防蓄电池组硫化的智能化不间断电源系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及防蓄电池组硫化的智能化不间断电源系统。包括电池巡检模块、数据传输模块、精确对时模块和网络接口模块；所述电池巡检模块：包括A/D转换器，检测电池组电流方向的电流检测装置，检测各电池端电压的电压检测装置，以及检测电池组充电、放电时间的时间检测装置；数据传输模块：包括和协议适配的串行接口，以及接收控制信号的接收装置；精确对时模块：包括时间服务器，时间服务器设置适配的B码时间接口，通过接口发出的数据继而和系统的日历时间芯片对时；网络接口模块：包括TCP/IP模块和网卡驱动模块；人机界面模块：包括LCD显示模块和键盘操作处理模块。本发明提供了一种建立一个既稳定可靠又便于维护升级的直流电源精细化管理系统。
【专利说明】防蓄电池组硫化的智能化不间断电源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统用的电源系统，具体的说涉及一种防蓄电池组硫化的智能化不间断电源系统。
【背景技术】
[0002]为保证智能电网高效、安全工作，满足电网、通信网高可靠性及智能化等要求，所有变电站均配备直流不间断电源系统，该系统主要由整流模块、蓄电池组、监控模块组成。直流不间断电源系统是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源——蓄电池继续提供直流电源。
[0003]在交流电网供电正常时，电池组始终处于浮充充电状态，用电设备全部由主供电源或电网供电，即电池组处于完全后备状态。当交流电网由于各种原因停电时，主供开关电源停止供电，电池组自动向用电设备供电，从而构成不停电电源系统。一旦交流失电、后备电池损坏(容量不足)将造成电网事故。经过十多年的运行考验，用于直流电源的蓄电池经历了从普通铅酸蓄电池、发展到干荷电电池、发展到免维护电池、发展到免维护铅酸阀控密闭蓄电池。目前用于直流不间断电源电源的蓄电池90%是免维护铅酸阀控密闭蓄电池。
[0004]近年来电力、通信等部门所发生的若干重大事故调查发现:由整流模块损坏直接造成的故障很少，而大部份故障是在交流电网停电时，蓄电池组不能正常投入运行所造成。为了避免因电池故障造成的停电事故，依据《DL/T724-2000电力系统用直流电源装置运行与维护技术规程》的规定以及国家电网
[2004] 641号文件规定中《加强蓄电池组的运行管理和维护》的规定:各地采用了多种方法对电池组进行监控、检测以及寿命估算，其中最有效的方法就是电池组容量核对性试验。但该方法实施比较麻烦和浪费:电池组放电需要脱离电源系统，造成电网不可靠；需要一台专用的放电仪，以保证恒流放电和电池电压的检测；中、大型的操作电源或UPS系统的电池组有多达一百节以上的电池，放电接线工作量十分繁重，因此不可能经常进行；蓄电池放电浪费大量电能。
[0005]目前，智能电网及通信网中直流不间断电源系统常见的问题主要有:
I)蓄电池及充电设备的常见问题:a、电池内部短路开路电压明显偏低，放电容量减少，其容量不能恢复，在浮充使用时其浮充电压明显偏低，此时必须及时更换电池。b、电池内部有虚焊。C、电池内部断路。d、电池硫酸盐化。e、电池外壳气胀。
[0006]2)系统通信可靠性问题:a、无线通信模块工作于高频，及容易干扰其他电路，也容易受其他电路的影响山、电源管理控制策略。蓄电池的管理是完全受控于电源管理器，电池与输入电源是备用关系。充分参考电池参数与特性定制以下充电控制原则:优化充电过程，缩短充电时间；控制充电电流，无损伤充电；减少充电循环，延长电池寿命。
[0007]3)系统可维护性问题:电源管理系统必须是一个“可持续发展”的系统，要能对系统进行维护、扩充和升级。电源管理是一个完整的系统，它不仅包含对畜电池的电量检测和充放电管理和设备提供标准电压等级和定制电压等级的电源输出；还有人机交互的功能:实时检测电源输入、蓄电池电压、充放电流等参数，自动完成电源管理过程，并将电源信息通过LCD显示以便用户及时了解设备状态。
【发明内容】
[0008]本发明针对上述缺陷，目的在于提供一种建立一个既稳定可靠又便于维护升级的直流电源精细化管理系统。
[0009]为此本发明采用的技术方案是:包括电池巡检模块、数据传输模块、精确对时模块和网络接口模块；
所述电池巡检模块:包括A/D转换器，检测电池组电流方向的电流检测装置，检测各电池端电压的电压检测装置，以及检测电池组充电、放电时间的时间检测装置；
数据传输模块:包括和电力系统相关协议适配的串行接口或者网络接口，以及接收控制信号的接收装置；
精确对时模块:包括对现场时间服务器标准时间信息进行接收和解码的时间服务器，时间服务器设置适配的B码时间接口或网络时间接口，通过接口发出的数据继而系统的日历时间芯片对时；
网络接口模块:包括TCP/IP模块和网卡驱动模块，其中TCP/IP模块包括ICMP模块、UDP模块、IP协议模块、ARP协力模块和NTP协议模块；
人机界面模块:包括LCD显示模块和键盘操作处理模块。
[0010]本发明的优点是:本发明采用在线实时传感测量技术，通过对电池组主、备供阶段的实时电压巡检，控制并调节整流模块的输出电压，决定整流模块的工作方式(在线充电或放电)，实现对电池组容量和性能的预警，对电池组进行定期活化，阻止其硫化过程，大大提高不间断直流电源系统的可靠性并降低维护成本。所研制智能化不间断直流电源系统:采用在线充放电方式，替代原有通过专用放电仪定期放电方式；充电机、蓄电池组的交替备用，实现了电池活化功能，阻止铅酸蓄电池硫化过程，有效延长电池组寿命；通过自身负载对蓄电池放电，节省了数量可观的放电电能；通过合理地选择开关电源在后备阶段的电压，可保证即使电池组已损坏，不能进入电池主供状态状态，系统供电仍能正常运行，并迅速回到开关电源主供状态和发出电池报警。满足智能电网电源的要求。
[0011]本发明建立一种新的电池组备用模型:由电池组完全后备式变为主动后备式，或称:电池组、主供电源交替后备式，如图一所示。基本思路如下:(1)在未发生交流电网停电和主供电源故障的情况下，每30天左右，让主供电源退出主供地位一次。
[0012](2)此时电池组成为主供，向在线的用电设备供电(放电)。因为用电设备的负荷基本是固定的，因此放电电流近似可看成恒流。
[0013](3)通过测量放电电流和放电时间，计算出放电容量(安时数)。当放电容量达到电池组标称容量三分之一时，让开关电源恢复主供地位，电池组转为充电状态。
[0014](4)电池组主供期间，由于充电电压已“撤消”。用电池巡检仪检测电池组总电压和每节电池的端电压，就可分辩出落后电池、容量不足电池、故障电池，从而采取必要的预防措施。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的模块图。
【具体实施方式】
[0016]I)电池巡检模块:
不断启动A/D转换器把反映电池组电流大小的模拟电压信号转换成数字量并分析计算成电流值，如果电流是正方向(电池组处于充电状态)并且在放电时间间隔定时到达的时候，自动调低电池组充电机的输出电压到适当的值，使电池组在线对直流负载放电(电池组作为直流供电系统的主供电源，充电机作为备用电源)；放电时软件不断检测放电电流(负方向)和电池的端电压，由放电电流乘以放电时间形成放电容量，此放电容量不断的和设定的放电容量比较；如果放电完成(实际放电容量和设定放电容量相等)则恢复充电机的输出电压使充电机为主供电源，电池组转为备用电源并进行充电；如果在放电过程中发现有电池的端电压出现异常及容量出现问题，则立即恢复充电机为主供电源，电池组转为备用电源并进行充电。
[0017](2)数据传输模块:
电池组处于充电状态时，数据传输模块定时把电池巡检模块测得的电池组电流值数据组织一个符合电力系统相关协议(例如104协议、⑶T协议、IEC61850协议等)的数据包通过串行接口(RS232或者RS485)或者网络接口向外传送，远方显示终端显示电池组的充电电流值；当电池组处于放电状态时，数据传输模块定时把巡检模块测得的放电电流、所有电池的端电压和电池序号打包向外传送，远方显示终端实时显示电池组充电电流和每节电池的端电压；在放电过程中，当巡检模块判断有电池故障时，数据传输模块立即组织一个含有故障状态、故障电池序号和故障时间的数据包并发送出去。数据传输模块分串口和网络两部分软件，在实现发送数据的同时，还可以接收来自远方的控制命令并解码执行，实现电池组操作的远程控制。
[0018](3)精确对时模块:
模块软件接收现场时间服务器的标准时间信息，解码后实现系统的时间校准，使系统时间达到0.1秒的精度；由于时间服务器有多种输出接口，对时模块软件有B码时间解析和网络时间解析两部分，在时间服务器有B码接口时优先使用B解析软件。B码解析软件接收时间服务器输出的每秒一帧的含100个码元的B码脉冲，解码后形成标准时间数据对系统的日历时间芯片对时。在时间服务器没有B码脉冲输但是有网络时间输出接口的时候，网络时间解析软件定时组织并发送一包符合网络时间协议(NTP协议)的时间服务请求数据包向现场网络时间服务器发出时间服务请求，把收到的时间服务器的应答数据包解码形成标准时间数据对系统的日历时间芯片对时。
[0019](4)网络接口模块:
卡驱动程序和TCP/IP网络协议程序两部分组成。网卡驱动程序主要功能是对网卡芯片进行设置、发送网络数据包和接收网络数据包。初始化是设置网卡的工作方式、通信速度及网络物理地址，在初始化完成后，如果检测到有网络连接则等待发送和接收网络数据包。如果数据发送模块有数据要通过网络发送，那么数据发送模块把组织好的数据包交给TCP/IP协议模块，TCP/IP协议模块把数据进一步打包成符合网络传输规范的网络数据包后交给网卡驱动程序，网卡驱动程序把网络数据包加上网络控制信息后填入网卡缓冲区并控制网卡把数据发送到网络上；如果网卡驱动程序检测到网卡收到了完整的数据包，则驱动程序把数据从网卡缓冲区读出来，去掉物理控制信息交给TCP/IP协议程序进行数据解析。
[0020]TCP/IP协议程序分ICMP协议程序、UDP协议程序、IP协议程序、ARP协议程序和NTP协议程序几部分。
[0021]ICMP程序负责网络连接状态测试。如果本软件系统所在的设备连接在网络上，但是，工作人员不知道连接的质量如何，那么工作人员可以使用计算机发送一包目的IP地址是本系统的IP地址的PING请求数据包，当本系统收到发给自己的PING数据包的时候，就发出一个应答PING数据包，这样的话，工作人员根据PING请求数据包和PING应答数据包之间的时间延迟就可以判断计算机和本系统之间的网络连接质量如何。时间延迟越短，说明网络连接质量越好，反之，时间延迟越长，说明网络连接质量越差。
[0022]网卡驱动程序把收到的数据包交给IP协议程序，IP协议程序对数据包进行IP协议错误检测，如果没有错误则去掉IP协议控制块信息，然后把数据包交给UDP协议处理；UDP协议在对数据包进行必要的UDP协议错误检测后，去掉UDP协议控制块信息，然后把数据交给NTP协议软件或者交给数据传输模块做进一步的处理。如果数据传输模块有数据要通过网络发送，则把数据打包后交给UDP协议程序，UDP协议程序给数据包加上UDP控制块信息并完成校验计算后把数据包交给IP协议程序处理，IP协议程序给数据包加上IP控制块信息并完成校验计算后把数据包交给网卡驱动程序发送出去。
[0023]NTP (网络时间协议)协议程序负责时间请求数据包的发送和接收时间服务器的时间应答数据包的接收和解码任务，如果对时模块需要发送时间请求数据包，则把自己的当前时间交给NTP协议程序，NTP程序组织一包含有系统当前时间的时间请求数据包交给m)P程序处理；NTP程序在收到UDP程序提交的时间应答数据包时，按照NTP协议格式进行解码并做时间误差补偿计算，解码得到的是自1900年起到当前时间的所有秒数，按照闰年和平年的算法把秒数换算成某年、某月、某日、某时、某分、某秒，把这些时间信息交给对时模块实现系统时间校正。
[0024]ARP协议程序的作用是完成ARP表的初始化、网络物理地址和网络IP地址的相互映射。
[0025]在以太网中，一个主机要和另一个主机通信，必须要知道目标主机的MAC (物理)地址，要发送数据的主机就通过ARP协议获得目标主机的MAC地址，ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。系统在每次加电运行的时候，都执行一次ARP协议程序发送ARP请求数据包取得通信目标的MAC地址，完成ARP表的初始化，使所有目标通信设备的IP地址和MAC地址在本系统内都有一个对应关系，IP程序只要通过目标IP地址查询系统的ARP表就可以取得目标设备的MAC地址。
[0026](5)人机界面模块:
人机界面模块主要完成各种系统工作参数的设置和测试结果的显示，分LCD显示程序和键盘操作处理程序两部分。
【权利要求】
1.防蓄电池组硫化的智能化不间断电源系统，其特征在于，包括电池巡检模块、数据传输模块、精确对时模块和网络接口模块； 所述电池巡检模块:包括A/D转换器，检测电池组电流方向的电流检测装置，检测各电池端电压的电压检测装置，以及检测电池组充电、放电时间的时间检测装置； 数据传输模块:包括和电力系统相关协议适配的串行接口或者网络接口，以及接收控制信号的接收装置； 精确对时模块:包括对现场时间服务器标准时间信息进行接收和解码的时间服务器，时间服务器设置适配的B码时间接口或网络时间接口，通过接口发出的数据继而和系统的日历时间芯片对时； 网络接口模块:包括TCP/IP模块和网卡驱动模块，其中TCP/IP模块包括ICMP模块、UDP模块、IP协议模块、ARP协议模块和NTP协议模块； 人机界面模块:包括LCD显示模块和键盘操作处理模块。
【文档编号】H01M10/42GK104135042SQ201410268874
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】薛剑鸿, 张坚, 徐浩 申请人:扬州一为自动化设备有限公司