一種使用fpga監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，使用FPGA作為監(jiān)控裝置的主要核心單元來實(shí)時(shí)監(jiān)控和定時(shí)監(jiān)控蓄電池組與單體電池的健康狀態(tài)的一種方法，為運(yùn)維人員提供診斷和修復(fù)的依據(jù)。該方法包括以下方面：以1片F(xiàn)PGA結(jié)合I2C總線的IO使能開關(guān)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的測量，實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池狀態(tài)，利用I2C總線對蓄電池組和單體電池進(jìn)行管理及實(shí)現(xiàn)均衡充放電的功能。本發(fā)明的目的在于解決變電站蓄電池的安全使用的監(jiān)控和維護(hù)方面存在的問題。
【專利說明】-種使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明屬于變電站蓄電池狀態(tài)監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，使用FPGA(Field-Programmable Gate Array)作為監(jiān)控裝置的主要核心單元來實(shí)時(shí)監(jiān)控和定時(shí)監(jiān)控蓄電池組與單體電池的 健康狀態(tài)的一種方法，為運(yùn)維人員提供診斷和修復(fù)的依據(jù)。 【技術(shù)背景】
[0002] 變電站蓄電池實(shí)際使用中會出現(xiàn)電池殼變形、電解液滲漏、容量不足、電池端電壓 不均勻等現(xiàn)象，實(shí)踐證明，整組電池的容量是以狀況最差的那塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是 以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)電池的實(shí)際容量下降到其本身額定容量的90%以下 時(shí)，電池便進(jìn)入衰退期，當(dāng)電池容量下降到原來的80%以下時(shí)，便進(jìn)入急劇的衰退狀況，衰 退期很短，此時(shí)電池組已存在極大的事故隱患，所以對變電站蓄電池的定時(shí)檢測和在線監(jiān) 測是非常重要和必須的。一種可以實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、有效的監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的裝置成為了 重中之重。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法，其目的在于 解決變電站蓄電池的安全使用的監(jiān)控和維護(hù)方面存在的問題。
[0004] 技術(shù)方案：
[0005] -種使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法，其特征在于：該方法包括以下方 面：
[0006] (1)以1片F(xiàn)PGA結(jié)合I2C總線的IO使能開關(guān)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的測量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測 蓄電池組和內(nèi)部單節(jié)蓄電池的電壓，能夠有效的識別蓄電池的性能差異和安全臨界點(diǎn)，有 效控制單節(jié)蓄電池的過充，過放和熱失控，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出單個蓄電池電量，根據(jù)充放電曲 線，為后臺控制中心建立最佳充放電方案提供依據(jù)；
[0007] (2)實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池狀態(tài)：可以實(shí)時(shí)的采集變電站蓄電池組、單體電池的電壓、內(nèi) 阻狀態(tài)，并通過FPGA內(nèi)部處理模塊將采集信息通過通訊總線傳輸?shù)胶笈_的服務(wù)端并執(zhí)行 相應(yīng)的處理動作；
[0008] (3)利用I2C總線對蓄電池組和單體電池進(jìn)行管理：使用I2C總線作為多個單體 電池測量，為每個單體電池和蓄電池組分配一個地址，由FPGA統(tǒng)一調(diào)配、控制；并結(jié)合光耦 合器隔離開關(guān)來進(jìn)行單體測量；
[0009] (4)均衡充放電：使用均衡充電的方式替代浮充的方式，依據(jù)單體電池端電壓動 態(tài)分布的特點(diǎn)，并集合FPGA收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出充放電的控制閾值，來保證整個蓄 電池組的均衡性。
[0010] 在步驟（3)中，按址分配的工作方法為：建立一個最多128個單元的地址表，為每 個單元分配1個固定地址，F(xiàn)PGA根據(jù)地址表定位，并在初始化階段接入TI TCA9546A的IO 使能開關(guān)控制，當(dāng)FPGA發(fā)送選址和讀取指令后，得到控制權(quán)的TCA9546A會將連接到FPGA 的使能位電平拉高，F(xiàn)PGA采集數(shù)據(jù)模塊就可以作為判定條件在下一個時(shí)鐘周期讀取對應(yīng)地 址的電阻回饋和電壓回饋信號并保存。
[0011] 在步驟（4)均衡充放電中，利用所有單體電池的電壓數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析 每次放完電和充足電后電池端電壓的分布規(guī)律，計(jì)算他們的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用均值和標(biāo) 準(zhǔn)差〇來描述變量X的取值規(guī)律，需滿足以下數(shù)學(xué)公式
【權(quán)利要求】
1. 一種使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法，其特征在于：該方法包括以下方面： (1) 以1片F(xiàn)PGA結(jié)合I2C總線的IO使能開關(guān)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的測量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池 組和內(nèi)部單節(jié)蓄電池的電壓，能夠有效的識別蓄電池的性能差異和安全臨界點(diǎn)，有效控制 單節(jié)蓄電池的過充，過放和熱失控，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出單個蓄電池電量，根據(jù)充放電曲線，為 后臺控制中心建立最佳充放電方案提供依據(jù)； (2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池狀態(tài)：可以實(shí)時(shí)的采集變電站蓄電池組、單體電池的電壓、內(nèi)阻狀 態(tài)，并通過FPGA內(nèi)部處理模塊將采集信息通過通訊總線傳輸?shù)胶笈_的服務(wù)端并執(zhí)行相應(yīng) 的處理動作； (3) 利用I2C總線對蓄電池組和單體電池進(jìn)行管理：使用I2C總線作為多個單體電池 測量，為每個單體電池和蓄電池組分配一個地址，由FPGA統(tǒng)一調(diào)配、控制；并結(jié)合光耦合器 隔離開關(guān)來進(jìn)行單體測量； (4) 均衡充放電：使用均衡充電的方式替代浮充的方式，依據(jù)單體電池端電壓動態(tài)分 布的特點(diǎn)，并集合FPGA收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出充放電的控制閾值，來保證整個蓄電池 組的均衡性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法，其特征在于：在步 驟（3)中，按址分配的工作方法為：建立一個最多128個單元的地址表，為每個單元分配1 個固定地址，F(xiàn)PGA根據(jù)地址表定位，并在初始化階段接入TI TCA9546A的IO使能開關(guān)控制， 當(dāng)FPGA發(fā)送選址和讀取指令后，得到控制權(quán)的TCA9546A會將連接到FPGA的使能位電平拉 高，F(xiàn)PGA采集數(shù)據(jù)模塊就可以作為判定條件在下一個時(shí)鐘周期讀取對應(yīng)地址的電阻回饋和 電壓回饋信號并保存。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用FPGA監(jiān)測變電站蓄電池狀態(tài)的方法，其特征在于：在步 驟（4)均衡充放電中，利用所有單體電池的電壓數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析每次放完電和 充足電后電池端電壓的分布規(guī)律，計(jì)算他們的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ來描述 變量X的取值規(guī)律，需滿足以下數(shù)學(xué)公式
上述兩式中，xi可代表電池組中各單體電池的端電壓，^代表電池組中各單體電池的 端電壓參數(shù)的平均值；η代表電池組中包含的電池?cái)?shù)；η越大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果越準(zhǔn)確；〇將反映 電壓對其均值的偏離程度，σ越小，則均勻性越好，蓄電池組的整體可靠性也必然越好；統(tǒng) 計(jì)得出單體電池端電壓在I. 82V附近的電池?cái)?shù)目最多，概率最大，兩邊處于基本對稱的下 降趨勢，因此端電壓服從正態(tài)分布趨勢；由正態(tài)分布曲線的特征可知，X是電壓概率密度正 態(tài)分布曲線最高點(diǎn)的橫坐標(biāo)，它是全組電池放電電壓的均值，可以看作是該組電池的宏觀 性能參數(shù)，可用它來判斷蓄電池組的放電狀態(tài)；標(biāo)準(zhǔn)差σ則表征蓄電池組中各單體電池放 電電壓分布的離散程度，σ值越大，電池的均勻性越差，電池組的可靠性越差；隨著電池使 用時(shí)間的增加，σ值呈逐步增大的趨勢，即電池放電電壓的均勻性是逐漸下降的，電池組的 可靠性也必然隨之下降，一般取X±2〇作為電池均勻性的控制域值；獲得了控制閾值后， 就可以使用FPGA內(nèi)部控制充放電，從而做到均衡充放電。
【文檔編號】G01R31/36GK104391253SQ201410754356
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】包蕊, 楊明 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院