维护工作对蓄电池来说，就可能变成一种过度放电或频繁充放的行为，不仅起不到合理维护的作用，反而会对蓄电池的性能带来负面影响。

2、维护工作繁琐，维护成本过高

随着通信业务的不断增加，通信基站数目不断扩大，而且地理位置分布广泛。这就给铅酸蓄电池的现场维护工作带来了极大的不便。通信运营商必须建立一只庞大的维护队伍，才能保证基站的正常工作。此外，一旦基站铅酸蓄电池需要进行放电维护，就需要携带笨重的专用充放电设备，放电操作前必须将蓄电池组从基站电源系统中拆下，再与专用放电设备电连接，而且维护人员必须停留在现场，等待冗长的放电过程结束，然后将蓄电池重新安装到基站电源系统中才能离开。

这种繁琐的现场工作模式，不仅劳动强度大、工作效率低，增加了人力物力成本。更重要的是，工作的效果主要依赖于操作人员的业务熟练程度和责任心，如果出现人工的操作失误，就会影响铅酸蓄电池组的正常使用。而且，专用的放电设备通常笨重不易携带，由于通信基站众多且分布于不同区域，这也给运营商对维护人员的部署安排带来了挑战。

3、修复能力低下，电池更换频繁

在铅酸蓄电池组的管理中，对于失效的蓄电池组，要么全组更换，要么重新组合，缺乏有效的修复手段。而市售的各种修复设备大都达不到所宣称的效果，很难真正起到有效的修复作用。

在蓄电池组出现问题之后进行修复只是补救手段，在电池性能已经受到严重影响的情况下效果不明显，所以说失效后的修复是不得以而为之的方式。

目前定期巡检的维护方式属于事后维护的范畴，工作方法传统、粗放，不够合理。相反，科学的维护方式应能在蓄电池组出现问题之前对其进行保养，注重日常养护，使得电池组性能能够更长时间地保持在较佳水平，从而延长电池的使用寿命。

发明内容

针对通信基站备用电源在日常维护中存在的上述问题，本发明提供了一种用于通信基站备用电源的智能维护系统及方法，能够远程地对所有的基站备用电源智能地进行充放电维护，免除维护人员在基站现场的繁重作业，在减少人工维护成本的同时提高备用电源系统的可靠性。

一种用于通信基站备用电源的智能维护系统，其中，通信基站备用电源包括第一铅酸蓄电池组和第二铅酸蓄电池组，所述第一和第二铅酸蓄电池组与整流后的市电电源并接于直流母线，其特征在于，所述智能维护系统包括：

一个或多个监控终端，每个监控终端安装于一个通信基站中，并且通过两个接线端子接入到市电供电回路，每个监控终端均包括：

检测模块，用于测量市电的浮充电压以及第一和第二蓄电池组的电压和电流；

第一和第二放电回路，分别用于对第一和第二蓄电池组进行放电维护；

第一直流接触器，所述第一放电回路中的第一放电负载通过所述第一直流接触器与所述第一蓄电池组串接，所述第一蓄电池组通过所述第一直流接触器在浮充电路和第一放电回路之间进行切换；

第二直流接触器，所述第二放电回路中的第二放电负载通过所述第二直流接触器与所述第二蓄电池组串接，所述第二蓄电池组通过所述第二直流接触器在浮充电路和第二放电回路之间进行切换，其中所述第一和第二直流接触器的常闭触点接入到浮充电路，而其常开触点分别接入到所述第一和第二放电回路；

充/放电控制切换模块，所述第一和第二直流接触器分别藉由所述切换模块在常闭触点和常开触点之间进行切换；

温/湿度测量模块，用于实时测量所述监控终端内部和/或监测基站机房设备环境的温度和/或湿度；

机房功率测量模块，用于实时测量机房的功率和用电量；

ARM处理器，所述检测模块、所述温/湿度测量模块和所述机房功率测量模块的输出端均连接至所述ARM处理器，所述充/放电控制切换模块的输入端与ARM处理器相连，且输出端与所述第一和第二直流接触器相连；以及

供电模块，用于为ARM处理器供电；

服务器，用作存储和处理数据的数据中心，通过设置在所述监控终端中的网络通信模块与所述ARM处理器通信；以及

客户端，位于远程运维中心且安装有监控软件，通过运维中心的路由器与所述服务器通信。

优选地，所述检测模块包括顺次相连的取样电路、滤波电路和稳压电路，所述取样电路包括与第一或第二蓄电池组串联的电流取样电阻R_I以及接在第一或第二蓄电池组两端的串联的电压取样电阻R_V1、R_V2，所述电流取样电阻R_I和所述电压取样电阻R_V1的两端依次经过滤波电路、稳压电路继而连接到模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与ARM处理器的输入端相连，所述取样电路的输入端还连接于直流母线，以便测量浮充电压。

优选地，所述充/放电控制切换模块包括第一级继电器以及由所述第一或第二蓄电池组供电的第二级继电器，所述第一级继电器的线圈通过三极管与ARM处理器的输出端相连，所述第一级继电器的开关触点与第二级继电器的线圈串接，所述第二级继电器的开关触点与所述第一和第二直流接触器的线圈分别串接。

优选地，所述机房功率测量模块包括安装于配电箱的电流互感器，自所述电流互感器的输出端输出的信号依次经过前置放大电路、整流滤波电路、直流放大电路输入至具有AD变换功能的单片机。

优选地，所述供电模块包括DC-DC转换器。

一种用于通信基站备用电源的智能维护方法，其中，通信基站备用电源包括第一铅酸蓄电池组和第二铅酸蓄电池组，所述第一和第二铅酸蓄电池组与整流后的市电电源并接于直流母线，所述智能维护方法包括以下步骤：

S1、实时采集工作参数：

i)监控终端的检测模块实时测量市电的浮充电压、蓄电池组的工作电压和工作电流，通过ARM处理器的网络通信模块将上述工作状态的参数发送并存储至服务器；

ii)机房功率测量模块实时测量机房用电功率和/或用电量，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器；

iii)监控终端的温/湿度测量模块实时测量机房环境的温度和湿度，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器；

S2、工作参数异常报警：

服务器判断步骤S1中测得的蓄电池组的工作电压、工作电流和环境温/湿度是否超出预设的安全运行阈值，若超出，则向客户端发送报警信息；

S3、用电异常报警：

服务器判断机房用电功率和/或用电量是否超出预设的正常阈值范围，若超出，则向客户端发送用电异常的报警信息；

S4、判断是否停电：

i)若S1中实时测得的浮充电压突然下降，则判定市电供电中断，向客户端发送停电的报警信息，并进行步骤S5；

ii)若S1中实时测得的浮充电压平稳，则判定市电供电正常，进行步骤S6；

S5、停电处理：

若直流接触器的常开触点闭合，则向ARM处理器发送指令，通过充/放电控制切换模块将所述直流接触器切换至常开触点断开、常闭触点闭合；

S6、记录蓄电池组的当前状态：

i)若浮充电压平稳且直流接触器的常闭触点闭合，则记录蓄电池组处于浮充状态，并进行步骤S7；

ii)若浮充电压平稳且直流接触器的常开触点闭合，则记录蓄电池组处于维护性放电状态，同时判断蓄电池组的工作电压是否达到预设的放电截止电压，若未达到，则直接返回步骤S1，若达到，则充/放电控制切换模块将蓄电池组从放电回路切换至浮充电路，再返回步骤S1；

iii)若经过步骤S5后直流接触器的常闭触点闭合，则记录蓄电池组处于停电放电状态，并返回步骤S1；

S7、判断是否需要放电维护：

服务器根据维护策略判断当前是否需要对蓄电池组进行维护性放电，若需要，则进行步骤S8，若不需要，则返回步骤S1；

S8、切换电路：

服务器发送控制指令至监控终端，充/放电控制切换模块将蓄电池组从浮充电路切换至放电回路，返回步骤S1。

优选地，步骤S5中所述的维护策略由以下多目标优化模型表示：

Find T

Max $\mathrm{\υ}=\frac{t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{t_f+t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}$

Min ${\mathrm{\σ}}_u=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{U_{0j}}-U_o)}^2}$

${\mathrm{\σ}}_t=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[(\stackrel{\‾}{t_j}-25)-(\stackrel{\‾}{t}-25)]}^2}$

Subject to $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(t_f+t_{\mathrm{in}}+n\·t_{\mathrm{out}})\≤T$

其中

T是蓄电池组的最佳维护周期，表示为蓄电池组下一次维护性放电与上一次维护性放电之间间隔的天数；

N为距蓄电池组上一次维护性放电的天数；

υ为蓄电池组续航时间利用率，其中

t_f：上一次维护放电之后蓄电池组的浮充时间，t_out；上一次维护放电之后，每一次市电停电蓄电池组放电的时间，t_in：蓄电池放电之后充电到充满状态所需的时间，n：市电停电次数，λ(t)：市电停电的概率，该停电概率函数符合威布尔分布；

σ_u为维护周期T内浮充电压变化的标准差，其中

且U_0i＝U₀[1-K_u×(T_i-T₀)]

当日浮充电压的平均值，m：每日以固定间隔记录浮充电压的次数，U_0i：第i次测得的实际浮充电压值，U_o：标准浮充电压值，K_u：电压温度系数，T₀：最佳环境温度，T_i：第i次测得的环境温度；

σ_t为维护周期T内环境温度变化的标准差，其中

$\stackrel{\‾}{t_j}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{k}$ 且 $\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T(\stackrel{\‾}{t_j}-25)\mathrm{dt}$

当日环境温度的平均值，k：每日以固定间隔记录环境温度的次数，t_i：第i次测得的环境温度值，最佳维护周期T内环境温度变化的差值积分；

系统根据上述优化模型每天进行计算并更新最佳维护周期，当第N天计算出的最佳维护周期T与N吻合时，判断当前需要对蓄电池组进行放电性维护。

优选地，步骤S8中切换电路由系统自动进行或者系统在客户端弹出提示，继而由维护人员手动进行切换。

优选地，所述用于通信基站备用电源的智能维护方法还包括续航能力评估计算和蓄电池组更换提醒的步骤。

优选地，所述用于通信基站备用电源的智能维护方法还包括蓄电池组电性能评估的步骤，电性能评估包括对蓄电池组的剩余容量、环境温度、放电深度和浮充电压四个方面的评估。

相比现有技术方案，本发明的有益效果在于，能够实时采集电源的工作参数，并根据电源实际工作情况使之在浮充电路和放电回路之间切换。因此，无需维护人员现场作业，便能实现对基站备用电源的充、放电维护，从而消除人工现场作业的弊端，提高备用电源系统的可靠性。

值得注意的是，本发明还提出了针对铅酸蓄电池的动态维护周期的概念和以养代修的理念，注重对蓄电池的日常维护和保养，而且针对每一组电池的实际工作情况对其进行动态维护周期的计算。相较于传统的定期巡检维护，这种视情维护的方式使得蓄电池的放电维护工作更加科学合理，能够有效地延长蓄电池组的使用寿命，从而为通信运营商节约运营成本和维护成本，当然，在节约成本的同时，还能够减少废旧电池对环境的污染。

附图说明

通过结合附图的以下详细描述，本发明的上述及其他目的、特征和优点将变得更为明显。在附图中：

图1为本发明用于通信基站备用电源的智能维护系统的示意图；

图2为本发明用于通信基站备用电源的智能维护系统的结构框图；

图3为本发明中监控终端的检测模块的电气原理图；

图4为本发明中监控终端的充/放电控制切换模块的电气原理图；

图5为本发明中监控终端的机房功率测量模块的电气原理图；

图6为本发明用于通信基站备用电源的智能维护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明用于通信基站备用电源的智能维护系统的一种实施方式的示意图，包括多个安装在通信基站现场的监控终端、用作存储和处理数据的数据中心服务器和运行在通信公司运维中心的远程客户端，其中每个监控终端安装在一个通信基站中。其中，监控终端负责采集通信基站铅酸蓄电池的实时运行数据，并将数据发送至服务器，远程客户端根据运行数据进行判断，并发送控制指令至数据中心服务器，监控终端根据不同的控制指令，对基站现场的设备进行操作控制。

图2是所述智能维护系统的一种实施方式的结构框图，其中通信基站中使用的备用电源由两组铅酸蓄电池组A和B构成，蓄电池组A、B与整流后的市电电源并联连接于直流母线。基站设备一般采用负48V电源供电，因而每组蓄电池组分别由24只单体电池(2V)串联成组，可提供48V的电压。每个监控终端均通过两个接线端子接入到基站的供电回路中，即，蓄电池组A、B以及整流后的市电电源为监控终端供电。

如图所示，所述监控终端包括：检测模块、充/放电控制切换模块、第一和第二放电回路、第一和第二直流接触器、温/湿度测量模块、机房功率测量模块、ARM处理器及其供电模块。

其中，ARM处理器供电模块的主要元件是DC-DC转换器，用于将蓄电池组提供的48V直流电转化成5V的直流电进行输出，以便为ARM处理器的工作提供电源输入。检测模块用于测量电池组A、B的工作电流和工作电压以及市电的浮充电压，并将测量得到的电流/电压数据传送至ARM处理器。所述监控终端提供分别为电池组A、B放电的第一和第二放电回路，并且电池组A、B分别通过第一和第二直流接触器在各自的浮充电路和放电回路之间进行切换，各放电回路中的放电负载分别与相应的直流接触器串接。所述第一和第二直流接触器的常闭触点接入到浮充电路，而其常开触点分别接入到所述第一和第二放电回路。第一和第二直流接触器分别藉由充/放电控制切换模块在其常闭触点和常开触点之间进行切换。所述充/放电控制切换模块的输出端与第一和第二直流接触器相连，且输入端与ARM处理器相连。

服务器通过设置在监控终端中的网络通信模块与监控终端通信，客户端安装有监控软件并通过运维中心的路由器与所述服务器通信。所述监控终端、服务器和客户端之间可进行双向数据通信。作为一种实施方式，所述网络通信模块可选择型号W5200的以太网控制器。

所述监控终端还包括温/湿度测量模块，用于实时监测基站机房环境的温度和/或湿度，在本实施例中，温/湿度测量模块的主要元件为温湿度传感器，温湿度传感器测得的温度数据传送至ARM处理器。此外，所述监控终端还包括机房功率测量模块，用于实时测量机房的功率和用电量，以便监控基站用电情况。所述检测模块、所述温/湿度测量模块和所述机房功率测量模块的输出端均连接至所述ARM处理器。作为一种实施方式，所述ARM处理器可选择例如型号STM32F103VET6。

由于两组电池工作参数的检测电路、各自的放电回路结构均相同，下面仅以一个电池组为例对检测电路和切换控制电路进行详细说明。

图3为电池组A的检测电路的电气原理图，包括取样电路1、滤波电路2、稳压电路3和模数转换器4。如图示，电池组A为机房设备及放电负载R_L供电，在用电过程当中，电池两端的端电压会随着负载的放电而变化，为了精确的检测到电池两端的实际电压值，本实施例采用分压电路来实现，即将串联的两个精密电阻R_V1、R_V2接在电池组A两端，其中精密电阻R_V1为电压取样电阻。测量电池组A的工作电流则采用限流电路，即用一个精密电阻R_I与电池组A串联，其中R_I为电流取样电阻。取样电路1包括上述分压电路和限流电路。所述电流取样电阻R_I和所述电压取样电阻R_V1的两端依次经过滤波电路2、稳压电路3，继而连接到模数转换器4的输入端，所述模数转换器的输出端与ARM处理器的输入端相连。

如图3所示，测量电流和电压的滤波电路2和稳压电路3均相同，所述滤波电路2为RC滤波电路，包括构成低通滤波器的电阻R₁、R₂和电容C₁，所述稳压电路3包括分别接于正极和负极的两个稳压二极管D₁、D₂，具有防高压输入的稳压保护功能。具体地，本实施例中电路板的工作电压为5V，当输入端的信号高于5V时，该稳压电路3可将输入信号钳位于模数转换器要求的范围内，防止电压过高烧坏电路板。

所述模数转换器4型号为AD7705，该器件接收直接来自传感器的低电平的输入，经过内部变换产生串行的数字信号输出。器件AD7705内部除具有可编程的高性能的数字滤波器外，还有高性能的可编程的数控放大器。利用∑-Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能。通过ARM处理器的设置可实现电池电压、电流的实时测量。据此，电池组A的电压和电流模拟量能转化成数字量而实时地传输至ARM处理器。

电池组B的检测电路用于测量电池组B的电流和电压，其结构与电池组A的检测电路相同，此处不再赘述。

图4为充/放电控制切换模块的电气原理图，由于电池组B的充/放电控制切换模块与电池组A相同，这里仅以电池组A为例对充/放电控制切换模块进行详细描述。所述充/放电控制切换模块包括第一级继电器K1和由所述电池组A供电的第二级继电器K2。如图示，充/放电控制切换模块具有两种电流回路，一种是ARM处理器的内部电源回路(+5V)，也即电池组的电压经DC/DC变换隔离过的回路；另一种是市电经整流后的直流电源(通常为-54V左右)和电池组回路(-48V)，第一级继电器K1接入第一种回路，第二级继电器K2接入到第二种回路中。具体地，所述第一级继电器K1的线圈通过三极管T1与ARM处理器的输出端相连，所述第一级继电器K1的开关触点与第二级继电器K2的线圈串接，所述第二级继电器K2的开关触点与直流接触器K3的线圈分别串接，所述直流接触器K3的常闭触点NC接入到电池组A的浮充电路，平时为电池组A充电，而其常开触点NO接入到电池组A的放电回路，需要时对电池组A进行放电，其中R_L是放电负载。

采用上述电路结构，能够实现弱电控制强电并能有效地解决“弱控强”存在干扰的问题。图中，第一级继电器K1、三极管T1、电阻R₃是由ARM处理器控制系统作用的弱电部分，第二级继电器K2和直流接触器K3构成强电部分。当ARM处理器将高电平送至电阻R₃端时，三极管T1导通，第一级继电器K1吸合，电流通过第二级继电器K2的线圈，继而第二级继电器K2的开关也吸合。也就是说，第二级继电器K2在第一级继电器K1吸合之后也被吸合，从而导通强电部分的回路并给出约500mA左右的电流去控制直流接触器K3，直流接触器K3的开关自常闭触点NC处断开，而在常开触点NO处闭合，电池组A通过放电负载R_L放电。藉此，电池组A自浮充电路切换至放电回路，实现了弱电控制强电的功能。另外，由于弱电部分的回路与强电部分隔离，因而弱电部分不会被强电部分的高压干扰。

另一方面，在电池组A放电期间，ARM处理器通过上述检测电路对电池组A的工作电压和电流进行实时测量，由此实现了闭环测控。

本发明用于通信基站备用电源的智能维护系统的监控终端能够实时监测市电的浮充电压以及各电池组的工作状态，包括工作电压、电流、温湿度，并将工作状态参数传送至ARM处理器进行处理，当单个电池组需要进行放电维护时，该监控终端的ARM处理器向充/放电控制切换模块发送指令(例如高电平)，通过上述弱电控制强电的方式，使该电池组从原来的浮充电路中断开，并导通放电回路，从而电池组向放电负载放电。同样，在电池组放电过程中，检测模块依然实时监测电池组的工作状态，并将工作状态参数实时传送至ARM处理器，当检测到电池组达到所需的放电量后，ARM处理器向相应的充/放电控制切换模块发送指令(例如低电平)，三极管T1截止，第一级继电器K1断开，第二级继电器K2也断开，直流接触器K3的开关跳转，即自常开触点NO处断开，而在常闭触点NC处闭合，从而该电池组从放电回路切换到浮充电路，进行充电操作。

图5为本发明中监控终端的机房功率测量模块的电气原理图，该测量模块包括套接于交流输入线的交流互感器L、前置放大电路5、整流滤波电路6、直流放大电路7和单片机。如图所示，所述前置放大电路5由电阻R₄、R₅、R₆和运算放大器A₁组成，所述整流滤波电路6由二极管D₃、电容C₂、C₃和电阻R₇、R₈组成，所述直流放大电路7由运算放大器A₂和电阻R₉、R₁₀组成。上述三种类型的电路较为常规，其电连接方式不再展开详述。所述单片机应具有AD转换功能，在本实施例中采用型号为STC12LE4052AD的单片机。

机房用电的交流电流输入通过交流互感器L获取。经过标定的互感器输出(0～10mV)代表0～100A的交流有效值。来自互感器L的电流信号经前置放大、整流、滤波、直流放大后，被送入单片机。经单片机采集、运算、标定，得出机房的实际用电值。所处理的电流结果经相应的协议与ARM处理器连接，实现了机房用电数据的采集。藉由该测量模块，不仅可以得到机房内的实际用电数值，还可通过与日常用电情况比较判断是否存在偷电现象，对于超出阈值的情况发出用电异常告警。

所述监控终端还设有温/湿度测量模块，在放电过程中若测得电池组工作温度/湿度高于预设的安全阈值，则同样由ARM处理器向充/放电控制切换模块发送相应的指令。通过充/放电控制切换模块，监控终端停止电池组的放电操作，并将电池组自动切换到其浮充电路，对电池组进行充电操作。

此外，测量电池组电压和电流的检测单元的输入端除了连接在电池组两端，还分出一路并接于整流后的市电电源，用于检测市电的供电情况，实时测量市电供电电压，并将测得的数据实时传送至ARM处理器进行处理。

我们知道，正常情况下浮充电压通常为-54V左右，当突然停电时，市电电压值相应地急剧下降。在本实施例中，设定市电电压降至-50V时，系统判定市电停电，ARM处理器向电池组的充/放电控制切换模块发送相应指令，该指令在本实施例中是低电平。如前所述，充/放电控制切换模块接收到低电平后，直流接触器的开关由常开触点跳转至常闭触点，即电池组从接有放电负载的放电回路切断，切换到连接机房设备作为负载的浮充电路。由于浮充电路中市电断电，且电池组与市电电源并联，因此，电池组作为电源向机房设备供电。也就是说，如果在电池组放电过程中出现市电停电的情况，则本智能维护系统能够自动停止电池组的维护性放电操作，不影响原有电池组作为备用电源的功能。

本发明还提供一种用于通信基站备用电源的智能维护方法，图6以单组蓄电池为例示出了本发明智能维护方法的一种实施方式，包括如下步骤：

S1、实时采集工作参数：

1)监控终端的检测模块实时测量市电的浮充电压、蓄电池组的工作电压和工作电流，通过ARM处理器的网络通信模块将上述工作状态的参数发送并存储至服务器，该检测模块的原理及电路前文已做描述；

2)机房功率测量模块实时测量机房用电功率和/或用电量，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器，该功率测量模块的原理前文已述；

3)监控终端的温/湿度测量模块实时测量机房环境的温度和湿度，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器；

S2、工作参数异常报警：

服务器判断步骤S1中测得的蓄电池组的工作电压、工作电流和环境温/湿度是否超出预设的安全运行阈值，若超出，则向客户端发送报警信息，若正常，则进行步骤S3；

S3、用电异常报警：

服务器判断机房用电功率和/或用电量是否超出预设的正常阈值范围，若超出，则向客户端发送用电异常的报警信息，若正常，则进行步骤S4；

S4、判断是否停电：

1)若S1中实时测得的浮充电压突然下降，在本实施例中，市电浮充电压通常为-54V，当突然下降至-50V左右时，系统判定市电供电中断，向客户端发送停电的报警信息，并进行步骤S5；

2)若S1中实时测得的浮充电压平稳，则判定市电供电正常，进行步骤S6；

S5、停电处理：

若直流接触器的常开触点闭合，此时放电回路导通，则向ARM处理器发送指令，通过充/放电控制切换模块将所述直流接触器切换至常开触点断开、常闭触点闭合；

S6、记录蓄电池组的当前状态：

1)若浮充电压平稳且直流接触器的常闭触点闭合(即蓄电池组的浮充电路导通)，则记录蓄电池组处于浮充状态，并进行步骤S7；

2)若浮充电压平稳且直流接触器的常开触点闭合(即蓄电池组的放电回路导通)，则记录蓄电池组处于维护性放电状态，同时判断蓄电池组的工作电压是否达到预设的放电截止电压，本实施例中放电截止电压设定为-47.5V，若未达到，则直接返回步骤S1，若达到，则充/放电控制切换模块将蓄电池组从放电回路切换至浮充电路，再返回步骤S1；

3)若经过步骤S5后直流接触器的常闭触点闭合(即蓄电池组的放电回路导通)，则记录蓄电池组处于停电放电状态，并返回步骤S1；

S7、判断是否需要放电维护：

服务器根据维护策略判断当前是否需要对蓄电池组进行维护性放电，若需要，则进行步骤S8，若不需要，则返回步骤S1；

S8、切换电路：

服务器发送控制指令至监控终端，充/放电控制切换模块将蓄电池组从浮充电路切换至放电回路，返回步骤S1。

其中，所述充/放电控制切换模块的原理前文已有详细描述，此处不再赘述。

目前，基站备用电源的维护工作采用定期巡检的方式(通常三个月巡检一次)，然而这种固定维护周期是不合理的，因为在实际工作过程中，铅酸蓄电池的维护周期是动态的，它受蓄电池的工作时间、工作状态的影响，而且每组电池的最佳维护周期往往不一致。因此，本发明的智能维护方法提出了蓄电池组动态维护周期的概念，这在步骤S5中所述的维护策略中得以体现。

该维护策略的目标是计算电池组的动态维护周期，也就是计算下一次维护性放电的时间。为此，本发明根据电池组上一次维护性放电的时间、每日的环境温度、每日浮充电压值、在维护周期时段内市电停电的次数等参数建立优化模型，来计算蓄电池组下一次维护放电的时间。在最佳维护周期内，也就是上一次放电维护到下一次放电维护期间，蓄电池在续航时间、浮充电压、工作的环境温度都应最优化。据此，本发明的方法从续航时间最优化、浮充电压最优化、环境温度最优化等三个方面建立了一个多目标优化模型来计算蓄电池组的动态维护周期。

续航时间最优化意味着蓄电池组在一个维护周期内，基站发生停电时蓄电池组利用率最高。这里用蓄电池组供电时间所占运行总时间的比重来描述，比重越大，利用率越高。

蓄电池组在基站内长期处于浮充状态，浮充电压过高或过低都会加速电池极板的腐蚀，降低蓄电池实际容量，缩短电池使用寿命。浮充电压最优化意味着浮充电压长期稳定，这里用维护周期内浮充电压变化的标准差来描述，标准差越小，则这组蓄电池浮充电压离散度越小，各单体电池之间劣化程度差异越小。

基站内环境温度的变化对蓄电池容量和寿命的影响很大。环境温度最优化意味着蓄电池组在基站内浮充使用环境温度稳定，这里用维护周期内实际平均环境温度与最佳环境温度(25℃)的标准差来描述，标准差越小，蓄电池组容量保持性能越好。

1、续航时间优化函数

假设T是蓄电池组的最佳维护周期，表示为蓄电池组下一次维护性放电与上一次维护性放电之间间隔的天数。N为距蓄电池组上一次维护性放电的天数。t_f为上一次维护放电之后蓄电池组的浮充时间，t_out为上一次维护放电之后，每一次市电停电蓄电池组放电的时间，t_in为蓄电池放电之后充电到充满状态所需的时间，n为市电停电次数，λ(t)为市电停电的概率，该停电概率函数符合威布尔分布(Weibull law)：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{m}{\mathrm{\η}}{t}^{m-1}$

威布尔分布是最常用的一种故障率方式，普遍应用于电子与机械设备故障规律的描述，本文假设基站市电停电故障率服从威布尔分布，其中形状参数m，尺度参数η。

威布尔分布选用双参数方式，在尺度参数不变时，故障率函数随形状参数的变化而变化，当形状参数m＝1时，威布尔分布呈指数分布；当m＝2时，为瑞利分布；当m＜1时，故障率呈下降趋势；当m＞1时，故障率呈上升趋势；当m＝3时故障率分布接近于正态分布。据此，可根据收集到的故障数据来设定尺度参数和形状参数，以便匹配所收集的故障数据。

在维护周期T内，蓄电池组发生停电的次数n可以由下式来计算：

$n={\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

则，由于停电而产生的蓄电池的总续航时间为：

$n\·t_{\mathrm{out}}=t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_0^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

蓄电池组运行使用的时间总计为：

$t_f+t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

那么，蓄电池组续航时间优化函数(即续航时间利用率)可表示为：

$\mathrm{\υ}=\frac{t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{t_f+t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}$

2、浮充电压优化函数

由于浮充电压受温度影响较大，测得的实际浮充电压与标准浮充电压未必相等，U₀为标准浮充电压值，K_u为电压温度系数，T₀为最佳环境温度，m为每日以固定间隔记录浮充电压的次数，T_i为第i次测得的环境温度，则第i次测得的实际浮充电压值可以由下式来计算：

U_0i＝U₀[1-K_u×(T_i-T₀)]

那么，当日浮充电压的平均值：

$\stackrel{\‾}{U_{\mathrm{oj}}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{oi}}}{m}$

因此，维护周期T内浮充电压变化的标准差为：

${\mathrm{\σ}}_u=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{U_{0j}}-U_o)}^2}$

3、环境温度优化函数

k为每日以固定间隔记录环境温度的次数，t_i为第i次测得的环境温度值，则当日环境温度的平均值计算如下：

$\stackrel{\‾}{t_j}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{k}$

将计算得到的当日环境平均温度与最佳环境温度25℃做差，在维护周期T内对环境温度变化差值进行积分：

$\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T(\stackrel{\‾}{t_j}-25)\mathrm{dt}$

由此，求得维护周期T内环境温度变化的标准差：

${\mathrm{\σ}}_t=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[(\stackrel{\‾}{t_j}-25)-(\stackrel{\‾}{t}-25)]}^2}$

综上，本发明智能维护方法的维护策略可描述为如下多目标优化模型：

Find T

Msx $\mathrm{\υ}=\frac{t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{t_f+t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}$

Min ${\mathrm{\σ}}_u=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{U_{0j}}-U_o)}^2}$

${\mathrm{\σ}}_t=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[(\stackrel{\‾}{t_j}-25)-(\stackrel{\‾}{t}-25)]}^2}$

Subject to $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(t_f+t_{\mathrm{in}}+n\·t_{\mathrm{out}})\≤T$

系统根据上述优化模型每天进行计算并更新最佳维护周期，当第N天计算出的最佳维护周期T与N吻合时，判断当前需要对蓄电池组进行放电性维护，那么进入步骤S8，即将蓄电池组从浮充电路切换至放电回路。这一电路切换的操作可由系统自动进行，此外系统也提供手动切换的操作方式，即在客户端弹出提示，继而由维护人员手动进行切换。

藉此，本发明能够根据备用电源的实际工作情况实现对其远程化、智能化的充、放电维护操作。对于通信运营商而言，无需安排维护人员到基站定期巡检，便能实现对基站备用电源的充、放电维护，一方面可以合理维护备用电源，延长电池组的使用寿命，提高备用电源系统的可靠性，另一方面还可以消除人工现场作业的弊端，并且节约大量的人力成本。

需要注意的是，监控终端对两组蓄电池的监测及切换控制是独立的，即监控终端能实现对两组电池的单独控制。

此外，在电池组放电过程中，放电负载会发热。为防止装置过热、确保放电顺利进行，可以在监控终端中设置为放电负载散热的风扇。此外，散热用的风扇还可以作为放电负载的一部分，从而有助于加速放电。

根据本发明的智能维护方法的另一实施方式，所述智能维护方法还提供续航能力评估和蓄电池组更换提醒的功能。对于通讯基站内铅酸蓄电池而言，蓄电池组的续航能力关系到基站的正常运行。市电停电后，续航能力评估将为基站的正常运行提供可靠的情报。在现有续航时间内，准确的续航提示有助于运维部门及时采取后续供电措施，比如用油机发电代替蓄电池供电，从而防止市电在蓄电池放完电后仍无法恢复的状况发生，影响通信的可靠性。

根据本发明的智能维护方法的又一实施方式，所述智能维护方法还包括蓄电池组电性能评估的步骤，电性能评估包括对蓄电池组的剩余容量、环境温度、放电深度和浮充电压四个方面的评估，通过这四方面的综合分析结果可以评估蓄电池组当前状态下电性能的优劣程度，为运维部门的电池维护工作提供参考。

此外，本发明的智能维护系统为通信网内的所有基站建立起全网电池的容量数据库，系统可根据监测结果自动记录电池容量数据，便于电池配置、电池后备时间数据周期更新，为通信电源运行的后备时间预警评估、电池运行状态分析提供一个动态、互动的维护支撑；同时建立全网电池的生命曲线数据库，其中还包含电池品牌、型号、生产日期、安装日期、使用环境状况(温度、湿度)等信息，这些数据可随时查询供运维部门参考。

可以理解的是，本公开不限于上述特定的实施方式，在不背离本公开精神及实质的情况下，本领域的技术人员可以根据本公开作出各种相应的修改和变形，并且对公开实施方式的修改、公开实施方式的特征的组合以及其它实施方式都意图被包含在所附权利要求限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于通信基站备用电源的智能维护系统，其中，通信基站备用电源包括第一铅酸蓄电池组和第二铅酸蓄电池组，所述第一和第二铅酸蓄电池组与整流后的市电电源并接于直流母线，其特征在于，所述智能维护系统包括：

一个或多个监控终端，每个监控终端安装于一个通信基站中，并且通过两个接线端子接入到市电供电回路，每个监控终端均包括：

检测模块，用于测量市电的浮充电压以及第一和第二蓄电池组的电压和电流；

第一和第二放电回路，分别用于对第一和第二蓄电池组进行放电维护；

第一直流接触器，所述第一放电回路中的第一放电负载通过所述第一直流接触器与所述第一蓄电池组串接，所述第一蓄电池组通过所述第一直流接触器在浮充电路和第一放电回路之间进行切换；

第二直流接触器，所述第二放电回路中的第二放电负载通过所述第二直流接触器与所述第二蓄电池组串接，所述第二蓄电池组通过所述第二直流接触器在浮充电路和第二放电回路之间进行切换，其中所述第一和第二直流接触器的常闭触点接入到浮充电路，而其常开触点分别接入到所述第一和第二放电回路；

充/放电控制切换模块，所述第一和第二直流接触器分别藉由所述切换模块在常闭触点和常开触点之间进行切换；

温/湿度测量模块，用于实时监测基站机房设备环境的温度和/或湿度；

机房功率测量模块，用于实时测量机房的功率和用电量；

ARM处理器，所述检测模块、所述温/湿度测量模块和所述机房功率测量模块的输出端均连接至所述ARM处理器，所述充/放电控制切换模块的输入端与ARM处理器相连，且输出端与所述第一和第二直流接触器相连；以及

供电模块，用于为ARM处理器供电；服务器，用作存储和处理数据的数据中心，通过设置在所述监控终端中的网络通信模块与所述ARM处理器通信；以及

客户端，位于远程运维中心，通过运维中心的路由器与所述服务器通信。

2.根据权利要求1所述的用于通信基站备用电源的智能维护系统，其特征在于，所述检测模块包括顺次相连的取样电路、滤波电路和稳压电路，所述取样电路包括与第一或第二蓄电池组串联的电流取样电阻R_I以及接在第一或第二蓄电池组两端的串联的电压取样电阻R_V1、R_V2，所述电流取样电阻R_I和所述电压取样电阻R_V1的两端依次经过滤波电路、稳压电路继而连接到模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与ARM处理器的输入端相连，所述取样电路的输入端还连接于直流母线，以便测量浮充电压。

3.根据权利要求1所述的用于通信基站备用电源的智能维护系统，其特征在于，所述充/放电控制切换模块包括第一级继电器以及由所述第一或第二蓄电池组供电的第二级继电器，所述第一级继电器的线圈通过三极管与ARM处理器的输出端相连，所述第一级继电器的开关触点与第二级继电器的线圈串接，所述第二级继电器的开关触点与所述第一和第二直流接触器的线圈分别串接。

4.根据权利要求1所述的用于通信基站备用电源的智能维护系统，其特征在于，所述机房功率测量模块包括安装于配电箱的电流互感器，自所述电流互感器的输出端输出的信号依次经过前置放大电路、整流滤波电路、直流放大电路输入至具有AD变换功能的单片机。

5.根据权利要求1所述的用于通信基站备用电源的智能维护系统，其特征在于，所述供电模块包括DC-DC转换器。

6.一种用于通信基站备用电源的智能维护方法，采用如权利要求1所述的智能维护系统，其特征在于，所述智能维护方法包括对各基站中的每个蓄电池组进行以下操作：

S1、实时采集工作参数：

i)监控终端的检测模块实时测量市电的浮充电压、蓄电池组的工作电压和工作电流，通过ARM处理器的网络通信模块将上述工作状态的参数发送并存储至服务器；

ii)机房功率测量模块实时测量机房用电功率和/或用电量，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器；

iii)监控终端的温/湿度测量模块实时测量机房环境的温度和湿度，并通过ARM处理器的网络通信模块将其发送并存储至服务器；

S2、工作参数异常报警：

服务器判断步骤S1中测得的蓄电池组的工作电压、工作电流和环境温/湿度是否超出预设的安全运行阈值，若超出，则向客户端发送报警信息；

S3、用电异常报警：

服务器判断机房用电功率和/或用电量是否超出预设的正常阈值范围，若超出，则向客户端发送用电异常的报警信息；

S4、判断是否停电：

i)若S1中实时测得的浮充电压突然下降，则判定市电供电中断，向客户端发送停电的报警信息，并进行步骤S5；

ii)若S1中实时测得的浮充电压平稳，则判定市电供电正常，进行步骤S6；

S5、停电处理：

若直流接触器的常开触点闭合，则向ARM处理器发送指令，通过充/放电控制切换模块将所述直流接触器切换至常开触点断开、常闭触点闭合；

S6、记录蓄电池组的当前状态：

i)若浮充电压平稳且直流接触器的常闭触点闭合，则记录蓄电池组处于浮充状态，并进行步骤S7；

ii)若浮充电压平稳且直流接触器的常开触点闭合，则记录蓄电池组处于维护性放电状态，同时判断蓄电池组的工作电压是否达到预设的放电截止电压，若未达到，则直接返回步骤S1，若达到，则充/放电控制切换模块将蓄电池组从放电回路切换至浮充电路，再返回步骤S1；

iii)若经过步骤S5后直流接触器的常闭触点闭合，则记录蓄电池组处于停电放电状态，并返回步骤S1；

S7、判断是否需要放电维护：

服务器根据维护策略判断当前是否需要对蓄电池组进行维护性放电，若需要，则进行步骤S8，若不需要，则返回步骤S1；

S8、切换电路：

服务器发送控制指令至监控终端，充/放电控制切换模块将蓄电池组从浮充电路切换至放电回路，返回步骤S1。

7.根据权利要求6所述的用于通信基站备用电源的智能维护方法，其特征在于，步骤S5中所述的维护策略由以下多目标优化模型表示：

Find  T

Max   $\mathrm{\υ}=\frac{t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{t_f+t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}\·{\∫}_o^T\mathrm{\λ}\left(t\right)\mathrm{dt}}$

Min   ${\mathrm{\σ}}_u=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{U_{0j}}-U_o)}^2}$

${\mathrm{\σ}}_t=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[(\stackrel{\‾}{t_j}-25)-(\stackrel{\‾}{t}-25)]}^2}$

Subject to   $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(t_f+t_{\mathrm{in}}+n\·t_{\mathrm{out}})\≤T$

其中

T是蓄电池组的最佳维护周期，表示为蓄电池组下一次维护性放电与上一次维护性放电之间间隔的天数；

N为距蓄电池组上一次维护性放电的天数；

υ为蓄电池组续航时间利用率，其中

t_f：上一次维护放电之后蓄电池组的浮充时间，t_out：上一次维护放电之后，每一次市电停电蓄电池组放电的时间，t_in：蓄电池放电之后充电到充满状态所需的时间，n：市电停电次数，λ(t)：市电停电的概率，该停电概率函数符合威布尔分布；

σ_u为维护周期T内浮充电压变化的标准差，其中

且U_0i＝U₀[1-K_u×(T_i-T₀)]

当日浮充电压的平均值，m：每日以固定间隔记录浮充电压的次数，U_0i：第i次测得的实际浮充电压值，U_o：标准浮充电压值，K_u：电压温度系数，T₀：最佳环境温度，T_i：第i次测得的环境温度；

σ_t为维护周期T内环境温度变化的标准差，其中

$\stackrel{\‾}{t_j}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{k}$ 且 $\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T(\stackrel{\‾}{t_j}-25)\mathrm{dt}$

当日环境温度的平均值，k：每日以固定间隔记录环境温度的次数，t_i：第i次测得的环境温度值，最佳维护周期T内环境温度变化的差值积分；

系统根据上述优化模型每天进行计算并更新最佳维护周期，当第N天计算出的最佳维护周期T与N吻合时，判断当前需要对蓄电池组进行放电性维护。

8.根据权利要求6所述的用于通信基站备用电源的智能维护方法，其特征在于，步骤S8中切换电路由系统自动进行或者系统在客户端弹出提示，继而由维护人员手动进行切换。

9.根据权利要求6所述的用于通信基站备用电源的智能维护方法，其特征在于还包括续航能力评估计算和蓄电池组更换提醒的步骤。

10.根据权利要求6所述的用于通信基站备用电源的智能维护方法，其特征在于还包括蓄电池组电性能评估的步骤，电性能评估包括对蓄电池组的剩余容量、环境温度、放电深度和浮充电压四个方面的评估。