蓄電池在線管理系統在軌道交通信號系統中的應用

雷平

摘 ?要：軌道交通信號系統蓄電池在線管理系統以全新的設計理念，采用計算機軟件技術、網絡通信技術、現代控制技術、電力電子技術，通過對運行中的蓄電池進行實時數據采集、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節控制。采用全方位開放的基于Windows網絡及操作系統平臺的SCADA系統，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視、控制的人機界面，實現實時數據采集、歷史數據查詢、蓄電池組性能狀態分析、報表處理和實時報警等應用功能，實現對全線蓄電池在線監測及管理。

關鍵詞：軌道交通;信號系統;蓄電池;在線管理系統

中圖分類號：TM912 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經濟的快速發展，軌道交通作為一種安全、高效、環保、舒適的城市交通運輸方式，引起了越來越多城市的重視。信號系統作為保證行車安全、提高行車效率的系統設備，需要可靠性、可維護性很高的電源，以此來保證供電質量和供電連續性。信號系統蓄電池作為信號備用電源UPS的供電電源，對保障系統的安全、穩定有重要作用。但近年來因軌道交通信號系統電源維護不到位，導致國內外的城市地鐵先后發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生事故，急需一套安全、經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 系統簡介

城市軌道交通信號系統蓄電池采用閥控式密封膠體鉛酸電池作為信號系統的后備電源供電，正常狀態下處于備用狀態，當系統正常電源故障時，通過UPS給系統供電。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部變化情況，且內部反應遵從復雜的電化學規律，而不完全是電路原理。傳統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蓄電池均衡充電，往往由于蓄電池組中某節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，長時間處于這種狀態勢必會大大降低蓄電池組的使用壽命，增加系統的安全隱患[2]?，F在市場上出現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阻進行在線監測，也無法對蓄電池組進行在線調整、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，避免維護間隔出現問題，城市軌道交通信號系統引入了蓄電池在線管理系統。蓄電池在線管理系統根據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節控制，防止單體電池過、欠充，讓每節蓄電池的端電壓、容量及內阻都處于標準值內，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 系統結構

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

2.1 采集層

采集層為每組蓄電池組配置的智能監控單元及采集模塊單元，模塊采集單元實現對單節、整組蓄電池的容量、內阻、電壓、電流、偏差度、環境溫度數據的實時采集。智能監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據進行匯集。同時，監控單元具有與監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控管理機。

2.2 管理層

管理層由蓄電池監控管理機和通信網絡組成，是數據的集中和轉發中心。通過監控管理機匯集各站點的監測數據，并對數據進行統計分析、存儲，形成各種報警信息、報表、圖形等。蓄電池監控管理機通過通信網絡將匯集數據傳送至中心服務器。

2.3 中心層

中心層由服務器、工作站、網絡設備和管理信息系統組成。全網管理層監控管理機通過通信網絡將各個站點的蓄電池容量、內阻、電壓、溫度等在線監控數據傳輸至中心服務器，中心服務器對全網數據進行統計分析、存儲，形成各種報警信息、報表、曲線圖以及趨勢圖等。

3 系統功能

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

3.1 電池參數實時監測

系統可實時監測蓄電池組內的所有單體電池電壓、單體電池內阻、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，可以完全取代現有直流電源系統中的蓄電池組內阻測試儀、容量檢測儀及電壓巡檢儀，具體監測數據信息如下。

電壓數據采集：電池組及單體電池電壓。

內阻數據采集：隨時或定期自動在線測量電池組及單體電池內阻，并可預設內阻的告警閥值。

容量數據采集：電池組及單體電池容量。

溫度數據采集：環境溫度。

3.2 在線調整功能

蓄電池在線管理系統能自動地對單節電池進行在線調整，使每節電池的性能一致。系統在上電后即投入在線運行，根據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，系統將自動分別對單節電池進行放電和充電，直至偏差度達到設定范圍。通過對單節電池電壓進行調整，使他們工作在相同的電壓、內阻、容量狀態下，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

系統通過智能檢測和控制系統、高精度的電壓和電流檢測、自動檢測環境溫度補償電壓參數功能、變頻脈沖充電功能等，對性能落后的單節電池進行在線激活，防止蓄電池因長期浮充而導致的硫酸鹽化，消除從內部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態，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視、控制的人機界面，具有實時數據采集、歷史數據查詢、蓄電池組性能狀態分析、報表處理和實時報警等應用功能。

系統采用全方位開放的基于網絡及操作系統的平臺，是運行人員可以實現蓄電池監視、控制的人機界面，具有實時數據采集、歷史數據查詢、蓄電池組性能狀態分析、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進行數據通信。

4 系統應用

城市軌道交通信號系統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，且根據信號設備的配置蓄電池的配置數量也不一樣，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、整組蓄電池參數進行采集監測及管理，在控制中心/維護中心設置蓄電池在線管理中心層設備，實現對全線蓄電池的在線監測及管理。

蓄電池在線管理系統具有對外通信端口，可以方便的接入第三方監控系統，為了節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的本地監測信息納入信號維護監測子系統，中心層設備與信號維護監測子系統中心設備整合，納入維護監測子系統統一管理，如圖2所示。

5 結語

系統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整技術實現了“整組蓄電池管理=1節蓄電池的管理”，將蓄電池的各項參數都控制在一定范圍內，確保蓄電池運行安全。在線檢測功能可精準檢測每節蓄電池的電壓、內阻、容量，代替了人工維護，提高了工作效率及自動化管理水平，預防地鐵信號系統電源事故發生，大大減輕了客戶維護及管理成本的高額負擔。

參考文獻

[1]郭文進.電池管理系統的設計[J].現代電子技術，2016，39（10）：149-151，155.

[2]贠學偉.蓄電池在線監測管理系統設計與應用[J]. 電子技術與軟件工程，2018（7）：231.

[3]傅江太.編程邏輯控制的空間蓄電池組均衡充電系統[J].電源技術，2015（10）：2198-2200.

[4]馬超.通信電源蓄電池組的日常巡檢和測試分析[J]. 中國新通信， 2017（16）：11.

[5]曹智.UPS蓄電池組全壽命周期運行質量控制研究[J]. 現代工業經濟和信息化，2016（20）：62-63，66.

[6]王自國.UPS遠程集中監控及蓄電池放電系統設計[J]. 鹽業與化工，2016（2）：27-29.

[7]李文亮.蓄電池在線監測技術的最優化方法選擇[J]. 電子測試，2017（9）：95-96.

[8]冉春森.蓄電池組智能監測保護的研究[J].電子世界， 2018（8）：177-178.

[9]傅雙仟.UPS蓄電池的在線監測分析[J].企業技術開發， 2018（4）：76-78.