CN108631444A - 基于磷酸铁锂电池的变电站直流电源分级监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，该系统与若干磷酸铁锂电池模块通信连接，包括：监控中心，监控管理变电站整个直流电源系统，向下与保护监控一体化装置相连，接收各保护监控一体化装置的传送数据，实现数据的存储与显示、控制与管理；保护监控一体化装置，实时采集、储存、传输磷酸铁锂电池模块的运行信息；随时接收和执行监控中心的控制命令；就地保持蓄电池电压均衡；通信链路，完成监控中心与保护监控一体化装置的信息交互。有益效果：该系统满足新型浮充式磷酸铁锂电池的保护与监控需求，将电池保护与具有高级功能的监控装置合理结合，并提出直流电源系统智能辅助系统，保证磷酸铁锂电池安全、智能运行。

Description

基于磷酸铁锂电池的变电站直流电源分级监控管理系统

技术领域

本发明属于变电站监管领域，尤其涉及一种基于磷酸铁锂电池的变电站直流电源分级监控管理系统。

背景技术

蓄电池组作为变电站直流电源的重要组成部分，为变电站的开关、继电保护装置及自动化设备等提供电源，特别是在电力系统出现故障时为变电站的安全运行提供可靠的电力保证。近年来，磷酸铁锂电池因其环保、循环寿命长、能量比大突出的优势和锂电池技术的快速发展，为变电站直流电源提供了新的选择。但新型浮充式磷酸铁锂电池也带来了故障短路电流大大提高，单体电池差异大等问题。因此，现有的直流电源监控系统作为直流电源系统的核心组成部分，也急需升级改造以适应基于磷酸铁锂电池的直流电源系统的运行需求，直流电源监控系统一方面需要确保新型浮充式蓄电池运行的高可靠性以满足站内供电需求，另一方面需要增强其以智能化水平以符合智能变电站的发展趋势。

发明内容

本发明目的在于适应新型浮充式磷酸铁锂电池的保护与监控要求，提供了一种基于磷酸铁锂电池的变电站直流电源分级监控管理系统，具体由以下技术方案实现：

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，与若干磷酸铁锂电池模块通信连接包括：

监控中心，监控管理变电站整个直流电源系统，向下与各设备保护监控一体化保护监控一体化装置相连，接收各保护监控一体化装置传送的数据，实现对终端信息的存储与显示、控制与管理；

若干保护监控一体化装置，周期性地实时采集、储存、传输磷酸铁锂电池模块的运行信息与告警信息；随时接收和执行监控中心发出的控制命令；保持蓄电池电压均衡；

通信链路，完成监控中心与保护监控一体化装置的信息交互。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述监控中心包括：

显示模块，包括监控中心液晶显示屏和基于无线传输网络的移动终端监控服务；监控中心液晶显示屏实时显示监控系统全部的监控信息与数据，移动终端监控服务通过无线传输模块将基础监控数据传输至特定权限和数据加密的移动终端，适应变电站无人值守的运维要求；

智能报警模块，根据保护一体化装置采集的信息进行智能告警，所述告警信息包括显示故障时间、故障电池编号、故障越限数据，智能报警模块报警方式包括本地告警与远程告警，本地告警通过监控中心控制系统实时显示告警信息并伴随LED灯闪烁以及蜂鸣器发声，远程告警将告警信息通过无线传输模块发送至远程移动终端；

无线传输模块，根据电力无线专网将本地数据进行远程传输；

主控芯片，向监控中心的各模块发送控制信号，完成各模块间的信息交互。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述主控芯片通过对采集的特征数据和对现有的告警信息进行适应性处理，判别磷酸铁锂电池的工作状态，向运维人员实时上报故障信号，实现智能告警功能；通过自动查询故障发生时前后时间窗的特征数据和告警信息，对告警信息进行分类处理和数据分析，诊断识别出磷酸铁锂电池系统的故障位置、故障原因、故障特征，实现设备每个元器件的实时故障诊断、预测并做出排除故障方法的提示，实现故障诊断功能；通过分析磷酸铁锂电池系统运行状态下的监测数据，实现磷酸铁锂电池的持续浮充电运行管理、电池充电调节控制和放电控制实现充电管理功能；通过设置数据监控时间窗 参数、电压保护越限值 参数、电流越限阀值参数，适应不同电池数量或者不同运行状态下的电池管理要求，实现参数设置功能

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，实现故障诊断功能时，故障位置、故障原因和故障特征的结果以曲线或表格或断面图的形式通过显示模块展现。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述主控芯片可仿真并显示直流电源运行中的各种工作状态，并反映直流电源系统的接线状态，实现实时仿真功能。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述监控中心主控芯片采用Atmel公司AVR 32位单片机 AT32UC3B0512。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述保护监控一体化装置与电池模块一一对应地连接。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，保护监控一体化装置包括

处理器，向保护监控一体化装置内的其他模块发送控制信号；

数据采集模块，将所采集的数据储存与备份，并接收查询请求将所处采集的数据上传至监控中心；

电压均衡保护模块，当电池处于浮充状态时，判断电池模块中的单体电池的电压最大值，若超过监控中心设置的额定阀值，自动开启电压均衡保护措施，通过均流电路电阻进行放电，每个回路由电子开关控制，将已充满电的单体电池的多余能量转移到整个电池组；当电池处于事故或试验放电状态，关闭电压均衡保护功能。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述数据采集模块包括：

电压采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组的端电压及各单体电池的端电压；

电流采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组的总电流及各单体电池的单体电流；

温度采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的温度；

电阻采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的电阻。

所述基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统的进一步设计在于，所述保护监控一体化装置的处理器采用Atmel公司的AVR 8单片机。

本发明的优点如下：

本发明的基于磷酸铁锂电池的变电站直流电源分级监控管理系统根据磷酸铁锂电池均衡浮充的特点，分层设置监控中心和保护监控一体化装置两级，适应新型浮充型锂电池的保护与监控需求，实现对直流电源的实时监测、智能告警、控制保护、故障诊断及实时仿真等功能，保证蓄电池不会过充电或过放电，并且在正常情况下始终满容，有利于延长蓄电池的使用寿命，增强直流系统的工作可靠性，提高直流电源系统运行与管理的智能化水平。

附图说明

图1 为监控系统的模块示意图。

图2 为监控中心硬件模块示意图。

图3 为监控中心软件示意图。

图4为保护监控一体化装置硬件结构图。

图5 为保护监控一体化装置软件示意图。

具体实施方式

结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。

如图1，本实施例提供的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，主要由监控中心、数传输、保护监控一体化装置以及电池模块组成。其中，监控中心，监控管理变电站整个直流电源系统，向下与各保护监控一体化装置相连，接收各保控装置传送的数据，实现对终端信息的存储与显示、控制与管理。保护监控一体化装置，周期性实时采集、储存、传输监控设备的运行信息与告警信息；并随时接收和执行监控中心的控制命令；实现蓄电池端电压电压均衡保护。电池模块，向保护监控一体化装置供电。通信链路，完成监控中心与保护监控一体化装置的信息交互。

本实施例中，保护监控一体化装置与电池模块一一对应地电连接，使得各保控装置相互独立，任一保控装置发生故障，不影响其它保控装置的正常工作。

本实施例中，监控中心为保护监控一体化装置的上级数据处理中心，负责接收并进一步分析处理保护监控一体化装置所采集的数据，主要由主控芯片、显示模块、键盘模块、智能报警模块以及外围电路组成。主控芯片分别与显示模块、键盘模块、智能报警模块以及外围电路通信连接，参见图2。

显示模块，包括监控中心液晶显示屏和基于无线传输网络的移动终端监控平台。监控中心液晶显示屏可实时显示监控系统全部的监控信息与数据，移动终端监控平台是通过无线传输模块将基础监控数据利用电力无线专网传输至特定权限和数据加密的移动终端监控平台。

智能报警模块，根据保护一体化传感器采集信息进行智能告警，在故障发生时发送告警信息，告警信息包括显示故障时间、故障电池编号、故障越限数据、LED灯闪烁以及蜂鸣器发声。本实施例特别设置了基于移动终端的及时告警功能，将告警信息通过无线传输模块传送到移动终端的监控平台。

无线传输模块，根据电力无线专网将本地数据进行远程传输。无线传输模块的开启与关闭可自动设置。如果开启(关闭)，则与无线传输相关的移动终端应用自动开启（关闭）。

主控芯片通过对采集的特征数据和对现有的告警信息进行适应性处理，判别磷酸铁锂电池的工作状态，实现智能告警功能；通过自动查询故障发生时前后时间窗的特征数据和告警信息，判断磷酸铁锂电池系统的故障位置、故障原因和故障特征，实现故障诊断功能；通过分析磷酸铁锂电池系统的运行状态，实现磷酸铁锂电池的持续浮充电运行管理、电池充电调节控制和放电控制实现充电管理功能。此外，主控芯片还能够设置各功能的系统参数，以调节灵敏度适应不同运行状态，其主程序流程图如图3所示。

实现故障诊断功能时，故障位置、故障原因和故障特征的结果以曲线或表格或断面图的形式通过显示模块展现。

主控芯片可仿真并显示直流电源运行中的各种工作状态，以反应直流电源系统接线。

本实施例的主控芯片采用Atmel公司AVR 32位单片机 AT32UC3B0512。AT32UC3B0512以60MHz提供内置看门狗WATCHADOG定时器，防止程序走飞。片内有512KBFlash程序存储器，96KB RAM数据存储器，44个I/0端口，除拥有普通串行通信接口外，还拥有JTAG仿真功能，八通道模数转换器等外围设备。

如图4，保护监控一体保护监控一体化装置主要由处理器、数据采集模块、电压均衡保护模块、智能报警模块、电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元、电阻采集单元以及状态监测单元。处理器，向保护监控一体化装置内的其他模块发送控制信号。数据采集模块，将所采集的数据储存与备份，并接收查询请求将所处采集的数据上传至监控中心。上文中提及的监控设备即为为电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元以及电阻采集单元。

数据采集模块主要由电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元以及电阻采集单元组成。其中，电压采集单元，根据控制信号采集磷酸铁锂电池组的端电压及各单体电池的端电压。电流采集单元，根据控制信号采集磷酸铁锂电池组的总电流及各单体电池的单体电流。温度采集单元，根据控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的温度。电阻采集单元，根据控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的电阻。

电压均衡保护模块是通过数据采集模块，判断电池模块中的单体电池电压最大值，若超过额定阀值，该额定阀值由监控中心设置，自动开启电压均衡保护措施，通过控制功能将电池多余的能量消耗到或转移到整个电池组上去，保证充电时每只单体都能够充满，减少由于自放等原因导致的容量差异，提高电池组容量的一致性。

本实施例中，保护监控一体化装置的处理器为单片机AVR 。单片机AVR采用Atmel公司开发的8位单片机Atmega128，该单片机有128KB Flash程序存储器，4KB EEPROM数据存储器， 4KB RAM存储器。同时，芯片内置看门狗防止程序走飞，拥有JTAG仿真等附属功能。保护监控一体化装置其核心工作在于定时进行磷酸铁锂电池电压、电流、温度及电阻值的采集与存储，并根据监控中心的查询要求上传本保护监控一体化装置的特征数据。保护监控一体化装置的主程序流程图如图5所示。

本实施例的通信链路采用RS-485总线，通信协议采用Modbus协议。

本实施例的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统能够适应基于磷酸铁锂电池的变电站直流系统的保护与监控需求。一方面磷酸铁锂电池内阻远小于传统铅酸电池，导致故障短路电流大大提高，另一方面磷酸铁锂电池的单体特性差异，导致电池电压维护复杂度增加，该监控系统能够通过对磷酸铁锂电池的监控实时在线监测蓄电池组的运行状态，并通过电压均衡保护实时平衡各单体电池的差异性。

本实施例的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统具有较高的工作可靠性。系统实现分级监控，且各保护监控一体化装置相互独立，任一保控装置发生故障，不影响其它保控制装置的正常工作，监控中心发生故障，在恢复后能够重新调用保控装置监测并存储的蓄电池特征数据。该直流电源分级监控管理系统具有较高的自动化水平，基于集中数据信息平台、基于无线传输的移动终端平台，实现直流电源系统的实时在线监测、智能分析处理与分级控制管理。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，与若干磷酸铁锂电池模块通信连接其特征在于包括：

监控中心，监控管理变电站整个直流电源系统，向下与各设备保护监控一体化保护监控一体化装置相连，接收各保护监控一体化装置传送的数据，实现对终端信息的存储与显示、控制与管理；

若干保护监控一体化装置，周期性地实时采集、储存、传输磷酸铁锂电池模块的运行信息与告警信息；随时接收和执行监控中心发出的控制命令；保持蓄电池电压均衡；

通信链路，完成监控中心与保护监控一体化装置的信息交互。

2.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，其特征在于所述监控中心包括：

显示模块，包括监控中心液晶显示屏和基于无线传输网络的移动终端监控服务；监控中心液晶显示屏实时显示监控系统全部的监控信息与数据，移动终端监控服务通过无线传输模块将基础监控数据传输至特定权限和数据加密的移动终端，适应变电站无人值守的运维要求；

智能报警模块，根据保护一体化装置采集的信息进行智能告警，所述告警信息包括显示故障时间、故障电池编号、故障越限数据，智能报警模块报警方式包括本地告警与远程告警，本地告警通过监控中心控制系统实时显示告警信息并伴随LED灯闪烁以及蜂鸣器发声，远程告警将告警信息通过无线传输模块发送至远程移动终端；

无线传输模块，根据电力无线专网将本地数据进行远程传输；

主控芯片，向监控中心的各模块发送控制信号，完成各模块间的信息交互。

3.根据权利要求2所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，其特征在于所述主控芯片通过对采集的特征数据和对现有的告警信息进行适应性处理，判别磷酸铁锂电池的工作状态，向运维人员实时上报故障信号，实现智能告警功能；通过自动查询故障发生时前后时间窗的特征数据和告警信息，对告警信息进行分类处理和数据分析，诊断识别出磷酸铁锂电池系统的故障位置、故障原因、故障特征，实现设备每个元器件的实时故障诊断、预测并做出排除故障方法的提示，实现故障诊断功能；通过分析磷酸铁锂电池系统运行状态下的监测数据，实现磷酸铁锂电池的持续浮充电运行管理、电池充电调节控制和放电控制实现充电管理功能；通过设置数据监控时间窗 参数、电压保护越限值 参数、电流越限阀值 参数，适应不同电池数量或者不同运行状态下的电池管理要求，实现参数设置功能。

4.根据权利要求3所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，其特征在于实现故障诊断功能时，故障位置、故障原因和故障特征的结果以曲线或表格或断面图的形式通过显示模块展现。

5.根据权利要求2所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，其特征在于所述主控芯片可仿真并显示直流电源运行中的各种工作状态，并反映直流电源系统的接线状态，实现实时仿真功能。

6.根据权利要求2所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统，其特征在于所述监控中心主控芯片采用Atmel公司AVR 32位单片机 AT32UC3B0512。

7.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统,其特征在于所述保护监控一体化装置与电池模块一一对应地连接。

8.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统,其特征在于保护监控一体化装置包括

处理器，向保护监控一体化装置内的其他模块发送控制信号；

数据采集模块，将所采集的数据储存与备份，并接收查询请求将所处采集的数据上传至监控中心；

电压均衡保护模块，当电池处于浮充状态时，判断电池模块中的单体电池的电压最大值，若超过监控中心设置的额定阀值，自动开启电压均衡保护措施，通过均流电路电阻进行放电，每个回路由电子开关控制，将已充满电的单体电池的多余能量转移到整个电池组；当电池处于事故或试验放电状态，关闭电压均衡保护功能。

9.根据权利要求8所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统,其特征在于所述数据采集模块包括：

电压采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组的端电压及各单体电池的端电压；

电流采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组的总电流及各单体电池的单体电流；

温度采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的温度；

电阻采集单元，根据所述控制信号采集磷酸铁锂电池组各电池的电阻。

10.根据权利要求8所述的基于磷酸铁锂电池的直流电源分级监控管理系统,其特征在于所述保护监控一体化装置的处理器采用Atmel公司的AVR 8单片机。