CN214011456U - 一种用于直流电源系统的维护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于直流电源系统的维护装置，包括高频开关系统、中央处理单元、供电单元、远程通讯单元和蓄电池组养护放电系统，通过蓄电池组养护放电系统能够切断高频开关电源的电源输入方式，通过站内的实际负载对蓄电池进行供电能力测试，供电单元与中央处理单元连接；远程通讯单元与中央处理单元连接；蓄电池组养护放电系统与中央处理单元连接，蓄电池组养护放电系统将蓄电池的实时运行数据采集后传输给中央处理单元，通过中央处理单元对蓄电池的实时数据进行计算得出蓄电池真实状态，已劣化的蓄电池通过中央处理单元下发命令，蓄电池组养护放电系统以电流的的形式(脉冲)对蓄电池进行养护修复。

Description

一种用于直流电源系统的维护装置

技术领域

本实用新型涉及电力领域，尤其涉及一种用于直流电源系统的维护装置。

背景技术

直流电源系统通常被称为电源系统的心脏，其工作不正常，将会造成直流系统故障，甚至导致整个电力系统瘫痪。因此，为了保证整个直流系统的畅通，直流电源系统的监控成为了电源信息化建设的一个极其重要的部分，建设一套全局范围内的完善的的电源监控系统成为动力维护工作的迫切需求。

蓄电池作为直流电源系统的重要组成部分，在市电停电的情况下，为站内设备供电，其健康安全的运行尤为关键。目前直流电源系统的维护遵循的是电力电源系统维护规程，维护依赖的手段是通过传统蓄电池巡检仪和每年进行一次人工核对性放电来判断蓄电池性能优劣，但现有的维护方式存在蓄电池核容费时费力、落后蓄电池难以发现、蓄电池维护手段有限、蓄电池可供时长无法精确计量以及直流电源系统无法集中监控的问题。

因此，如何设计一种对直流电源系统实时监测、易于发现落后蓄电池、能够计算蓄电池可供时长和蓄电池在线养护的用于直流电源系统的维护装置成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于直流电源系统的维护装置，以解决现有维护方式存在蓄电池组核容费时费力、落后蓄电池难以发现、蓄电池维护手段有限、蓄电池可供时长无法精确计量以及直流电源系统无法集中监控的问题。

本实用新型提供一种用于直流电源系统的维护装置，包括高频开关系统、中央处理单元、供电单元、远程通讯单元和蓄电池组养护放电系统，其中：

所述高频开关系统与所述中央处理单元连接；

所述供电单元与所述中央处理单元连接；

所述远程通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述蓄电池组养护放电系统与所述中央处理单元连接。

可选择的，所述高频开关系统包括高频开关电源通讯单元和高频开关电源，所述高频开关电源通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述高频开关电源通讯单元与所述高频开关电源连接。

可选择的，所述蓄电池组养护放电系统包括蓄电池组养护模块、蓄电池组放电模块和蓄电池组，所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述中央处理单元连接；

所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述蓄电池组连接。

可选择的，所述蓄电池组养护模块包括数模转换单元、数据采集单元和养护输出单元，所述数模转换单元与所述中央处理单元连接；

所述数据采集单元与所述数模转换单元连接；

所述养护输出单元与所述数据采集单元连接；

所述养护输出单元与所述蓄电池组连接。

可选择的，所述蓄电池组放电模块包括本地通讯单元和放电控制单元，所述本地通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述放电控制单元与所述本地通讯单元连接；

所述放电控制单元与所述蓄电池组连接。

本实用新型提供了一种用于直流电源系统的维护装置，包括高频开关系统、中央处理单元、供电单元、远程通讯单元和蓄电池组养护放电系统，其中：所述高频开关系统与所述中央处理单元连接，通过蓄电池组养护放电系统能够切断高频开关电源的电源输入方式，模拟站内真实停电场景，通过站内的实际负载对蓄电池进行供电能力测试，解决了传统蓄电池核容测试费时费力的问题；所述供电单元与所述中央处理单元连接；所述远程通讯单元与所述中央处理单元连接；所述蓄电池组养护放电系统与所述中央处理单元连接，蓄电池组养护放电系统将蓄电池的实时运行数据采集后传输给中央处理单元，通过中央处理单元对蓄电池的实时数据进行计算得出蓄电池真实状态，已劣化的蓄电池通过中央处理单元下发命令，蓄电池组养护放电系统以电流的的形式(脉冲)对蓄电池进行养护修复。本实用新型将高频开关电源与蓄电池进行集中性管控，从高频开关电源与蓄电池之间的变化趋势，判断整个直流电源系统的真实状态，对直流电源系统进行实时监控，全方面掌控直流电源系统变换趋势，并能准别识别蓄电池组中落后的单体蓄电池。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种用于直流电源系统的维护装置的示意图；

图2为蓄电池性能变化对比图；

图3为蓄电池除硫原理图；

图4为蓄电池硫化到除硫修复的过程示意图；

图5为脉冲充电特性曲线；

图6为蓄电池组的放电原理图；

图7、图8、图9和图10均为供电电源电路图；

图11为高频开关电源通讯电路图；

图12为本地通讯电路图；

图13为远程通讯电路图；

图14为数据采集电路图；

图15为养护输出电路图。

具体实施方式

下面结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于再次描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1，本实用新型提供一种用于直流电源系统的维护装置，包括高频开关系统、中央处理单元2、供电单元1、远程通讯单元3和蓄电池组养护放电系统，其中：

所述高频开关系统与所述中央处理单元2连接；

所述供电单元1与所述中央处理单元2连接；

所述远程通讯单元3与所述中央处理单元2连接；

所述蓄电池组养护放电系统与所述中央处理单元2连接。

供电单元1用于给整个装置进行供电。

中央处理单元2用于数据处理。

所述供电单元1为供电电源电路，供电电源电路图如图7、图8、图9和图10所示；

所述中央处理单元2为中央处理电路，中央处理电路由STM32F-407VGTE、电容、电感、二极管等电器元器件实现；

所述远程通讯单元3为远程通讯电路，远程通讯电路如图13所示。

可选择的，所述高频开关系统包括高频开关电源通讯单元4和高频开关电源，所述高频开关电源通讯单元4与所述中央处理单元2连接；

所述高频开关电源通讯单元4与所述高频开关电源连接。

所述高频开关电源通信单元4为高频开关电源通讯电路，高频开关电源通讯电路如图11所示。

可选择的，所述蓄电池组养护放电系统包括蓄电池组养护模块、蓄电池组放电模块和蓄电池组，所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述中央处理单元2连接；

所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述蓄电池组连接。

可选择的，所述蓄电池组养护模块包括数模转换单元5、数据采集单元6和养护输出单元7，所述数模转换单元5与所述中央处理单元2连接；

所述数据采集单元6与所述数模转换单元5连接；

所述养护输出单元7与所述数据采集单元6连接；

所述养护输出单元7与所述蓄电池组连接。

养护输出单元7用于对蓄电池进行养护。

数据采集单元6用于对蓄电池实时运行数据进行采集，所述数据采集单元6为数据采集电路，数据采集电路如图14所示。

养护输出单元7为养护输出电路，养护输出电路如图15所示。

数据采集单元6将蓄电池的实时运行数据采集后通过数模转换单元5传输给中央处理单元2，通过中央处理单元2对蓄电池的实时数据进行计算得出蓄电池真实状态。

可选择的，所述蓄电池组放电模块包括本地通讯单元8和放电控制单元9，所述本地通讯单元8与所述中央处理单元2连接；

所述放电控制单元9与所述本地通讯单元8连接，通过放电控制单元9切断直流开关电源电源输入的方式，模拟市电停电场景，通过站内的真实负载对蓄电池进行放电，监测蓄电池的真实性能和可供电时长，并准确的计算出蓄电池的真实容量，从而解决了传统对蓄电池核容费时费力的问题；

所述放电控制单元9与所述蓄电池组连接。

所述本地通讯单元8为本地通讯单元电路，本地通讯单元电路图如图12所示。

蓄电池组养护放电系统将蓄电池的实时运行数据采集后传输给中央处理单元2，通过中央处理单元2对蓄电池的实时数据进行计算得出蓄电池真实状态，已劣化的蓄电池通过中央处理单元2下发命令，蓄电池组养护放电系统以电流的的形式(脉冲)对蓄电池进行养护修复，通过给蓄电池施加700-800Hz的谐振脉冲，击碎蓄电池内部的硫酸铅晶体，再对蓄电池进行0-4.0A的均衡充电，对蓄电池进行在线式养护，减缓了蓄电池的衰老时间，延长蓄电池的使用寿命。

蓄电池的使用寿命是由诸多条件来决定的，主要蓄电池固有特性、蓄电池的外在的环境、蓄电池具体的充放电工作制度和蓄电池管理监控模式等，蓄电池的使用寿命无法达到设计的要求是其在运用中所碰到的难以解决的问题。蓄电池原本的使用年限在10年～15年之内，但是在实际使用时往往因使用不当从而导致蓄电池在3年～5年内就损坏了，严重情况时会在短短1年的时间内便损毁，这不但严重的影响了蓄电池供电的安全性，而且还会对经济造成重大的损失，对资源产生极大的浪费。

蓄电池放电和充电是一个逆化学反应过程(3-4、3-5、3-6)，充电少就会有残存的硫酸铅。时间久了就会形成硫酸铅结晶。电池劣化过程实际上是硫酸铅结晶生长的过程。如图2所示，蓝色曲线示意了均匀性较好的电池组硫化内阻的生长过程；红色曲线示意了均匀性差的电池组硫化内阻的生长过程；从图中可以明显的看到均匀性越差硫化内阻生长速度越快。在线养护设备的工作原理就是要消减硫化内阻的生长，如果在A点和B点加载养护除硫设备，抑制蓄电池的硫化，便可延长蓄电池的使用寿命。

负极反应：Pb+HSO4-＝PbSO4+H++2e- (3-4)

正极反应：PbO+3H++HSO4-+2e-＝PbSO4+2H2O (3-5)

放电→

电池反应：PbO2+H2SO4+Pb＝PbSO4+H2O+H2SO4 (3-6)

←充电

根据蓄电池的运行原理及特点研究运用分时原理，通过开关组件的控制和切换，确保蓄电池能够消除、抑制蓄电池的硫化，均衡充电延长蓄电池的使用寿命。

消除电池硫化结晶→提升结构容量→整流器通过电池组补充充电→差异化抑制硫化。

第一时序：在线测量蓄电池组中各个蓄电池的单体的电压、内阻、温度等实时数据，通过多维数据测量，检测电池的实际状态。

第二时序：利用晶体分子结构都有谐振频率的特点，差异化消除每节电池硫化结晶，通过每只蓄电池的除硫电流单独消除每只蓄电池硫化，提升蓄电池结构容量。脉冲除硫方式：采用双向隔离脉冲除硫，单体电池之间直接通过隔离脉冲进行主动除硫；除硫结构：具有独立除硫母线，每个除硫模块提供1路除硫母线接口，如图3所示。

尖脉冲使大颗粒硫酸铅结晶变为小颗粒，消除硫酸铅结晶，减低硫化电阻增大结构容量。尖脉冲除硫过程如图4所示，小颗粒硫酸铅结晶变为硫酸铅，硫酸铅在充电过程中还原为活性物质铅和二氧化铅。

第三时序：均衡充电。蓄电池的极化现象分为三类，分别是欧姆极化、浓差极化、电化学极化。研究铅酸蓄电池均衡充电技术的关键就是使铅酸蓄电池的充电过程做到高效、迅速且无损。为解决这关键点，需要的一是提升铅酸蓄电池本身制造工艺来降低蓄电池内阻以及提高参与反应的离子扩散速度等；另外就是改进铅酸蓄电池充电方法，增强充电效率，处理其充电过程中的极化问题。本实用新型利用脉冲充电法，遵守蓄电池本身充电接受率的规律，提高蓄电池电流接受能力，突破蓄电池充电电流接受曲线的阻碍。脉冲充电分为正脉冲充电和正负脉冲充电，脉冲充电的电流曲线如图5所示。正充电脉冲能使铅酸蓄电池充满电量，脉冲间歇期和负脉冲能够使蓄电池内部析气反应产生的气体较为迅速被吸收掉，使极化现象能够减弱，为下个周期的恒定电流的充电能够更顺畅运行创造条件，最终使得铅酸蓄电池充电时可吸收更多的电量。间歇的脉冲能够保持铅酸蓄电池较充分的反应时间，降低析气反应量，并且提高蓄电池的充电电流的可接受能力。

对于蓄电池的在线充放电，目前对蓄电池推崇的维护方法是对所有的蓄电池组严格按照电力维护规程进行定期的容量放电试验，以期确切了解各阶段蓄电池的剩余容量，防止蓄电池的活性物质老化。容量放电试验确实是最精确的检测蓄电池剩余容量的方法，但也是最复杂最耗时的方法。在蓄电池组数量不断增加，种类也比较多，维护人员又不断精简的形势下，这种维护方法的弊病逐步显示出来。

本实用新型通过自动化控制，实现蓄电池组的在线充放电测试。通过“一键式”操作，控制自动切换装置使其处于“放电状态”，蓄电池通过容量测试装置进行在线放电，以多重放电参数为条件(电池单体电压、电池组总电压、放出容量、放电时长、温度)，放电过程中任意一项参数达到设定阈值自动停止放电，并控制蓄电池恢复至正常工作模式。放电全程，系统精准的记录放电时长、放出容量、单体电压变化情况。测试结束后，系统自动生成PDF和EXCEL测试报告，可供随时下载查看。

需要手动终止放电时，只需点击网管上“停止放电”功能，当蓄电池在线监测模块收到该控制指令后，控制容量测试装置停止工作，将该组蓄电池并回供电系统，由开关电源开始对蓄电池充电，并全程检测电池充电时的各项参数，从而完成对蓄电池的在线充电监测功能。

如图6所示，虚线框为自动切换装置。正常工作时，该模块内部的直流接触器处于常闭节点，即节点A与B处于连通状态。此时，容量测试装置与蓄电池处于脱离状态。需要进行蓄电池容量测试时，只需点击网管上的“远程放电”按钮并设定放电各项参数后，蓄电池在线监测模块收到该控制指令后，立即控制自动切换装置内的直流接触器动作，使节点A与C处于连通状态，从而使该组电池脱离系统，并控制容量测试装置开始工作，进行蓄电池放电容量测试试验，放电过程全程检测电池放电电流，并通过容量测试装置实时进行控制，以保证放电全程蓄电池均处于恒流放电状态，使蓄电池容量测试更加稳定和精准。

此外，自动切换装置内部的续流电路可保证负载供电的安全：即当该组电池处于放电状态时，如果发生交流断电或其他原因导致整流器失电，则电池直接通过续流回路无缝隙向站点实际负载提供电源支持，同时，系统检测到交流故障后，立即控制自动切换装置内部的直流接触器动作，使节点A与B接通，使电池与容量测试装置脱离，回到正常状态。

目前，现有的蓄电池维护管理模式还相对比较落后，多采用巡检仪对蓄电池进行被动监测，对电池的真实性能无法掌控，而通常蓄电池组的实际使用寿命远比理论设计的寿命要短，往往只能在交流停电时暴露出蓄电池没有实际的带载能力和定期的核容测试才能发现蓄电池的故障，这无疑存在极大的安全隐患，而且给运营维护带来巨大的成本投入。

本实用新型根据蓄电池的电气性能结合大数据分析，研究蓄电池在线检测和在线养护技术，通过蓄电池各项参数的在线检测，首先找到不同劣化程度蓄电池与其日常性能参数值的对应规律，作为实现电池劣化隐患在线查找、主动预警功能的基础；对于产生劣化的蓄电池，通过对蓄电池在线养护技术的深入研究和反复试验，最终确定主动均衡充电和脉冲除硫方式对蓄电池进行在线式养护的方法。通过网络化技术和自动控制技术的应用，建立了蓄电池的网络化容量测试方法。在上述理论研究的基础上，研制完整的蓄电池在线监测养护模块、蓄电池远程充放电控制等项目硬件产品，形成了一套能够及时准确分析查找劣化单体电池、根据电池劣化原因有针对性的消除电池劣化、具备电池容量测试功能的蓄电池综合维护系统，是解决目前电池劣化速度过快问题、提高在网蓄电池的维护管理水平的最佳方法。

当蓄电池的充电的电流大于其电流的可接受范围时，在铅酸蓄电池复杂的电化学反应中会造成大量的气体，主要是氢气和氧气，这便是由于蓄电池严重的极化现象从而引起的。如果铅酸蓄电池的端电压为U，如3-7所示：

U＝U0+ΔU (3-7)

式中U0为电池两端平衡电动势，ΔU则表示蓄电池的极化电压，它的方向是在充电时与U0方向相同，放电时其与U0方向相反。

系统根据蓄电池的运行特征结合公式3-7中，再结合在线运行数据及历史运行数据，研究蓄电池运行的故障诊断方法，及故障预测方法。针对当前蓄电池故障归类分析，研究典型故障模式，及基于数据分析的故障模式快速识别算法，根据故障信息制定科学的维护指导建议。

高频开关电源通讯单元，应满足稳压精度优于0.5％、稳流精度优于1％、输出电压纹波系数不大于1％的技术要求。定期测试需将充电模块逐个停机测试，难以保证平时充电模块的输出参数，无法实现在线监测。现在电网的直流电源都按照电网规程进行设计，充电模块额定电流配置考虑了蓄电池均充情况，配置容量远远大于蓄电池浮充情况正常负荷，充电模块完全损坏而造成故障，对直流电源系统影响不大，而因元器件老化造成参数畸变对系统影响较大。而对充电模块电阻、电容等元器件老化自检，实现电路要求精密测量，软硬件实现不易。本项目研究的技术路线是根据快速识别计算方法对每台充电模块输出参数进行自检，是对充电模块电阻、电容等元器件老化间接自检，如下列所示:

(1)稳流精度

充电装置在充电(稳流)状态下，交流输入电压在323～456V范围内变化，输出电压在充电电压调节范围内变化，输出电流在其额定值20％～100％范围内任一数值上保持

稳定时其输出电流稳定程度，按以下公式计算：

δI＝[(IM－Iz)/Iz]×100％ (3-1)

式(3-1)中：δI－稳流精度；IM－输出电流波动极限值；Iz－输出电流整定值。

(2)稳压精度

充电装置在浮充电(稳压)状态下，交流输入电压在323～456V范围内变化，输出电流在其额定值的0％～100％范围内变化，输出电压在其浮充电电压调节范围内任一数值上保持稳定时其输出电压稳定程度，按以下公式计算：

δU＝[(UM－Uz)/Uz]×100％ (3-2)

式(3-2)中：δu－稳压精度；UM－输出电压波动极限值；Uz－输出电压整定值。

(3)纹波系数

充电装置在浮充电(稳压)状态下，交流输入电压在323～456V范围内变化，输出电流在其额定值的0％～100％范围内变化，输出电压在其浮充电电压调节范围内任一数值上，测得电阻性负载两端脉动量峰值与谷值之差的一半，与直流输出电压平均值之比，按以下公式计算：

δ＝[(Uf－Ug)/2Up]×100％ (3-3)

式(3-3)中：δ－纹波系数；Uf－直流电压中脉动峰值；Ug－直流电压中脉动谷值；Up－直流电压平均值。

实现方法分析

(1)稳流精度、稳压精度自检

由公式(3-1)、公式(3-2)可知，稳流精度和稳压精度自检的实现方法：

a.装置中增设稳流精度、稳压精度报警门槛定值：δI报警、δU报警；

b.实时采集直流输出电压、电流；

c.软件计算出直流电压中输出电流波动极限值IM、输出电压波动极限值UM；

d.软件计算出稳流精度、稳压精度δI、δu；

e.判断是否δI≥δI报警，δu≥δu报警。

(2)纹波系数自检

由公式(3-3)可知，纹波系数自检的实现方法：

a.装置中增设纹波系数报警门槛定值：δ报警；

b.实时采集直流电压；

c.软件计算出直流电压中脉动峰值、脉动谷值、平均值；

d.软件计算出纹波系数δ；

e.判断是否δ≥δ报警。

本实用新型提供了一种用于直流电源系统的维护装置，包括高频开关系统、中央处理单元2、供电单元1、远程通讯单元3和蓄电池组养护放电系统，其中：所述高频开关系统与所述中央处理单元2连接，通过蓄电池组养护放电系统能够切断高频开关电源的电源输入方式，模拟站内真实停电场景，通过站内的实际负载对蓄电池进行供电能力测试，解决了传统蓄电池核容测试费时费力的问题；所述供电单元1与所述中央处理单元2连接；所述远程通讯单元3与所述中央处理单元2连接；所述蓄电池组养护放电系统与所述中央处理单元2连接，蓄电池组养护放电系统将蓄电池的实时运行数据采集后传输给中央处理单元2，通过中央处理单元2对蓄电池的实时数据进行计算得出蓄电池真实状态，已劣化的蓄电池通过中央处理单元2下发命令，蓄电池组养护放电系统以电流的的形式(脉冲)对蓄电池进行养护修复。本实用新型将高频开关电源与蓄电池进行集中性管控，从高频开关电源与蓄电池之间的变化趋势，判断整个直流电源系统的真实状态，对直流电源系统进行实时监控，全方面掌控直流电源系统变换趋势，并能准别识别蓄电池组中落后的单体蓄电池。

以上仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于直流电源系统的维护装置，其特征在于，所述用于直流电源系统的维护装置包括高频开关系统、中央处理单元、供电单元、远程通讯单元和蓄电池组养护放电系统，其中：

所述高频开关系统与所述中央处理单元连接；

所述供电单元与所述中央处理单元连接；

所述远程通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述蓄电池组养护放电系统与所述中央处理单元连接。

2.如权利要求1所述的用于直流电源系统的维护装置，其特征在于，所述高频开关系统包括高频开关电源通讯单元和高频开关电源，所述高频开关电源通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述高频开关电源通讯单元与所述高频开关电源连接。

3.如权利要求1所述的用于直流电源系统的维护装置，其特征在于，所述蓄电池组养护放电系统包括蓄电池组养护模块、蓄电池组放电模块和蓄电池组，所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述中央处理单元连接；

所述蓄电池组养护模块和所述蓄电池组放电模块均与所述蓄电池组连接。

4.如权利要求3所述的用于直流电源系统的维护装置，其特征在于，所述蓄电池组养护模块包括数模转换单元、数据采集单元和养护输出单元，所述数模转换单元与所述中央处理单元连接；

所述数据采集单元与所述数模转换单元连接；

所述养护输出单元与所述数据采集单元连接；

所述养护输出单元与所述蓄电池组连接。

5.如权利要求3所述的用于直流电源系统的维护装置，其特征在于，所述蓄电池组放电模块包括本地通讯单元和放电控制单元，所述本地通讯单元与所述中央处理单元连接；

所述放电控制单元与所述本地通讯单元连接；

所述放电控制单元与所述蓄电池组连接。

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