李建林，武亦文，王 楠，熊俊杰，馬速良

（1. 儲能技術工程研究中心（北方工業(yè)大學）,北京市 100144；2. 國網(wǎng)綜合能源服務集團有限公司,北京市 100032；3. 國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院,江西省南昌市 330000）

0 引言

為響應中國2030 年碳達峰戰(zhàn)略和促進清潔電能轉型,吉瓦級新能源+電化學儲能的發(fā)展模式值得重點關注［1］。作為一種靈活的儲能資源,電化學儲能近年來發(fā)展迅猛,已建成多個百兆瓦級示范工程。隨著國內(nèi)吉瓦級電化學儲能電站示范項目的確立,中國青海省政府已經(jīng)與國內(nèi)相關企業(yè)分別簽署吉瓦級電化學儲能電站戰(zhàn)略合作協(xié)議,計劃在青海格爾木、烏圖美仁等多個地區(qū)部署1 GW/2 GW·h電化學儲能電站,中國山西、福建、河南等地也已經(jīng)開始了對吉瓦級電化學儲能電站建設的探討并逐漸進入部署階段。但電化學儲能電站的安全始終是制約電化學儲能發(fā)展的瓶頸。因此,研究吉瓦級電化學儲能電站的信息架構與安防體系具有重要意義。

吉瓦級電化學儲能電站的信息架構是其安防體系的基礎支撐,而安防體系是電站信息架構的數(shù)據(jù)終端以及整個電站安全穩(wěn)定運行的保障［2］。吉瓦級電化學儲能電站的信息架構要滿足其分布式站址的信息傳輸需求,并能夠為安防體系的預警與消防環(huán)節(jié)提供準確、及時的數(shù)據(jù)支撐,在提高設備使用效率、運行壽命的同時優(yōu)化電站經(jīng)濟性與安全性［3］。傳統(tǒng)百兆瓦級電化學儲能電站規(guī)模較小,其數(shù)據(jù)傳輸為多個集裝箱并行上傳至數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)量較?。挥捎谀壳凹呒夒娀瘜W儲能電站相關技術尚難以支撐單站規(guī)模達到吉瓦級,前期示范工程采用分布式站址,同時需要接受省級調(diào)度中心（簡稱省調(diào)）的統(tǒng)一調(diào)度,各個百兆瓦級子站需要與省調(diào)進行數(shù)據(jù)交互。因此,吉瓦級電化學儲能電站面臨兩大問題：①單站規(guī)模遠超目前百兆瓦級電化學儲能電站,其信息架構承受的數(shù)據(jù)量顯著增多,在與省調(diào)通信過程中,數(shù)據(jù)傳輸延遲也將導致省調(diào)指令存在偏差；②由于單站規(guī)模增大,其安全問題也更為突出,一旦某個集裝箱發(fā)生火災,吉瓦級電化學儲能電站部分停運將導致嚴重經(jīng)濟損失。因此,有必要深入研究其安防體系,增強吉瓦級電化學儲能電站的安全性。

目前,國內(nèi)的吉瓦級電化學儲能電站示范工程將陸續(xù)建成并投運。為推動吉瓦級電化學儲能電站信息架構與安防體系的研究發(fā)展,本文從通信與監(jiān)測、狀態(tài)評估與維護、預警與消防3 個角度進行分析：分析了吉瓦級電化學儲能電站的整體信息架構,討論了在儲能電站向吉瓦級規(guī)模發(fā)展的過程中可能存在的問題及對策；梳理了吉瓦級電化學儲能電站狀態(tài)評估與運維關鍵技術,剖析了電站狀態(tài)評估與運維的技術形勢；面向吉瓦級電化學儲能電站的安防問題,從預警與消防2 個角度分析了故障預警及火災消防措施,為吉瓦級電化學儲能電站安防體系建設提供參考。

1 吉瓦級電化學儲能電站信息架構

目前,儲能電站單站達到吉瓦級規(guī)模技術難度較大,因此在吉瓦級電化學儲能電站建設前期,都是以分布式吉瓦級電化學儲能電站形式建設示范工程。與傳統(tǒng)百兆瓦級電化學儲能電站相比,吉瓦級電化學儲能電站信息架構具有分布式建設、集中調(diào)控的特點。多個百兆瓦級子站在進行站內(nèi)管控的同時,還需接受省調(diào)的統(tǒng)一調(diào)度,作為一個整體儲能資源為區(qū)域電網(wǎng)提供服務。因此,海量數(shù)據(jù)匯聚于省調(diào)部門,省調(diào)需要據(jù)此判斷吉瓦級電化學儲能電站整體狀態(tài)。建設可傳輸并處理海量數(shù)據(jù)的電站信息架構,同時提高電站安全性,是吉瓦級電化學儲能電站建設面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

吉瓦級電化學儲能電站的信息架構與安防體系見圖1。在集裝箱中電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）采集、匯集數(shù)據(jù)后送至調(diào)度中心,總站進行電池等關鍵設備的狀態(tài)評估,生成對應的預警動作信號、設備維護指令等,指令下發(fā)至EMS,控制電池集裝箱故障隔離并利用多級消防消除火災事故,提高吉瓦級電化學儲能電站安全性［4］。

圖1 儲能電站信息與安防架構Fig.1 Information and security architecture of energy storage power station

1.1 吉瓦級電化學儲能電站整體信息架構

吉瓦級電化學儲能電站子站的規(guī)模可達數(shù)百兆瓦級別,接受省調(diào)的統(tǒng)一調(diào)控。一方面,電站整體的運行模式由省調(diào)根據(jù)當前電力系統(tǒng)運行情況進行調(diào)度,相比傳統(tǒng)百兆瓦級電化學儲能電站而言,子站運行模式難以自主控制,因此電站的信息架構也將相應改變；另一方面,多個子站之間存在相互間通信,因此面臨百兆瓦級電站間數(shù)據(jù)交互、信息共享問題。

吉瓦級電化學儲能電站信息架構涉及儲能電池、功率變換器（PCS）、站內(nèi)變壓器等電氣元件模塊以及監(jiān)控裝置、消防裝置、電源裝置等,而通信系統(tǒng)是各個部件以及站內(nèi)通信與總站之間連接的橋梁［5］；另一方面,與百兆瓦級電化學儲能電站相比［6］,為了集成吉瓦級電化學儲能電站,同一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的百兆瓦級子站數(shù)量將明顯增多,為保證吉瓦級電化學儲能電站接受調(diào)度指令的響應速度以及整體性,各個子站之間的信息交互也將更為頻繁。

電站規(guī)模擴大導致監(jiān)控對象增多,帶來了新的難題：百兆瓦級電化學儲能電站僅單個電池堆每秒上行及下行數(shù)據(jù)就達到數(shù)千至上萬個,吉瓦級電化學儲能電站必然面臨海量數(shù)據(jù)的處理問題；當出現(xiàn)異常,如何在海量電池中定位故障電池,以及在哪個管控層級切除故障電池［7］。針對上述問題,需要對吉瓦級電化學儲能電站BMS、PCS、EMS、數(shù)據(jù)中心等關鍵組成部分在整體信息架構中的位置、監(jiān)控功能、職責范圍等進行討論,分析吉瓦級電化學儲能電站對信息架構需求,以總結提出可行的技術路線。吉瓦級電化學儲能電站的通信結構如圖2 所示。

圖2 儲能電站通信架構Fig.2 Communication structure of energy storage power station

1.2 吉瓦級電化學儲能電站關鍵設備數(shù)據(jù)

以吉瓦級電化學儲能電站的信息架構為監(jiān)測、控制、告警等數(shù)據(jù)提供傳輸通道,因此可以通過分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠹捌渥呦?歸納出電站整體信息架構的不足及改進方法［8］。BMS 匯總統(tǒng)一電池簇內(nèi)各個電池模組所采集的數(shù)據(jù),并內(nèi)置直接故障隔離功能；同一個集裝箱內(nèi)的BMS 信息在EMS 處匯集并進行簡化處理,加大其采樣間隔以減小數(shù)據(jù)量,并對下屬BMS 進行控制；最終子站的全部EMS 數(shù)據(jù)上報數(shù)據(jù)中心,進行電站級別的整體調(diào)度與控制［9］。

1）BMS 監(jiān)測數(shù)據(jù)

BMS 對電池單體及電池簇進行監(jiān)測,在發(fā)生異常時及時對電池進行保護。根據(jù)《大型電化學儲能電站電池監(jiān)控數(shù)據(jù)管理規(guī)范》［10］及《電化學儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術規(guī)范》［11］等標準整理出儲能電站BMS 數(shù)據(jù)采集標準,見表1。標準中對BMS 電池監(jiān)測測點、監(jiān)測數(shù)據(jù)類別、采樣精度、采樣頻率等給出建議；同時也對BMS 的功能給出建議,應能夠計算荷電狀態(tài)（SOC）、事件順序控制（SOE）等狀態(tài)參數(shù),進行故障診斷及保護,管理電芯過充、過放、過溫及不均衡狀況并實現(xiàn)統(tǒng)計記錄功能。

表1 儲能電站BMS 數(shù)據(jù)采集標準Table 1 Data acquisition standard of BMS for energy storage power stations

目前,國內(nèi)兆瓦級以及百兆瓦級電化學儲能電站的電壓及溫度采樣周期均遵循表1 中要求,青海等部分百兆瓦級電站采樣頻率可達15 ms/次。在兆瓦級電站向百兆瓦級電站發(fā)展過程中,儲能集裝箱數(shù)據(jù)量沒有明顯變化,可以預見,吉瓦級電化學儲能電站的集裝箱數(shù)據(jù)量與百兆瓦級儲能電站相比將不會出現(xiàn)顯著變化。

雖然單個集裝箱數(shù)據(jù)量沒有顯著變化,但集裝箱的數(shù)量增長為數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)匯總帶來了很大壓力。電化學儲能電站集裝箱數(shù)量隨電站容量同比例增長。目前,BMS 之間多使用串行通信,雖然對通信線路要求低,傳輸速度卻很慢,在數(shù)據(jù)上傳中難免出現(xiàn)通信延遲、搶占通信信道等問題,且一旦某個BMS 出現(xiàn)故障,其下順位的BMS 將無法繼續(xù)通信；另一方面,十倍于百兆瓦級電化學儲能電站的數(shù)據(jù)量匯集于數(shù)據(jù)中心,給數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄、設備信息跟蹤等重要功能帶來了挑戰(zhàn),因此BMS 需要向智能化發(fā)展,增加BMS 中的數(shù)據(jù)處理以及控制功能,盡量減少數(shù)據(jù)中心中匯總的數(shù)據(jù)量,以此優(yōu)化電站數(shù)據(jù)結構［12］。BMS 是數(shù)據(jù)采集的終端,也是吉瓦級電化學儲能電站監(jiān)控電池狀態(tài)的基礎設備,其技術發(fā)展對電站的安全性以及經(jīng)濟效益具有重要意義。對吉瓦級電化學儲能電站BMS 提出以下建議：①優(yōu)化BMS 上行通信方式,研究并行通信可行性,將每個BMS 作為獨立測控終端與上級通信,減少BMS 傳輸數(shù)據(jù)時搶占通信信道帶來的數(shù)據(jù)延遲問題；②增加BMS 智能化程度,將低難度的數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷及控制功能集成于BMS 之中,可以減少上層數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理壓力,優(yōu)化電站整體數(shù)據(jù)結構。

2）PCS 運行調(diào)度

吉瓦級電化學儲能電站中的PCS 是儲能電池與電網(wǎng)連接的橋梁,通常多個電池簇掛載在同一PCS 低壓直流母線上,根據(jù)吉瓦級電化學儲能電站不同的應用場景,直接接在交流母線送出或經(jīng)過變壓器升壓接入高壓交流輸電線上傳輸。

PCS 并網(wǎng)存在2 個主要問題：①吉瓦級電化學儲能電站需要多臺PCS 并聯(lián)提高功率轉換能力,由于并網(wǎng)時一般采用LCL 濾波器,因此面臨諧振尖峰數(shù)量增多導致系統(tǒng)失穩(wěn)的問題［13］；②主流PCS 器件難以精確控制,且PCS 升壓能力不足,需要變壓器升壓才能并入電網(wǎng)。

針對以上問題,可以對吉瓦級電化學儲能電站PCS 技術發(fā)展方向提出以下建議：①針對吉瓦級電化學儲能電站多PCS 并聯(lián)諧振尖峰問題,可考慮如有源阻尼控制、下垂控制等PCS 控制策略,提高電站并網(wǎng)安全性；②面向未來柔性直流輸電的電網(wǎng)發(fā)展趨勢,可以結合模塊化多電平換流器（MMC）等新型技術設立試點集裝箱,探索MMC 直接并網(wǎng)的可行性。

3）EMS 數(shù)據(jù)匯流

EMS 用于信息計算、記錄、信息上報及下行指令控制,每個集裝箱配備一套EMS。每個集裝箱中的EMS 可以對此集裝箱數(shù)據(jù)進行匯總,并與上級通信,將監(jiān)測數(shù)據(jù)及電池SOC 等狀態(tài)估計數(shù)據(jù)、某些故障發(fā)生后BMS 上傳的告警信號等上傳。吉瓦級電化學儲能電站規(guī)模較大,因此站內(nèi)集裝箱數(shù)量眾多,為EMS 同時實現(xiàn)能量管理、策略制定等功能帶來壓力。而目前國內(nèi)多數(shù)儲能電站集裝箱的BMS中尚未集成計算、控制等功能,僅供數(shù)據(jù)的匯總、上傳。各集裝箱EMS 匯總數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)壓力大,因此工程應用中EMS 將對數(shù)據(jù)進行采樣,在不影響狀態(tài)監(jiān)測的情況下減少數(shù)據(jù)量。吉瓦級電化學儲能電站數(shù)據(jù)流向如圖3 所示。

圖3 吉瓦級電化學儲能電站數(shù)據(jù)流Fig.3 Data flow of gigawatt electrochemical energy storage power station

根據(jù)GB/T 34131—2017《電化學儲能電站用電池管理系統(tǒng)技術規(guī)范》［14］,大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)應盡量采用多層次結構。但目前EMS 運行壓力大,主要因為：目前BMS 集成功能較少,EMS 需要同時進行儲能電池的能量管理、電氣設備監(jiān)控等；EMS 還需要管理PCS,制定PCS 動作策略并對其進行控制。為解決上述問題,可以將EMS 功能分散,設立功率管理系統(tǒng)（PMS）進行PCS 策略制定及控制,而EMS 僅負責儲能電池能量管理及電氣設備監(jiān)控,保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。吉瓦級電化學儲能電站數(shù)據(jù)量更大,因此將其控制功能層級化、分散化將有助于減小設備運行壓力、提高控制實時性、保障電站安全。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)

典型大規(guī)模電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信架構如圖4 所示。

圖4 儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)通信架構Fig.4 Communication architecture of monitoring system for energy storage power station

Q/GDW 1887—2013《電網(wǎng)配置儲能系統(tǒng)監(jiān)控及通信技術規(guī)范》［15］中規(guī)定,大規(guī)模電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)分為站控層、間隔層和過程層。其中對于監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性指標以及實時性指標的要求如表2 所示。

依據(jù)表2 中要求,可以在不同層級選擇以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線、RS485總線這3 種組網(wǎng)方式,不同層級組網(wǎng)方式的選擇應綜合考慮傳輸距離、傳輸速率等因素。以太網(wǎng)是一種傳輸距離遠、傳輸速率快的組網(wǎng)方式,其安全性能也較好,但遠距離傳輸時成本較高,且對環(huán)境要求很高,因此僅適用于站控層內(nèi)部及對外通信,在環(huán)境較好的就地監(jiān)控系統(tǒng)中也可以使用。以太網(wǎng)支持IEC 61850 通信協(xié)議；CAN 總線具有良好的環(huán)境適應性,同時成本低,長、短距離傳輸性能均較為優(yōu)異,但由于其傳輸方式為半雙工,主要在間隔層及過程層之中使用；RS485總線在從站通信異常時將影響下一從站通信,且節(jié)點上只能有一個數(shù)據(jù)發(fā)送端,因此,將RS485 總線用于監(jiān)控終端的動作信號及響應信號傳輸,以及PCS 與電池堆之間的指令傳輸。

表2 儲能系統(tǒng)可靠性與實時性指標Table 2 Reliability and real-time indexes of energy storage system

吉瓦級電化學儲能電站EMS 需要處理海量數(shù)據(jù),但通過控制采樣頻率可以控制其數(shù)據(jù)量。當數(shù)據(jù)匯總于站內(nèi)的數(shù)據(jù)中心,多維度、多樣化、巨大數(shù)據(jù)量將給吉瓦級電化學儲能電站的EMS、儲能數(shù)據(jù)中心信息處理能力帶來巨大考驗。因此,針對吉瓦級電化學儲能電站數(shù)據(jù)量龐大、設備維護難的問題,有必要建立基于大數(shù)據(jù)的儲能監(jiān)控云平臺,根據(jù)用戶不同的工作負載進行動態(tài)的資源調(diào)整［16］。其主要服務包括“基礎設施即服務（infrastructure as a service,IaaS）”“平臺即服務（platform as a service,PaaS）”“軟件即服務（software as a service,SaaS）”3 種功能。吉瓦級電化學儲能電站大數(shù)據(jù)云平臺架構如圖5 所示。

圖5 儲能電站大數(shù)據(jù)云平臺架構Fig.5 Architecture of big-data cloud platform for energy storage power station

利用云平臺IaaS 可以對吉瓦級電化學儲能電站數(shù)據(jù)監(jiān)測、告警等實時性要求高的數(shù)據(jù)進行處理,將計算設備、網(wǎng)絡設備、存儲設備等基礎設施進行虛擬化并封裝,以便數(shù)據(jù)的計算、估計、擬合等；利用云平臺PaaS 對數(shù)據(jù)進行計算以及深度挖掘。使用云平臺提供的服務進行吉瓦級電化學儲能電站的數(shù)據(jù)處理,比起EMS 和數(shù)據(jù)中心等的數(shù)據(jù)處理能力,云平臺可調(diào)用動態(tài)資源空間,因此實際應用中占用內(nèi)存過大的估計、預測等算法均可以使用,能夠增加數(shù)據(jù)處理精度及準確性；利用云平臺SaaS 可以優(yōu)化調(diào)度中心業(yè)務處理,利用云平臺數(shù)據(jù)空間大的特點,建立吉瓦級電化學儲能電站設備全壽命周期數(shù)據(jù)庫,追蹤設備的出場數(shù)據(jù)、運行時長、折損情況等,便于數(shù)據(jù)預測及預警、運行及設備維護檢修等計劃的制訂。

吉瓦級電化學儲能電站的信息架構為應對大數(shù)據(jù)量、更低時延的要求,應基于現(xiàn)有標準規(guī)范,在保障信息安全性與傳輸穩(wěn)定性的前提下,對數(shù)據(jù)進行精簡處理。同時,可探索具有更高性能的數(shù)據(jù)傳輸技術,建立結構更合理、精確性及實時性更高的吉瓦級電化學儲能電站信息架構。

2 吉瓦級電化學儲能電站狀態(tài)評估及運維

吉瓦級電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)采集儲能電池的電流、電壓等狀態(tài)信息,巨大的數(shù)據(jù)量要求必須借助明確、有效的快速數(shù)據(jù)決策方法,因此需要建立數(shù)據(jù)評價指標體系,依據(jù)評價指標體系評估吉瓦級電化學儲能電站運行狀態(tài),針對吉瓦級電化學儲能電站的不同運行狀態(tài)給出調(diào)度、檢修、告警等指令。然而,如儲能電池SOC［17］和儲能電池健康狀態(tài)（SOH）2 種最為關鍵的儲能電池狀態(tài)量無法直接測量得到,因此需要使用參數(shù)整定方法結合改進卡爾曼濾波算法對它們進行估計。

2.1 吉瓦級電化學儲能電池狀態(tài)估計

SOC 與SOH 聯(lián)合估計流程如圖6 所示。

圖6 SOC 與SOH 聯(lián)合估計流程圖Fig.6 Flow chart of joint estimation of SOC and SOH

目前,對于電池SOC 與SOH 的估計主要分為獨立估計與聯(lián)合估計。其中,獨立估計在對其中一個參數(shù)進行估計時忽略另一參數(shù)對其的影響,在前一參數(shù)確定后估計另一參數(shù)。文獻［18］使用開路電壓法計算電池SOC,之后使用SOC 對SOH 進行估計,此方法較好地減小了電池模型非線性帶來的估計誤差,但未考慮SOH 變化給SOC 估計帶來的誤差。文獻［19］采用拓展卡爾曼濾波對SOC 進行估計,然后利用擬合算法獲得內(nèi)阻,從而對SOH 進行估計,同樣未考慮SOH 與SOC 之間的耦合關系,從而引入了估計誤差。獨立估計方法計算結構簡單,但其缺點在于忽略了SOC 與SOH 之間的耦合關系,預測精度下降。

聯(lián)合估計考慮SOC 與SOH 之間的耦合關系,建立了SOC 與SOH 之間的聯(lián)合模型,在SOC 與SOH 的每次計算中都考慮對方帶來的影響,將對方當作變化的參數(shù)進行估計。其中,依賴模型的SOC與SOH 估計使用雙觀測器實現(xiàn)二者的估算,并在估算過程中相互迭代。文獻［20］使用在線自適應電路模型,通過卡爾曼估計電池SOC,最小二乘法觀測電池容量,二者集成以聯(lián)合估算。雖然學者們不斷提出新型算法及改進觀測器提高模型法精度,電池模型的不準確仍舊制約其精度；基于數(shù)據(jù)驅動的聯(lián)合估計模型可以回避電池建模誤差,文獻［21］利用非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)SOC 與SOH 的聯(lián)合估算,避免了電池建模誤差的同時考慮了SOC 與SOH 的耦合關系,在計算的速度與精度之間取得了較好的平衡。

電池SOC 和SOH 的估計需要較高的算法精確度,而狀態(tài)估計的準確性將影響儲能電池運行的短期以及長期效益。由于聯(lián)合估計計算量較大、過程誤差難以把控,因此對于百兆瓦級在數(shù)據(jù)中心設備能夠支撐的情況下,應盡量采用基于數(shù)據(jù)驅動的聯(lián)合估計方法,令SOC 和SOH 在估計過程中相互耦合,提升估計準確性。

2.2 吉瓦級電化學儲能電站評價指標

通過可測量狀態(tài)量對儲能電站的電池模組、電池簇、電池堆甚至電站整體SOC 以及電芯SOH 進行精確估計后,可以根據(jù)可測量狀態(tài)量及不可測量狀態(tài)量制定吉瓦級電化學儲能電站指標體系,以指標體系規(guī)范電站的運行與管控,指導設備的檢修和維護。吉瓦級電化學儲能電站評價指標見圖7。

圖7 吉瓦級電化學儲能電站評價指標Fig.7 Evaluation indexes of gigawatt electrochemical energy storage power station

指標大致可分為依據(jù)可測量狀態(tài)量制定的指標以及依據(jù)SOC 及SOH 此類不可測量狀態(tài)量所制定指標。其中,SOC 代表電化學儲能電池模塊短期充放電能力,可以量化電化學儲能電站剩余能量。SOH 代表儲能電池長期充放電能力,可以定量描述吉瓦級電化學儲能電池各電池模組老化情況,可以直觀地體現(xiàn)儲能電池各參數(shù)的變化情況。

除了SOC 和SOH 兩個最關鍵的儲能電池性能指標外,可測量狀態(tài)量的組合亦能夠反映電池模組的運行狀態(tài)。由圖7 可見,各個可測量狀態(tài)量可以反映吉瓦級電化學儲能電站電池模組的運行狀態(tài),計算簡單且占用運行內(nèi)存少,可以集成于BMS 或EMS 用于超快速異常判斷及故障隔離。由表3 可以看出,建立規(guī)范的電化學儲能電站評價指標體系可以及時發(fā)現(xiàn)過充、過放等電池異常狀態(tài),并且能夠有效預防小型故障的發(fā)生,防止電池模組及電池簇異常狀態(tài)發(fā)展為大型事故［22］。目前國內(nèi)的儲能設備暫無統(tǒng)一標準,電池集裝箱型號、結構、消防標準等均不相同。因此,吉瓦級電化學儲能電站應建立并嚴格遵守通用的指標體系,在故障發(fā)生前阻止其繼續(xù)發(fā)展,才能在不干擾吉瓦級電化學儲能電站的整體或局部運行的前提下,及時有效排除可能發(fā)生的電氣設備故障。

表3 評價指標分析Table 3 Analysis of evaluation indexes

2.3 吉瓦級電化學儲能電站設備維護

吉瓦級電化學儲能電站規(guī)模龐大,其設備安全性極其重要。通過建立評價指標體系的方法可以顯著提高電化學儲能電站的安全性、規(guī)范性和可靠性［23］,但隨著吉瓦級電化學儲能電站的持續(xù)運行出力,設備將自然老化及性能下降［24］,因此有必要制定合理且實用的檢修計劃,保障電站關鍵設備維持良好性能。

傳統(tǒng)的兆瓦/百兆瓦級電化學儲能電站使用“計劃檢修+事后檢修”模式,不同的時期制定不同的檢修計劃。當前新能源并網(wǎng)占比顯著提升且未來很長時間提升趨勢不會降低,電網(wǎng)的隨機性與波動性將有所增加,電化學儲能電站的運行工況也面臨著較大的不確定性。傳統(tǒng)周期檢修方法無法將設備的歷史運行狀態(tài)以及當前健康狀態(tài)納入考慮因素。周期檢修方法根據(jù)當前不同的季度及運行情況,設置固定的檢修周期。此方法可以對設備進行規(guī)律性的檢查與維修,但對設備的管理較差,設備檢修時可能發(fā)生檔期沖突,同時對設備的故障判定條件也難以設定。對吉瓦級電化學儲能電站而言,周期檢修方法可以作為設備維護的后備保障,但不能僅依靠周期檢修方法保證設備的安全性。

事后檢修是一種不具有超前性的事故彌補措施,當設備已經(jīng)發(fā)生故障后對設備進行檢修與維護,而無法響應設備狀態(tài)告警信號。故障發(fā)生后設備的檢修維護非常必要,其響應時間應盡量短,才能將故障的影響降至最低。

文獻［25］以設備超負荷情況作為判斷依據(jù),動態(tài)調(diào)整設備維護開始時間,有效地防止了設備超負荷運轉,但未考慮維護時間對下一層級調(diào)度的影響。文獻［26］在傳統(tǒng)模型的基礎上建立了以維護時間最短為約束的維修模型,但未考慮維修時間改變對設備輪換以及故障應急的影響；文獻［27］利用粒子群算法優(yōu)化儲能電站的檢修周期,在保證電站運行可靠性的基礎上進行了經(jīng)濟性尋優(yōu),但粒子群算法尋優(yōu)易陷入局部最優(yōu)解,實際應用中存在一定問題。

目前,針對檢修周期的優(yōu)化算法仍在不斷發(fā)展,但吉瓦級電化學儲能電站面臨著海量電芯帶來的超大數(shù)據(jù)量,使得已有的檢修周期制定策略均出現(xiàn)了一定的局限性。因此,吉瓦級電化學儲能電站的檢修計劃制定需要結合新興技術,制定具有實時性的檢修策略。借助儲能大數(shù)據(jù)云平臺,可以對設備進行全壽命追蹤,還可以借助云平臺強大的數(shù)據(jù)處理能力進行數(shù)據(jù)特征挖掘與計算,一旦發(fā)現(xiàn)某設備出現(xiàn)故障前兆或其故障可能性過高,可立即安排檢修計劃,通過持續(xù)的提前檢修保證設備運行在良好狀態(tài)；同時應結合運行數(shù)據(jù)及其關鍵設備全壽命周期狀況,借助云平臺高精度風險評估結果,細化檢修目標至設備具體部位,減小檢修工作難度和耗時的同時避免不同設備同期出現(xiàn)問題導致工作人員檔期沖突、人力資源不足。

吉瓦級電化學儲能電站的狀態(tài)評估及運維技術應統(tǒng)籌考慮,對設備的狀態(tài)評估需保證精確性、低時延、低計算量,以精確的評價指標體系保證準確無誤的控制與狀態(tài)監(jiān)測。分布式吉瓦級電化學儲能電站的評價指標與傳統(tǒng)百兆瓦級電化學儲能電站相比差別不大,但在精確度與計算速度方面存在改進空間；設備維護方面應保留事后檢修模式及計劃檢修模式,探索實時檢修的可行性以及對應技術方案。儲能大數(shù)據(jù)云平臺等新型技術可以作為吉瓦級電化學儲能電站狀態(tài)評估及運維技術的發(fā)展方向,其海量的計算資源以及強大的數(shù)據(jù)處理、計算能力契合吉瓦級電化學儲能電站需求,具有實際應用的潛力。

3 吉瓦級電化學儲能電站故障預警與消防

吉瓦級電化學儲能電站的信息架構不僅用于制訂運行、檢修計劃等,還是電站安防體系的重要基礎。由于吉瓦級電化學儲能電站規(guī)模龐大,設備眾多,給故障預警以及火災消防的控制帶來了阻礙。雖然單個分布式子站采集數(shù)據(jù)量并未上升,但其運行計劃受省調(diào)控制,根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)運行狀況靈活改變,子站的運行模式將更為靈活。面對這種情況,儲能電池的運行狀態(tài)改變將更為頻繁,其承受的壓力以及損耗也將變大,因此需要依托更為精確、數(shù)據(jù)承受能力更強的吉瓦級電化學儲能電站信息架構,利用高精度、低延遲的預警與消防技術提高電站的安全性。

吉瓦級電化學儲能電站的故障可大致分為2 類：一類為電池過充、過放導致的電流、電壓過高,此類故障易于發(fā)現(xiàn),且通過切斷線路等手段可以完成隔離；另一類即電池熱失控。電池熱失控是一種不可阻斷的故障,當熱失控發(fā)生時,雖然BMS 能夠立刻切斷電池模塊或電池簇兩端電流,但熱失控已經(jīng)無法自發(fā)停止,同時鏈式反應將導致周圍電池溫度越過熱失控閾值,發(fā)生連鎖反應［28-29］。一旦火焰蔓延到集裝箱規(guī)模,則只能向集裝箱灌水,整個集裝箱將被廢棄?？梢?吉瓦級電化學儲能電站的安全防護必須在電池溫度升高到閾值前監(jiān)測其異常并動作,盡可能提前監(jiān)測到熱失控故障的發(fā)生［30］。故障消防與預警流程如圖8 所示。

圖8 消防與預警流程Fig.8 Fire fighting and early warning process

3.1 故障預警技術

百兆瓦級電化學儲能電站利用站控中心的數(shù)據(jù)計算、處理功能對設備異常狀態(tài)進行檢測。而對于吉瓦級電化學儲能電站而言,其站內(nèi)故障仍由站內(nèi)數(shù)據(jù)中心進行計算與處理,但各個分布式子站數(shù)據(jù)需要上傳至省級調(diào)度部門進行統(tǒng)一管理,雖然數(shù)據(jù)上傳過程需要一定時延,難以由省調(diào)對各個子站形成統(tǒng)一的實時監(jiān)管,但有利于設備全壽命跟蹤信息的校正,可以建立吉瓦級電化學儲能電站的鏡像電站或利用大數(shù)據(jù)平臺技術對各個設備的運行狀態(tài)進行仿真形式的跟蹤,以便發(fā)現(xiàn)設備的異常運行數(shù)據(jù)。另一方面,對電池模組內(nèi)部溫度進行檢測的方式無法在所有電芯處布置測點,典型電池模組內(nèi)僅布置4 到6 個測溫點,對電芯局部故障發(fā)熱的監(jiān)測存在局限性。煙霧探測器只能檢測空氣中煙霧濃度,而當電池包內(nèi)部已經(jīng)鼓脹導致破裂后,電池火災已經(jīng)蔓延開來。因此,吉瓦級電化學儲能電站的故障預警技術仍需要向全方位、低延遲、高精度的方向進一步發(fā)展。

現(xiàn)有的故障預警技術可以根據(jù)其對故障事件判斷原理不同分為2 類：利用經(jīng)驗進行預警以及利用模型進行預警?；诮?jīng)驗的預警方法利用專家給出的意見,結合模糊的方法為故障因素主觀賦權,建立故障風險模型。文獻［31］使用主成分分析及聚類分析對歷史火災形勢數(shù)據(jù)進行了分析,較好地總結出了火災特征狀況,但沒有考慮分級之間的模糊化。文獻［32］使用層次分析法建立了綜合考慮多安全因素的風險評價模型,但是也沒有考慮分級之間模糊化問題。文獻［33］利用多位專家給出的火災預警因素計算閾值,使用模糊聚類建立火災風險評估模型,此方法具有較高的數(shù)據(jù)分類識別精度,結果劃分較為明確,但較為依賴隸屬度閾值選擇的精確性。為解決閾值依賴問題,提高閾值的精確性,文獻［34］利用模糊層次分析法對專家評分進行模糊化處理,使得層次分析法中閾值的精確度提高,使其具有更高的故障篩選與分級精度。

基于模型的預警方法根據(jù)對正常運行數(shù)據(jù)的預測與實際運行數(shù)據(jù)的殘差判斷［35-36］,殘差過大說明實際運行數(shù)據(jù)發(fā)生故障。非線性狀態(tài)估計技術（NSET）是一種典型的殘差預警方法。文獻［37］使用NSET 對風電機組齒輪箱溫度進行監(jiān)測,建立了正常運行時的記憶矩陣,可預測正常運行時的數(shù)據(jù),因此當輸入故障數(shù)據(jù)時輸出結果將發(fā)生變化。此類方法模型簡單且判斷速度快,但對于記憶矩陣中不包含的數(shù)據(jù)特征無效,因此對于訓練數(shù)據(jù)的全面性要求較高。神經(jīng)網(wǎng)絡是近年來興起的黑箱建模方法,通過訓練多層神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)來預測數(shù)據(jù)。文獻［38］使用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡對風電機組變槳系統(tǒng)進行故障預警,使用滑動窗口模型減小外界干擾導致的誤告警,使用核密度估計法估計異常狀態(tài)閾值,可以有效地在故障前提前預警；文獻［39］使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡判斷風機故障,基于小概率事件假設計算置信上限作為閾值,利用滑動窗模型判斷故障發(fā)生。可看出,基于模型的預警方法均要求提前訓練好包含正常運行狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)模型,且其數(shù)據(jù)模型對于預警效果影響很大；另一方面,其數(shù)據(jù)模型的建立需要較為全面的正常運行數(shù)據(jù),訓練樣本較大為宜。

基于模型的預警技術還包括鏡像電站技術。通過仿真建立吉瓦級電化學儲能電站模型,按照真實的電站并網(wǎng)電壓、需求功率等建立模型。在吉瓦級電化學儲能電站運行時同步運行鏡像電站,由于鏡像電站是完全基于數(shù)學表達所得到的模型,因此不存在誤差影響。一旦吉瓦級儲能電站電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,其與鏡像電站狀態(tài)量殘差增大,超過閾值后判定為故障。此類模型精確度高,對電站下一刻狀態(tài)預測更為精確,但模型建立困難,目前仍處在研究階段,尚無法投入實際使用。

目前,已有的故障預警方法各有優(yōu)劣,需要視具體情況選用［40］。對于吉瓦級電化學儲能電站而言,其故障預警方法要求能夠處理超大數(shù)據(jù)量,并且要預先探測出故障的發(fā)生,因此可選用基于模型的預警方法,使用群優(yōu)化算法、梯度下降算法及神經(jīng)網(wǎng)絡的反向傳播優(yōu)化其模型參數(shù),在保證計算速度的同時提升預警精確度；另一方面,加大如鏡像電站等新型技術研發(fā)力度,優(yōu)化預警方法與促進技術成熟并重,提高吉瓦級電化學儲能電站的安全性能。吉瓦級電化學儲能電站故障預警環(huán)節(jié)如圖9 所示。

圖9 儲能電站故障預警Fig.9 Fault early warning of energy storage power station

3.2 基于信息架構的消防體系

儲能電站典型消防報警設計參照《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》［41］,注重于溫度感應與煙霧探測器探測故障,這種報警方式屬于電池熱擴散事故發(fā)生之后的報警,其參考建筑類火災自動報警系統(tǒng)的設計方案并不適用于儲能電池熱失控早期預警。而一旦熱失控發(fā)生,電池熱失控超過閾值溫度后即使切斷電流仍然會繼續(xù)發(fā)展,最終導致冒煙、燃燒或爆炸事故。因此,在提高預警方法準確性與正確率的同時,還應建設吉瓦級電化學儲能電站多級消防體系,通過多層的消防體系保障儲能電站的消防安全。

由于吉瓦級電化學儲能電站設備眾多,一旦發(fā)生電池集裝箱火災等較為嚴重的故障,導致儲能電站部分停運,不但會造成子站的經(jīng)濟損失、人員受傷,還會導致分布式吉瓦級電化學儲能電站的整體運行情況被打亂,省調(diào)部門的統(tǒng)一調(diào)度出現(xiàn)混亂,從而影響區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［42］。因此,為滿足吉瓦級電化學儲能電站對安全性能的高要求［43］,應增加電站安防體系的冗余度,將儲能電站的消防措施分為多級布置,包括電池模組滅火環(huán)節(jié)、電池柜滅火環(huán)節(jié)、電池集裝箱滅火環(huán)節(jié),通過信息上傳渠道與信息架構對接,對設備進行實時監(jiān)測,通過三級消防措施保護儲能電池集裝箱,盡可能縮小滅火導致的電池損壞的范圍,減小火災經(jīng)濟損失［44-45］。目前技術較為成熟的幾種滅火劑效果對比如表4 所示。

表4 不同滅火劑效果對比Table 4 Comparison of effects of different fire extinguishing agents

國內(nèi)已有許多鋰電池火災方面的研究。初期對鋰離子電池火災滅火劑研究探索后發(fā)現(xiàn)ABC 干粉、七氟丙烷、水等均能在鋰電池火災中有效滅火,其中水對于抑制溫升效果最佳。由BMS 對電池狀態(tài)進行監(jiān)測,并在電池發(fā)生超溫、過流、過壓、欠壓等故障時采取對應策略；當BMS 控制的通風、跳閘、空調(diào)等方式?jīng)]有明顯效果,儲能電池集裝箱發(fā)生火災后或熱失控特征氣體傳感器報警后,火災報警聯(lián)動控制系統(tǒng)動作,滅火裝置啟動對火災集裝箱進行滅火。

目前,儲能電站消防所采用的標準一般為電氣設備火災消防標準,但儲能電池火災具有易復燃的特點,火災首次熄滅后數(shù)分鐘之內(nèi)均存在復燃風險；已有的對儲能電池電、熱、機械濫用實驗發(fā)現(xiàn),電池火災在開放空間內(nèi)難以熄滅,當火焰蔓延至電池柜后已經(jīng)難以抑制,僅有集裝箱注水可取得較好效果；從吉瓦級儲能電站的成本方面考慮,盡可能縮小火災范圍、減少對于相鄰設備的影響,是降低火災經(jīng)濟損失、提高安全性的根本措施。為解決上述問題,給出一種吉瓦級電化學儲能電站三級消防體系,見圖10。

圖10 儲能電站三級消防體系Fig.10 Three-level fire fighting system of energy storage power station

通過電池模組級、電池柜級、電池集裝箱級的多級消防措施,可以提高儲能電站的安全裕度；氣溶膠等新型滅火劑體積小,適合模組內(nèi)滅火,傳統(tǒng)的七氟丙烷、細水霧等滅火劑可用于抑制電池柜火焰,但需要配合密封結構降低相鄰設備損壞風險,而集裝箱注水是最終保障,吉瓦級電化學儲能電站每個集裝箱均應具備注水孔,防止發(fā)生大規(guī)模安全事故。

吉瓦級電化學儲能電站的信息架構是其安防體系的基礎,而安防體系是整個電站的安全保障。通過預警加三級消防的安防體系,各級措施冗余且通過信息架構互補互聯(lián)互通,可以保證電站具有較好的安全穩(wěn)定性。同時,許多精確度更高且計算量低的預警技術以及低成本、有實效的新型消防手段不斷涌現(xiàn)。各種新型技術手段的效果經(jīng)過實測后,在技術成熟可以嵌入安防體系中,提高吉瓦級電化學電站的安全性。

4 結語

本文從吉瓦級電化學儲能電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控體系、狀態(tài)評估技術以及預警消防機制3 個角度對其運維與管控技術進行剖析,得出如下結論和建議。

1）吉瓦級電化學儲能電站的信息監(jiān)測體系應遵循層次化結構和數(shù)字化管理。建設分布式BMS 和EMS 匯聚至站內(nèi)數(shù)據(jù)中心或云端數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一監(jiān)測管控的多層次信息體系,降低數(shù)字監(jiān)控體系的傳輸時延,提高數(shù)據(jù)有效性是保障吉瓦級電化學儲能電站數(shù)字化可視交互、智慧化運營管理的實踐基礎。

2）吉瓦級電化學儲能電站運維管控技術呈現(xiàn)出精密化評估以及智能化決策的發(fā)展趨勢,眾多新型技術中,基于數(shù)據(jù)-模型混合驅動的狀態(tài)估計算法具有強穩(wěn)健性、高準確性、低復雜度的特點,是提升電站智能化、精密化的有效手段,也是建立設備狀態(tài)決策平臺的關鍵技術。

3）吉瓦級電化學儲能電站的安防體系需采用多級冗余互補設計。高預見性、低時延的潛在風險預警保護策略,配合電池模組-柜體-箱艙多層級結構、細水霧-氣溶膠-水淹等多滅火方式的安防體系是電站可靠安全運行的重要保障。

感謝國網(wǎng)江西省電力有限公司項目（52182021001F）對本文研究工作的支持。