黃世回, 楊忠亮, 王汝鋼

（1. 深圳市普祿科智能檢測設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518068；2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在變電站交直流一體化電源系統(tǒng)中，蓄電池作為后備電源提供市電停電故障后的電力支持，以及作為電站直流設(shè)備供電電源，是保證供電安全不可或缺的部分。隨著使用時(shí)間的推移，蓄電池老化失容、失水、鹽化、不均衡、熱失衡等問題成為直流系統(tǒng)的重大安全隱患。如果不能及時(shí)預(yù)測到這些問題，一旦市電停電，由于電池組的短板效應(yīng)，直流系統(tǒng)供電時(shí)間將達(dá)不到規(guī)定時(shí)間要求，特別是個(gè)別內(nèi)部嚴(yán)重腐蝕的蓄電池，在大電流沖擊下，出現(xiàn)內(nèi)部熔斷，導(dǎo)致電池組出現(xiàn)開路現(xiàn)象，直接威脅到供電安全。

為了加強(qiáng)變電站蓄電池的運(yùn)行安全性，對電池的維護(hù)管理是必不可少的。早在“十二五”期間，按照國家電網(wǎng)“三集五大”的方針，就在變電站交直流一體化電源系統(tǒng)中實(shí)行了統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)，傳統(tǒng)電池管理監(jiān)控平臺(tái)也被統(tǒng)一納入其中。這不但方便操作，而且極大地節(jié)約了人工成本[1]，也是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的要求[2]。但是，隨著電池應(yīng)用領(lǐng)域的不斷更新和發(fā)展，傳統(tǒng)電池監(jiān)測系統(tǒng)的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能在技術(shù)上存在諸多不足甚至缺陷，沒能真正實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)分析、內(nèi)阻分析、故障診斷，因此電池使用壽命得不到有效的保障。本文中所述智慧電池，以及基于云臺(tái)的電池管理系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用，是一種新的解決變電站電池監(jiān)測與管理、維護(hù)的技術(shù)。

1 變電站用蓄電池及其管理維護(hù)

1.1 傳統(tǒng)電池與監(jiān)測系統(tǒng)

目前，變電站中所用電池以閥控式蓄電池為主。如圖 1 所示，蓄電池以及管理系統(tǒng)在交直流一體化電源系統(tǒng)中應(yīng)用[1]。對于變電站維護(hù)人員來說，定期人工維護(hù)只能通過手持或者傳統(tǒng)在線監(jiān)測設(shè)備檢測電壓值、電流值、溫度值等進(jìn)行參考判斷，不能有效解決運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在很多變電站，特別是地理位置相對偏僻的站點(diǎn)，使用的是以電壓監(jiān)測功能為主的較為簡單的電池監(jiān)測系統(tǒng)，通過下載本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從電壓異?；蛘邷囟犬惓碜龊唵闻袛?，并未分析異常的本質(zhì)。沒有有效的運(yùn)維管理，使得電池使用壽命大打折扣。長期維護(hù)實(shí)踐表明，有些電池是可以通過維護(hù)修復(fù)來繼續(xù)使用的，而不是粗暴的整組更換了之，造成不必要的浪費(fèi)。蓄電池過早老化報(bào)廢，給環(huán)保帶來一定壓力，不符合文獻(xiàn) [3] 所提到的廣東“十三五”電源規(guī)劃提倡的節(jié)約環(huán)保指導(dǎo)方針。

圖1 蓄電池在交直流一體化電源應(yīng)用示意圖

1.2 電池管理系統(tǒng)簡介

隨著電子技術(shù)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電池管理系統(tǒng)（BMS）是在電池監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上的功能拓展，除了具備監(jiān)測功能外，還具有維護(hù)管理功能，比如活化、均衡功能，來延長電池使用壽命。通常所說的剩余容量、荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH），是通過對蓄電池進(jìn)行物理和數(shù)學(xué)建模，進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，使用高級算法進(jìn)行估算得到的，這里不做贅述。目前，通過更多的指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，分析電池失效模式，進(jìn)一步為運(yùn)維人員提供管理維護(hù)策略，是蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要發(fā)展趨勢。

目前，若按照采集方式，市面上蓄電池在線管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局可分為傳統(tǒng)的集中式和分布式2 種。集中式結(jié)構(gòu)布局是指，采集、控制、通訊接口、顯示等模塊電路高度集中在一個(gè)機(jī)殼中，大量測試線與通信線引出，接在每只電池的正負(fù)極上。分布式結(jié)構(gòu)布局是指，將采集單元獨(dú)立出去，直接安置在被測電池旁邊，節(jié)省大量的測試線，使分布式監(jiān)控采集單元通過通訊線與主控設(shè)備相連。

傳統(tǒng)的變電站用 BMS 在功能上具有以下特點(diǎn)：① 常規(guī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測，包括電壓、電流、溫度、荷電量等；② 電壓異常告警；③ 局域有線通信，本地查詢、查看電池基本信息；④ 嵌入式單機(jī)系統(tǒng)。

1.3 現(xiàn)有蓄電池管理系統(tǒng)存在的不足

隨著電力系統(tǒng)一體化電源整體技術(shù)的提升，目前的變電站電池管理系統(tǒng)有以下不足：

（1）從功能性方面，沒注重電池內(nèi)阻測試、故障診斷和使用效益評估，對電池均衡，以及延長使用壽命、梯次利用沒有相應(yīng)策略；

（2）從工程安全角度，由于現(xiàn)場測試線、通訊線接線繁冗，安裝耗時(shí)長，因此一方面測試線容易受現(xiàn)場噪聲影響，干擾儀器準(zhǔn)確性，另一方面，意外接線失誤，時(shí)間久了線路老化問題、接地問題，可能造成直流系統(tǒng)突發(fā)事故，存在嚴(yán)重的安全隱患；

（3）從使用地點(diǎn)范圍角度，傳統(tǒng)電池檢測多為本地型、局域型的，因此無法隨時(shí)隨地掌握電池監(jiān)測數(shù)據(jù)；

（4）從技術(shù)層次方面，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、信號(hào)處理等遇到瓶頸，不適應(yīng)海量數(shù)據(jù)挖掘分析的要求；

（5）從設(shè)備維護(hù)方面，在對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)需要電池組斷電后安裝，存在一定停電應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)，而且一旦集成式的硬件有元器件損壞，整個(gè)設(shè)備就不能使用。

（6）從設(shè)備體積來說，對于采用集成式硬件，需要單獨(dú)配置機(jī)柜來放置主設(shè)備，占用了一定的空間。

2 智慧蓄電池的應(yīng)用

2.1 智慧蓄電池簡介

傳統(tǒng)蓄電池純粹是電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，不帶任何電子?？臁５牵T如鋰電池，封裝有相應(yīng)的電源芯片，起到保護(hù)作用。由這一點(diǎn)出發(fā)，如果植入一塊智慧采集?？?，能進(jìn)行電池模型的辨識(shí)、狀態(tài)的預(yù)估等，那么傳統(tǒng)蓄電池就具有功能性的“大腦”，將變得“智慧”起來[5]。 圖 2 所示為智慧電池示意圖。

“智慧”電池理念是把傳統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)的采集功能分離出去，將單獨(dú)的智能模塊，嵌入到電池的整體結(jié)構(gòu)中，以低功耗模式自取電。每個(gè)智能模塊可以寫入、存儲(chǔ)對應(yīng)蓄電池的 ID 信息，包括序列號(hào)、生產(chǎn)日期、額定參數(shù)等，方便電池全壽命周期的物資管理。用基于多頻點(diǎn)的蓄電池檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)每只電池的參數(shù)辨識(shí)，歐姆電阻、極化電阻、極化電容，以及估算出的 SOH、SOC 的性能參數(shù)，都由智慧模塊處理完成。溫度傳感器直接被安裝在蓄電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可準(zhǔn)確獲得電池內(nèi)部的溫度參數(shù)，及時(shí)防止熱失控。

圖2 智慧電池示意圖

2.2 PLC 技術(shù)的應(yīng)用

PLC 即電力線載波通信，是利用電力線路為載波信號(hào)的傳輸媒介，是不需要重新架設(shè)通訊纜線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的一種特殊通信方式[4-5]。在后備電源系統(tǒng)（UPS）或者儲(chǔ)能電站，蓄電池組是一個(gè)完整的直流環(huán)路系統(tǒng)。直流線路中不存在變壓器隔離，以及如電網(wǎng)交流線路存在大的固定干擾。在這種傳輸線路范圍有限的應(yīng)用環(huán)境下，采用 PLC 通信代替以往的單獨(dú)通信線路，實(shí)現(xiàn)智慧電池與電池監(jiān)測控制?？煜嗷ネㄐ拧Ｖ腔鄄杉？旌涂刂破鞑捎弥С?BPSK、FSK、OFDM-PRIME、OFDM-G3電力載波通信標(biāo)準(zhǔn)的 F28PLC83PNT、AFE 031 電力載波芯片，而且用戶亦可以自定義設(shè)置 PLC 的通信協(xié)議[5]。

如圖 3 所示，由連接條串聯(lián)的智慧電池組、正負(fù)直流母線、控制器或數(shù)據(jù)接收設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)環(huán)路。智慧電池內(nèi)的智能模塊、控制器或數(shù)據(jù)接收設(shè)備，都設(shè)有唯一的地址，而且發(fā)送的數(shù)據(jù)包含有目標(biāo)地址和源地址，因此只有與目標(biāo)地址符合的設(shè)備才返回同樣含有目標(biāo)地址和源地址的應(yīng)答信號(hào)?？刂破髋c智慧電池之間是主從模式，即控制器為主設(shè)備，智慧電池為從設(shè)備。由于每只智慧電池都具有獨(dú)立的采集功能，因此通過控制器就可以實(shí)現(xiàn)整組電池的同步檢測，保證一次上傳的整組數(shù)據(jù)同步性，有利于整組電池均衡性的比較，對傳統(tǒng)順次巡檢前后電池狀態(tài)在時(shí)間上產(chǎn)生的累積誤差具有徹底的改善。

圖3 電力線載波信號(hào)在電池組回路通信示意圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的蓄電池管理系統(tǒng)

3.1 云平臺(tái)管理系統(tǒng)架構(gòu)

按圖 4 所示的基于智慧電池云平臺(tái)全壽命管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D，整個(gè)構(gòu)架分為如下層次結(jié)構(gòu)：

采集設(shè)備層——智慧電池（智能采集?？?，包含溫度傳感器）、電流傳感器等；

本地通信層——PLC 通信、485/232 通信、WIFI 通信等；

本地控制層——數(shù)據(jù)集中器、控制器、企業(yè)服務(wù)器、現(xiàn)場顯示器（人機(jī)界面）等；

遠(yuǎn)程通信層——采用 GPRS、LAN、3G、4G通信；

云端主站層——云端服務(wù)器（數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、管理服務(wù)器、WEB、 接口服務(wù)器、防火墻）；

用戶應(yīng)用層——PC 客戶端、手持式移動(dòng)客戶服務(wù)端。

圖4 基于智慧電池的云平臺(tái)全壽命管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

其中，數(shù)據(jù)集中器與現(xiàn)場顯示器主要是為本地?cái)?shù)據(jù)顯示做中轉(zhuǎn)服務(wù)，同時(shí)也可以與云端通信。智能控制器負(fù)責(zé)電池檢測策略的命令控制和數(shù)據(jù)接口控制：對下，通過 PLC 電力線載波方式通信，對各采集終端或者“智慧電池”進(jìn)行檢測任務(wù)控制，以及讀取檢測信息，如電壓、溫度、SOC、SOH；對上，與云端服務(wù)器通過 LAN、WIFI、GPRS、RS 485 等方式進(jìn)行通信，上傳數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)特征

物物相連的互聯(lián)網(wǎng)簡稱物聯(lián)網(wǎng)，用于實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制[6-7]。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域、范圍不同，物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)在形式上具有多樣性，而且其復(fù)雜度也有所不同。圖 4 所示系統(tǒng)拓?fù)鋱D，從結(jié)構(gòu)上儼然是一個(gè)典型的 3 層結(jié)構(gòu)模式的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[8]，即：

感控層——包括智慧電池（智能感知，辨識(shí)蓄電池狀態(tài)參數(shù)）、控制器、電流傳感器、溫度傳感器等；

網(wǎng)絡(luò)層——PLC、GPRS、以太網(wǎng)（LAN）、3G/4G 通信、232/485 通信等；

應(yīng)用層——云服務(wù)器、本地服務(wù)器、客戶移動(dòng)終端 APP、PC 監(jiān)控管理等。

3.3 云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用

云平臺(tái)具有資源共享與整合的功能，能夠協(xié)同各設(shè)備的工作，提供強(qiáng)大存儲(chǔ)功能，其中云服務(wù)器是重要部分[9]。云服務(wù)器為宏觀稱呼，按照功能具體可分為數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、管理服務(wù)器、WEB、接口服務(wù)器、防火墻等。用戶在提交云主機(jī)租用申請后可實(shí)時(shí)開通云服務(wù)器，立即獲得服務(wù)，且無需支付押金。云服務(wù)器的租金低于購買或租用傳統(tǒng)物理服務(wù)器的費(fèi)用，大大節(jié)約了成本。

云服務(wù)器的應(yīng)用集中解決了大量蓄電池監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題，并且形成了蓄電池監(jiān)測管理的大數(shù)據(jù)[10-12]。但是，傳統(tǒng) BMS 不具備對大數(shù)據(jù)處理的能力。云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用可以解決蓄電池大數(shù)據(jù)的挖掘、分析等難題[13-15]，實(shí)現(xiàn)縱、橫向數(shù)據(jù)分析。在橫向上，云計(jì)算可以對比同組各只電池的均衡性；在縱向上，云計(jì)算可以通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘，分析單體電池參數(shù)的變化趨勢，分析其全壽命周期內(nèi)的失效模式。有了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的支持，就可以有效地做出相應(yīng)的電池診斷維護(hù)策略，包括電池開路預(yù)測、失容、失水、鹽化等預(yù)測，均衡策略，梯次利用策略等。

云平臺(tái)應(yīng)用保障了智慧電池全壽命周期管理、從智慧電池初始安裝使用到報(bào)廢回收整個(gè)生命周期精細(xì)化監(jiān)測管理，以及維護(hù)策略，最大程度延長了電池的使用壽命，提高了使用效率，對蓄電池用戶來說，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。只需提供用戶名跟密碼，用戶就可以在PC 機(jī)終端應(yīng)用軟件（見圖 5），查看電池監(jiān)測、分析信息，下載電池診斷報(bào)告，以及處理結(jié)論。另一方面，通過移動(dòng)網(wǎng)接入，在移動(dòng)手持設(shè)備下載電池管理系統(tǒng) APP 應(yīng)用（見圖 6），實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地查看電池監(jiān)測信息的功能。

圖5 智慧電池云平臺(tái)系統(tǒng) PC 軟件

圖6 智慧電池云平臺(tái)系統(tǒng)移動(dòng) APP 軟件

4 智慧電池以及云 BMS 在變電站運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

2017 年 7 月開始，2 V 300 Ah 智慧電池和云BMS 投入實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行階段。以 54 只為一組，組成2 組智慧電池測試系統(tǒng)，如圖 7、圖 8 所示。從圖中可以看出，電池現(xiàn)場安裝十分精簡整潔，電池極柱螺栓上沒有傳統(tǒng)的大量測試線與通信線，杜絕了由外加測試線引起的接地故障隱患。在長達(dá) 3 個(gè)多月的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段，進(jìn)行了智慧電池的核容、診斷等工作。

圖7 實(shí)驗(yàn)室智慧電池在線運(yùn)行現(xiàn)場

圖8 變電站智慧電池組在線運(yùn)行現(xiàn)場

在以 0.1C電流核容時(shí)放電機(jī)的設(shè)置：總終止電壓 99 V，單體電壓 1.8 V，時(shí)長 10 h。實(shí)際上，以 30 A 放電 10 h 截止，放出 300 Ah 容量，智慧電池組總電壓 100.1 V，單體電壓均值 1.87 V，最低單體電壓 1.85 V，均高于放電機(jī)設(shè)置的限值，電池容量大于標(biāo)稱值 300 Ah（見圖 9）。

圖9 智慧電池 10 小時(shí)率核容放電曲線

圖10 為電池組滿充狀態(tài)下 SOC 為 100 % 時(shí)一次診斷的歐姆內(nèi)阻 R1 分布圖，圖 11 為 10 小時(shí)率核容后，SOC 為 0 時(shí)，一次診斷的歐姆內(nèi)阻 R1 分布圖。從圖 10 和圖 11 對比可見，電池組在滿充電狀態(tài)下，整組電池的歐姆內(nèi)阻均值為 0.309 mΩ，最大值為 0.340 mΩ，最小值為 0.280 mΩ，電池組的整體歐姆內(nèi)阻較為均衡。0.1C電流 10 小時(shí)率放電核容后，歐姆內(nèi)阻均值為 0.681 mΩ，最大值為 0.980 mΩ，最小值為 0.551 mΩ。從內(nèi)阻均值來看，整組電池核容放電后歐姆內(nèi)阻的均值是滿容狀態(tài)時(shí)的 2.2 倍，符合蓄電池電阻變化特性，但是組間的歐姆內(nèi)阻波動(dòng)相對比較明顯。考慮到測量誤差的原因，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)多次測量，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，有利于篩選電池內(nèi)阻一致性。如果電池是新的，對低 SOC 下內(nèi)阻相對較大的電池做重點(diǎn)全壽命周期跟蹤觀測。無論電池新舊，對高 SOC 下內(nèi)阻相對較大的電池都要做重點(diǎn)觀測。然后，結(jié)合電壓、溫度等參數(shù)，在云平臺(tái)做出諸如鹽化、腐蝕等電池故障的判斷，進(jìn)而給出活化、均衡、更換等策略。

圖10 智慧電池組 SOC 為 100 % 時(shí)歐姆內(nèi)阻 R1 分布

圖11 智慧電池組 SOC 為 0 時(shí)歐姆內(nèi)阻 R1 分布

5 結(jié)束語

將智能數(shù)據(jù)采集?？旒蓛?nèi)置于蓄電池殼體內(nèi)的智慧電池，實(shí)現(xiàn)包括內(nèi)阻檢測等多參數(shù)辨識(shí)，并且采用 PLC 通訊和 GPRS 等現(xiàn)代無線通訊方式，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：在完全不改變傳統(tǒng)的電池連接方式和使用方式的情況下，不用增加任何測試線，每一只智慧電池通過其他智慧電池、智慧電池間的連接線、正直流母線和負(fù)直流母線，就可將檢測到的電池本體的多維性能參數(shù)和該智慧電池的 ID 信息以電力線載波通信方式發(fā)送給電池監(jiān)測數(shù)據(jù)接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)信息互聯(lián)。云平臺(tái)的蓄電池管理技術(shù)使得所有變電站電池能集中信息管理，使用者和管理者可以隨時(shí)掌握每一只電池當(dāng)前的多維狀態(tài)數(shù)據(jù)，并給出診斷報(bào)告，進(jìn)行均衡維護(hù)，提高了變電站直流供電系統(tǒng)電池維護(hù)的信息化、智能化，有利于蓄電池的使用壽命延長，提高了變電站蓄電池全生命周期的監(jiān)控管理的效率。

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