李文偉，王曉明，陳寶歡，姚敏芳

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司欽州供電局，廣西欽州 535000；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023）

蓄電池組作為變電站遇到突發(fā)情況應(yīng)急備用的重要組成部分，在變電站供電電源無(wú)法供電時(shí)，能夠保障變電站正常運(yùn)行[1]。在對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果采用直流系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其電壓和電流，無(wú)法準(zhǔn)確分析與評(píng)估其容量和運(yùn)行狀況是否滿足運(yùn)行要求[2]。

為及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)研究人員研制開(kāi)發(fā)了一種多傳感器的觸點(diǎn)式繼電器切換監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。觸點(diǎn)繼電器開(kāi)關(guān)監(jiān)控器是傳統(tǒng)電池監(jiān)控器中基于多傳感器技術(shù)的一種，由于觸點(diǎn)放電會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，需要采用多種傳感器實(shí)現(xiàn)。由于多個(gè)傳感器只能分別反映多個(gè)側(cè)面信息。因此，同一信息重復(fù)采集概率較高，也存在采集信息過(guò)于簡(jiǎn)單，不能發(fā)揮各信息之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的問(wèn)題。多路模擬開(kāi)關(guān)選通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多路模擬開(kāi)關(guān)式門禁監(jiān)控系統(tǒng)，采用V/F 變換器可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，改善了工作時(shí)輸入電壓高于工作電壓的現(xiàn)象。但該系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、線性度和精度不高等缺點(diǎn)。

為此，文中設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)融合的變電站蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比具有監(jiān)測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3 個(gè)層次組成。其中，感知層是由溫度傳感器和終端機(jī)上電池進(jìn)行對(duì)象識(shí)別和信息采集。網(wǎng)絡(luò)層包括基站和監(jiān)控服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控服務(wù)器監(jiān)控的信息進(jìn)行有效處理[4]。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，負(fù)責(zé)為用戶提供接口、操作及報(bào)表，并設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.1 應(yīng)用層——系統(tǒng)主站

蓄電池組電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)中心傳送至傳輸設(shè)備，再傳送至主站。主站結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主站結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主站由蓄電池組、采集板、集中傳輸設(shè)備、光纖電路及CAN 總線組成，通過(guò)采集板采集信號(hào)，由傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信號(hào)，再通過(guò)總線向系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行信息傳輸[5]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層——監(jiān)控服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)層監(jiān)控服務(wù)器主要負(fù)責(zé)在每個(gè)檢測(cè)終端上不間斷地查詢電池狀態(tài)參數(shù)，再對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，具有故障報(bào)警和遙控操作等功能[6]。此外，監(jiān)控服務(wù)器還負(fù)責(zé)將電池狀態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，方便操作人員查看電池整體狀態(tài)。

由于Windows 服務(wù)器具有易于維護(hù)和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，故Windows 服務(wù)器成為監(jiān)控服務(wù)器首選操作系統(tǒng)。同時(shí)，該服務(wù)器還可發(fā)布網(wǎng)絡(luò)信息，并對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[7]。結(jié)合系統(tǒng)軟件，向用戶瀏覽器發(fā)送狀態(tài)參數(shù)和警報(bào)信息。

1.3 感知層——高線性度隔離光耦采集裝置

采用高度線性隔離光耦采集裝置除了可以作為蓄電池組參量實(shí)時(shí)采集裝置，還可作為采樣隔離單元，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 蓄電池參數(shù)實(shí)時(shí)采集裝置

采集裝置由電路和單片機(jī)系統(tǒng)兩部分組成，通過(guò)電池組提供電壓，電池組電壓通過(guò)線性光電耦合傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)前后兩層完全隔離。該裝置具有隔離式光耦，供每個(gè)電池的極片使用[8-10]。采用高性能STM32F4 系列單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)24 路數(shù)據(jù)采集，在極短時(shí)間內(nèi)可讀取電池所有狀態(tài)信息并將其上傳后臺(tái)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求[11-13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)中，采用基于數(shù)據(jù)融合對(duì)蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)步驟如下：

Step1：對(duì)變電站DC 系統(tǒng)蓄電池組電氣參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行劃分，分析狀態(tài)評(píng)價(jià)中各監(jiān)測(cè)參數(shù)作用。

1）單體電壓

檢測(cè)故障電池通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的浮動(dòng)充電壓力實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中，電池的浮充電壓正常時(shí)，存在電池輸出不足的問(wèn)題[14]。這是由于電解液氧化，造成充氣壓力出現(xiàn)一定程度的偏差，而在浮充壓力正常情況下，放電容量卻不足，不能完全反映電池狀態(tài)。故以浮充電壓作為輔助電參數(shù)，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行判斷。

2）單體內(nèi)阻

蓄電池性能參數(shù)重要指標(biāo)是蓄電池單體內(nèi)阻，它與蓄電池容量之間存在非線性關(guān)系，可以對(duì)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷[15]。電池內(nèi)部電阻變化緩慢，出現(xiàn)問(wèn)題的電池內(nèi)阻會(huì)相應(yīng)增大。因此，采用縱向比較法對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行判斷分析，并建立相應(yīng)趨勢(shì)分析數(shù)學(xué)模型。

3）蓄電池溫度

電池組溫度是電池組性能的重要指標(biāo)，也是其運(yùn)行狀態(tài)的重要反映。通過(guò)參數(shù)選擇，建立Bang-Bang模型，即：

式中，U表示輸入?yún)?shù)，a、b表示輸入?yún)⒘块撝怠?/p>

Step2：確定狀態(tài)參量并完成狀態(tài)參數(shù)評(píng)估，當(dāng)電池從總線上分離或斷開(kāi)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響，如電池組連接良好，執(zhí)行Step3。

Step3：根據(jù)不同參數(shù)，建立數(shù)學(xué)分析模型，分析電池組的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

Step4：結(jié)合蓄電池歷史數(shù)據(jù)，建立蓄電池歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析模型，預(yù)測(cè)蓄電池的運(yùn)行狀況。

由于蓄電池單體內(nèi)阻(電壓)變化較慢，可垂直比較電池組內(nèi)電阻(電壓)，預(yù)測(cè)其健康狀況[16]。根據(jù)電壓變化趨勢(shì)，建立蓄電池歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析模型判斷單個(gè)電池內(nèi)阻(電壓)：

式中，λre表示內(nèi)阻電壓變化率，c表示內(nèi)阻電壓變化閾值。

將趨勢(shì)模型連續(xù)輸出次數(shù)記錄為1，由最新內(nèi)部電阻(電壓)數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)部電阻(電壓)變化率，達(dá)到一定值(設(shè)定值)后，可預(yù)測(cè)電池組的異常運(yùn)行狀態(tài)。

Step5：在此基礎(chǔ)上，提出了基于深度數(shù)據(jù)融合的電池組運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)方法。將正常、異常和嚴(yán)重作為評(píng)估蓄電池狀態(tài)的3 種等級(jí)。在Bang-Bang模型基礎(chǔ)上，基于輸出和趨勢(shì)判斷模型的數(shù)據(jù)融合決策分析方法來(lái)綜合判斷電池運(yùn)行狀態(tài)。

按照以下3 個(gè)層次對(duì)正常、異常和嚴(yán)重進(jìn)行分類：正常的Bang-Bang 模型輸出和趨勢(shì)判斷模型輸出為0；異常的Bang-Bang 模型輸出和趨勢(shì)判斷模型輸出為1；嚴(yán)重的Bang-Bang 模型輸出和趨勢(shì)判斷模型輸出為n。融合決策采用以下規(guī)則：

①當(dāng)各參數(shù)Bang-Bang 模型和趨勢(shì)判斷模型輸出均為0 時(shí)，系統(tǒng)整體評(píng)估狀態(tài)正常；

②對(duì)Bang-Bang 模型或帶有參數(shù)的趨勢(shì)判斷模型，系統(tǒng)輸出為1 時(shí)，整體評(píng)價(jià)異常；

③在異常情況下，判斷參數(shù)重要程度，重要程度較大時(shí)，系統(tǒng)整體評(píng)估為異常。

Step6：在局部參數(shù)異常情況下，判斷趨勢(shì)模型累計(jì)輸出達(dá)到設(shè)定值n時(shí)，系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)狀況為嚴(yán)重。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為方便實(shí)驗(yàn)控制和管理，該實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境創(chuàng)建

監(jiān)測(cè)蓄電池組電壓變化情況，判斷蓄電池組處于放電還是充電狀態(tài)，使用遙控調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)交流母線的電壓，如果低于設(shè)定的閾值，那么蓄電池組處于放電狀態(tài)；反之，則處于充電狀態(tài)。

蓄電池放電判斷示意圖如圖4 所示。

圖4 蓄電池放電判斷示意圖

在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中添加遙控調(diào)壓模塊，通過(guò)遠(yuǎn)程操作就可完成電壓調(diào)節(jié)。

3.3 結(jié)果分析

選取基于多傳感器的觸點(diǎn)式繼電器切換監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多路模擬開(kāi)關(guān)選通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的年電壓合格率，以此作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比條件，選取結(jié)果如圖5 所示。

圖5 年電壓合格率選取結(jié)果

由圖5 可知，規(guī)定年電壓合格率超過(guò)60%即為合格，3 種系統(tǒng)在2-6 月份年電壓合格率超過(guò)60%，因此選取2-6 月份使用的蓄電池組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

基于上述選取蓄電池組，分別使用3 種系統(tǒng)對(duì)蓄電池組電壓變化情況進(jìn)行對(duì)比，并分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，如表2 所示。

由表2 可知，當(dāng)總線電壓降至閾值以下時(shí)，蓄電池電壓發(fā)生變化。蓄電池組電壓不變，說(shuō)明基于多傳感器的觸點(diǎn)式繼電器切換監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多路模擬開(kāi)關(guān)選通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信電源出現(xiàn)故障。在基于數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，蓄電池組總電壓下降，放電持續(xù)，顯示電路正常工作，且電壓變化情況與實(shí)際值誤差較小，最大誤差為1 V，說(shuō)明該系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)。

表2 不同方法電壓實(shí)時(shí)變化情況對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出基于數(shù)據(jù)融合的變電站蓄電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)能對(duì)變電所內(nèi)蓄電池的溫度、電壓、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效監(jiān)控，提高了監(jiān)控的精確度，避免監(jiān)控不到位導(dǎo)致的后果。但目前監(jiān)測(cè)體系還存在很多不足和問(wèn)題，需要進(jìn)一步分析和解決。