吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)與安防體系綜述

李建林，武亦文，王 楠，熊俊杰，馬速良

（1. 儲(chǔ)能技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學(xué)）,北京市 100144；2. 國(guó)網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京市 100032；3. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江西省南昌市 330000）

0 引言

為響應(yīng)中國(guó)2030 年碳達(dá)峰戰(zhàn)略和促進(jìn)清潔電能轉(zhuǎn)型,吉瓦級(jí)新能源+電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展模式值得重點(diǎn)關(guān)注［1］。作為一種靈活的儲(chǔ)能資源,電化學(xué)儲(chǔ)能近年來(lái)發(fā)展迅猛,已建成多個(gè)百兆瓦級(jí)示范工程。隨著國(guó)內(nèi)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目的確立,中國(guó)青海省政府已經(jīng)與國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)分別簽署吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站戰(zhàn)略合作協(xié)議,計(jì)劃在青海格爾木、烏圖美仁等多個(gè)地區(qū)部署1 GW/2 GW·h電化學(xué)儲(chǔ)能電站,中國(guó)山西、福建、河南等地也已經(jīng)開始了對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)的探討并逐漸進(jìn)入部署階段。但電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全始終是制約電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展的瓶頸。因此,研究吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)與安防體系具有重要意義。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)是其安防體系的基礎(chǔ)支撐,而安防體系是電站信息架構(gòu)的數(shù)據(jù)終端以及整個(gè)電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障［2］。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)要滿足其分布式站址的信息傳輸需求,并能夠?yàn)榘卜荔w系的預(yù)警與消防環(huán)節(jié)提供準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)支撐,在提高設(shè)備使用效率、運(yùn)行壽命的同時(shí)優(yōu)化電站經(jīng)濟(jì)性與安全性［3］。傳統(tǒng)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站規(guī)模較小,其數(shù)據(jù)傳輸為多個(gè)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?jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站相關(guān)技術(shù)尚難以支撐單站規(guī)模達(dá)到吉瓦級(jí),前期示范工程采用分布式站址,同時(shí)需要接受省級(jí)調(diào)度中心（簡(jiǎn)稱省調(diào)）的統(tǒng)一調(diào)度,各個(gè)百兆瓦級(jí)子站需要與省調(diào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站面臨兩大問題：①單站規(guī)模遠(yuǎn)超目前百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站,其信息架構(gòu)承受的數(shù)據(jù)量顯著增多,在與省調(diào)通信過(guò)程中,數(shù)據(jù)傳輸延遲也將導(dǎo)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(gè)集裝箱發(fā)生火災(zāi),吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站部分停運(yùn)將導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。因此,有必要深入研究其安防體系,增強(qiáng)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全性。

目前,國(guó)內(nèi)的吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站示范工程將陸續(xù)建成并投運(yùn)。為推動(dòng)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)與安防體系的研究發(fā)展,本文從通信與監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估與維護(hù)、預(yù)警與消防3 個(gè)角度進(jìn)行分析：分析了吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的整體信息架構(gòu),討論了在儲(chǔ)能電站向吉瓦級(jí)規(guī)模發(fā)展的過(guò)程中可能存在的問題及對(duì)策；梳理了吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站狀態(tài)評(píng)估與運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù),剖析了電站狀態(tài)評(píng)估與運(yùn)維的技術(shù)形勢(shì)；面向吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安防問題,從預(yù)警與消防2 個(gè)角度分析了故障預(yù)警及火災(zāi)消防措施,為吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安防體系建設(shè)提供參考。

1 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)

目前,儲(chǔ)能電站單站達(dá)到吉瓦級(jí)規(guī)模技術(shù)難度較大,因此在吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)前期,都是以分布式吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站形式建設(shè)示范工程。與傳統(tǒng)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站相比,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)具有分布式建設(shè)、集中調(diào)控的特點(diǎn)。多個(gè)百兆瓦級(jí)子站在進(jìn)行站內(nèi)管控的同時(shí),還需接受省調(diào)的統(tǒng)一調(diào)度,作為一個(gè)整體儲(chǔ)能資源為區(qū)域電網(wǎng)提供服務(wù)。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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站整體狀態(tài)。建設(shè)可傳輸并處理海量數(shù)據(jù)的電站信息架構(gòu),同時(shí)提高電站安全性,是吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)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(jìn)行電池等關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估,生成對(duì)應(yīng)的預(yù)警動(dòng)作信號(hào)、設(shè)備維護(hù)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(jí)消防消除火災(zāi)事故,提高吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全性［4］。

圖1 儲(chǔ)能電站信息與安防架構(gòu)Fig.1 Information and security architecture of energy storage power station

1.1 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站整體信息架構(gòu)

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站子站的規(guī)模可達(dá)數(shù)百兆瓦級(jí)別,接受省調(diào)的統(tǒng)一調(diào)控。一方面,電站整體的運(yùn)行模式由省調(diào)根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)度,相比傳統(tǒng)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站而言,子站運(yùn)行模式難以自主控制,因此電站的信息架構(gòu)也將相應(yīng)改變；另一方面,多個(gè)子站之間存在相互間通信,因此面臨百兆瓦級(jí)電站間數(shù)據(jù)交互、信息共享問題。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)涉及儲(chǔ)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(gè)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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站相比［6］,為了集成吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站,同一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的百兆瓦級(jí)子站數(shù)量將明顯增多,為保證吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站接受調(diào)度指令的響應(yīng)速度以及整體性,各個(gè)子站之間的信息交互也將更為頻繁。

電站規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致監(jiān)控對(duì)象增多,帶來(lái)了新的難題：百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站僅單個(gè)電池堆每秒上行及下行數(shù)據(jù)就達(dá)到數(shù)千至上萬(wàn)個(gè),吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站必然面臨海量數(shù)據(jù)的處理問題；當(dāng)出現(xiàn)異常,如何在海量電池中定位故障電池,以及在哪個(gè)管控層級(jí)切除故障電池［7］。針對(duì)上述問題,需要對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站BMS、PCS、EMS、數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵組成部分在整體信息架構(gòu)中的位置、監(jiān)控功能、職責(zé)范圍等進(jìn)行討論,分析吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站對(duì)信息架構(gòu)需求,以總結(jié)提出可行的技術(shù)路線。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的通信結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)能電站通信架構(gòu)Fig.2 Communication structure of energy storage power station

1.2 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)

以吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)為監(jiān)測(cè)、控制、告警等數(shù)據(jù)提供傳輸通道,因此可以通過(guò)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(gòu)的不足及改進(jìn)方法［8］。BMS 匯總統(tǒng)一電池簇內(nèi)各個(gè)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(gè)集裝箱內(nèi)的BMS 信息在EMS 處匯集并進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,加大其采樣間隔以減小數(shù)據(jù)量,并對(duì)下屬BMS 進(jìn)行控制；最終子站的全部EMS 數(shù)據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)中心,進(jìn)行電站級(jí)別的整體調(diào)度與控制［9］。

1）BMS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

BMS 對(duì)電池單體及電池簇進(jìn)行監(jiān)測(cè),在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)《大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理規(guī)范》［10］及《電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［11］等標(biāo)準(zhǔn)整理出儲(chǔ)能電站BMS 數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn),見表1。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)BMS 電池監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類別、采樣精度、采樣頻率等給出建議；同時(shí)也對(duì)BMS 的功能給出建議,應(yīng)能夠計(jì)算荷電狀態(tài)（SOC）、事件順序控制（SOE）等狀態(tài)參數(shù),進(jìn)行故障診斷及保護(hù),管理電芯過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫及不均衡狀況并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)記錄功能。

表1 儲(chǔ)能電站BMS 數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Data acquisition standard of BMS for energy storage power stations

目前,國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)以及百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(jí)電站采樣頻率可達(dá)15 ms/次。在兆瓦級(jí)電站向百兆瓦級(jí)電站發(fā)展過(guò)程中,儲(chǔ)能集裝箱數(shù)據(jù)量沒有明顯變化,可以預(yù)見,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的集裝箱數(shù)據(jù)量與百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站相比將不會(huì)出現(xiàn)顯著變化。

雖然單個(gè)集裝箱數(shù)據(jù)量沒有顯著變化,但集裝箱的數(shù)量增長(zhǎng)為數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)匯總帶來(lái)了很大壓力。電化學(xué)儲(chǔ)能電站集裝箱數(shù)量隨電站容量同比例增長(zhǎng)。目前,BMS 之間多使用串行通信,雖然對(duì)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(gè)BMS 出現(xiàn)故障,其下順位的BMS 將無(wú)法繼續(xù)通信；另一方面,十倍于百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(shè)備信息跟蹤等重要功能帶來(lái)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(jié)構(gòu)［12］。BMS 是數(shù)據(jù)采集的終端,也是吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控電池狀態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)備,其技術(shù)發(fā)展對(duì)電站的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(gè)BMS 作為獨(dú)立測(cè)控終端與上級(jí)通信,減少BMS 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)搶占通信信道帶來(lái)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(jié)構(gòu)。

2）PCS 運(yùn)行調(diào)度

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的PCS 是儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)連接的橋梁,通常多個(gè)電池簇掛載在同一PCS 低壓直流母線上,根據(jù)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站不同的應(yīng)用場(chǎng)景,直接接在交流母線送出或經(jīng)過(guò)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(gè)主要問題：①吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站需要多臺(tái)PCS 并聯(lián)提高功率轉(zhuǎn)換能力,由于并網(wǎng)時(shí)一般采用LCL 濾波器,因此面臨諧振尖峰數(shù)量增多導(dǎo)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(duì)以上問題,可以對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站PCS 技術(shù)發(fā)展方向提出以下建議：①針對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(lái)柔性直流輸電的電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì),可以結(jié)合模塊化多電平換流器（MMC）等新型技術(shù)設(shè)立試點(diǎn)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(jì)算、記錄、信息上報(bào)及下行指令控制,每個(gè)集裝箱配備一套EMS。每個(gè)集裝箱中的EMS 可以對(duì)此集裝箱數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并與上級(jí)通信,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及電池SOC 等狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)、某些故障發(fā)生后BMS 上傳的告警信號(hào)等上傳。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)實(shí)現(xiàn)能量管理、策略制定等功能帶來(lái)壓力。而目前國(guó)內(nèi)多數(shù)儲(chǔ)能電站集裝箱的BMS中尚未集成計(jì)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(yīng)用中EMS 將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,在不影響狀態(tài)監(jiān)測(cè)的情況下減少數(shù)據(jù)量。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)流向如圖3 所示。

圖3 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能電站用電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［14］,大規(guī)模儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)應(yīng)盡量采用多層次結(jié)構(gòu)。但目前EMS 運(yùn)行壓力大,主要因?yàn)椋耗壳癇MS 集成功能較少,EMS 需要同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能電池的能量管理、電氣設(shè)備監(jiān)控等；EMS 還需要管理PCS,制定PCS 動(dòng)作策略并對(duì)其進(jìn)行控制。為解決上述問題,可以將EMS 功能分散,設(shè)立功率管理系統(tǒng)（PMS）進(jìn)行PCS 策略制定及控制,而EMS 僅負(fù)責(zé)儲(chǔ)能電池能量管理及電氣設(shè)備監(jiān)控,保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)量更大,因此將其控制功能層級(jí)化、分散化將有助于減小設(shè)備運(yùn)行壓力、提高控制實(shí)時(shí)性、保障電站安全。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)

典型大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信架構(gòu)如圖4 所示。

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

Q/GDW 1887—2013《電網(wǎng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)控及通信技術(shù)規(guī)范》［15］中規(guī)定,大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)分為站控層、間隔層和過(guò)程層。其中對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)以及實(shí)時(shí)性指標(biāo)的要求如表2 所示。

依據(jù)表2 中要求,可以在不同層級(jí)選擇以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線、RS485總線這3 種組網(wǎng)方式,不同層級(jí)組網(wǎng)方式的選擇應(yīng)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(yuǎn)、傳輸速率快的組網(wǎng)方式,其安全性能也較好,但遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)成本較高,且對(duì)環(huán)境要求很高,因此僅適用于站控層內(nèi)部及對(duì)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(yīng)性,同時(shí)成本低,長(zhǎng)、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(guò)程層之中使用；RS485總線在從站通信異常時(shí)將影響下一從站通信,且節(jié)點(diǎn)上只能有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送端,因此,將RS485 總線用于監(jiān)控終端的動(dòng)作信號(hào)及響應(yīng)信號(hào)傳輸,以及PCS 與電池堆之間的指令傳輸。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性與實(shí)時(shí)性指標(biāo)Table 2 Reliability and real-time indexes of energy storage system

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站EMS 需要處理海量數(shù)據(jù),但通過(guò)控制采樣頻率可以控制其數(shù)據(jù)量。當(dāng)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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的EMS、儲(chǔ)能數(shù)據(jù)中心信息處理能力帶來(lái)巨大考驗(yàn)。因此,針對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)量龐大、設(shè)備維護(hù)難的問題,有必要建立基于大數(shù)據(jù)的儲(chǔ)能監(jiān)控云平臺(tái),根據(jù)用戶不同的工作負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源調(diào)整［16］。其主要服務(wù)包括“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure as a service,IaaS）”“平臺(tái)即服務(wù)（platform as a service,PaaS）”“軟件即服務(wù)（software as a service,SaaS）”3 種功能。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站大數(shù)據(jù)云平臺(tái)架構(gòu)如圖5 所示。

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

利用云平臺(tái)IaaS 可以對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、告警等實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行虛擬化并封裝,以便數(shù)據(jù)的計(jì)算、估計(jì)、擬合等；利用云平臺(tái)PaaS 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以及深度挖掘。使用云平臺(tái)提供的服務(wù)進(jìn)行吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)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(tái)可調(diào)用動(dòng)態(tài)資源空間,因此實(shí)際應(yīng)用中占用內(nèi)存過(guò)大的估計(jì)、預(yù)測(cè)等算法均可以使用,能夠增加數(shù)據(jù)處理精度及準(zhǔn)確性；利用云平臺(tái)SaaS 可以優(yōu)化調(diào)度中心業(yè)務(wù)處理,利用云平臺(tái)數(shù)據(jù)空間大的特點(diǎn),建立吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)備全壽命周期數(shù)據(jù)庫(kù),追蹤設(shè)備的出場(chǎng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、折損情況等,便于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及預(yù)警、運(yùn)行及設(shè)備維護(hù)檢修等計(jì)劃的制訂。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)為應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)量、更低時(shí)延的要求,應(yīng)基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,在保障信息安全性與傳輸穩(wěn)定性的前提下,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。同時(shí),可探索具有更高性能的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),建立結(jié)構(gòu)更合理、精確性及實(shí)時(shí)性更高的吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu)。

2 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站狀態(tài)評(píng)估及運(yùn)維

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)采集儲(chǔ)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系,依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系評(píng)估吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行狀態(tài),針對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的不同運(yùn)行狀態(tài)給出調(diào)度、檢修、告警等指令。然而,如儲(chǔ)能電池SOC［17］和儲(chǔ)能電池健康狀態(tài)（SOH）2 種最為關(guān)鍵的儲(chǔ)能電池狀態(tài)量無(wú)法直接測(cè)量得到,因此需要使用參數(shù)整定方法結(jié)合改進(jìn)卡爾曼濾波算法對(duì)它們進(jìn)行估計(jì)。

2.1 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電池狀態(tài)估計(jì)

SOC 與SOH 聯(lián)合估計(jì)流程如圖6 所示。

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

目前,對(duì)于電池SOC 與SOH 的估計(jì)主要分為獨(dú)立估計(jì)與聯(lián)合估計(jì)。其中,獨(dú)立估計(jì)在對(duì)其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí)忽略另一參數(shù)對(duì)其的影響,在前一參數(shù)確定后估計(jì)另一參數(shù)。文獻(xiàn)［18］使用開路電壓法計(jì)算電池SOC,之后使用SOC 對(duì)SOH 進(jìn)行估計(jì),此方法較好地減小了電池模型非線性帶來(lái)的估計(jì)誤差,但未考慮SOH 變化給SOC 估計(jì)帶來(lái)的誤差。文獻(xiàn)［19］采用拓展卡爾曼濾波對(duì)SOC 進(jìn)行估計(jì),然后利用擬合算法獲得內(nèi)阻,從而對(duì)SOH 進(jìn)行估計(jì),同樣未考慮SOH 與SOC 之間的耦合關(guān)系,從而引入了估計(jì)誤差。獨(dú)立估計(jì)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其缺點(diǎn)在于忽略了SOC 與SOH 之間的耦合關(guān)系,預(yù)測(cè)精度下降。

聯(lián)合估計(jì)考慮SOC 與SOH 之間的耦合關(guān)系,建立了SOC 與SOH 之間的聯(lián)合模型,在SOC 與SOH 的每次計(jì)算中都考慮對(duì)方帶來(lái)的影響,將對(duì)方當(dāng)作變化的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。其中,依賴模型的SOC與SOH 估計(jì)使用雙觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)二者的估算,并在估算過(guò)程中相互迭代。文獻(xiàn)［20］使用在線自適應(yīng)電路模型,通過(guò)卡爾曼估計(jì)電池SOC,最小二乘法觀測(cè)電池容量,二者集成以聯(lián)合估算。雖然學(xué)者們不斷提出新型算法及改進(jìn)觀測(cè)器提高模型法精度,電池模型的不準(zhǔn)確仍舊制約其精度；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)合估計(jì)模型可以回避電池建模誤差,文獻(xiàn)［21］利用非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)SOC 與SOH 的聯(lián)合估算,避免了電池建模誤差的同時(shí)考慮了SOC 與SOH 的耦合關(guān)系,在計(jì)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(jì)需要較高的算法精確度,而狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性將影響儲(chǔ)能電池運(yùn)行的短期以及長(zhǎng)期效益。由于聯(lián)合估計(jì)計(jì)算量較大、過(guò)程誤差難以把控,因此對(duì)于百兆瓦級(jí)在數(shù)據(jù)中心設(shè)備能夠支撐的情況下,應(yīng)盡量采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)合估計(jì)方法,令SOC 和SOH 在估計(jì)過(guò)程中相互耦合,提升估計(jì)準(zhǔn)確性。

2.2 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)可測(cè)量狀態(tài)量對(duì)儲(chǔ)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(jìn)行精確估計(jì)后,可以根據(jù)可測(cè)量狀態(tài)量及不可測(cè)量狀態(tài)量制定吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站指標(biāo)體系,以指標(biāo)體系規(guī)范電站的運(yùn)行與管控,指導(dǎo)設(shè)備的檢修和維護(hù)。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)見圖7。

圖7 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.7 Evaluation indexes of gigawatt electrochemical energy storage power station

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

除了SOC 和SOH 兩個(gè)最關(guān)鍵的儲(chǔ)能電池性能指標(biāo)外,可測(cè)量狀態(tài)量的組合亦能夠反映電池模組的運(yùn)行狀態(tài)。由圖7 可見,各個(gè)可測(cè)量狀態(tài)量可以反映吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池模組的運(yùn)行狀態(tài),計(jì)算簡(jiǎn)單且占用運(yùn)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(xué)儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等電池異常狀態(tài),并且能夠有效預(yù)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(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備暫無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),電池集裝箱型號(hào)、結(jié)構(gòu)、消防標(biāo)準(zhǔn)等均不相同。因此,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)建立并嚴(yán)格遵守通用的指標(biāo)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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的整體或局部運(yùn)行的前提下,及時(shí)有效排除可能發(fā)生的電氣設(shè)備故障。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)分析Table 3 Analysis of evaluation indexes

2.3 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)備維護(hù)

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站規(guī)模龐大,其設(shè)備安全性極其重要。通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的方法可以顯著提高電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全性、規(guī)范性和可靠性［23］,但隨著吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的持續(xù)運(yùn)行出力,設(shè)備將自然老化及性能下降［24］,因此有必要制定合理且實(shí)用的檢修計(jì)劃,保障電站關(guān)鍵設(shè)備維持良好性能。

傳統(tǒng)的兆瓦/百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站使用“計(jì)劃?rùn)z修+事后檢修”模式,不同的時(shí)期制定不同的檢修計(jì)劃。當(dāng)前新能源并網(wǎng)占比顯著提升且未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間提升趨勢(shì)不會(huì)降低,電網(wǎng)的隨機(jī)性與波動(dòng)性將有所增加,電化學(xué)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行工況也面臨著較大的不確定性。傳統(tǒng)周期檢修方法無(wú)法將設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前健康狀態(tài)納入考慮因素。周期檢修方法根據(jù)當(dāng)前不同的季度及運(yùn)行情況,設(shè)置固定的檢修周期。此方法可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行規(guī)律性的檢查與維修,但對(duì)設(shè)備的管理較差,設(shè)備檢修時(shí)可能發(fā)生檔期沖突,同時(shí)對(duì)設(shè)備的故障判定條件也難以設(shè)定。對(duì)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站而言,周期檢修方法可以作為設(shè)備維護(hù)的后備保障,但不能僅依靠周期檢修方法保證設(shè)備的安全性。

事后檢修是一種不具有超前性的事故彌補(bǔ)措施,當(dāng)設(shè)備已經(jīng)發(fā)生故障后對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修與維護(hù),而無(wú)法響應(yīng)設(shè)備狀態(tài)告警信號(hào)。故障發(fā)生后設(shè)備的檢修維護(hù)非常必要,其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡量短,才能將故障的影響降至最低。

文獻(xiàn)［25］以設(shè)備超負(fù)荷情況作為判斷依據(jù),動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備維護(hù)開始時(shí)間,有效地防止了設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),但未考慮維護(hù)時(shí)間對(duì)下一層級(jí)調(diào)度的影響。文獻(xiàn)［26］在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上建立了以維護(hù)時(shí)間最短為約束的維修模型,但未考慮維修時(shí)間改變對(duì)設(shè)備輪換以及故障應(yīng)急的影響；文獻(xiàn)［27］利用粒子群算法優(yōu)化儲(chǔ)能電站的檢修周期,在保證電站運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性尋優(yōu),但粒子群算法尋優(yōu)易陷入局部最優(yōu)解,實(shí)際應(yīng)用中存在一定問題。

目前,針對(duì)檢修周期的優(yōu)化算法仍在不斷發(fā)展,但吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站面臨著海量電芯帶來(lái)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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的檢修計(jì)劃制定需要結(jié)合新興技術(shù),制定具有實(shí)時(shí)性的檢修策略。借助儲(chǔ)能大數(shù)據(jù)云平臺(tái),可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行全壽命追蹤,還可以借助云平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行數(shù)據(jù)特征挖掘與計(jì)算,一旦發(fā)現(xiàn)某設(shè)備出現(xiàn)故障前兆或其故障可能性過(guò)高,可立即安排檢修計(jì)劃,通過(guò)持續(xù)的提前檢修保證設(shè)備運(yùn)行在良好狀態(tài)；同時(shí)應(yīng)結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)及其關(guān)鍵設(shè)備全壽命周期狀況,借助云平臺(tái)高精度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,細(xì)化檢修目標(biāo)至設(shè)備具體部位,減小檢修工作難度和耗時(shí)的同時(shí)避免不同設(shè)備同期出現(xiàn)問題導(dǎo)致工作人員檔期沖突、人力資源不足。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的狀態(tài)評(píng)估及運(yùn)維技術(shù)應(yīng)統(tǒng)籌考慮,對(duì)設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估需保證精確性、低時(shí)延、低計(jì)算量,以精確的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系保證準(zhǔn)確無(wú)誤的控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。分布式吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的評(píng)價(jià)指標(biāo)與傳統(tǒng)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站相比差別不大,但在精確度與計(jì)算速度方面存在改進(jìn)空間；設(shè)備維護(hù)方面應(yīng)保留事后檢修模式及計(jì)劃?rùn)z修模式,探索實(shí)時(shí)檢修的可行性以及對(duì)應(yīng)技術(shù)方案。儲(chǔ)能大數(shù)據(jù)云平臺(tái)等新型技術(shù)可以作為吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站狀態(tài)評(píng)估及運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展方向,其海量的計(jì)算資源以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算能力契合吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站需求,具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。

3 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站故障預(yù)警與消防

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)不僅用于制訂運(yùn)行、檢修計(jì)劃等,還是電站安防體系的重要基礎(chǔ)。由于吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站規(guī)模龐大,設(shè)備眾多,給故障預(yù)警以及火災(zāi)消防的控制帶來(lái)了阻礙。雖然單個(gè)分布式子站采集數(shù)據(jù)量并未上升,但其運(yùn)行計(jì)劃受省調(diào)控制,根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行狀況靈活改變,子站的運(yùn)行模式將更為靈活。面對(duì)這種情況,儲(chǔ)能電池的運(yùn)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(qiáng)的吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站信息架構(gòu),利用高精度、低延遲的預(yù)警與消防技術(shù)提高電站的安全性。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的故障可大致分為2 類：一類為電池過(guò)充、過(guò)放導(dǎo)致的電流、電壓過(guò)高,此類故障易于發(fā)現(xiàn),且通過(guò)切斷線路等手段可以完成隔離；另一類即電池?zé)崾Э?。電池?zé)崾Э厥且环N不可阻斷的故障,當(dāng)熱失控發(fā)生時(shí),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(wú)法自發(fā)停止,同時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將導(dǎo)致周圍電池溫度越過(guò)熱失控閾值,發(fā)生連鎖反應(yīng)［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(gè)集裝箱將被廢棄?？梢?吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全防護(hù)必須在電池溫度升高到閾值前監(jiān)測(cè)其異常并動(dòng)作,盡可能提前監(jiān)測(cè)到熱失控故障的發(fā)生［30］。故障消防與預(yù)警流程如圖8 所示。

圖8 消防與預(yù)警流程Fig.8 Fire fighting and early warning process

3.1 故障預(yù)警技術(shù)

百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站利用站控中心的數(shù)據(jù)計(jì)算、處理功能對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì)于吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站而言,其站內(nèi)故障仍由站內(nèi)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行計(jì)算與處理,但各個(gè)分布式子站數(shù)據(jù)需要上傳至省級(jí)調(diào)度部門進(jìn)行統(tǒng)一管理,雖然數(shù)據(jù)上傳過(guò)程需要一定時(shí)延,難以由省調(diào)對(duì)各個(gè)子站形成統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)管,但有利于設(shè)備全壽命跟蹤信息的校正,可以建立吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的鏡像電站或利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)對(duì)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真形式的跟蹤,以便發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常運(yùn)行數(shù)據(jù)。另一方面,對(duì)電池模組內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)的方式無(wú)法在所有電芯處布置測(cè)點(diǎn),典型電池模組內(nèi)僅布置4 到6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn),對(duì)電芯局部故障發(fā)熱的監(jiān)測(cè)存在局限性。煙霧探測(cè)器只能檢測(cè)空氣中煙霧濃度,而當(dāng)電池包內(nèi)部已經(jīng)鼓脹導(dǎo)致破裂后,電池火災(zāi)已經(jīng)蔓延開來(lái)。因此,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的故障預(yù)警技術(shù)仍需要向全方位、低延遲、高精度的方向進(jìn)一步發(fā)展。

現(xiàn)有的故障預(yù)警技術(shù)可以根據(jù)其對(duì)故障事件判斷原理不同分為2 類：利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)警以及利用模型進(jìn)行預(yù)警?；诮?jīng)驗(yàn)的預(yù)警方法利用專家給出的意見,結(jié)合模糊的方法為故障因素主觀賦權(quán),建立故障風(fēng)險(xiǎn)模型。文獻(xiàn)［31］使用主成分分析及聚類分析對(duì)歷史火災(zāi)形勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,較好地總結(jié)出了火災(zāi)特征狀況,但沒有考慮分級(jí)之間的模糊化。文獻(xiàn)［32］使用層次分析法建立了綜合考慮多安全因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,但是也沒有考慮分級(jí)之間模糊化問題。文獻(xiàn)［33］利用多位專家給出的火災(zāi)預(yù)警因素計(jì)算閾值,使用模糊聚類建立火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,此方法具有較高的數(shù)據(jù)分類識(shí)別精度,結(jié)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(xiàn)［34］利用模糊層次分析法對(duì)專家評(píng)分進(jìn)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(jí)精度。

基于模型的預(yù)警方法根據(jù)對(duì)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的殘差判斷［35-36］,殘差過(guò)大說(shuō)明實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)生故障。非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（NSET）是一種典型的殘差預(yù)警方法。文獻(xiàn)［37］使用NSET 對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),建立了正常運(yùn)行時(shí)的記憶矩陣,可預(yù)測(cè)正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù),因此當(dāng)輸入故障數(shù)據(jù)時(shí)輸出結(jié)果將發(fā)生變化。此類方法模型簡(jiǎn)單且判斷速度快,但對(duì)于記憶矩陣中不包含的數(shù)據(jù)特征無(wú)效,因此對(duì)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的全面性要求較高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)興起的黑箱建模方法,通過(guò)訓(xùn)練多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［38］使用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)警,使用滑動(dòng)窗口模型減小外界干擾導(dǎo)致的誤告警,使用核密度估計(jì)法估計(jì)異常狀態(tài)閾值,可以有效地在故障前提前預(yù)警；文獻(xiàn)［39］使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷風(fēng)機(jī)故障,基于小概率事件假設(shè)計(jì)算置信上限作為閾值,利用滑動(dòng)窗模型判斷故障發(fā)生?？煽闯?基于模型的預(yù)警方法均要求提前訓(xùn)練好包含正常運(yùn)行狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)模型,且其數(shù)據(jù)模型對(duì)于預(yù)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(yùn)行數(shù)據(jù),訓(xùn)練樣本較大為宜。

基于模型的預(yù)警技術(shù)還包括鏡像電站技術(shù)。通過(guò)仿真建立吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站模型,按照真實(shí)的電站并網(wǎng)電壓、需求功率等建立模型。在吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行時(shí)同步運(yùn)行鏡像電站,由于鏡像電站是完全基于數(shù)學(xué)表達(dá)所得到的模型,因此不存在誤差影響。一旦吉瓦級(jí)儲(chǔ)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(guò)閾值后判定為故障。此類模型精確度高,對(duì)電站下一刻狀態(tài)預(yù)測(cè)更為精確,但模型建立困難,目前仍處在研究階段,尚無(wú)法投入實(shí)際使用。

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

圖9 儲(chǔ)能電站故障預(yù)警Fig.9 Fault early warning of energy storage power station

3.2 基于信息架構(gòu)的消防體系

儲(chǔ)能電站典型消防報(bào)警設(shè)計(jì)參照《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［41］,注重于溫度感應(yīng)與煙霧探測(cè)器探測(cè)故障,這種報(bào)警方式屬于電池?zé)釘U(kuò)散事故發(fā)生之后的報(bào)警,其參考建筑類火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并不適用于儲(chǔ)能電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警。而一旦熱失控發(fā)生,電池?zé)崾Э爻^(guò)閾值溫度后即使切斷電流仍然會(huì)繼續(xù)發(fā)展,最終導(dǎo)致冒煙、燃燒或爆炸事故。因此,在提高預(yù)警方法準(zhǔn)確性與正確率的同時(shí),還應(yīng)建設(shè)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站多級(jí)消防體系,通過(guò)多層的消防體系保障儲(chǔ)能電站的消防安全。

由于吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)備眾多,一旦發(fā)生電池集裝箱火災(zāi)等較為嚴(yán)重的故障,導(dǎo)致儲(chǔ)能電站部分停運(yùn),不但會(huì)造成子站的經(jīng)濟(jì)損失、人員受傷,還會(huì)導(dǎo)致分布式吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的整體運(yùn)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(yùn)行［42］。因此,為滿足吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站對(duì)安全性能的高要求［43］,應(yīng)增加電站安防體系的冗余度,將儲(chǔ)能電站的消防措施分為多級(jí)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(guò)信息上傳渠道與信息架構(gòu)對(duì)接,對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)三級(jí)消防措施保護(hù)儲(chǔ)能電池集裝箱,盡可能縮小滅火導(dǎo)致的電池?fù)p壞的范圍,減小火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失［44-45］。目前技術(shù)較為成熟的幾種滅火劑效果對(duì)比如表4 所示。

表4 不同滅火劑效果對(duì)比Table 4 Comparison of effects of different fire extinguishing agents

國(guó)內(nèi)已有許多鋰電池火災(zāi)方面的研究。初期對(duì)鋰離子電池火災(zāi)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(zāi)中有效滅火,其中水對(duì)于抑制溫升效果最佳。由BMS 對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并在電池發(fā)生超溫、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等故障時(shí)采取對(duì)應(yīng)策略；當(dāng)BMS 控制的通風(fēng)、跳閘、空調(diào)等方式?jīng)]有明顯效果,儲(chǔ)能電池集裝箱發(fā)生火災(zāi)后或熱失控特征氣體傳感器報(bào)警后,火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)作,滅火裝置啟動(dòng)對(duì)火災(zāi)集裝箱進(jìn)行滅火。

目前,儲(chǔ)能電站消防所采用的標(biāo)準(zhǔn)一般為電氣設(shè)備火災(zāi)消防標(biāo)準(zhǔn),但儲(chǔ)能電池火災(zāi)具有易復(fù)燃的特點(diǎn),火災(zāi)首次熄滅后數(shù)分鐘之內(nèi)均存在復(fù)燃風(fēng)險(xiǎn)；已有的對(duì)儲(chǔ)能電池電、熱、機(jī)械濫用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電池火災(zāi)在開放空間內(nèi)難以熄滅,當(dāng)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(jí)儲(chǔ)能電站的成本方面考慮,盡可能縮小火災(zāi)范圍、減少對(duì)于相鄰設(shè)備的影響,是降低火災(zāi)經(jīng)濟(jì)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(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站三級(jí)消防體系,見圖10。

圖10 儲(chǔ)能電站三級(jí)消防體系Fig.10 Three-level fire fighting system of energy storage power station

通過(guò)電池模組級(jí)、電池柜級(jí)、電池集裝箱級(jí)的多級(jí)消防措施,可以提高儲(chǔ)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(xì)水霧等滅火劑可用于抑制電池柜火焰,但需要配合密封結(jié)構(gòu)降低相鄰設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn),而集裝箱注水是最終保障,吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站每個(gè)集裝箱均應(yīng)具備注水孔,防止發(fā)生大規(guī)模安全事故。

吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息架構(gòu)是其安防體系的基礎(chǔ),而安防體系是整個(gè)電站的安全保障。通過(guò)預(yù)警加三級(jí)消防的安防體系,各級(jí)措施冗余且通過(guò)信息架構(gòu)互補(bǔ)互聯(lián)互通,可以保證電站具有較好的安全穩(wěn)定性。同時(shí),許多精確度更高且計(jì)算量低的預(yù)警技術(shù)以及低成本、有實(shí)效的新型消防手段不斷涌現(xiàn)。各種新型技術(shù)手段的效果經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)后,在技術(shù)成熟可以嵌入安防體系中,提高吉瓦級(jí)電化學(xué)電站的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控體系、狀態(tài)評(píng)估技術(shù)以及預(yù)警消防機(jī)制3 個(gè)角度對(duì)其運(yùn)維與管控技術(shù)進(jìn)行剖析,得出如下結(jié)論和建議。

1）吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的信息監(jiān)測(cè)體系應(yīng)遵循層次化結(jié)構(gòu)和數(shù)字化管理。建設(shè)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(cè)管控的多層次信息體系,降低數(shù)字監(jiān)控體系的傳輸時(shí)延,提高數(shù)據(jù)有效性是保障吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)字化可視交互、智慧化運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)踐基礎(chǔ)。

2）吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)維管控技術(shù)呈現(xiàn)出精密化評(píng)估以及智能化決策的發(fā)展趨勢(shì),眾多新型技術(shù)中,基于數(shù)據(jù)-模型混合驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)估計(jì)算法具有強(qiáng)穩(wěn)健性、高準(zhǔn)確性、低復(fù)雜度的特點(diǎn),是提升電站智能化、精密化的有效手段,也是建立設(shè)備狀態(tài)決策平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)。

3）吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安防體系需采用多級(jí)冗余互補(bǔ)設(shè)計(jì)。高預(yù)見性、低時(shí)延的潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警保護(hù)策略,配合電池模組-柜體-箱艙多層級(jí)結(jié)構(gòu)、細(xì)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(yùn)行的重要保障。

感謝國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司項(xiàng)目（52182021001F）對(duì)本文研究工作的支持。