摘要：蓄电池室是变电站直流电源系统的重要场地，也是直流电源的后备应急场地，蓄电池室的环境好坏直接影响到变电站蓄电池组的运行可靠性和运行寿命。针对蓄电池室内动力环境与蓄电池组管理之间缺乏统一协调、自动化管理而存在火灾安全隐患，设计了基于RS485通信的变电站蓄电池室及蓄电池综合智能控制系统。系统通过RS485通信标准实现各功能模块之间的沟通，使数据采集、动环控制、电池管理由集中控制器进行统一调度及控制，提高了变电站蓄电池室自动化管理水平。
关键词：RS485总线、智能控制、动力环境、电池管理。
Abstract：the battery chamber is an important site of the DC power supply system in the substation，and it is also a backup emergency site for DC power supply.The environment of the battery chamber has a direct impact on the operation reliability and service life of the battery group in the substation.In view of the lack of unified coordination and automation management between the power environment of storage battery and the management of battery group，the hidden danger of fire safety exists，and the integrated intelligent control system of storage battery room and battery based on RS485 communication is designed.The system realizes the communication between various functional modules through the RS485 communication standard，so that the data collection，dynamic loop control and battery management are unified and controlled by the centralized controller，which improves the automation management level of the substation storage battery room.
Keywords：RS485 bus、Intelligent control、Power environment、Battery management。
1 引言
蓄电池组是直流系统中不可缺少的设备，在变电站直流系统中蓄电池组处于浮充电备用状态，当交流失电时迅速向事故性负荷提供能量[1]。变电站一般配置专用的蓄电池室存放蓄电池，蓄电池室配置有空调、排气扇等设备[2]。但是目前蓄电池室的管理存在诸多问题，主要包括以下：
1）环境监控系统的不全面性
我们知道蓄电池在日常运行、维护时会产生氢气及酸性气体，一旦氢气或酸性气体浓度过大，会存在严重的安全隐患，具有较大的火灾、爆炸危险性[3]。而目前的蓄电池室仅对环境温度和湿度进行检测，忽略了室内氢气、酸性气体的相关数据。
2）缺乏室内环境自动调控能力
为保证蓄电池室的温度，变电站蓄电池室的空调处于长时间运行状态，电能消耗量大，环境温度高可能会导致设备故障，但如果温度控制过低也同样存在引起故障的隐患[4]；蓄电池室内的排气扇需要手动启动，蓄电池室的氢气和酸性气体浓度增加时不能及时通风，无法实时排除室内的有害气体。
3）蓄电池管理设备无法根据室内环境变化进行自动控制
蓄电池的浮充电应用状态使蓄电池的充电状态不可控[5]，尽管对蓄电池单体的电压、温度和内阻进行监控，但发现热失控或高温充电时，也只能通过人工现场进行处理[5]。而大量变电站处于无人值守的状态，从发现到处理需要经过几个小时，往往已经造成了蓄电池的损伤。
针对上述问题，研制了一套基于RS485通信方式的分布式智能控制系统，实现对蓄电池室动力环境参数的实时采集、处理及对蓄电池室动力环境的调控，并实现蓄电池充电控制。在数据通信上，采用RS485通信标准实现各控制单元之间的沟通，在控制管理上通过一个集中控制主机进行统一显示，并对各功能模块进行统一控制，实现蓄电池室及蓄电池全面实时监控及智能自动调节。
2 拓扑结构
系统利用分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）管理的集中性及控制的分散性对蓄电池室及蓄电池的运行过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，其网络拓扑结构如图1所示。其中蓄电池室各模块节点通过RS485总线连接，每个节点发送的数据可以同时被所有节点接收，但是每个节点只接收本节点的目的地址的数据，因此每次只允许一台设备发送数据。各蓄电池室的数据通过网线经交换机传输至主控室的监控主机，对多个蓄电池室及蓄电池综合智能控制系统进行集中监视及操作。
图1 总线型的拓扑结构
3 综合智能控制系统的组成
变电站蓄电池室及蓄电池综合智能控制结构各部分主要功能如下：
1）集中控制器
集中控制器主要用于接收各单元模块信息的采集及显示、下发各部件的控制指令及远程通信等功能。集中控制器的硬件组成如图2所示，主要包括了MCU、电源模块、显示单元、RS485模块，通信模块、存储单元等。
图2 集中控制器的硬件组成图
2）动力环境控制单元
环境数据采集单元、温湿度传感器、气体检测传感器等将环境信号转换为相应的电信号，作为A/D转换模拟输入量，将烟雾传感器等将环境信号转换为开关量输入，并通过RS485通信接口将数据上传至集中控制器；也包含了环境控制单元，通过RS485通信接收集中控制器的控制信号，并通过I/O端口输出控制命令至空调红外遥控器、抽风机驱动板、照明驱动板及声光告警驱动板。其控制结构如图3所示。
图3 动力环境控制单元的控制结构图
门禁系统：包括用于采集进入者身份的信息的采集单元，对采集的身份数据进行分析识别的门禁控制单元，以及控制蓄电池室门开启和关闭的电磁锁部分。门禁系统通过RS485通信线将数据上传至集中控制器，直至监控主机，可以显示和记录进入者信息，完成蓄电池室的出入管理控制。
蓄电池采集单元：包括用于采集单体电压、单体温度、单体内阻的各单体采集模块，以及对各单体采集模块采集信息进行中专的总接收模块，理论上每条中转RS485总线上可同时采集256个电池单体，完全能够满足变电站蓄电池组的使用要求。
电池管理单元：包括电气量监测模块，用于实时监控交流供电、直流母线电压、电流、蓄电池组电压、电流等电气量信息，并通过RS485通信将数据上传至集中控制器并显示；还包括了充放电控制模块，接入直流系统母线正负极及蓄电池组正负极之间，通过RS485通信接收集中控制器的控制信号，控制充电回路的通断，实现对蓄电池组充电电压及电流大小的控制及对放电机的控制实现在线核容放电，其控制流程如图4所示。
图4 电池管理单元充放电流程图
正常运行时，电池管理单元从采集单元处获取电池单体，电池组，室内温湿度，氢气、酸性气体浓度的实时采集数据，根据相关数值做出分析，在数据异常时停止充电，并向上位机发出告警信息；当数据恢复正常时自动启动充电。进行在线核容放电时，电池管理单元先确保直流母线停止对电池组的充电，并启动放电机工作开始放电，当检测到直流母线电压异常时，停止放电机工作，保证电池组的供电能力。
4 RS485通信设计
在系统的设计中，各模块之间的通信数据收发可靠性对整个系统的稳定运行至关重要，需要从软硬件设计上避免节点故障造成整个系统崩溃的问题。
1）硬件设计
RS485通信电路设计如图5所示。每一路信号输入都通过TOSHIBA的高速光耦合器TLP115A进行输入输出隔离，MAX485接口芯片是的Maxim公司的用于RS-485通信的低功耗收发器，每个器件中都有一个驱动器和一个接收器，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。
图6 接收电路
在本电路中，当某一组件出现异常时MAX485的DE端口高电平时，系统处于发送状态，此时该模块会始终占据RS485通讯总线而导致整个通信奔溃。因此在系统设计上使MAX485在上电复位器件经TLP115A输出低电平到DE端口，避免复位期间各分模块占线问题。
在电路设计上采用稳压管D11和D12组成吸收回路来抵抗浪涌，保证系统的稳定性，在RS485传输线两端连接一只120Ω的匹配电阻R54，以减少线路上传输信号的反射，而上拉电阻R51及R52的设计是为了保障在RS485总线不发送期间能够呈现唯一的高电平，避免误中断。
2）通讯协议
在编程前先定义各分模块的地址编号，各下级对象只接收对应本机地址的数据，数据包有5个部分组成：开始符（1Byte），从机地址（1Byte），功能字节（1 Byte），数据字节（0-256 Byte），结束符（1Byte）。
主机向下发送从机地址，从机进入中断接收程序，如地址相符，则接收功能字节、数据字节及结束符，数据接收完成后由接收状态转为发送状态，项主机发送接收指令或其他数据。主机通讯定时向下级发送数据包，在发送完毕后由发送状态转为接收状态，接收下级的回复信息，若在一定时间内没有接收到下级的回复信息，认定为通讯失败，连续三次发送都失败后认定从机故障。
5 结束语
本文设计的基于RS485通信方式的变电站蓄电池室及蓄电池综合智能控制系统，对蓄电池室环境和蓄电池组的维护管理进行全方面的覆盖，实现了蓄电池室内环境实时监测及调控，蓄电池实时采集及智能安全的充放电管理，不仅节约了蓄电池组技改、运行、维护的费用，也提高了蓄电池室环境和蓄电池组自动化管理水平，减轻了运行维护人员的劳动强度，降低了蓄电池组定检和维护作业风险，提高了蓄电池组的运行可靠性和运行寿命。
参考文献：
[1]桑嘉徽，燕少鹏.变电站直流系统蓄电池运行与维护[J].工程技术：引文版，2016（8）：00207-00207.SANG Jiahui，YAN Shaopeng.Operation and maintenance of substation DC system battery[J].Engineering Technology：Citation，2016（8）：00207-00207.
[2]史志蛟.酸性蓄电池室设计分析与探讨[J].工程技术：全文版，2016（7）：00253-00253.SHI Zhiwei.Analysis and Discussion on Acid Battery Room Design[J].Engineering Technology：Fulltext，2016（7）：00253-00253.
[3]孙书静.酸性蓄电池室的防火防爆[J].安全，2010，31（4）：39-39.SUN Shujing.Fire and Explosion Protection of Acid Battery Room[J].Safety，2010，31（4）：39-39.
[4]白永磊.浅论控制变电站室内温度的重要性[J].天津电力技术，2006（4）：5-7.BAI Yonglei.Discussion on the Importance of Controlling Indoor Temperature in Substation[J].Tianjin Electric Power Technology，2006（4）：5-7.
[5]管雄俊.VRLA蓄电池的热失控[J].蓄电池，2005，42（4）：165-167.GUAN Xiongjun.Thermal Runaway of VRLA Battery[J].Battery，2005，42（4）：165-167.
论文作者:周永光
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/14
标签：蓄电池论文; 变电站论文; 通信论文; 数据论文; 单元论文; 模块论文; 环境论文; 《基层建设》2018年第28期论文;