一种环网柜蓄电池健康状态在线监测系统的制作方法

1.本发明涉及环网柜检测技术领域，尤其涉及一种环网柜蓄电池健康状态在线监测系统。


背景技术：

2.当前的环网柜运行环境较为复杂，夏天温度达到45℃到55℃，冬天在0℃以下，春秋湿度大，蓄电池无法处于稳定、良好的运行环境，极易出现膨胀、端子生锈、溢酸腐蚀等现象，存在大量故障隐患，运维成本较大。
3.蓄电池的检测手段主要是检测电压，而在环网柜正常运行中蓄电池处于浮充状态，电压一般是正常的，但实际蓄电池的性能已经出现问题，无法正常放电或者不能满足正常电源失电后保证后备供电需求。
4.目前在配电网络中，环网柜的使用数量较为庞大，环网柜内部的蓄电池种类也繁多，并且蓄电池单体间一致性较差，成组后管理不当将会造成故障隐患，进而影响蓄电池使用寿命，给批量应用管理带来巨大挑战。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种环网柜蓄电池健康状态在线监测系统，包括：监测终端和监测服务器；监测终端设置在各个环网柜内部，监测环网柜内部蓄电池的状态信息，并将状态信息传输给监测服务器；
6.监测终端包括：通信模块、主控模块和从控模块；
7.从控模块用于采集蓄电池的电压、电流、温度数据信息，并将采集的数据信息传输给主控模块；
8.主控模块配置有蓄电池参数在线辨识单元和数据处理单元；
9.蓄电池参数在线辨识单元用于对蓄电池的电压、电流、温度数据信息分别进行比对判断，判断是否超阈值，如超阈值，则将超阈值信息发送给监测服务器；
10.数据处理单元用于对蓄电池在充电或放电状态下基于soc算法估算蓄电池的soc值；
11.实时检测蓄电池电流i，利用安式积分法估算当前时间的蓄电池soc值，通过获取蓄电池充放电电量，通过充放电电量以及soc值得出蓄电池的衰减状态；
12.还根据蓄电池的工作电流i和工作电流v得出，每个时间段的电压变换率，并得出蓄电池能量的转换效率以及蓄电池的内阻r；
13.数据处理单元还通过通信模块将蓄电池的状态信息上传至监测服务器。
14.进一步需要说明的是，监测服务器包括：蓄电池状态收发模块，数据转换模块以及数据处理模块；
15.蓄电池状态接收模块用于接收监测终端发送的蓄电池状态信息，并将每个蓄电池状态信息组成蓄电池数据集；
16.数据转换模块用于将蓄电池数据集中数据配置成蓄电池数据特征向量和数据标识；
17.数据处理模块用于将蓄电池数据集中的蓄电池数据特征向量作为学习模型执行训练，将蓄电池数据对应的数据标识作为所述学习模型进行输出；
18.基于执行训练后的蓄电池数据特征向量对应的权重值，确定蓄电池数据的报警触发阈值；
19.蓄电池状态收发模块将报警触发阈值配置到监测终端作为预设时间段内的蓄电池参数判断报警触发阈值；当蓄电池参数超出报警触发阈值时进行报警。
20.进一步需要说明的是，主控模块的数据处理单元配置蓄电池在各个环网柜中使用状态下的蓄电池数据集；数据处理单元基于蓄电池状态收发模块发送的预设时间段内的蓄电池参数判断报警触发阈值对蓄电池参数进行判断，如超阈值则进行报警。
21.进一步需要说明的是，数据处理模块在每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数，配置成蓄电池数据集；
22.数据处理模块还判断每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数的波动范围，
23.若单位时间内接收的蓄电池参数的波动范围小于或等于第一预设波动阈值，将所述蓄电池参数由预设时间点进行接收，并配置蓄电池数据集。
24.进一步需要说明的是，若单位时间内接收的蓄电池参数的波动范围大于第一预设波动阈值，则求出单位时间内接收的所述蓄电池参数的平均值，判断平均值是否在第二预设波动阈值范围内；
25.如在，则将所述蓄电池参数的平均值，配置蓄电池数据集；
26.若不在第二预设波动阈值范围内，则判断为异常数据进行报警。
27.进一步需要说明的是，数据处理模块在每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数，与相邻时间段内获取的蓄电池参数进行比值，判断比值是否超出比对阈值，如超出，再与在先n个时间段内获取的蓄电池参数进行比值，判断比值是否超出比对阈值，如均超过阈值，则判断当前为异常蓄电池参数，并进行报警。
28.进一步需要说明的是，数据处理模块还用于将蓄电池数据集的蓄电池参数配置预设的神经网络单元中，每个神经元先输入值加权累加再输入激活函数作为该神经元的输出值，并进行正向传播，得到蓄电池参数分值；
29.将蓄电池参数分值输入误差函数loss function，与期待值比较得到误差，多个则为和，通过误差判断识别程度
30.再通过反向传播，反向求导，误差函数和神经网络中每个激活函数都要求，最终目的是使误差最小，来确定蓄电池数据集中蓄电池数据的梯度向量；
31.通过梯度向量来调整每一个权值，配置蓄电池参数分值，使误差趋于0 或收敛的趋势调节；
32.重复上述过程直到设定次数或损误差失的平均值不再下降最低点得到蓄电池数据特征向量对应的权重值。
33.进一步需要说明的是，从控模块的蓄电池电压采集通过ltc6803-1芯片实现；
34.从控模块内置一个12位adc、配置有电压基准数据、高电压输入多路复用器和串行接口；
35.从控模块测量12个串接蓄电池的电压，测量误差在0.25％以内，并在 13ms完成所有电池的测量。
36.进一步需要说明的是，从控模块还配置有电压检测通道，电压检测通道有效值输入为250mv；
37.还配置有电流通道，电流通道集成有一个增益可编程放大器，输入的电平最大有效值可为250mv或50mv；
38.还配置cs5460a的调制器采用了过采样原理，对高频信号噪声有抑制性，对信号进行滤波处理。
39.进一步需要说明的是，通信模块采用can通信进行数据传输；
40.通信模块实现主控模块和从控模块之间通信连接，还实现主控模块与监测服务器通信连接；
41.通信模块配置有两路can口，分别为cana和canb，工作电压为3.3v， cana用来接收从主控模块和从控模块发送的电流电压信息，canb用来发送估算的状态参数至监测服务器；
42.通信模块配置有sn65hvd230芯片。
43.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
44.本发明的环网柜蓄电池健康状态在线监测系统能够对蓄电池内阻、容量等参数进行精准在线辨识，能够在本地对蓄电池健康状态进行精准研判和及时预设指令运维，上传预警数据信号。这种装置确保了环网柜蓄电池作为后备供电的可靠性。
45.本发明的可以实时检测蓄电池电流i，利用安式积分法估算当前时间的蓄电池soc值，通过获取蓄电池充放电电量，通过充放电电量以及soc值得出蓄电池的衰减状态。监测服务器可以获取每个蓄电池状态信息组成蓄电池数据集，并利用蓄电池数据集通过预设的蓄电池状态学习模型进行训练，以对蓄电池数据特征向量的值进行优化。基于优化后的蓄电池数据特征向量进行量化得到报警触发阈值，并配置到监测终端，从而实现蓄电池状态的动态监控。这样，提升了监控过程的稳定性以及数据的全面性，保证监控状态。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为环网柜蓄电池健康状态在线监测系统示意图；
48.图2为环网柜蓄电池健康状态在线监测系统实施例示意图。
具体实施方式
49.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不
应认为超出本发明的范围。
50.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
51.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
52.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
53.本发明提供一种环网柜蓄电池健康状态在线监测系统，如图1至2所示，包括：监测终端2和监测服务器1；监测终端2设置在各个环网柜内部，监测环网柜内部蓄电池的状态信息，并将状态信息传输给监测服务器1；
54.监测终端2包括：通信模块3、主控模块4和从控模块5；
55.从控模块5用于采集蓄电池的电压、电流、温度数据信息，并将采集的数据信息传输给主控模块4；主控模块4配置有蓄电池参数在线辨识单元和数据处理单元；
56.蓄电池参数在线辨识单元用于对蓄电池的电压、电流、温度数据信息分别进行比对判断，判断是否超阈值，如超阈值，则将超阈值信息发送给监测服务器1；
57.数据处理单元用于对蓄电池在充电或放电状态下基于soc算法估算蓄电池的soc值；
58.实时检测蓄电池电流i，利用安式积分法估算当前时间的蓄电池soc值，通过获取蓄电池充放电电量，通过充放电电量以及soc值得出蓄电池的衰减状态；
59.还根据蓄电池的工作电流i和工作电流v得出，每个时间段的电压变换率，并得出蓄电池能量的转换效率以及蓄电池的内阻r。
60.数据处理单元还通过通信模块3将蓄电池的状态信息上传至监测服务器1。
61.这里,soc的定义为state of charge,简称soc，就是指电池中剩余电荷的可用状态，可以用下面这个比例式进行描述：soc＝(剩余电量/额定电量) *100％，这样可以得到蓄电池的相关信息。而且还能够测算出蓄电池能量的转换效率以及蓄电池的内阻r。这样知道蓄电池当前的状态，便于对蓄电池的状态跟踪，可以基于现场使用环境对蓄电池进行调整，维护。
62.作为本发明的一种实施方式，监测服务器1包括：蓄电池状态收发模块，数据转换模块以及数据处理模块；
63.蓄电池状态接收模块用于接收监测终端2发送的蓄电池状态信息，并将每个蓄电池状态信息组成蓄电池数据集；
64.数据转换模块用于将蓄电池数据集中数据配置成蓄电池数据特征向量和数据标识；
65.其中，蓄电池数据特征向量对蓄电池状态信息编译后的一种形式，在后续的模型训练过程中，作为蓄电池状态学习模型的输入蓄电池状态数据；数据标识是输出蓄电池状态信息的监控结果，结果可以为超阈值或不超阈值。当然在蓄电池状态模型训练过程中，可以作为蓄电池状态学习模型的蓄电池状态信息输出。
66.数据处理模块用于将蓄电池数据集中的蓄电池数据特征向量作为学习模型执行训练，将蓄电池数据对应的数据标识作为所述学习模型进行输出；
67.基于执行训练后的蓄电池数据特征向量对应的权重值，确定蓄电池数据的报警触发阈值；
68.蓄电池状态收发模块将报警触发阈值配置到监测终端2作为预设时间段内的蓄电池参数判断报警触发阈值；当蓄电池参数超出报警触发阈值时进行报警。
69.其中训练方式可以为将蓄电池数据集的蓄电池参数配置预设的神经网络单元中，每个神经元先输入值加权累加再输入激活函数作为该神经元的输出值，并进行正向传播，得到蓄电池参数分值；
70.将蓄电池参数分值输入误差函数loss function，与期待值比较得到误差，多个则为和，通过误差判断识别程度
71.再通过反向传播，反向求导，误差函数和神经网络中每个激活函数都要求，最终目的是使误差最小，来确定蓄电池数据集中蓄电池数据的梯度向量；
72.通过梯度向量来调整每一个权值，配置蓄电池参数分值，使误差趋于0 或收敛的趋势调节；这里可以运用sgd算法来执行。
73.重复上述过程直到设定次数或损误差失的平均值不再下降最低点得到蓄电池数据特征向量对应的权重值。
74.当然本发明中可以通过卡方特征选择算法提取蓄电池状态数据集。
75.这里的目的是，通过本发明的蓄电池状态模型训练对学习模型进行训练。将蓄电池数据特征向量在输入至蓄电池状态学习模型，可以输出的蓄电池状态训练结果。在蓄电池数据特征向量训练过程中，基于最大似然估计推导得到的损失函数。之后根据蓄电池数据损失函数计算训练过程中蓄电池数据训练结果与蓄电池数据期望结果的损失，也可以是预设结果，并以降低损失为目的，调整蓄电池数据学习模型中特征向量对应的权重值。
76.进而，基于执行训练后的蓄电池数据特征向量对应的权重值，确定蓄电池数据的报警触发阈值；蓄电池状态收发模块将报警触发阈值配置到监测终端2作为预设时间段内的蓄电池参数判断报警触发阈值；当蓄电池参数超出报警触发阈值时进行报警。
77.本发明中将参考附图描述实现本发明各个实施例的移动终端。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明实施例的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件" 可以混合地使用。
78.监测终端和监测服务器可以包括无线通信单元、音频/视频输入单元、用户输入单元、感测单元、输出单元、存储器、接口单元、控制器和电源单元等等。可以采用无线方式通信。
79.监测终端和监测服务器的数据处理，可以通过使用特定用途集成电路 (asic，
application specific integrated circuit)、数字信号处理器(dsp， digital signal processing)、数字信号处理装置(dspd， digital signal processing device)、可编程逻辑装置(pld， programmable logic device)、现场可编程门阵列(fpga， field programmable gate array)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计为执行这里描述的功能的电子单元中的至少一种来实施，在一些情况下，这样的实施方式可以在控制器中实施。对于软件实施，诸如过程或功能的实施方式可以与允许执行至少一种功能或操作的单独的软件模块来实施。软件代码可以由以任何适当的编程语言编写的软件应用程序(或程序)来实施，软件代码可以存储在存储器中并且由控制器执行。
80.作为本发明的实施方式，主控模块的数据处理单元配置蓄电池在各个环网柜中使用状态下的蓄电池数据集；数据处理单元基于蓄电池状态收发模块发送的预设时间段内的蓄电池参数判断报警触发阈值对蓄电池参数进行判断，如超阈值则进行报警。
81.蓄电池数据集中可以涉及蓄电池的电压、电流、温度数据、内阻r以及蓄电池的衰减状态。
82.当然在蓄电池数据集中一个数据集可以基于时间的顺序将蓄电池的电压配置到一个数据集中。这样每个参数均有一个数据集。
83.在进行蓄电池数据集的配置过程中，数据处理模块在每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数，配置成蓄电池数据集；
84.数据处理模块还判断每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数的波动范围，若单位时间内接收的蓄电池参数的波动范围小于或等于第一预设波动阈值，将所述蓄电池参数由预设时间点进行接收，并配置蓄电池数据集；
85.若单位时间内接收的蓄电池参数的波动范围大于第一预设波动阈值，则求出单位时间内接收的所述蓄电池参数的平均值，判断平均值是否在第二预设波动阈值范围内；
86.如在，则将所述蓄电池参数的平均值，配置蓄电池数据集；
87.若不在第二预设波动阈值范围内，则判断为异常数据进行报警。这样可以使单一蓄电池数据符合预设要求。
88.作为本发明的实施方式，数据处理模块在每个蓄电池参数接收时间段内接收蓄电池参数，与相邻时间段内获取的蓄电池参数进行比值，判断比值是否超出比对阈值，如超出，再与在先n个时间段内获取的蓄电池参数进行比值，判断比值是否超出比对阈值，如均超过阈值，则判断当前为异常蓄电池参数，并进行报警。n个时间段可以根据监控需要设置时间段的个数，时间段的时长可以额根据实际需要进行设置。
89.作为本发明的实施方式，主控模块可以配置dsp28335，电池内阻、容量等参数的在线辨识将最小二乘法在dsp28335工程板中实现，soc估算将pi观测器算法在工程板实现，健康状态采用内阻和容量等参数的阈值。
90.从控模块采集所选用的芯片是ltc6803-1,从控模块内置一个12位 adc、一个精准型电压基准、一个高电压输入多路复用器和一个串行接口。能够测量多达12个串接电池的电压，0.25％的最大总测量误差，并可在 13ms完成一个系统中所有电池的测量。可以通过独特的电平移位串行接口将多个ltc6803-1芯片串接以增加电池单体电压的检测数。
91.从控模块的电流检测选用的是cs5460a,该芯片电压通道的最大有效值输入为250mv。电流通道集成有一个增益可编程放大器(pga)，输入的电平最大有效值可为250mv或
50mv。所以当进过分流器电阻采样电流信号形成满量程75mv电压信号，输入该芯片可满足条件。由于cs5460a的调制器采用了过采样原理，对高频信号噪声有很强的抑制性，因此输入信号无需进行复杂的滤波处理。
92.通信模块采用can通信进行数据传输；通信模块实现主控模块和从控模块之间通信连接，还实现主控模块与监测服务器通信连接；
93.通信模块配置ms320f28335控制板，通信模块有两路can口，分别为 cana和canb，工作电压为3.3v，cana用来接收从高压盒和从控盒发送的电流电压信息，canb用来发送估算的状态参数至pc上位机。设计时选用的芯片是采用ti生产的sn65hvd230芯片，该芯片是专门的can收发器，具有较高的通信速率，良好的抗电磁干扰能力，并且能够实现实时高可靠性的串行通讯。
94.采用can通信实现主控模块和从控模块的通信。电压、电流、soc等参数检测量需要数据互传与保存，通信得到保证实时可靠，can总线串行通信协议可满足要求。
95.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
96.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。