張創(chuàng)奧，吳 暉，李云鵬，徐青鴻，方雯雯

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司 樂清市供電公司，浙江 樂清 325600）

0 引 言

隨著生活生產(chǎn)用電量的增加，供電質(zhì)量也在不斷提高。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要給控制裝置、保護(hù)裝置提供備用電源，盡可能減少供電系統(tǒng)故障造成的損失。蓄電池組、充電機(jī)以及直流監(jiān)控等構(gòu)成的直流電源系統(tǒng)能夠在停電時(shí)為電力系統(tǒng)中的高、低壓用電設(shè)備提供電源，滿足供配電系統(tǒng)控制設(shè)備的用電需求[1]。蓄電池的單體電池電壓值較低，常常將單體電池串聯(lián)或者串并聯(lián)起來供電。當(dāng)蓄電池組為供電系統(tǒng)提供電源時(shí)，各個(gè)蓄電池單體的工作特性就會(huì)存在差異，影響電源質(zhì)量，不利于供配電控制設(shè)備的正常工作[2]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種智能電池巡檢儀，監(jiān)測各個(gè)單體蓄電池的充放電電流和充放電電壓等參數(shù)，并對實(shí)時(shí)獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1 電池巡檢儀的總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電池巡檢儀主要包括電池巡檢儀節(jié)點(diǎn)、控制器以及局域網(wǎng)3個(gè)部分，其中局域網(wǎng)包括服務(wù)器和客戶端，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。電池巡檢儀的節(jié)點(diǎn)安裝在直流屏柜內(nèi)，主要負(fù)責(zé)采集電池參數(shù)，并且通過無線通信技術(shù)將電池參數(shù)信號(hào)傳輸給電池巡檢儀控制器，供值班人員查看。電池巡檢儀控制器利用LCD顯示屏顯示電池巡檢儀節(jié)點(diǎn)采集到的電池相關(guān)參數(shù)，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。服務(wù)器與客戶端主要用于保證系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)信號(hào)的傳輸，讓工作人員遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)無人值守。通過電池巡檢儀進(jìn)行蓄電池的巡檢，可以避免人工操作錯(cuò)誤造成短路、觸電和負(fù)載斷電等危險(xiǎn)。

圖1 電池巡檢儀總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電池巡檢儀主要監(jiān)測蓄電池組的充放電流和充放電壓，硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)的核心芯片采用Cortex-M4系列的STM32F407ZET6，譯碼電路芯片74HC154D和雙刀雙擲繼電器DS2Y-SDC5V構(gòu)成18個(gè)電壓信號(hào)選通管理電路。

圖2 電池巡檢儀硬件框圖

2.1 微處理器的選擇

電池巡檢儀主要用于蓄電池運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，要求主控微處理器具有成本低、功能強(qiáng)大以及能耗低等特點(diǎn)[4]。本系統(tǒng)選擇ST公司生產(chǎn)的32位微處理器STM32F407ZET6作為主控芯片，該主控芯片的內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M4 CPU，擁有412KB的Flash存儲(chǔ)器，能夠支持閃存、NOR、NAND存儲(chǔ)器等。另外，該芯片采用LQFP封裝方式，擁有144個(gè)引腳，其中140個(gè)引腳具有中斷能力，3個(gè)引腳的轉(zhuǎn)換速度超過2.4 MHz，能夠完全滿足本系統(tǒng)的功能需求。

2.2 蓄電池電壓采集設(shè)計(jì)

蓄電池電壓是否穩(wěn)定也是評(píng)價(jià)蓄電池性能的關(guān)鍵要素，也應(yīng)當(dāng)納入蓄電池組日常檢測范圍。蓄電池電壓采集選通電路有兩個(gè)核心器件，一是譯碼電路芯片74HC154D，該芯片充當(dāng)一個(gè)多路分配器，能夠輸入4個(gè)高有效地址，同時(shí)還能夠輸出16個(gè)低有效的互斥地址位。將該芯片的輸出端Y0～Y15依次置為低電平，接通以后蓄電池也將被依次選通，此時(shí)就可以對蓄電池的電壓進(jìn)行切換控制。另一個(gè)是雙刀雙擲繼電器DS2Y-S-DC5V，當(dāng)電路中某個(gè)繼電器被選通時(shí)，蓄電池組對應(yīng)的電池正負(fù)端就會(huì)接入到繼電器的兩個(gè)端口，可以快速采集到該蓄電池電壓。將采樣獲取到的電壓值送入到差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器電路，就可以得到該蓄電池的電壓值。由于流入運(yùn)算放大器電路的正、負(fù)端電流相等、電阻比值相等，因此該方法采集到的各個(gè)電池電壓值的輸入值、輸出值與實(shí)際相符。另外，采用該方法來采集電壓能夠做到信號(hào)不被影響，讓測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

在本設(shè)計(jì)中，電池巡檢儀節(jié)點(diǎn)所采集到的模擬信號(hào)將通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。但是，蓄電池組的電壓大多為幾百伏，而數(shù)字信號(hào)的電壓值不大，如果將兩者共用電源必然相互影響。因此本設(shè)計(jì)將被測信號(hào)與電池巡檢儀節(jié)點(diǎn)的主控制隔絕，這樣可以避免兩者之間相互干擾，從而提高測量的準(zhǔn)確率。

2.3 無線模塊硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ZigBee無線模塊，將ZigBee無線模塊的USART接口與芯片74HC154D相連，通過無線通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。因此，當(dāng)電池巡檢儀節(jié)點(diǎn)采集到蓄電池組信號(hào)時(shí)，就會(huì)通過ZigBee無線模塊將信號(hào)快速傳遞給控制器，控制器將信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示器，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并快速啟動(dòng)報(bào)警等功能。用戶也可以通過顯示屏查看歷史電壓信息和實(shí)時(shí)電壓信息等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)在IAR Embedded Workbench IDE 6.0上進(jìn)行，該軟件有許多現(xiàn)成的芯片類庫、工程文件模板，能夠直接調(diào)用相關(guān)的模板。同時(shí)，在該軟件基礎(chǔ)上能夠直接添加程序代表，提高開發(fā)效率，讓開發(fā)變得更加簡單。

3.1 電壓采樣模塊軟件設(shè)計(jì)

電壓采樣模塊的主要功能是采集蓄電池組的電壓，單體電池電壓采樣子程序能夠?qū)Ω鱾€(gè)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓檢測。在測量電壓之前，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)初始化，清零現(xiàn)有的測量值。在測量第一節(jié)電池電壓前，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換前先配置A/D轉(zhuǎn)換通道，尤其是A/D轉(zhuǎn)換的速率、精度和工作方式，合理控制寄存器能夠選擇電壓測量通道[5]。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取ADC寄存器的值，更新譯碼器，讀取第一個(gè)蓄電池的電壓值，然后繼續(xù)讀取下一個(gè)蓄電池的電壓值。按照先后順序依次讀取完18個(gè)蓄電池的電壓值，并將相關(guān)電壓值通過ZigBee模塊傳送到巡檢儀控制器與上位機(jī)。控制器進(jìn)行運(yùn)算，如果檢測到超出預(yù)設(shè)電壓范圍的電壓值則發(fā)出報(bào)警信息。用戶也可以通過上位機(jī)查看各個(gè)蓄電池的電壓值，確保每個(gè)蓄電池的電壓值在規(guī)定的范圍內(nèi)，避免影響到蓄電池組的正常工作。

3.2 無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

無線通信模塊用STM32F407ZET6作為主器件，ZICM2410作為從器件，用3線方式將芯片連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀、寫和傳輸?shù)裙δ?。無線通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與控制器之間的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，一方面可以將蓄電池巡檢儀各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的模電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將其傳輸給控制器。另一方面可以將控制器發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)化成供串口使用的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給節(jié)點(diǎn)。在蓄電池巡檢儀開始工作之前，GPIO、時(shí)鐘、SPI、DMA初始化。然后通過SPI通信接口將電池巡檢儀各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取到的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給ADC，同時(shí)在上位機(jī)顯示相關(guān)參數(shù)信息。按照該方法可以收集電池巡檢儀各節(jié)點(diǎn)獲取到的數(shù)據(jù)，有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池的工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

電池巡檢儀設(shè)計(jì)完成以后，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行調(diào)試，主要包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試以及軟硬件聯(lián)合聯(lián)調(diào)3個(gè)步驟。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在整體測試之前應(yīng)當(dāng)分別對電壓采集模塊、溫度采集模塊、無線通信模塊等進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成以后，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整合調(diào)試，直到所有功能符合要求。

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，要采用循序漸進(jìn)的方法。上電測試時(shí)，蓄電池的電壓應(yīng)當(dāng)逐漸升高，緩慢上調(diào)，避免過壓造成事故。在測試之前，應(yīng)當(dāng)檢查接線是否正確，不要出現(xiàn)錯(cuò)接和漏接等情況。校正調(diào)試設(shè)備，確保設(shè)備運(yùn)行正常，精度符合要求。在調(diào)試串行通信時(shí)，用485、232轉(zhuǎn)接頭將模塊與PC機(jī)相連，可以通過示波器等觀察電壓變化情況，同時(shí)連接顯示器觀察數(shù)據(jù)發(fā)送與接收情況。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完成以后，系統(tǒng)就會(huì)顯示蓄電池組的工作狀況，如圖3所示。不僅可以查看每一個(gè)蓄電池的情況，還可以查看所有電池單體任意一個(gè)時(shí)間段的電壓狀態(tài)，以實(shí)時(shí)了解蓄電池的工作狀態(tài)。

圖3 電池巡檢儀故障報(bào)警

5 結(jié) 論

蓄電池組的正常工作是確保輸配電線路控制裝置和保護(hù)裝置正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組的工作狀態(tài)顯得十分重要。本文研究出有效、方便且快速的電池巡檢系統(tǒng)，監(jiān)測各個(gè)單體蓄電池充放電電流和充放電電壓等參數(shù)，并且分析處理實(shí)時(shí)獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)，對蓄電池組的單個(gè)蓄電池工作狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，有助于供電系統(tǒng)正常工作，提高供電質(zhì)量。