蓄電池在線管理系統(tǒng)在軌道交通信號系統(tǒng)中的應用

雷平

摘 ?要：軌道交通信號系統(tǒng)蓄電池在線管理系統(tǒng)以全新的設計理念，采用計算機軟件技術、網(wǎng)絡通信技術、現(xiàn)代控制技術、電力電子技術，通過對運行中的蓄電池進行實時數(shù)據(jù)采集、智能診斷分析，并預測性能變化趨勢，在線檢測蓄電池組中單體電池的容量和內(nèi)阻，正確預測蓄電池組性能，自動地對蓄電池組中的各單體電池進行在線調(diào)節(jié)控制。采用全方位開放的基于Windows網(wǎng)絡及操作系統(tǒng)平臺的SCADA系統(tǒng)，在控制中心/維護中心設置蓄電池在線管理中心層設備，為運營維護人員提供蓄電池監(jiān)視、控制的人機界面，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、蓄電池組性能狀態(tài)分析、報表處理和實時報警等應用功能，實現(xiàn)對全線蓄電池在線監(jiān)測及管理。

關鍵詞：軌道交通;信號系統(tǒng);蓄電池;在線管理系統(tǒng)

中圖分類號：TM912 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，軌道交通作為一種安全、高效、環(huán)保、舒適的城市交通運輸方式，引起了越來越多城市的重視。信號系統(tǒng)作為保證行車安全、提高行車效率的系統(tǒng)設備，需要可靠性、可維護性很高的電源，以此來保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。信號系統(tǒng)蓄電池作為信號備用電源UPS的供電電源，對保障系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定有重要作用。但近年來因軌道交通信號系統(tǒng)電源維護不到位，導致國內(nèi)外的城市地鐵先后發(fā)生一些不同程度的事故。為避免由于信號電源維護不到位，造成蓄電池容量不足或蓄電池損壞而發(fā)生事故，急需一套安全、經(jīng)濟的信號電源維護管理方案，以此來保證電源設備的長效運行[1]。

1 系統(tǒng)簡介

城市軌道交通信號系統(tǒng)蓄電池采用閥控式密封膠體鉛酸電池作為信號系統(tǒng)的后備電源供電，正常狀態(tài)下處于備用狀態(tài)，當系統(tǒng)正常電源故障時，通過UPS給系統(tǒng)供電。蓄電池結構是個全密封的相對“黑箱”，外界不能直觀判斷其內(nèi)部變化情況，且內(nèi)部反應遵從復雜的電化學規(guī)律，而不完全是電路原理。傳統(tǒng)的蓄電池組充電曲線是定期的強充電，即用充電機對一組串聯(lián)的蓄電池組進行在線充電，目的是對蓄電池組中性能落后的蓄電池進行補償性充電，恢復它的容量，但這種充電方式無法保證蓄電池組中每節(jié)蓄電池均衡充電，往往由于蓄電池組中某節(jié)蓄電池的端電壓變化（變高或變低），而導致其他蓄電池處于過充電或欠充電狀態(tài)，長時間處于這種狀態(tài)勢必會大大降低蓄電池組的使用壽命，增加系統(tǒng)的安全隱患[2]。現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了很多蓄電池的維護設備，它們只能在線檢測單體電池的端電壓，無法對單體電池的容量及內(nèi)阻進行在線監(jiān)測，也無法對蓄電池組進行在線調(diào)整、在線激活[3-4]。蓄電池維護工作量巨大，需要實時、準確地監(jiān)控單體蓄電池電壓、電池組電流和溫度，且需要定期測試及跟蹤蓄電池內(nèi)阻變化趨勢及周期性充放電等情況。

為了減少蓄電池維護工作量，降低維護過程中存在的風險，避免維護間隔出現(xiàn)問題，城市軌道交通信號系統(tǒng)引入了蓄電池在線管理系統(tǒng)。蓄電池在線管理系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的運行特性進行深入研究，以全新的設計理念，通過先進的微機控制和電力技術，在線檢測蓄電池組中單體電池的容量和內(nèi)阻，正確預測蓄電池組性能，自動地對蓄電池組中各單體電池進行在線調(diào)節(jié)控制，防止單體電池過、欠充，讓每節(jié)蓄電池的端電壓、容量及內(nèi)阻都處于標準值內(nèi)，并對性能較弱的電池進行補充電、激活，可大大延長蓄電池組的運行使用壽命，提高在線運行蓄電池組的可靠性及性能[5-6]。

2 系統(tǒng)結構

蓄電池組在線管理系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡的三級集散式監(jiān)控體系，由采集層、管理層和中心層3層結構構成[7-8]，如圖1所示。各級監(jiān)控自成體系，下級監(jiān)控保證在上級監(jiān)控故障或不存在時能獨立工作，產(chǎn)生告警信息。上級監(jiān)控可以對下級監(jiān)控的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行匯總處理。

2.1 采集層

采集層為每組蓄電池組配置的智能監(jiān)控單元及采集模塊單元，模塊采集單元實現(xiàn)對單節(jié)、整組蓄電池的容量、內(nèi)阻、電壓、電流、偏差度、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的實時采集。智能監(jiān)控單元與相應的采集模塊采用硬線連接方式，對模塊采集單元的相關數(shù)據(jù)進行匯集。同時，監(jiān)控單元具有與監(jiān)控管理機設備通信功能，將采集到的相關信息實時傳輸至監(jiān)控管理機。

2.2 管理層

管理層由蓄電池監(jiān)控管理機和通信網(wǎng)絡組成，是數(shù)據(jù)的集中和轉發(fā)中心。通過監(jiān)控管理機匯集各站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、存儲，形成各種報警信息、報表、圖形等。蓄電池監(jiān)控管理機通過通信網(wǎng)絡將匯集數(shù)據(jù)傳送至中心服務器。

2.3 中心層

中心層由服務器、工作站、網(wǎng)絡設備和管理信息系統(tǒng)組成。全網(wǎng)管理層監(jiān)控管理機通過通信網(wǎng)絡將各個站點的蓄電池容量、內(nèi)阻、電壓、溫度等在線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至中心服務器，中心服務器對全網(wǎng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、存儲，形成各種報警信息、報表、曲線圖以及趨勢圖等。

3 系統(tǒng)功能

蓄電池組在線管理系統(tǒng)可以對城市軌道交通信號系統(tǒng)的控制中心、正線車站及車輛段蓄電池進行現(xiàn)場及遠程在線實時監(jiān)控管理。系統(tǒng)主要監(jiān)測電池組的總電壓、總電流、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體溫度等參數(shù)，通過檢測數(shù)據(jù)進行分析，對超限參數(shù)發(fā)出聲、光等報警，并進行記錄下來，同時在監(jiān)控界面上以報警窗口的形式進行提示。系統(tǒng)內(nèi)嵌了智能分析功能，能自動對數(shù)據(jù)進行分析并生成電池報告。

3.1 電池參數(shù)實時監(jiān)測

系統(tǒng)可實時監(jiān)測蓄電池組內(nèi)的所有單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體電池溫度、電池組電壓、以及充放電電流，同時還具備蓄電池內(nèi)阻在線測試功能、蓄電池容量在線測試功能、蓄電池端電壓巡檢功能，可以完全取代現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)中的蓄電池組內(nèi)阻測試儀、容量檢測儀及電壓巡檢儀，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)信息如下。

電壓數(shù)據(jù)采集：電池組及單體電池電壓。

內(nèi)阻數(shù)據(jù)采集：隨時或定期自動在線測量電池組及單體電池內(nèi)阻，并可預設內(nèi)阻的告警閥值。

容量數(shù)據(jù)采集：電池組及單體電池容量。

溫度數(shù)據(jù)采集：環(huán)境溫度。

3.2 在線調(diào)整功能

蓄電池在線管理系統(tǒng)能自動地對單節(jié)電池進行在線調(diào)整，使每節(jié)電池的性能一致。系統(tǒng)在上電后即投入在線運行，根據(jù)電池測量單元采集到的電池電壓計算出偏差度，偏差度大于設定值時，系統(tǒng)將自動分別對單節(jié)電池進行放電和充電，直至偏差度達到設定范圍。通過對單節(jié)電池電壓進行調(diào)整，使他們工作在相同的電壓、內(nèi)阻、容量狀態(tài)下，防止因蓄電池過充或欠充導致蓄電池組快速老化，以此來延長電池使用壽命。

3.3 在線激活功能

系統(tǒng)通過智能檢測和控制系統(tǒng)、高精度的電壓和電流檢測、自動檢測環(huán)境溫度補償電壓參數(shù)功能、變頻脈沖充電功能等，對性能落后的單節(jié)電池進行在線激活，防止蓄電池因長期浮充而導致的硫酸鹽化，消除從內(nèi)部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態(tài)，能延長蓄電池組的運行壽命。

3.4 實時報警及后臺分析功能

系統(tǒng)能實時對單體電池及電池組的各種異常情況進行主動告警，為運營維護人員提供蓄電池監(jiān)視、控制的人機界面，具有實時數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、蓄電池組性能狀態(tài)分析、報表處理和實時報警等應用功能。

系統(tǒng)采用全方位開放的基于網(wǎng)絡及操作系統(tǒng)的平臺，是運行人員可以實現(xiàn)蓄電池監(jiān)視、控制的人機界面，具有實時數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、蓄電池組性能狀態(tài)分析、報表處理和實時報警等應用功能，同時提高標準的接口與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。

4 系統(tǒng)應用

城市軌道交通信號系統(tǒng)蓄電池設置在控制中心、正線車站、車輛段等位置，設備較為分散，且根據(jù)信號設備的配置蓄電池的配置數(shù)量也不一樣，為了便于維護及管理，一般在所有車站設置采集層及管理層設備對本地單節(jié)、整組蓄電池參數(shù)進行采集監(jiān)測及管理，在控制中心/維護中心設置蓄電池在線管理中心層設備，實現(xiàn)對全線蓄電池的在線監(jiān)測及管理。

蓄電池在線管理系統(tǒng)具有對外通信端口，可以方便的接入第三方監(jiān)控系統(tǒng)，為了節(jié)約投資并進行資源共享，減少維護管理設備及人員，可將蓄電池在線管理系統(tǒng)的本地監(jiān)測信息納入信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)，中心層設備與信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)中心設備整合，納入維護監(jiān)測子系統(tǒng)統(tǒng)一管理，如圖2所示。

5 結語

系統(tǒng)通過對蓄電池進行檢測、治療、預防等全方位的維護，大大提高了蓄電池的使用質(zhì)量，可提升蓄電池使用壽命，降低了客戶的蓄電池購置成本。通過在線激活和在線調(diào)整技術實現(xiàn)了“整組蓄電池管理=1節(jié)蓄電池的管理”，將蓄電池的各項參數(shù)都控制在一定范圍內(nèi)，確保蓄電池運行安全。在線檢測功能可精準檢測每節(jié)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、容量，代替了人工維護，提高了工作效率及自動化管理水平，預防地鐵信號系統(tǒng)電源事故發(fā)生，大大減輕了客戶維護及管理成本的高額負擔。

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