一种使用fpga监测变电站蓄电池状态的方法
【专利摘要】本发明属于变电站蓄电池状态监控【技术领域】，使用FPGA作为监控装置的主要核心单元来实时监控和定时监控蓄电池组与单体电池的健康状态的一种方法，为运维人员提供诊断和修复的依据。该方法包括以下方面：以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，实时监控蓄电池状态，利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理及实现均衡充放电的功能。本发明的目的在于解决变电站蓄电池的安全使用的监控和维护方面存在的问题。
【专利说明】-种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明属于变电站蓄电池状态监控【技术领域】，使用FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为监控装置的主要核心单元来实时监控和定时监控蓄电池组与单体电池的 健康状态的一种方法，为运维人员提供诊断和修复的依据。 【技术背景】
[0002] 变电站蓄电池实际使用中会出现电池壳变形、电解液渗漏、容量不足、电池端电压 不均匀等现象，实践证明，整组电池的容量是以状况最差的那块电池的容量值为准，而不是 以平均值或额定值（初始值）为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90%以下 时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的80%以下时，便进入急剧的衰退状况，衰 退期很短，此时电池组已存在极大的事故隐患，所以对变电站蓄电池的定时检测和在线监 测是非常重要和必须的。一种可以实时、稳定、有效的监测变电站蓄电池状态的装置成为了 重中之重。 【
【发明内容】
】
[0003] 发明目的：本发明提供一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其目的在于 解决变电站蓄电池的安全使用的监控和维护方面存在的问题。
[0004] 技术方案：
[0005] -种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：该方法包括以下方 面：
[0006] (1)以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，通过实时监测 蓄电池组和内部单节蓄电池的电压，能够有效的识别蓄电池的性能差异和安全临界点，有 效控制单节蓄电池的过充，过放和热失控，同时准确计算出单个蓄电池电量，根据充放电曲 线，为后台控制中心建立最佳充放电方案提供依据；
[0007] (2)实时监控蓄电池状态：可以实时的采集变电站蓄电池组、单体电池的电压、内 阻状态，并通过FPGA内部处理模块将采集信息通过通讯总线传输到后台的服务端并执行 相应的处理动作；
[0008] (3)利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理：使用I2C总线作为多个单体 电池测量，为每个单体电池和蓄电池组分配一个地址，由FPGA统一调配、控制；并结合光耦 合器隔离开关来进行单体测量；
[0009] (4)均衡充放电：使用均衡充电的方式替代浮充的方式，依据单体电池端电压动 态分布的特点，并集合FPGA收集到的实时数据，计算出充放电的控制阈值，来保证整个蓄 电池组的均衡性。
[0010] 在步骤（3)中，按址分配的工作方法为：建立一个最多128个单元的地址表，为每 个单元分配1个固定地址，FPGA根据地址表定位，并在初始化阶段接入TI TCA9546A的IO 使能开关控制，当FPGA发送选址和读取指令后，得到控制权的TCA9546A会将连接到FPGA 的使能位电平拉高，FPGA采集数据模块就可以作为判定条件在下一个时钟周期读取对应地 址的电阻回馈和电压回馈信号并保存。
[0011] 在步骤（4)均衡充放电中，利用所有单体电池的电压数据结合数理统计方法分析 每次放完电和充足电后电池端电压的分布规律，计算他们的平均值和标准差，用均值和标 准差〇来描述变量X的取值规律，需满足以下数学公式
【权利要求】
1. 一种使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：该方法包括以下方面： (1) 以1片FPGA结合I2C总线的IO使能开关进行多节点的测量，通过实时监测蓄电池 组和内部单节蓄电池的电压，能够有效的识别蓄电池的性能差异和安全临界点，有效控制 单节蓄电池的过充，过放和热失控，同时准确计算出单个蓄电池电量，根据充放电曲线，为 后台控制中心建立最佳充放电方案提供依据； (2) 实时监控蓄电池状态：可以实时的采集变电站蓄电池组、单体电池的电压、内阻状 态，并通过FPGA内部处理模块将采集信息通过通讯总线传输到后台的服务端并执行相应 的处理动作； (3) 利用I2C总线对蓄电池组和单体电池进行管理：使用I2C总线作为多个单体电池 测量，为每个单体电池和蓄电池组分配一个地址，由FPGA统一调配、控制；并结合光耦合器 隔离开关来进行单体测量； (4) 均衡充放电：使用均衡充电的方式替代浮充的方式，依据单体电池端电压动态分 布的特点，并集合FPGA收集到的实时数据，计算出充放电的控制阈值，来保证整个蓄电池 组的均衡性。
2. 根据权利要求1所述的使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：在步 骤（3)中，按址分配的工作方法为：建立一个最多128个单元的地址表，为每个单元分配1 个固定地址，FPGA根据地址表定位，并在初始化阶段接入TI TCA9546A的IO使能开关控制， 当FPGA发送选址和读取指令后，得到控制权的TCA9546A会将连接到FPGA的使能位电平拉 高，FPGA采集数据模块就可以作为判定条件在下一个时钟周期读取对应地址的电阻回馈和 电压回馈信号并保存。
3. 根据权利要求1所述的使用FPGA监测变电站蓄电池状态的方法，其特征在于：在步 骤（4)均衡充放电中，利用所有单体电池的电压数据结合数理统计方法分析每次放完电和 充足电后电池端电压的分布规律，计算他们的平均值和标准差，用均值和标准差σ来描述 变量X的取值规律，需满足以下数学公式
上述两式中，xi可代表电池组中各单体电池的端电压，^代表电池组中各单体电池的 端电压参数的平均值；η代表电池组中包含的电池数；η越大，统计结果越准确；〇将反映 电压对其均值的偏离程度，σ越小，则均匀性越好，蓄电池组的整体可靠性也必然越好；统 计得出单体电池端电压在I. 82V附近的电池数目最多，概率最大，两边处于基本对称的下 降趋势，因此端电压服从正态分布趋势；由正态分布曲线的特征可知，X是电压概率密度正 态分布曲线最高点的横坐标，它是全组电池放电电压的均值，可以看作是该组电池的宏观 性能参数，可用它来判断蓄电池组的放电状态；标准差σ则表征蓄电池组中各单体电池放 电电压分布的离散程度，σ值越大，电池的均匀性越差，电池组的可靠性越差；随着电池使 用时间的增加，σ值呈逐步增大的趋势，即电池放电电压的均匀性是逐渐下降的，电池组的 可靠性也必然随之下降，一般取X±2〇作为电池均匀性的控制域值；获得了控制阈值后， 就可以使用FPGA内部控制充放电，从而做到均衡充放电。
【文档编号】G01R31/36GK104391253SQ201410754356
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】包蕊, 杨明 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院