蓄电池在线管理系统在轨道交通信号系统中的应用

雷平

摘  要：轨道交通信号系统蓄电池在线管理系统以全新的设计理念，采用计算机软件技术、网络通信技术、现代控制技术、电力电子技术，通过对运行中的蓄电池进行实时数据采集、智能诊断分析，并预测性能变化趋势，在线检测蓄电池组中单体电池的容量和内阻，正确预测蓄电池组性能，自动地对蓄电池组中的各单体电池进行在线调节控制。采用全方位开放的基于Windows网络及操作系统平台的SCADA系统，在控制中心/维护中心设置蓄电池在线管理中心层设备，为运营维护人员提供蓄电池监视、控制的人机界面，实现实时数据采集、历史数据查询、蓄电池组性能状态分析、报表处理和实时报警等应用功能，实现对全线蓄电池在线监测及管理。

关键词：轨道交通;信号系统;蓄电池;在线管理系统

中图分类号：TM912       文献标志码：A

0 引言

随着经济的快速发展，轨道交通作为一种安全、高效、环保、舒适的城市交通运输方式，引起了越来越多城市的重视。信号系统作为保证行车安全、提高行车效率的系统设备，需要可靠性、可维护性很高的电源，以此来保证供电质量和供电连续性。信号系统蓄电池作为信号备用电源UPS的供电电源，对保障系统的安全、稳定有重要作用。但近年来因轨道交通信号系统电源维护不到位，导致国内外的城市地铁先后发生一些不同程度的事故。为避免由于信号电源维护不到位，造成蓄电池容量不足或蓄电池损坏而发生事故，急需一套安全、经济的信号电源维护管理方案，以此来保证电源设备的长效运行[1]。

1 系统简介

城市轨道交通信号系统蓄电池采用阀控式密封胶体铅酸电池作为信号系统的后备电源供电，正常状态下处于备用状态，当系统正常电源故障时，通过UPS给系统供电。蓄电池结构是个全密封的相对“黑箱”，外界不能直观判断其内部变化情况，且内部反应遵从复杂的电化学规律，而不完全是电路原理。传统的蓄电池组充电曲线是定期的强充电，即用充电机对一组串联的蓄电池组进行在线充电，目的是对蓄电池组中性能落后的蓄电池进行补偿性充电，恢复它的容量，但这种充电方式无法保证蓄电池组中每节蓄电池均衡充电，往往由于蓄电池组中某节蓄电池的端电压变化（变高或变低），而导致其他蓄电池处于过充电或欠充电状态，长时间处于这种状态势必会大大降低蓄电池组的使用寿命，增加系统的安全隐患[2]。现在市场上出现了很多蓄电池的维护设备，它们只能在线检测单体电池的端电压，无法对单体电池的容量及内阻进行在线监测，也无法对蓄电池组进行在线调整、在线激活[3-4]。蓄电池维护工作量巨大，需要实时、准确地监控单体蓄电池电压、电池组电流和温度，且需要定期测试及跟踪蓄电池内阻变化趋势及周期性充放电等情况。

为了减少蓄电池维护工作量，降低维护过程中存在的风险，避免维护间隔出现问题，城市轨道交通信号系统引入了蓄电池在线管理系统。蓄电池在线管理系统根据蓄电池的运行特性进行深入研究，以全新的设计理念，通过先进的微机控制和电力技术，在线检测蓄电池组中单体电池的容量和内阻，正确预测蓄电池组性能，自动地对蓄电池组中各单体电池进行在线调节控制，防止单体电池过、欠充，让每节蓄电池的端电压、容量及内阻都处于标准值内，并对性能较弱的电池进行补充电、激活，可大大延长蓄电池组的运行使用寿命，提高在线运行蓄电池组的可靠性及性能[5-6]。

2 系统结构

蓄电池组在线管理系统采用基于网络的三级集散式监控体系，由采集层、管理层和中心层3层结构构成[7-8]，如图1所示。各级监控自成体系，下级监控保证在上级监控故障或不存在时能独立工作，产生告警信息。上级监控可以对下级监控的工作状态和数据进行汇总处理。

2.1 采集层

采集层为每组蓄电池组配置的智能监控单元及采集模块单元，模块采集单元实现对单节、整组蓄电池的容量、内阻、电压、电流、偏差度、环境温度数据的实时采集。智能监控单元与相应的采集模块采用硬线连接方式，对模块采集单元的相关数据进行汇集。同时，监控单元具有与监控管理机设备通信功能，将采集到的相关信息实时传输至监控管理机。

2.2 管理层

管理层由蓄电池监控管理机和通信网络组成，是数据的集中和转发中心。通过监控管理机汇集各站点的监测数据，并对数据进行统计分析、存储，形成各种报警信息、报表、图形等。蓄电池监控管理机通过通信网络将汇集数据传送至中心服务器。

2.3 中心层

中心层由服务器、工作站、网络设备和管理信息系统组成。全网管理层监控管理机通过通信网络将各个站点的蓄电池容量、内阻、电压、温度等在线监控数据传输至中心服务器，中心服务器对全网数据进行统计分析、存储，形成各种报警信息、报表、曲线图以及趋势图等。

3 系统功能

蓄电池组在线管理系统可以对城市轨道交通信号系统的控制中心、正线车站及车辆段蓄电池进行现场及远程在线实时监控管理。系统主要监测电池组的总电压、总电流、单体电池电压、单体电池内阻、单体温度等参数，通过检测数据进行分析，对超限参数发出声、光等报警，并进行记录下来，同时在监控界面上以报警窗口的形式进行提示。系统内嵌了智能分析功能，能自动对数据进行分析并生成电池报告。

3.1 电池参数实时监测

系统可实时监测蓄电池组内的所有单体电池电压、单体电池内阻、单体电池温度、电池组电压、以及充放电电流，同时还具备蓄电池内阻在线测试功能、蓄电池容量在线测试功能、蓄电池端电压巡检功能，可以完全取代现有直流电源系统中的蓄电池组内阻测试仪、容量检测仪及电压巡检仪，具体监测数据信息如下。

电压数据采集：电池组及单体电池电压。

内阻数据采集：随时或定期自动在线测量电池组及單体电池内阻，并可预设内阻的告警阀值。

容量数据采集：电池组及单体电池容量。

温度数据采集：环境温度。

3.2 在线调整功能

蓄电池在线管理系统能自动地对单节电池进行在线调整，使每节电池的性能一致。系统在上电后即投入在线运行，根据电池测量单元采集到的电池电压计算出偏差度，偏差度大于设定值时，系统将自动分别对单节电池进行放电和充电，直至偏差度达到设定范围。通过对单节电池电压进行调整，使他们工作在相同的电压、内阻、容量状态下，防止因蓄电池过充或欠充导致蓄电池组快速老化，以此来延长电池使用寿命。

3.3 在线激活功能

系统通过智能检测和控制系统、高精度的电压和电流检测、自动检测环境温度补偿电压参数功能、变频脉冲充电功能等，对性能落后的单节电池进行在线激活，防止蓄电池因长期浮充而导致的硫酸盐化，消除从内部引起的安全隐患，确保蓄电池处于最佳状态，能延长蓄电池组的运行寿命。

3.4 实时报警及后台分析功能

系统能实时对单体电池及电池组的各种异常情况进行主动告警，为运营维护人员提供蓄电池监视、控制的人机界面，具有实时数据采集、历史数据查询、蓄电池组性能状态分析、报表处理和实时报警等应用功能。

系统采用全方位开放的基于网络及操作系统的平台，是运行人员可以实现蓄电池监视、控制的人机界面，具有实时数据采集、历史数据查询、蓄电池组性能状态分析、報表处理和实时报警等应用功能，同时提高标准的接口与其他系统进行数据通信。

4 系统应用

城市轨道交通信号系统蓄电池设置在控制中心、正线车站、车辆段等位置，设备较为分散，且根据信号设备的配置蓄电池的配置数量也不一样，为了便于维护及管理，一般在所有车站设置采集层及管理层设备对本地单节、整组蓄电池参数进行采集监测及管理，在控制中心/维护中心设置蓄电池在线管理中心层设备，实现对全线蓄电池的在线监测及管理。

蓄电池在线管理系统具有对外通信端口，可以方便的接入第三方监控系统，为了节约投资并进行资源共享，减少维护管理设备及人员，可将蓄电池在线管理系统的本地监测信息纳入信号维护监测子系统，中心层设备与信号维护监测子系统中心设备整合，纳入维护监测子系统统一管理，如图2所示。

5 结语

系统通过对蓄电池进行检测、治疗、预防等全方位的维护，大大提高了蓄电池的使用质量，可提升蓄电池使用寿命，降低了客户的蓄电池购置成本。通过在线激活和在线调整技术实现了“整组蓄电池管理=1节蓄电池的管理”，将蓄电池的各项参数都控制在一定范围内，确保蓄电池运行安全。在线检测功能可精准检测每节蓄电池的电压、内阻、容量，代替了人工维护，提高了工作效率及自动化管理水平，预防地铁信号系统电源事故发生，大大减轻了客户维护及管理成本的高额负担。

参考文献

[1]郭文进.电池管理系统的设计[J].现代电子技术，2016，39（10）：149-151，155.

[2]贠学伟.蓄电池在线监测管理系统设计与应用[J]. 电子技术与软件工程，2018（7）：231.

[3]傅江太.编程逻辑控制的空间蓄电池组均衡充电系统[J].电源技术，2015（10）：2198-2200.

[4]马超.通信电源蓄电池组的日常巡检和测试分析[J]. 中国新通信， 2017（16）：11.

[5]曹智.UPS蓄电池组全寿命周期运行质量控制研究[J]. 现代工业经济和信息化，2016（20）：62-63，66.

[6]王自国.UPS远程集中监控及蓄电池放电系统设计[J]. 盐业与化工，2016（2）：27-29.

[7]李文亮.蓄电池在线监测技术的最优化方法选择[J]. 电子测试，2017（9）：95-96.

[8]冉春森.蓄电池组智能监测保护的研究[J].电子世界， 2018（8）：177-178.

[9]傅双仟.UPS蓄电池的在线监测分析[J].企业技术开发， 2018（4）：76-78.