专利名称：蓄电池实时在线无损精确测量方法
技术领域：
本发明属电力行业变电站直流系统中对蓄电池内阻进行实时在线监测的技 术领域。
背景技术：
-铅酸蓄电池作为电力行业变电站电源系统停电时的备用电源，已广泛应用于 工业生产，以及电力、交通、通信等行业。蓄电池状态的重要标志之一就是它 的内阻。因此实现蓄电池内阻的在线实时监测，将有重要的实际意义。目前同 类技术的现状，国内水平采用通过外接负载模块的放电法测量内阻，没有实 现远程控制。其存在的缺陷是①，必须工作人员到达现场进行蓄电池的短时(2秒)放电， 才能完成内阻测量，因此没有实现内阻的实时在线监测。②.为了测量蓄电池内 阻，需要每次都对蓄电池放电， 一方面影响蓄电池的正常寿命；另一方面，当 进行放电时如果恰好遇到变电站交流失电则可能面临影响支流系统工作的危 险。③.采用放电法检测技术在监测中出现的端电压监测误差、放电过程电流波 动、放电前后电压捕捉困难(不稳定)等技术难点导致内阻监测精度不高。目前测量变电站蓄电池内阻的常见方法有①密度法一密度法主要通过测 量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测 量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。该方法的适用范围窄。②开路电压法 一开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚 至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，在浮充状态下其 端电压仍可能表现得很正常。③直流放电法--直流放电法就是通过对电池进行 瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。 虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是它也存在一些缺点。如用该 方法对蓄电池内阻进行检测必须是在静态或是脱机状态下进行，无法实现在线 测量。而且大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，从而影响蓄电池的容量及 寿命。④交流注入法一通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号J。，测量出蓄电池两端的电压响应信号，以及两者的相位差，由阻抗公式L一Vo/I及R— Zcos8来确定蓄电池的内阻R。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在 线检测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电 流信号Js、电压响应信号，以及电压和电流之间的相位差。由此可见，这种方 法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，测量精度问题成为了制约该种 方法应用的主要瓶颈。交流注入法的这种方法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，交流 信号的确定和获取，以及测量精度问题成为了阻碍该种方法应用的主要瓶颈。而且上述交流注入法存在以下不足(1) 所有元件都存在容差，由容差引起的输入输出信号的相位差会比较大， 而蓄电池在容量很大时，输入输出信号的相位差是很小的，因此容差所引起的 相位差有可能会将蓄电池内阻所引起的相位差覆盖。(2) 检测数据对检测对象变化的灵敏度依靠高速的AD采样来保证。因为当相 位差的变化量很小时，所对应的时间差AT的变化量也很小，必须要高速AD采样 才能获取这个很小的变化量；(3) 相位差的表达式中含有噪声部分，检测结果对随机噪声很敏感。双向过 零法可以减小由零漂造成的误差，但不能实现对噪声的处理。而将电流、电压 信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点处的电压差值和电压幅值来 计算相位差可以降低对过零点监测准确性的要求，但由于需要对信号进行预处
理，从而增加了硬件处理环节，带来了设计较复杂、累计误差较大等问题。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有电力行业变电站或其它铅酸蓄电池应 用领域里，在直流系统中对蓄电池检测的交流注入法技术存在的不足之处而提供一种实现对GFM蓄电池内阻的实时在线无损精确测量、可靠的实时在线监测 方法。本发明方法对注入交流信号的确定和获取采取了一种新方法，并有效地 解决了测量精度的问题，本发明方法结构简单，方便控制，本发明方法通过给 蓄电池注入一个低频交流微弱信号，检测每支蓄电池号输入端和输出端的交流 信号相位，二者相位差即能精确反映蓄电池内阻。真正实现了变电站蓄电池内 阻参数的实时监测。采用了先进的测试原理和算法，大大提高了系统测试的可 靠性和抗干扰能力，实现了蓄电池监测网络化管理和智能化的实时诊断。 本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。本发明采用低频交流信号发生器对蓄电池注入一个低频交流电流信号，利 用该交流电流信号，从而测出蓄电池两端的低频交流电压V。和流过的低频交流电 流Is，以^S利用差分面积法测量低频交流电压V。和流过的低频交流电流Is两者 的相位差a 。本发明低频交流信号发生器l通过耦合驱动放大电路将蓄电池的单体直流 电压和交流电压信号经电压采样模块采集，再将采集的交流电压信号和直流电 压信号经低通有源滤波器除去干扰信号后送到多路转化开关，再经A/D转换送单 片机采集，得到其幅值；交流电压信号经过零比较脉冲整形电路将正弦波转换 成方波信号，电流信号也是一方面直接经多路转换开关送到单片机，检测其幅 值，同时也要经过零比较脉冲整形电路将正弦波转换成方波信号，然后与交流 电压的方波信号一起送到相位检测单元检测它们的相位差，从而根据Z = V。/Is ，<formula>formula see original document page 6</formula>来计算蓄电池内阻;本发明测量时在每个蓄电池3的两端各引出一条 导线,在该导线上各连接有一个隔直电容接地，经过蓄电池的信号再经过一个约8-12 Q的接地电阻R和隔直电容接地导线的另一端与多路转换开关连接，多路转 换开关与单片机采集板连接。本发明的有益效果是，采用交流法GFM蓄电池内阻的实时在线无损精确测 量，通过给蓄电池注入一个低频交流微弱信号，检测每支蓄电池号输入端和输 出端的交流信号相位，二者相位差即能精确反映蓄电池内阻，克服了目前国内外 采用放电法检测技术在监测中出现的端电压监测误差、放电过程电流波动、断 电前后电压捕捉测量技术，以及在线连接线电量衰检等导致内阻在线监测精度 不高的弊端。真正实现了变电站蓄电池内阻参数的实时在线监测，由于采用了 先进的测试原理和算法，大大提高了系统测试的可靠性和抗干扰能力为蓄电池 运行维护人员提供了丰富、及时的运行数据，大大提高了蓄电池的运行维护水 平，实现了蓄电池监测网络化管理；智能化的实时诊断，系统根据实时监测的 蓄电池各项参数，自动完成对每只蓄电池性能的现场诊断，及时发现劣电池， 掌握电池组的运行状态，具有数据采集可靠、检测蓄电池内阻精确的显著优点。下面结合附图及实施例进一步阐述本发明内容。
图1为交流注入法原理图示意图； 图2为信号采集系统原理示意图； 图3为蓄电池的输出交流电压波形相位差示意图； 图4为本发明实施系统连接框图。
具体实施例方式如图l,本发明采用低频交流信号发生器对蓄电池注入一个低频交流电流信
号，利用该交流电流信号，从而测出蓄电池两端的低频交流电压v。和流过的低频交流电流Is，以及利用差分面积法测量低频交流电压V。和流过的低频交流电流 Is两者的相位差ot ;本发明低频交流信号发生器l通过耦合驱动放大电路将蓄电 池的单体直流电压和交流电压信号经电压采样模块采集，再将采集的交流电压 信号和直流电压信号经低通有源滤波器除去干扰信号后送到多路转化开关，再 经A/D转换送单片机采集，得到其幅值；交流电压信号经过零比较脉冲整形电路 将正弦波转换成方波信号，电流信号也是一方面直接经多路转换开关送到单片 机，检测其幅值，同时也要经过零比较脉冲整形电路将正弦波转换成方波信号， 然后与交流电压的方波信号一起送到相位检测单元检测它们的相位差，从而根 据Z 二 V。/Is ， R= Zcosa来计算蓄电池内阻；本发明测量时在每个蓄电池的两 端各引出一条导线，在该导线上各连接有一个隔直电容C、 C接地，经过蓄电池的 信号再经过一个约8-12 Q的接地电阻R和隔直电容接地导线的另一端与多路转 换开关连接，多路转换开关与单片机采集板连接。本发明对电池注入一个音频交流信号，测出蓄电池两端的交流电压V。，由于 蓄电池内阻的存在，使得蓄电池的输出交流电压波形与其输入波形之间产生了 一个相位差且该相位差随蓄电池内阻的增大而减小，而蓄电池内阻随容量减小 而增大。所以蓄电池输入输出信号的相位差会随容量的减少而减小。通过测量 不同容量的蓄电池的输入输出电压波形相位差就可计算出电池的内阻。本发明交流信号的具体采集过程如下如图2，用信号发生器1 (ICL8038芯片)产生正弦波信号，通过两个隔直电 容G、 C2加到蓄电池组上，经过蓄电池的信号再经过一个约8-IOQ的接地电阻R 和一个隔直电容接地。隔直电容很小，约为luF。要测量蓄电池的阻抗，就必须 测量蓄电池输入输出信号的相位差，根据相位差计算阻抗。
采集数据时我们需要从每个蓄电池的两端各引出一条线，经过隔直电容d、C2之后送到多路转换开关,再送到数据单片机采集板，这样我们就可以通过控制 多路转换开关来对蓄电池的每个单体电池进行循环检测。这样得到的相位差我 们不能认为就是由蓄电池内阻产生的，因为在采集蓄电池电压时我们都接入了 隔直电容，即使这些隔直电容的型号，大小，生产厂家都相同，也会存在容差，该 容差也会使得蓄电池的输入输出信号产生相位差，所以只采集一次相位差不能 确定蓄电池的内阻。由于蓄电池输入输出信号的相位差会随容量的减小而减小， 而隔直电容的容差引起的相位差是不变的，因此，可以根据相位差的变化来计算 蓄电池的内阻。为了获得相位差必须改变蓄电池的容量，即使蓄电池对负载放 电。在蓄电池组刚充电完毕时进行一次数据采集，然后对蓄电池放电，每隔一 定时间再进行一次数据采集，随着放电时间的增加，相位差会逐渐减小。蓄电池输入输出信号的相位差也可以用MATLAB软件仿真生成波形观察。用仿真波形只能观察到相位差的存在但不能具体计算相位差的大小，所以 本发明就利用信号采集系统来采集该相位差。如图3，本发明提出了一种求两波形相位差的新方法——差分面积法。即先 求出两波形的相位差所对应的面积，然后对面积求积分就可计算出两波形的相 位差，有效提高了相位差测量的精度。如图3所示，入输出信号送入单片机的两 个高速高精度差分通道，采样之后的输出即为两信号的幅值差，测量时对一个 周期密集采样，并对两个通道的差分结果的平方累计求和从而得到一个测量值 A，该测量值可以近似为两信号差绝对值平方的积分,两信号差绝对值的积分即 为相位差所对于的面积。算法如下 设输入信号蓄电池组的信号为yi,蓄电池组的输出信号为y2，j2 = cos(纽+ P) + % (/)输入输出信号差的绝对值平方的积分为将少,a代入式(ii)得J"o |乂—3^1 d" = J"。 lcos(6^) + rtj(0 —cos(o^ + 6) —"2(0| d" 将式(2-20)展开得一少21 = J": [cos2 (6^) + 2 cos(6rf)^ 0)+^ (02 + cos2 + P) + "2 (Z)2 + 2 cos(oZ + e)w2 ( ) —2 cos(w,) cos(c^ + _ 2 cos(6rf)"2 (X) — 2 i 0) cos( Z + — (0"2因为输入输出信号与噪声信号之间无相关性，而噪声信号与任意不相关确 定信号乘积的积分为零，故并化简得J"。 |乂-72| <ic^ = 2r-TcosP 由于对两个通道的差分结果的平方累计求和得到一个测量值A可以近似为两信号差绝对值平方的积分，所以^=arcc0s(2r—爿)/ r ,该式是在一个信号周期内求积分所得到的相位差，若连续采样，在N个周期内求积分，得到结果就是相位差的累计值，此方法与过零比较法比较相位检测 结果数据可以放大。同时测量结果中不含有噪声部分，有效的消除了信号噪声 引起的误差。虽然相位检测结果数据的放大，使得元件容差引起的相位差相对减小，测 量结果对电路元器件的容差敏感性大大降低，但是以上的方法无法从根本上消除检测电路中元件容差引起的测量结果。譬如分压电阻选10q的铜电阻，则根
据国家标准IEC 60028-1925规定，其误差为±1%，即土0.1Q，而电池内阻为毫 欧级。检测电路中还有很多电子元件，这些元件的影响都会在测量结果上直接 反映出来，因此无法分辨相位差的改变是蓄电池内阻的变化引起的，还是元件 容差引起的，所以每套检测系统都必然有一个检测结果的零点漂移，而这个零 点漂移远远大于蓄电池内阻，当然更远远大于我们需要检测的内阻的变化量。在线监测系统完成的主要任务是监测使用过程中的蓄电池劣化程度，只要 监测系统能有效反应蓄电池的容量，并结合己检测到的温度和单体电压作为修 正参数，有效给出当前每个单体电池的容量百分比即可。单片机测量结果A是对相位差面积的近似，但是基于统计查表的方法，只需 要一个对应值，不需要精确解算出相位差。设容量与内阻的函数关系为C = /Wf (X)为单值连续单调递减函数。假设内阻与相位差函数关系为丑=洲g(X)为单值连续单调递减函数，则容量与相位差的函数关系可设为C二h(x)为单值连续单调递增函数。所以测量值A与蓄电池容量的映射关系是A值 越大，容量越大。基于这个思想，本发明采用的方法是先将电池充满，测出这个时候的相位 差数据结果，得到一个数据ao，然后放电容量的3%，再测量得一个数据结果a,， 依次下去得到ao、 &、 &、 a3、 。将ao — A得到一个数据点lh，ao-a^得到b2，依次下去得到bh b2、 b3、 。因此bi、 b2、 b3、……这组数据是蓄电池运行过程中相对于100%容量依次下降3%的相位差变化的数据，有效消除了元件容差引 起的零点漂移。假设容差在输入输出信号中引起的相位差分别为小i, cD2,则相
位差的表达式中含有A4)，并且每次测量得到的A4)是相同的，在相减的过程 中可以抵消。初次安装时得到一个容量为100%的数据，运行过程中就根据检测 得到的结果和其它单体电压、电池环境温度的修正，得到当然容量。这种方法 目前已做过三种变电站常用的2V蓄电池实验，重复性很好，容量大于95%时分辨 率为4% 5%，容量小于95%时分辨率为3%。实际监测中若得到的数据小于bl则 表示容量大于95%，若位于bl b2之间则说明容量大于92M而小于95M，依次对照 比较判断容量。因此采用这种方法有效消除了元件容差引起的零点漂移，能有 效检测蓄电池的健康状况。有了本发明方法后，不仅可对近距离的蓄电池施行测量控制，更重要的是 还可对电力行业使用蓄电池的地方如变电站建立远程实时在线的监测系统。例 如采用本发明方法的实时在线监测系统总体结构如下.-本发明方法实施的监测系统主要有三部分组成(见图4)，分别是一、 高速单片机采集板单片机采集板主要具有高精度AD单片机C8051F060及外围电路(使用了隔 离电压电流专用模块CE—VZOl)构成，主要负责对蓄电池组的电压、电流、温 度等信息的采集，通过串口将数据传输给ARM数据处理机嵌入式计算机系统。二、 嵌入式ARM处理机构建了基于arm硬件平台嵌入式linux系统的软件开发平台，主要实现将 采集板的数据通过串口获取，并存储起来，同时提供web server供远程主机以 及本地人机界面(触摸屏)和监控终端实时浏览蓄电池数据，并提供数据下载， 以供远程主机下载数据。三、 人机界面人机界面采用三菱公司的GOT-F940触摸屏。通过RS-232接口直接与数据
处理机相连接，发送整定、查询信息并接收显示蓄电池信息，提供声光报警， 日常整定等功能，实现人机交互。四、 现地监控终端本系统的上位机软件将安装在现在监控终端计算机，使用串口通讯方式与ARM处理机通讯，负责蓄电池远方监测系统的初始化，蓄电池组监控，管理级别 设定，报警及报警查询，蓄电池信息管理库管理。五、 远程浏览主机只要是提供IE浏览器的任何计算机均可作为远程主机，查询变电站蓄电池 组的实时信息。
权利要求
1、蓄电池实时在线无损精确测量方法，涉及一种检测电力变电站蓄电池内阻的方法，其特征是，采用低频交流信号发生器对蓄电池注入一个低频交流电流信号，利用该交流电流信号，从而测出蓄电池两端的低频交流电压和流过的低频交流电流；再利用差分面积法测量低频交流电压和流过的低频交流电流两者的相位差。
2、根据权利要求所述的畲电池实时在线无损精确测量方法，其特征是， 低频交流信号发生器通过耦合驱动放大电路将蓄电池的单体直流电压和交流电 压信号经电压采样模块采集，再将采集的交流电压信号和直流电压信号经低通 有源滤波器除去干扰信号后送到多路转化开关，再经A/D转换送单片机采集，得 到其幅值；交流电压信号经过零比较脉冲整形电路将正弦波转换成方波信号， 电流信号也是一方面直接经多路转换开关送到单片机，检测其幅值，同时也要 经过零比较脉冲整形电路将正弦波转换成方波信号，然后与交流电压的方波信 号一起送到相位检测单元检测它们的相位差。
3、根据权利要求所述的蓄电池实时在线无损精确测量方法，其特征是，在 每个蓄电池的两端各引出一条导线，在该导线上各连接有一个隔直电容G、 G接 地，经过蓄电池的信号再经过一个约8-12 Q的接地电阻R和隔直电容接地导线的 另一端与多路转换开关连接，多路转换开关与单片机采集板连接。
全文摘要
蓄电池实时在线无损精确测量方法，本发明采用低频交流信号发生器对蓄电池注入一个低频交流电流信号，利用该交流电流信号，从而测出蓄电池两端的低频交流电压和流过的低频交流电流以及两者的相位差，本发明实现了可靠的实时在线监测，为蓄电池运行维护人员提供了丰富、及时的运行数据，大大提高了蓄电池的运行维护水平，具有数据采集可靠、检测蓄电池内阻精确的显著优点。
文档编号G01R31/36GK101158709SQ20071006637
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月13日 优先权日2007年11月13日
发明者冯俊宗, 冯正华, 廖晓峰, 杨昌武, 武全福, 董兴海 申请人:云南电网公司楚雄供电局