| 标题 | 钒流电池监控管理系统设计与实现 |
| 范文 | 孙成才 罗承双 黄艳国 摘要：针对钒流电池测试需求，介绍了钒流电池的工作原理，根据钒流电池运行参数，设计了一种C/S模式与B/S模式相结合的钒流电池监控管理系统。钒流电池监控管理系统主要利用C#语言和.NET技术相结合的方式，在VS2015操作平台上以SQL Server 2016作为数据库管理系统，完成了对钒流电池正负极电解液控制泵的启动、停止，实现了实时数据采集与显示、历史数据查询以及故障报警检测等功能设计。实验结果表明，钒流电池监控管理系统操作方便、运行稳定、安全性高，对钒流电池测试系统研究以及测试标准的建立具有重要参考价值。 关键词：钒流电池；C#语言；实时数据采集；故障报警 DOIDOI：10.11907/rjdk.172463 中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003009003 英文摘要Abstract：In view of the test requirement of vanadium redox flow battery， the paper introduces the working principle of vanadium redox flow battery，According to the operating parameters of vanadium redox flow battery， a kind of C/S mode and B/S mode combination of vanadium redox flow battery monitoring management system is designed； Vanadium redox flow battery monitoring and management system mainly uses C # language and .NET technology combination way to SQL Server 2016 for the database management system in the VS2015 operating platform， completed the vanadium redox flow battery positive and negative electrolyte control pump start， stop； The design of realtime data acquisition， display， historical data query and fault alarm detection is realized.The experimental results show that the vanadium redox flow battery monitoring and management system is easy to operate， stable and safe， and it is of great reference value for the research of vanadium redox flow battery test system and the establishment of test standard. 英文關键词Key Words：vanadium redox flow battery； C # language； realtime data acquisition； fault alarm 0引言 太阳能、风能以及其它可再生能源产生的电能除用于生产设备外，需要将额外的富裕能量存储在储能电池中。目前储能电池主要包括镉镍电池、铅酸电池、锂离子电池、全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB，简称钒流电池）、钠硫电池等类型。镉镍电池的优势在于其大电流充放电能力强、维护简单。由于镉镍电池充放电过程中若处理不当会出现严重的“记忆效应”，从而大大缩短电池使用寿命。同时，由于其在欧洲造成的环境污染问题，已受到CE标准限制，无法使用；铅酸电池以其质量稳定、成本低、可靠性强、安全性高等优点可作为后备电源，在太阳能、风能、应急设备中得到了广泛应用。然而铅酸电池比能量和比功率较低，随着反复充电次数的增加，其使用寿命短，且对环境有污染；锂离子电池作为第三代动力蓄电池的代表，与铅酸电池、镉镍电池等相比，具有体积小、比能量与能量密度高、比功率高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、对环境无污染等优点，因而得到了广泛应用[1]。但其不适合大容量集成，生产维护成本高，难以在电力系统中使用。 随着电化学储能技术的不断发展，钒流电池技术已经逐渐成熟。钒流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的液流电池，在风电、光伏发电、电网调峰等领域有着极其广阔的应用前景[23]。钒流电池在结构形态上与其它电池区别很大，它是一种通过外接泵将电解液输送到电池堆的液态电池。因此，钒流电池监控管理系统的设计与实现是电池高效、稳定运行的保障。 针对以上问题，本文采用C#语言，在Visual Studio2015 开发平台上，采用C/S结构与B/S结构相结合的方式，将钒流电池电压、电流、温度、SOC等参数通过无线模块输送到钒流电池监控管理系统上进行实时显示、储存。由于Visual Studio2015 开发平台具有功能强大、使用灵活等优点，使钒流电池监控管理系统可通过图表生动、形象地展示电池运行情况。 1钒流电池工作原理 钒流电池是一种新型的电化学储能装置，主要由电解液、电池堆、离子膜、泵等部分组成[4]。钒流电池的工作原理如图1所示，化学能存储于不同价态的钒离子中，电解质溶液在泵的作用下平行流过电极表面并发生电化学反应，然后通过双电极板收集和传导电流[5]。 2主要技术分析 2.1C/S模式与B/S模式相结合 C/S模式主要由客户应用程序（Client）、服务器管理程序（Server）组成。C/S结构可充分利用两端的硬件优势，将任务合理分配到客户端和服务器端，以降低系统的通讯开销，保证客户端的响应速度。C/S结构中的联接软件不仅可以起到多数据源、多种服务之间的桥梁作用，而且可以通过数据复制技术、两阶段提交协议等确保分布在网络各节点上数据的一致性、完整性和可用性[6]。C/S结构主要用于后台管理系统的设计，管理员可以根据需求，远程启动钒流电池的正泵、负泵以及钒流电池的充放电。 B/S模式主要由客户端（Client）、Web服务器、数据库服务器3部分组成[7]。用户通过浏览器向Web服务器发送请求，Web服务器对请求进行处理，再将用户需要的信息发送给客户端。B/S的最大优点是只需要一台能联网的PC机，而不需要安装复杂的软件。通过浏览器，可实现钒流电池电压、电流、温度的实时数据与历史数据查询，电压、电流、温度曲线显示分析、故障报警等功能。 随着计算机技术的不断进步，C/S结构维护成本相对较高、适用范围较窄、用户较为固定等缺点不断凸显，难以满足社会需求。而B/S结构也存在速度和安全性上设计成本高、达到C/S模式需求代价大等缺点。鉴于此，将二者结合使用，以高效发挥各自优势，提高系统运行效率。 2.2SQL Server2016数据库 数据库在整个钒流电池管理系统中起着重要作用，数据库的数据备份与还原可以帮助用户在系统出现故障时保存历史数据，还原丢失的数据，以保证系统稳定性。 在该系统中，SQL Server 2016以其可靠性、稳定性且容易操作等特点在中小型网络数据库系统中受到广大用户的青睐。SQL Server2016数据库的新增特点如下[8]：①全程加密技术（Always Encrypted）。该功能可避免操作系统管理员接触客户的重要数据（包括静态数据和动态数据），也支持将重要数据存储在云端管理数据库中，即便是云供应商也无法查看；②JSON支持。SQL Server 2016提供JSON导入和导出支持，可以解析JSON格式数据，然后以关系格式储存；③Stretch Database。当为本地数据库中的一个或多个表启用Stretch DB功能时，SQL Server 2016可以安全方式将数据从本地SQL Server数据库动态归档并托管到在云中的Azure SQL数据库，有助于将数据无缝迁移到Microsoft Azure中；④Always On。在SQL Server 2016中引用了对DTC（Distributed Transaction Coordinator）和循环负载平衡的支持；⑤支持R语言。SQL Server支持R语言处理，可以利用现有的R代码直接在SQL Server数据库引擎上运行。 3系统总体设计 3.1登录模块设计 登录窗口是用户和应用程序之间的主要交互界面[9]。为保障系统的安全性，系统开发了登录模块。用户名与密码所在的表已经在数据库中建立，通过应用程序与数据库建立关系，可对数据库中相应的表进行查询，验证用户输入的用户名和密码是否正确。 如果用户输入信息不完整或输入的用户名或密码不正确，系统将提示重新输入，进入系统主窗体之后再判断是否为管理员。如图2所示为钒流电池登录系统流程。 3.2系统功能模块设计 钒流电池监控管理系统主界面由6大模块组成，分别为钒流电池管理、用户设置、通信设置、个人设置、查看、帮助。各个模块之间相互协作，共同实现钒流电池监控管理系统的自动化管理。 （1）钒流电池管理模块。显示钒流电池的环境温度、正负极电解液温度、电堆温度、SOC的值、负载电压、开路电压、负载电流、保护电流；显示并设置电流上下限值、电压上下限值、SOC上下限值、正负极电解液温度上下限值与电堆温度上下限值。 （2）用户设置模块。用户名、密码、用户类型的添加、修改与删除。 （3）通讯设置模块。设置无线模块串口的波特率、数据位、校验位以及COM端口号。 （4）个人设置模块。主要用于修改用戶个人密码。 （5）查看模块。可查看历史数据与系统报警信息。报警类型分为3类：①正极电解液欠热与过热、SOC过低与过高、电流过小与过大、电压过低与过高；②电堆欠热与过热、负极电解液欠热与过热；③环境温度欠热与过热。 （6）帮助模块。查看钒流电池监控管理系统的基本信息及帮助文档。 3.3数据库设计 鉴于钒流电池监控管理系统的复杂结构以及数据的动态查询等特点，开发人员在数据库开发过程中，采用自定义函数方式进行设计。数据库设计时将数据库系统与多个被监控的系统进行连接，实现数据的整合、分析。 在SQL Server 2016中创建钒流电池监控管理系统所需的数据库。创建数据库的语句为：CREATE DATABASE db_name。本系统数据库命名为db_MyEntry。在db_MyEntry数据库中创建各类需要的表。例如登录系统中用户名、密码的添加，创建表的语句为：CREATE TABLE tb_User（ID int not null， UserNm nvarchar（50） null， UserPd varchar（50） null）。用户权限表结构如表1所示。 4系统实现 钒流电池监控管理系统采用MODBUS协议的RS485总线方式进行通信。该通信协议支持ASCII模式和RTU模式。本文采用RTU模式，与ASCII模式相比，在相同的波特率下，RTU模式可传输更多数据。RTU传输模式通常采用 CRC 错误校验方法，进行循环冗余校验码 （ CRC） 校验，判断数据的合法性和有效性[10]。在该模式中，每8bit字节被定义为两个4bit的十六进制字符，读取数据时，上位机下发数据的通信格式帧如图3所示。 上位机与下位机的连接通过JZ893数据模块，为实现信息远距离传送和接收，需在上位机选用串口控制。微软.NET Framework 提供了极为方便的串口通信功能，其命名空间是System.IO.Ports[11]。JZ893数据模块是高集成度的小功率半双工无线数传模块，其采用SI高性能射频芯片及高速单片机。模块提供8个频道，并配备专业的设备软件，以便用户进行数据更改；采用国家计量频段，可以传输任意大小的数据；采用RS232串口转RS485的方式，体积小，使用电压宽，传输距离远。 钒流电池监控管理系统在Microsoft Visual Studio 2015 开发平台下使用C#进行设计，C#语言集成了VB语言的可视化操作和C++高运行效率的优点，成为当前.NET开发的首选语言[12]。由于下位机发送的数据很难直观显示钒流电池的工作状态，因此利用VS2015软件开发的钒流电池监控管理系统可以通过图表生动、形象地展示钒流电池的运行情况，及时发现系统异常并进行维护。上位机监控界面如图5所示。 5结语 本文介绍了钒流电池的工作原理及发展现状，根据客户需求，使用C#语言设计并实现了钒流电池监控管理系统。试验测试结果表明，该系统操作便捷、稳定性好、安全性高，较好地满足了工业环境中的客户需求。 参考文献参考文献： [1]陈迪茂，金祺，江华.自动化集装箱码头AGV锂电池选型比较[J].水运工程，2016（9）：9195. [2]LIAOS C， SHI J Y， DING C M， et al. Photoelectrochemical regeneration of all vanadium redox species for construction of a solar rechargeable flow cell[J]. Journal of Energy Chemistry，2017. [3]贾志军，宋士强，王保国.液流电池储能技术研究现状与展望[J].储能科学与技术，2012（1）：5057. [4]LI LY， KIM S， WANG W. A stable vanadium redoxflow battery with high energy density for largescale energy storage[J]. Advanced Energy Materials，2011（3）：394400. [5]沈洁，李广凯，侯耀飞，等.钒液流电池建模及充放电效率分析[J].电源技术，2013（6）：10011003，1013. [6]李红兵，汪运冰.基于BIM的工程监理管理系统[J].土木工程与管理学报，2016（6）：7882. [7]李永剛，刘艳，王鑫明，等.基于MAS的电网新设备启动方案智能编制系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2016，44（12）：119124. [8]KANJILAL， JOYDIP. New features in SQL Server2016[EB/OL].InfoWorld.com，2015. [9]张春平，郁大照，王超.基于C#的实验室综合管理系统的设计与开发[J].实验技术与管理，2014（8）：136138. [10]范学佳，赵斌，衣淑娟，等.基于Modbus的寒地水稻育秧环境智能监控系统[J].农机化研究，2016（2）：201204. [11]邬蓉蓉，滕召胜，谭琦，等.基于C#.NET的智能化汽车衡称重管理系统[J].仪表技术与传感器，2010（7）：4850. [12]刘奇，林岗.基于Visual Studio 2010的UG二次开发研究[J]. 自动化技术与应用，2015（1）：4041，46. 责任编辑（责任编辑：黄健） |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。