基于APP Designer的站用鉛酸蓄電池性能分析軟件設(shè)計(jì)

黎劍波 熊超

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 廣東省廣州市 510663）

1 引言

閥控式鉛酸蓄電池組是變電站中直流電源系統(tǒng)的核心，其性能質(zhì)量關(guān)乎整個變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。隨著閥控式鉛酸蓄電池在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，運(yùn)維的站用蓄電池組數(shù)量非常龐大。截止2020年底，廣州局運(yùn)維8 個換流站、1 個變電站，蓄電池?cái)?shù)量總計(jì)達(dá)到106 組，其中運(yùn)行年限5年以上的蓄電池組為26 組，占全部蓄電池組的25%。根據(jù)廣州局歷史運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行時間達(dá)到5年以上的蓄電池組出現(xiàn)容量問題的概率非常大，因此很有必要設(shè)計(jì)一款站用鉛酸蓄電池性能分析軟件。

APP Designer 是美國Math Works 公司為Matlab 軟件量身定制的應(yīng)用程序構(gòu)建平臺，屬于GUIDE 代替產(chǎn)品，隨Matlab R2016a首次發(fā)布。APP Designer 建立在現(xiàn)代的基于Web 的技術(shù)上，并允許應(yīng)用程序在Web 上運(yùn)行。開發(fā)環(huán)境友好，相比GUIDE 具有更豐富的組件和更穩(wěn)定的編程模型。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，APP Designer 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在數(shù)值仿真[2]、軟件建模[3]和參數(shù)匹配[4]等領(lǐng)域。

2 軟件需求分析及功能設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

目前對蓄電池的運(yùn)維主要是依據(jù)南方電網(wǎng)《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》[5]的規(guī)定，蓄電池容量管理采取周期性核對性充放電的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。投運(yùn)4年內(nèi)每2年一次，投運(yùn)4年以上每年一次，要求采用I10 電流進(jìn)行恒定電流放電，蓄電池容量應(yīng)為標(biāo)稱容量的 80%及以上。

蓄電池性能分析軟件需要按產(chǎn)品化和模塊化設(shè)計(jì)思路，通過合理選擇UI 組件和布局，在感官、交互和性能等方面提供良好的用戶體驗(yàn)。本軟件使用對象是站用蓄電池運(yùn)維和管理人員，其需要集中在電池典型性能曲線、電池充放電建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模與訓(xùn)練、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等方面。

2.2 軟件功能模塊

依據(jù)上述需求分析和鉛酸電池特點(diǎn)，并考慮軟件產(chǎn)品的完整性，本次設(shè)計(jì)的鉛酸蓄電池性能分析軟件共分為7 大模塊，各模塊功能及主要組件如表1所示。

表1：軟件功能模塊

3 APP Designer關(guān)鍵技術(shù)

Matlab2021a 自帶的APP Designer 共有常用組件21 種、容器3種、圖窗工具3 種、儀器組件10 種、航空組件8 種，可以滿足絕大多數(shù)的軟件界面和布局設(shè)計(jì)要求。而Matlab 自帶的豐富的工具箱和接口函數(shù)，使得軟件相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)變得更加簡便，從而實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)和迭代。

3.1 APP文件操作

蓄電池性能分析軟件需要與本地電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行交互，需要進(jìn)行文件讀??；經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練、保存以及測試均也離不開文件操作。使用最頻繁的是文件選取、讀取數(shù)據(jù)和保存等功能，用到的接口函數(shù)有readmatrix、readtable、readcell、uigetfile 和uisave 等。

3.2 APP參數(shù)傳遞

蓄電池性能分析軟件包含多個模塊，參數(shù)傳遞分為APP 內(nèi)部參數(shù)傳遞和APP 之間參數(shù)傳遞。常用的參數(shù)傳遞方法共有4 種，具體如表2所示。

表2：APP 參數(shù)傳遞方法

3.3 APP信息提示

為了獲取更好的用戶體驗(yàn)，APP 設(shè)計(jì)工具支持控組件的tooltip屬性；設(shè)置了tooltip 的組件，在鼠標(biāo)滑過時會顯示提示內(nèi)容。除此之外APP 設(shè)計(jì)工具提供了uiconfirm、uialert 和uiprogressdlg 等信息交互函數(shù)，其中uialert 相當(dāng)于uiconfirm 的一個特例，uiprogressdlg用于顯示進(jìn)度條。uiconfirm 使用范圍最廣泛，可以用于，詳細(xì)用法如表3所示。

表3：uiconfirm 用法及Icon 屬性

4 功能實(shí)現(xiàn)及測試

為了按照軟件規(guī)劃的模塊和組件，利用APP Designer 最終順利完成設(shè)計(jì)并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。軟件主頁效果如圖1所示，具有6 大功能模塊，采用帶有提示的圖標(biāo)按鈕進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)計(jì)。

圖1：鉛酸蓄電池建模及壽命預(yù)測軟件主頁

4.1 電池特性

電池特性模塊展示了典型鉛酸蓄電池的放電特性、周期性SOC-充放電電流曲線以及內(nèi)阻曲線，其中數(shù)據(jù)來源為站用蓄電池實(shí)測和鉛酸電池模型仿真數(shù)據(jù)。布局和展示效果如圖2所示，用戶通過下拉框選擇曲線，軟件自動載入相關(guān)數(shù)據(jù)并生成特性曲線。

圖2：VRLA 特性曲線

4.2 模型訓(xùn)練

BP(back propagation) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是1986年由Rumelhart 和McClelland 為首的科學(xué)家提出的概念，是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]。文獻(xiàn)1成功將其應(yīng)用于站用鉛酸蓄電池的壽命預(yù)測，本模塊利用文獻(xiàn)1 公開的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的圖形化操作界面，效果如圖3所示。用戶通過訓(xùn)練結(jié)果下拉框來查看誤差曲線、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和預(yù)測結(jié)果對比曲線，可重復(fù)訓(xùn)練獲得滿意網(wǎng)絡(luò)模型并保存到本地。

圖3：VRLA 模型訓(xùn)練

4.3 壽命預(yù)測

用戶使用模型訓(xùn)練模塊完成對BP 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練后，可將誤差小的網(wǎng)絡(luò)模型保存到本地。壽命預(yù)測模塊可載入已經(jīng)訓(xùn)練好的模型，然后利用驗(yàn)證樣本對模型的預(yù)測性能進(jìn)行評估。該模塊操作界面如圖4所示，用戶可通過打開模型圖標(biāo)選擇本地存儲的模型文件，然后點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)預(yù)測按鈕對當(dāng)前模型進(jìn)行驗(yàn)證，點(diǎn)擊下拉框可查看預(yù)測誤差曲線和預(yù)測結(jié)果對比曲線。

圖4：BP 網(wǎng)絡(luò)壽命預(yù)測

5 結(jié)束語

通過鉛酸蓄電池性能分析軟件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，表明本文提出的基于Matlab APP Designer 軟件方法具有良好的可行性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。APP Designer 在界面設(shè)計(jì)和用戶交互方面表現(xiàn)突出，具有構(gòu)建較大規(guī)模應(yīng)用程序的能力?；贏PP Designer 設(shè)計(jì)的軟件不足之處主要在于運(yùn)行速度和軟件部署兩個方面：運(yùn)行速度和電腦硬件配置關(guān)系密切；程序部署的趨勢是Web APPs 方式，安裝Matlab 的電腦作為服務(wù)器，把APP 程序發(fā)布到局域網(wǎng)，客戶端可以通過瀏覽器訪問。