配电自动化终端智能电源装置及电池评估方法与流程

本发明涉及一种配电自动化终端智能电源装置及电池评估方法，属于配电网电源领域。

背景技术：

配电自动化终端设备(dtu、ftu、远传型故障指示器等)在配电网建设当中有着广泛的使用，是配电网自动化实现全面监测和控制的主要技术手段。目前，配电自动化终端供电方式主要有三种：1)操作电源和工作电源均取自外部交流电；2)操作电源和工作电源均取自蓄电池；3)操作电源取自外部交流电，工作电源取自蓄电池。由于配电自动化终端要求在220v交流电断开后仍能工作一段时间，可对断电后配电自动化终端的相关数据进行采集。在外接蓄电池作为断电后供电电源情况下，由于蓄电池容量有限、不能长时间地为配电自动化终端供电，目前普遍采用方式3作为配电自动化终端的主要供电方式。配电自动化终端的电源系统是由220v交流电、配电自动化智能电源模块和蓄电池组成，因而对于配电自动化终端电源系统的监测和管理是十分重要的。

配电自动化终端电源系统的监测和管理可分为两部分：1)蓄电池的监测和管理；2)电源的输入和输出管理。蓄电池的监测和管理，根据此领域已经得到授权公开的专利可知，现有的发明一般是由控制单元、电池内阻与温度监测单元、电池输入与输出管理单元、电池活化单元和通信单元等部分组成，可在线实现蓄电池内阻、温度、充放电的监测和管理以及完成电池的活化。对于电源的输入和输出管理，现有技术一般由输入emc单元、高压整流滤波单元、pwm控制单元、功率变化单元、输出整流滤波单元、输出检测保护单元等部分组成，可实现电源稳定的输入与输出。

上述配电自动化终端电源系统的缺点是：电池管理功能较为单一，电池核容放电时需退出供电，并将电量完全耗尽，不利于配电自动化终端正常工作；大多数电池管理不具备记录事件功能，包括内阻测试、蓄电池活化以及停电等事件没有被记录下来。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺点与不足之处，提供了一种配电自动化终端智能电源装置，该装置通过电池管理模块和监测控制模块配合，可以实现强大的电池管理功能，有利于配电自动化终端正常工作，并且通过监测控制模块和显示模块配合，能够实现事件的记录和翻查功能。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的电池评估方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种配电自动化终端智能电源装置，包括交流输入模块、通信模块、显示模块、告警模块、监测控制模块、电池管理模块和电源输出模块，所述监测控制模块分别与交流输入模块、通信模块、显示模块、告警模块、电池管理模块、电源输出模块连接，所述电源输出模块分别与交流输入模块、电池管理模块连接；

所述交流输入模块、通信模块、告警模块、电池管理模块和电源输出模块均外接有接线端口。

进一步的，所述电池管理模块包括电池充电管理单元、电池放电管理单元、电池活化管理单元、电池输入输出检测保护单元和电池内阻温度监测单元，所述电池充电管理单元、电池放电管理单元、电池活化管理单元、电池输入输出检测保护单元和电池内阻温度监测单元分别与监测控制模块连接，所述电池充电管理单元和电池放电管理单元还分别与电池输入输出检测保护单元连接，所述电池输入输出检测保护单元还与电源输出模块连接；

所述电池放电管理单元外接的接线端口包括bg端口，电池活化管理单元外接的接线端口包括hg端口、hk端口和rl端口，所述电池输入输出检测保护单元外接的接线端口包括b1+端口、b2+端口、b1-端口和b2-端口，所述电池内阻温度监测单元外接的接线端口包括t1端口和t2端口，其中bg端口用于遥控电池退出，hg端口用于遥控活化启动，hk端口用于遥控活化退出，rl端口用于接入活化放电负载，b1+端口、b2+端口、b1-端口和b2-端口用于接入电池，t1端口和t2端口用于接入温度传感器。

进一步的，所述交流输入模块包括输入emc单元和高压滤波整流单元，所述输入emc单元与高压滤波整流单元连接，所述高压滤波整流单元分别与监测控制模块、电源输出模块连接；

所述输入emc单元外接的接线端口包括acl端口、acn端口和pe端口，其中acl端口和acn端口用于接入交流电，pe端口用于接地。

进一步的，所述电源输出模块包括pwm控制单元、功率变换单元、输出整流滤波单元和输出检测保护单元，所述pwm控制单元、功率变换单元、输出整流滤波单元和输出检测保护单元依次连接，所述pwm控制单元还与监测控制模块连接，所述输出检测保护单元分别与监测控制模块、电池管理模块连接；

所述输出检测保护单元外接的接线端口包括vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口和vo2+端口，其中vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口和vo2+端口用于接入负载。

进一步的，所述通信模块外接的接线端口包括tx端口、rx端口和g端口，所述tx端口、rx端口和g端口为rs232/rs485串口通信接口。

进一步的，所述告警模块外接的接线端口包括pok端口、hok端口、vl端口、vh端口和vc端口，其中pok端口用于交流输入失电的告警输出，hok端口用于电池活化状态的告警输出，vl端口用于电池欠压的告警输出，vh端口用于电源故障的告警输出，vc端口用于告警输入。

进一步的，所述显示模块包括显示单元和按键单元。

进一步的，所述监测控制模块包括辅助电源单元和监测控制单元，所述辅助电源单元分别与交流输入模块、电源输出模块、监测控制单元连接，所述监测控制单元分别与通信模块、显示模块、告警模块、电池管理模块、电源输出模块连接。

进一步的，还包括前面板和后面板，所述交流输入模块、通信模块、告警模块、电池管理模块和电源输出模块外接的接线端口中，一部分接线端口设置在前面板，另一部分接线端口欧设置在后面板。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于上述装置的电池评估方法，所述方法包括电池初始化评估和电池在线评估；

所述电池初始化评估包括：

当电池接入配电自动化终端后，对电池进行初始化；

判断电池电压是否大于52v；

若电池电压小于或等于52v，则判断初始化失败，结束初始化评估，电池继续充电至52v以上；

若电池电压大于52v，则将电池放电至电压为52v，继续执行放电操作，将电池放电至电压为51v，将放电过程中电流和电压的乘积进行积分得到放电量，并保存为基准值，结束初始化评估；

所述电池在线评估包括：

判断电池电压是否大于52v；

若电池电压小于或等于52v，则电池继续充电；

当充电结束后，继续判断电池电压是否大于52v，若电池电压小于或等于52v，则直接判定电池状况为差；

若电池电压大于52v，则将电池放电至电压为52v，继续执行放电操作将电池放电至电压为51v，将放电过程中电流和电压的乘积进行积分得到放电量；

计算放电量与基准值的比值，若比值大于80％，则判定电池状况为优；若比值小于80％，且大于60％，则判定电池状况为良；若比值小于60％，且大于50％，则判定电池状况为中；若比值小于50％，则判定电池状况为差。

本发明相对于现有技术外接如下的有益效果：

1、本发明通过电池管理模块和监测控制模块配合，可实现取样核容，在线评估电池状况，为保证意外停电时配电自动化终端仍然能处于工作状态，外接电池应处于有电状态，可采取部分放电的方式对电池状态进行一次性评估，选取初始化电池由52v放电至51v的放电量为基准，定期取样放电量，通过与第一次放电量对比，评估电池状况，在显示模块上显示评估结果。

2、本发明的电池管理模块具有电池充电管理单元、电池放电管理单元、电池活化管理单元、电池输入输出检测保护单元和电池内阻温度监测单元，可实现电池智能投切管理，保证电池正常切出或接入系统，电池管理模块的电路中可以包含光耦、二极管以及稳压管等主要元器件，软件功能和硬件电路相结合，可实现电压欠压管理、电池反接保护和过流保护功能，实现电池智能投切管理。

3、本发明具有事件的记录和翻查功能，监测控制模块可根据内部程序指令对电池管理模块的内阻测试、电池活化以及停电等相关数据进行存储，完成事件记录并通过显示模块翻查。

4、本发明的监测控制模块通过电源输出模块可以获取交流电源和电池信息，通过逻辑判断后能够得到交流输入失电、活化完成、电池内阻异常、电池欠压等状态信息，利用告警模块可以实现这些状态信息的告警输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的配电自动化终端智能电源装置的结构框图。

图2为本发明实施例的告警模块的电路图。

图3为本发明实施例的电池管理模块的其中一部分电路图。

图4为本发明实施例的电池管理模块的另一部分电路图。

图5为本发明实施例的前面板接线端口的示意图。

图6为本发明实施例的电池初始化评估流程图。

图7为本发明实施例的电池在线评估流程图。

其中，1-交流输入模块，101-输入emc单元，102-高压滤波整流单元，2-通信模块，3-显示模块，301-显示单元，302-按键单元，4-告警模块，5-监测控制模块，501-辅助电源单元，6-电池管理模块，601-电池充电管理单元，602-电池放电管理单元，603-电池活化管理单元，604-电池输入输出检测保护单元，605-电池内阻温度监测单元，7-电源输出模块，701-pwm控制单元，702-功率变换单元，703-输出整流滤波单元，704-输出检测保护单元，8-前面板，9-后面板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种配电自动化终端智能电源装置，该装置包括交流输入模块1、通信模块2、显示模块3、告警模块4、监测控制模块5、电池管理模块6和电源输出模块7，监测控制模块5分别与交流输入模块1、通信模块2、显示模块3、告警模块4、电池管理模块6、电源输出模块7连接，电源输出模块7分别与交流输入模块1、电池管理模块6连接，交流输入模块1、通信模块2、告警模块3、电池管理模块6和电源输出模块7均外接有接线端口。

所述交流输入模块1包括输入emc(electromagneticcompatibilit，电磁兼容性)单元101和高压滤波整流单元102；显示模块3包括显示单元301和按键单元302；监测控制模块5包括辅助电源单元501和监测控制单元502，监测控制单元502采用单片机实现；电池管理模块6管理的电池为蓄电池，其包括电池充电管理单元601、电池放电管理单元602、电池活化管理单元603、电池输入输出检测保护单元604和电池内阻温度监测单元605；电源输出模块7包括pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)控制单元701、功率变换单元702、输出整流滤波单元703和输出检测保护单元704。

所述交流输入模块1中，输入emc单元101与高压滤波整流单元102连接，主要作用是负责输入端的雷击浪涌防护，保护交流输入模块1免受外部干扰导致的损坏，输入emc单元101外接的接线端口包括acl端口、acn端口和pe端口，其中acl端口和acn端口用于接入220v交流电，pe端口用于接地；高压滤波整流单元102分别与输入emc单元101、辅助电源单元501、pwm控制单元701连接，主要作用是将输入的交流电压通过整流桥转换为正电压，经滤波后得到平滑稳定的直流电压。

所述通信模块2外接的接线端口包括tx端口、rx端口和g端口，所述tx端口、rx端口和g端口为rs232/rs485串口通信接口，即支持rs232/rs485串口通信；通信模块2与监测控制单元502连接，主要作用是接收遥控指令，对智能电源装置本身的输入、输出、蓄电池状态、充放电是否正常、电池充放电温度等关键参数进行测量，并上传至配电自动化终端，实现自诊断功能。

所述显示模块3中，显示单元301采用oled显示单元，其与监测控制单元502连接，主要作用是通过操作按键单元302控制智能电源装置，在显示单元301查看智能电源装置的输入、输出、蓄电池状态、充放电情况、温度等关键性能指标；按键单元302采用oled按键单元，其与监测控制单元502连接，具有“确定键”、“退出键”、“向上键”和“向下键”。在主页面长按“确定键”进入参数页面，在参数页面长按“确定键”进入设置页面，在设置页面长按“确定键”进入主页面；在参数页面和设置页面按“退出键”均退出到主页面；在参数页面，按“向上键”或“向下键”键进行页面切换。

所述告警模块4为告警输出单元，外接的接线端口包括pok端口、hok端口、vl端口、vh端口和vc端口，其中pok端口用于交流输入失电的告警输出，hok端口用于电池活化状态的告警输出，vl端口用于电池欠压的告警输出，vh端口用于电源故障的告警输出，vc端口用于告警输入；告警模块4与监测控制单元502连接，主要作用是监测控制单元502通过输出检测保护单元704获取220v交流电源和电池信息，通过逻辑判断后得到交流输入失电、活化完成、电池内阻异常、电池欠压等状态信息，决定vc端口与对应的pok端口、hok端口、vh端口和vl端口是否导通。

告警模块4的电路如图2所示，主要元器件包括n沟道mos管q27、q30和q34，型号为2n7002k；光耦oc5、oc6和oc7，型号为el3h7(b)(ta)-g；npn三极管q26、q29和q32，型号为bcx56-16，图中未包含交流输入失电的情况，主要工作原理为：当单片机监测到输出欠压时，单片机引脚mcu_bat_low输出高电平，mos管q27导通，光耦oc5工作，从而使vc端口与vlf端口(上述的vl端口)导通，得到vlf端口有vc电压输出，输出欠压告警；当单片机监测到电源过压、过热故障告警时，单片机引脚mcu_ovp_alm输出高电平，mos管q30导通，光耦oc6工作，从而使vc端口与ovpf端口(上述vh端口)导通，得到ovpf端口有vc电压输出，输出电源过压、过热故障告警；当单片机监测到电池正在活化时，单片机引脚mcu_bathh_state输出高电平，mos管q34导通，光耦oc7工作，从而使vc端口与hokf端口(上述的hok端口)导通，得到hokf端口有vc电压输出，获取电池正在活化的状态。

所述监测控制模块5中，辅助电源单元501分别与高压滤波整流单元502、pwm控制单元701、监测控制单元502连接，主要作用是作为一个隔离反激电源，输入为高压直流，输出隔离的两路低压直流，一路用于pwm控制单元701供电，一路用于监测控制单元502供电；监测控制单元502分别与通信模块2、告警模块4、显示单元301、按键单元302、电池充电管理单元601、电池放电管理单元602、电池活化管理单元603、电池输入输出检测保护单元604、电池内阻温度监测单元605、输出整流滤波单元703、输出检测保护单元704连接，主要作用为：获取和处理电源装置的相关信息，发出相应指令，记录电池浮充、活化过程中电池放电电量、充电过程中电池充电电量等事件。

所述电池管理模块6中，电池充电管理单元601分别与监测控制单元502、电池输入输出检测保护单元604连接，主要作用是当220v交流电供电时，根据监测控制单元502的命令对蓄电池充电过程进行管理；电池放电管理单元602外接的接线端口包括bg端口，bg端口用于遥控电池退出，电池放电管理单元602分别与监测控制单元502、电池输入输出检测保护单元604连接，主要作用是当220v交流电断开后，对蓄电池的放电过程进行管理；电池活化管理单元603外接的接线端口包括hg端口、hk端口和rl端口，其中hg端口用于遥控活化启动，hk端口用于遥控活化退出，rl端口用于接入活化放电负载，电池活化管理单元603与监测控制单元502连接，hg端口、hk端口和bg端口分别与vg端口短接时，主要作用是遥控活化启动、退出与电池投切；电池输入输出检测保护单元604外接的接线端口包括b1+端口、b2+端口、b1-端口和b2-端口，其中b1+端口、b2+端口、b1-端口和b2-端口用于接入24/48v蓄电池，电池输入输出检测保护单元604分别与监测控制单元502、电池充电管理单元601、电池放电管理单元602连接，主要作用是获取电池充电和放电过程信息，传输至监测控制单元502，实现对电池充、放电过程的管理与保护；电池内阻温度监测单元605外接的接线端口包括t1端口和t2端口，其中t1端口和t2端口用于接入温度传感器，电池内阻温度监测单元605与监测控制单元502连接，主要作用是温度传感器获取电池温度信息后，反馈至监测控制单元502，实现对电池充放电管理、活化管理、输出短路保护，提高蓄电池的安全性。

所述电池管理模块6的电路如图3和图4所示，图中主要是电池充电管理单元601和电池输入输出检测保护单元604的原理；图3的主要元器件包括光耦oc1、oc2，型号为el3h7(b)(ta)-g；二极管d2、d3、d5、d7、d14、d21，型号为d49bas316；稳压二极管zd4、zd6，型号为mmsz4684；n沟道mos管q1、q23、q43，型号为2n7002k；pnp三极管q3，型号为fmmt591，额定功率500mw，集电极电流1a，集射极击穿电压vce60v；当无ac输入时，进行电池切换，vo+/b+接电池正极，如果电池电压过低或者输入短路，即vo+/b+端电压过低，无法使得光耦oc1与光耦oc2的引脚3、引脚4导通，引脚mcu_bat_det为高电平，vo+/b+无法进入回路，即电池无法接入；图4的主要元器件包括：光耦oc4，型号为el3h7(b)(ta)-g；二极管d23和d24，型号为fr103w。当有ac输入时，b-、b+2接入电池，如果电池正负极接反，则oc4光耦的引脚4、引脚3导通，引脚comp接地，正激ic芯片的引脚4(comp)接地，该ic芯片关断，电池无法输出电流，电池管理模块6无法为电池充电。

所述电源输出模块7中，pwm控制单元701分别与辅助电源单元501、功率变换单元702连接，主要作用是采用隔离dc-dc功率转换部分的控制单元，形成一个闭环控制回路，通过采样输出电压去调节pwm占空比大小，保持输出电压恒定；功率变换单元702分别与pwm控制单元701、输出整流滤波单元703连接，主要作用是采用双管正激隔离dc-dc拓扑结构，通过pwm控制单元701驱动功率管将高压直流转换为交流，经变压器变换为隔离的低压交流输出；输出整流滤波单元703分别与功率变换单元702、输出检测保护单元704连接，主要作用是功率变换单元输出的低压交流电压经整流滤波后得到平滑的低压直流电压；输出检测保护单元704外接的接线端口包括vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口和vo2+端口，其中vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口和vo2+端口用于接入负载，输出检测保护单元704分别与监测控制单元502、电池输入输出检测保护单元604、输出整流滤波单元703连接，主要作用是输出过压欠压检测保护、输出短路过流保护、电池反接保护。

如图5所示，本实施例的配电自动化终端智能电源装置还包括前面板8和后面板9，前面板8共有22个接线端口，接线端口1至22分别为acl端口、pe端口、acn端口、nc端口、vc端口、pok端口、hok端口、vl端口、vh端口、hk端口、hg端口、bg端口、rl端口、vg端口、vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口、vo2+端口、b1+端口、b2+端口、b1-端口、b2-端口，各个端口的功能如下表1所示，其中：acl端口、acn端口用于接入220v交流电，acl端口接l相，acn端口接n相；pe端口用于接地；nc端口表示无电气连接；vc端口用于告警输入(正极)；pok端口、hok端口、vl端口、vh端口分别用于交流输入失电、输出电池活化状态、电池欠压和电源故障的告警输出(负极)；hk端口、hg端口分别用于遥控活化启动、退出；端口bg用于遥控电池退出；rl端口用于接入活化放电负载(正极)；端口vg为遥控公共节点；vo1-端口、vo2-端口、vo1+端口、vo2+端口用于接入负载，vo1-端口和vo2-端口接负极，vo1+端口和vo2+端口接正极；b1+端口、b2+端口、b1-端口、b2-端口用于接入蓄电池，b1+端口和b2+端口接正极，b1-端口和b2-端口接负极。

表1前面板的接线端口功能表

后面板9共有8个接线端口，接线端口b1至b8分别为nc端口、nc端口、t1端口、t2端口、nc端口、tx端口、rx端口、g端口，各个端口的功能如下表2所示，其中：nc端口表示无电气连接；t1端口、t2端口用于外接特定的温度传感器，t1端口接温度传感器b端，t2端口接温度传感器a端；tx端口、rx端口、g端口为rs232/rs485串口通信接口，tx端口接发送数据线，rx端口接接收数据线，g端口接地线。

表2后面板的接线端口功能表

上述前面板8和后面板9中有五个接线端口，不是交流输入模块1、通信模块2、告警模块3、电池管理模块6和电源输出模块7外接的端口，分别为前面板8的一个nc端口和一个vg端口，以及后面板9的三个nc端口。

本实施例还提供了一种电池评估方法，所述方法基于上述配电自动化终端智能电源装置实现，其包括电池初始化评估和电池在线评估，电池初始化评估是在蓄电池接入配电自动化终端后，并在初始化成功后，确定基准值q0(q0表示电池评估初始化时放电量)。

如图6所示，所述电池初始化评估包括以下步骤：

s601、当蓄电池接入配电自动化终端后，对电池进行初始化。

s602、判断电池电压是否大于52v，若否，则进入步骤s603，若是，则进入步骤s604。

s603、判断初始化失败，结束初始化评估，电池继续充电至52v以上。

s604、将电池放电至电压为52v，继续执行放电操作，将电池放电至电压为51v，将放电过程中电流和电压的乘积进行积分得到放电量，并保存为基准值q0，结束初始化评估。

如图7所示，所述电池在线评估包括以下步骤：

s701、判断电池电压是否大于52v，若否，则电池继续充电，充电结束后，进入步骤s702；若是，则进入步骤s703。

s702、继续判断电池电压是否大于52v，若否，则直接判定电池状况为差，若是，则进入步骤s703。

s703、将电池放电至电压为52v，继续执行放电操作将电池放电至电压为51v，将放电过程中电流和电压的乘积进行积分得到放电量qn(qn表示第n次对电池评估时电池放电量)。

s704、计算放电量qn与基准值q0的比值，若比值大于80％，则判定电池状况为优；若比值小于80％，且大于60％，则判定电池状况为良；若比值小于60％，且大于50％，则判定电池状况为中；若比值小于50％，则判定电池状况为差。

综上所述，本发明通过电池管理模块和监测控制模块配合，可实现取样核容，在线评估电池状况，为保证意外停电时配电自动化终端仍然能处于工作状态，外接电池应处于有电状态，可采取部分放电的方式对电池状态进行一次性评估，选取初始化电池由52v放电至51v的放电量为基准，定期取样放电量，通过与第一次放电量对比，评估电池状况，在显示模块上显示评估结果。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。