CN104391253A - 一种使用fpga监测变电站蓄电池状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于变电站蓄电池状态监控技术领域，使用FPGA作为监控装置的主要核心单元来实时监控和定时监控蓄电池组与单体电池的健康状态的一种方法，为运维人员提供诊断和修复的依据。该方法包括以下方面：以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，实时监控蓄电池状态，利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理及实现均衡充放电的功能。本发明的目的在于解决变电站蓄电池的安全使用的监控和维护方面存在的问题。

Description

一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法

【技术领域】

本发明属于变电站蓄电池状态监控技术领域，使用FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为监控装置的主要核心单元来实时监控和定时监控蓄电池组与单体电池的健康状态的一种方法，为运维人员提供诊断和修复的依据。

【技术背景】

变电站蓄电池实际使用中会出现电池壳变形、电解液渗漏、容量不足、电池端电压不均匀等现象，实践证明，整组电池的容量是以状况最差的那块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值(初始值)为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90％以下时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的80％以下时，便进入急剧的衰退状况，衰退期很短，此时电池组已存在极大的事故隐患，所以对变电站蓄电池的定时检测和在线监测是非常重要和必须的。一种可以实时、稳定、有效的监测变电站蓄电池状态的装置成为了重中之重。

【发明内容】

发明目的：本发明提供一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其目的在于解决变电站蓄电池的安全使用的监控和维护方面存在的问题。

技术方案：

一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：该方法包括以下方面：

(1)以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，通过实时监测蓄电池组和内部单节蓄电池的电压，能够有效的识别蓄电池的性能差异和安全临界点，有效控制单节蓄电池的过充，过放和热失控，同时准确计算出单个蓄电池电量，根据充放电曲线，为后台控制中心建立最佳充放电方案提供依据；

(2)实时监控蓄电池状态：可以实时的采集变电站蓄电池组、单体电池的电压、内阻状态，并通过FPGA内部处理模块将采集信息通过通讯总线传输到后台的服务端并执行相应的处理动作；

(3)利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理：使用I2C总线作为多个单体电池测量，为每个单体电池和蓄电池组分配一个地址，由FPGA统一调配、控制；并结合光耦合器隔离开关来进行单体测量；

(4)均衡充放电：使用均衡充电的方式替代浮充的方式，依据单体电池端电压动态分布的特点，并集合FPGA收集到的实时数据，计算出充放电的控制阈值，来保证整个蓄电池组的均衡性。

在步骤(3)中，按址分配的工作方法为：建立一个最多128个单元的地址表，为每个单元分配1个固定地址，FPGA根据地址表定位，并在初始化阶段接入TI TCA9546A的IO使能开关控制，当FPGA发送选址和读取指令后，得到控制权的TCA9546A会将连接到FPGA的使能位电平拉高，FPGA采集数据模块就可以作为判定条件在下一个时钟周期读取对应地址的电阻回馈和电压回馈信号并保存。

在步骤(4)均衡充放电中，利用所有单体电池的电压数据结合数理统计方法分析每次放完电和充足电后电池端电压的分布规律，计算他们的平均值和标准差，用均值和标准差σ来描述变量X的取值规律，需满足以下数学公式

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\mathrm{\Σxi}}{n}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(\mathrm{xi}-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n}}$

上述两式中，xi可代表电池组中各单体电池的端电压，代表电池组中各单体电池的端电压参数的平均值；n代表电池组中包含的电池数；n越大，统计结果越准确；σ将反映电压对其均值的偏离程度，σ越小，则均匀性越好，蓄电池组的整体可靠性也必然越好；统计得出单体电池端电压在1.82V附近的电池数目最多，概率最大，两边处于基本对称的下降趋势，因此端电压服从正态分布趋势；由正态分布曲线的特征可知，是电压概率密度正态分布曲线最高点的横坐标，它是全组电池放电电压的均值，可以看作是该组电池的宏观性能参数，可用它来判断蓄电池组的放电状态；标准差σ则表征蓄电池组中各单体电池放电电压分布的离散程度，σ值越大，电池的均匀性越差，电池组的可靠性越差；随着电池使用时间的增加，σ值呈逐步增大的趋势，即电池放电电压的均匀性是逐渐下降的，电池组的可靠性也必然随之下降，一般取X±2σ作为电池均匀性的控制域值；获得了控制阈值后，就可以使用FPGA内部控制充放电，从而做到均衡充放电。

本发明的优点及应用效果是：

优点：

(1)只使用一片FPGA作为主要监控元器件，最多可同时监控1组蓄电池组和127个单体蓄电池共128个单元的运行状态。

(2)硬件电路设计简洁，因为FPGA已内置了多种接口、通讯的总线，降低了器件的成本，降低了布线布局的复杂度，提高了设备运行的稳定度。

(3)可以同时监测蓄电池组的参数状态和单节蓄电池的参数状态，可以通过对电压、内阻和温度的状态监测识别出单体蓄电池的性能差异和安全临界点，可以有效控制单体蓄电池的过充、过放和热失控，实现均衡放电和均衡充电功能。

(4)使用I2C总线对多个单体电池进行地址分配，有效进行设备管理和检测。

应用效果：

该装置投用之后，对于变电站用蓄电池监测、维护有着重要的意义，大幅提高了电池的使用寿命，并大幅的降低了检测产品的成本。目前现有的蓄电池监测装置设计方案为每个单体电池配备一个微控制单元MCU(Micro ControlUnit)作为控制与监测的单元，一套方案需要100多个MCU，而本方案采用一片FPGA结合I2C总线的控制多个单体蓄电池。

附图说明：

图1为本发明蓄电池监测装置的控制模块框图。

具体实施方式：

本发明以FPGA为主要监测核心器件来监测变电站蓄电池组和单体蓄电池的状态变化，基于FPGA的变电站蓄电池监测装置充分利用可编程调试灵活特性，开发成本低，片上资源丰富等优势，结合I2C通信总线多路寻址的特性，同时检测蓄电池组的总电压、总电流、充放电状态以及单体电池电压、单体电池内阻，可实现对单体电压0～15V、整组电压0～500V，内阻测试范围：0～99mΩ等高精度的参数测量。采用FPGA现场可编程器件实现阀控铅酸蓄电池(VRLA)测试系统的多路数据采集模块、状态分析与上报模块、蓄电池地址转换、通信协议转换等关键模块。

使用以FPGA为主要监测核心器件的实时监测装置主要功能是可以对变电站蓄电池组和单体电池的端电压以及内阻进行巡检，并使用I2C总线对被监测元件进行按址分配，FPGA作为控制中心对其进行管理，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，并存储和转发对应的监测数据到后台服务中心，供维护人员参考诊断。实现均衡充放电的功能来提高整个蓄电池组的寿命。

1、测试系统硬件结构；

本例FPGA开发系统如图1所示采用Altera FPGA控制模块Stratix-II(EP2S30)、具备I2C总线的IO使能开关(TI TCA9546A)、模拟开关CD4051及光耦合器TLP181、A/D转换AD0809芯片、Cypress公司的并口Flash存储器及SRAMW24257组成。通过实时监测VRLA蓄电池组和内部单节VRLA蓄电池的电压，内阻能够有效的识别蓄电池的性能差异和安全临界点，有效控制单节VRLA蓄电池的过充，过放和热失控，实现均衡放电和均衡充电的理想功能；同时准确计算出单个VRLA蓄电池电量，根据充放电曲线，为后台控制中心建立最佳充放电方案提供依据，延长VRLA蓄电池使用寿命。

2、按址分配使能开关设计；

采用基于I2C总线作为多个单体电池测量的方案，为每个单体电池和蓄电池组分配一个地址，由于I2C总线最多可以支持128个节点，而蓄电池组最多有108个单体电池，加上蓄电池组整体一共最多109个节点，因此I2C总线可以满足监测的需求。

另外各节点的监测电路采用光耦合器隔离采样开关与低压系统来避免常规双刀式继电器模拟开关对大型VRLA蓄电池组测量时需要的继电器太多，仪器的体积过大，功耗、成本及故障率高等众多缺点。

按址分配使能开关的工作过程为：建立一个最多128个单元的地址表，为每个单元分配1个固定地址，FPGA根据地址表定位，并在初始化阶段接入TITCA9546A的IO使能开关控制，当FPGA发送选址和读取指令后，得到控制权的TCA9546A会将连接到FPGA的使能位电平拉高，FPGA采集数据模块就可以作为判定条件在下一个时钟周期读取对应地址的电阻回馈和电压回馈信号并保存。

3、实现均匀充放电；

首先对于同一批生产出来的新的蓄电池组来说，他们的电气性能是比较一致的，但随着电池使用时间的延长或充放电次数的增加，各个单体电池之间的差别就表现出来了。由于它们是串联的，于是就会造成在充电时一部分电池充电不足，另一部分电池过充电，因此保证单体电池充放电的均匀性将是蓄电池组可靠性的重要保证。

利用所有单体电池的电压数据结合数理统计方法分析每次放完电和充足电后电池端电压的分布规律，计算他们的平均值和标准差，用均值和标准差σ来描述变量X的取值规律，可以用以下数学公式

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\mathrm{\Σxi}}{n}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(\mathrm{xi}-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n}}$

上述两式中，xi可代表电池组中各单体电池的端电压，代表电池组中各单体电池的端电压参数的平均值；n代表电池组中包含的电池数。n越大，统计结果越准确；σ将反映电压对其均值的偏离程度，σ越小，则均匀性越好，蓄电池组的整体可靠性也必然越好。统计得出单体电池端电压在1.82V附近的电池数目最多，概率最大，两边处于基本对称的下降趋势，因此端电压服从正态分布趋势。由正态分布曲线的特征可知，是电压概率密度正态分布曲线最高点的横坐标，它是全组电池放电电压的均值，可以看作是该组电池的宏观性能参数，可用它来判断蓄电池组的放电状态。标准差σ则表征蓄电池组中各单体电池放电电压分布的离散程度，σ值越大，电池的均匀性越差，电池组的可靠性越差。随着电池使用时间的增加，σ值呈逐步增大的趋势，即电池放电电压的均匀性是逐渐下降的，电池组的可靠性也必然随之下降，一般取X±2σ作为电池均匀性的控制域值。获得了控制阈值后，就可以使用FPGA内部控制充放电，从而做到均衡充放电。

Claims (3)

1.一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：该方法包括以下方面：

(1)以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，通过实时监测蓄电池组和内部单节蓄电池的电压，能够有效的识别蓄电池的性能差异和安全临界点，有效控制单节蓄电池的过充，过放和热失控，同时准确计算出单个蓄电池电量，根据充放电曲线，为后台控制中心建立最佳充放电方案提供依据；

(2)实时监控蓄电池状态：可以实时的采集变电站蓄电池组、单体电池的电压、内阻状态，并通过FPGA内部处理模块将采集信息通过通讯总线传输到后台的服务端并执行相应的处理动作；

(3)利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理：使用I2C总线作为多个单体电池测量，为每个单体电池和蓄电池组分配一个地址，由FPGA统一调配、控制；并结合光耦合器隔离开关来进行单体测量；

(4)均衡充放电：使用均衡充电的方式替代浮充的方式，依据单体电池端电压动态分布的特点，并集合FPGA收集到的实时数据，计算出充放电的控制阈值，来保证整个蓄电池组的均衡性。

2.根据权利要求1所述的使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：在步骤(3)中，按址分配的工作方法为：建立一个最多128个单元的地址表，为每个单元分配1个固定地址，FPGA根据地址表定位，并在初始化阶段接入TI TCA9546A的IO使能开关控制，当FPGA发送选址和读取指令后，得到控制权的TCA9546A会将连接到FPGA的使能位电平拉高，FPGA采集数据模块就可以作为判定条件在下一个时钟周期读取对应地址的电阻回馈和电压回馈信号并保存。

3.根据权利要求1所述的使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：在步骤(4)均衡充放电中，利用所有单体电池的电压数据结合数理统计方法分析每次放完电和充足电后电池端电压的分布规律，计算他们的平均值和标准差，用均值和标准差σ来描述变量X的取值规律，需满足以下数学公式

$\tilde{x}=\frac{\mathrm{\Σxi}}{n}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(\mathrm{xi}-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n}}$

上述两式中，xi可代表电池组中各单体电池的端电压，代表电池组中各单体电池的端电压参数的平均值；n代表电池组中包含的电池数；n越大，统计结果越准确；σ将反映电压对其均值的偏离程度，σ越小，则均匀性越好，蓄电池组的整体可靠性也必然越好；统计得出单体电池端电压在1.82V附近的电池数目最多，概率最大，两边处于基本对称的下降趋势，因此端电压服从正态分布趋势；由正态分布曲线的特征可知，是电压概率密度正态分布曲线最高点的横坐标，它是全组电池放电电压的均值，可以看作是该组电池的宏观性能参数，可用它来判断蓄电池组的放电状态；标准差σ则表征蓄电池组中各单体电池放电电压分布的离散程度，σ值越大，电池的均匀性越差，电池组的可靠性越差；随着电池使用时间的增加，σ值呈逐步增大的趋势，即电池放电电压的均匀性是逐渐下降的，电池组的可靠性也必然随之下降，一般取X±2σ作为电池均匀性的控制域值；获得了控制阈值后，就可以使用FPGA内部控制充放电，从而做到均衡充放电。