基于智能物聯(lián)網(wǎng)的電池組群管護(hù)系統(tǒng)

李偉杰

基于智能物聯(lián)網(wǎng)的電池組群管護(hù)系統(tǒng)

李偉杰

（北京國電光宇機(jī)電設(shè)備有限公司，北京 100068）

本文結(jié)合目前電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛融合應(yīng)用，分析常規(guī)電池管理系統(tǒng)的不足，提出新一代基于智能物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池管護(hù)系統(tǒng)解決方案，并實(shí)際研制了從廠站端智能化邊緣管理，到中心端全局管護(hù)的一整套電池組群管護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼顧廠站端檢測的深入完整性和所轄區(qū)域監(jiān)護(hù)的全面性，經(jīng)近一年的穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。相比常規(guī)維護(hù)手段，該系統(tǒng)單站投入折合費(fèi)用減少近20萬元，對蓄電池管護(hù)系統(tǒng)的智能化、信息化建設(shè)和發(fā)展有現(xiàn)實(shí)意義。

物聯(lián)網(wǎng)；電池管護(hù)；云計(jì)算；智能診斷系統(tǒng)；蓄電池

0 引言

目前在電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及新能源等多個(gè)領(lǐng)域，大容量蓄電池作為不間斷應(yīng)急電源、智能一體化電源系統(tǒng)，以及源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)儲能的重要設(shè)備，在不斷擴(kuò)大投入使用，其大量監(jiān)測數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)海量增長趨勢。傳統(tǒng)的蓄電池組管理系統(tǒng)因存在功能單一、檢測誤差大、監(jiān)控范圍有限及安裝繁瑣等弊端，對蓄電池的日常運(yùn)管效果不夠理想，甚至由于對蓄電池監(jiān)護(hù)不到位，造成系統(tǒng)事故擴(kuò)大。因此，技術(shù)方案與配置陳舊的蓄電池管理系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前蓄電池在電力、新能源、儲能等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用背景下的全面管護(hù)需求。傳統(tǒng)蓄電池檢測管理存在的技術(shù)瓶頸越來越明顯，比如在多站點(diǎn)電池組集中管護(hù)時(shí)，對相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、提取、處理分析等操作變得越來越困難。因此，迫切需要探索采用新的技術(shù)方案與手段來提升原有電池管理系統(tǒng)水平，乃至達(dá)到深度且全面的智能管護(hù)水平。

智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展的前沿，在電力電網(wǎng)運(yùn)行領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)共享等方面已經(jīng)得到深化應(yīng)用，但在蓄電池監(jiān)測管護(hù)領(lǐng)域，還未有相對成熟的應(yīng)用研究[1-6]。

本文通過設(shè)計(jì)研發(fā)廠站端分布式智能采集單元、邊緣智能控制在線核容檢測單元，同時(shí)利用電力線載波通信（power line communication, PLC）技術(shù)、無線通信技術(shù)（WiFi、GPRS等）及消息隊(duì)列遙測傳輸（massage queuing telemetry transport, MQTT）典型云邊通信物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議等，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)，建立一套專家型電池全壽命管理系統(tǒng)，以提高電池全面管護(hù)技術(shù)的智能化、信息化水平。

1 蓄電池組管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有蓄電池管理系統(tǒng)特點(diǎn)

1）實(shí)時(shí)信息檢測，包括電壓、電流、溫度[7]。

2）性能部分粗略估計(jì)，如通過當(dāng)前電壓粗估容量，在飽和浮充狀態(tài)下，通過注入交流小信號，完成靜態(tài)內(nèi)阻值的檢測。

3）簡單管理控制，比如異常報(bào)警控制處理等。

4）系統(tǒng)本地化或局域化很強(qiáng)，只能本地查看電池信息。

5）智能化分析診斷水平有限。

1.2 傳統(tǒng)蓄電池監(jiān)測管理不足

1）功能性方面，常規(guī)情況下不具備內(nèi)阻監(jiān)測能力，目前少數(shù)站點(diǎn)通過注入交流小信號實(shí)現(xiàn)靜態(tài)內(nèi)阻檢測，而通過大電流沖擊放電檢測動(dòng)態(tài)內(nèi)阻的應(yīng)用很少，所以常規(guī)管理系統(tǒng)對大電流沖擊放電的性能監(jiān)測普遍缺失，降低了對沖擊負(fù)荷潛在供電可靠性的把控。除此之外，常規(guī)系統(tǒng)不具備自動(dòng)放電核容能力，只能依靠額外移動(dòng)式放電儀的配合進(jìn)行定期放電核容測試，需要投入大量人力物力財(cái)力，效率低下，且不具有自動(dòng)活化與均衡功能，缺少對蓄電池健康度的修復(fù)能力和對蓄電池性能趨勢的智能診斷預(yù)判能力，不能在處置電池方面給予運(yùn)維人員及時(shí)有效的指導(dǎo)[8-9]。

2）安全可靠運(yùn)行方面，由于蓄電池單本數(shù)量大、分布式檢測二次線繁多，增加了系統(tǒng)潛在故障點(diǎn)，同時(shí)增大了整體受干擾概率，可能造成蓄電池誤報(bào)、漏報(bào)等情況發(fā)生。

3）應(yīng)用形式方面，常規(guī)管控系統(tǒng)多是就地監(jiān)控，屬于小型局域監(jiān)控，監(jiān)控受到地域限制，無法隨時(shí)隨地掌控蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。

4）系統(tǒng)性能方面，常規(guī)數(shù)據(jù)收集、處理、儲存等環(huán)節(jié)都存在性能瓶頸，對全域設(shè)備的統(tǒng)一管護(hù)能力有限，不能實(shí)現(xiàn)對少量數(shù)據(jù)的挖掘及設(shè)備運(yùn)行趨勢的預(yù)判。

5）一般的分布式采集結(jié)構(gòu)比集中或分散式進(jìn)步很多，但在安裝維護(hù)性能方面還有優(yōu)化空間，在分布式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合PLC技術(shù)，以及云計(jì)算技術(shù)研發(fā)的新型云平臺電池管理系統(tǒng)，最大化解決以上不足。表1為三種電池管理系統(tǒng)架構(gòu)對比。

表1 三種電池管理系統(tǒng)架構(gòu)對比

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

目前被廣泛采用的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)有若干種，此處列舉最常用的幾種。

1）物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)由底層的感知層、中間的網(wǎng)絡(luò)層及上層的業(yè)務(wù)應(yīng)用層組成[10]。感知層通過智能傳感器、圖形識別碼、短距射頻裝置等完成基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，并通過中間件等組成設(shè)備感知核心層，具有功耗低、微型化等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層主要利用無線4G或5G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及光纖網(wǎng)絡(luò)等對集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、加密和傳輸，目前相對成熟的通信基站網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)技術(shù)條件，是技術(shù)一致性最高且最成熟的一層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層具有豐富的應(yīng)用生態(tài)，也是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的根本目的，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用相融合，打破業(yè)務(wù)信息孤島，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的開發(fā)利用，顯著提升生產(chǎn)力。物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)

2）介導(dǎo)網(wǎng)關(guān)邊緣架構(gòu)

介導(dǎo)網(wǎng)關(guān)邊緣架構(gòu)是另一種實(shí)現(xiàn)方式，管理網(wǎng)關(guān)是連接廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)的樞紐傳輸介質(zhì)，底層傳感器、智能采集器、集中器等組網(wǎng)形成局域網(wǎng)，鏈接至管理網(wǎng)關(guān)，管理網(wǎng)關(guān)另一端外接廣域網(wǎng)，從而起到邊緣與廣域網(wǎng)隔離作用[11]。介導(dǎo)網(wǎng)關(guān)邊緣架構(gòu)如圖2所示。

圖2 介導(dǎo)網(wǎng)關(guān)邊緣架構(gòu)

3）其他典型結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)框架還有“邊-云-端”架構(gòu)。“邊-云-端”設(shè)計(jì)架構(gòu)與介導(dǎo)網(wǎng)關(guān)邊緣架構(gòu)設(shè)計(jì)的差異為：設(shè)備裝置等可直連尋址，而不是用邊緣管理網(wǎng)關(guān)分離其他邊緣設(shè)備[12]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的典型特征

1）數(shù)據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵特征之一是數(shù)據(jù)的智能處理，物聯(lián)網(wǎng)組件中會產(chǎn)生海量的不同特征的數(shù)據(jù)，經(jīng)過中心或邊緣處理后，這些數(shù)據(jù)可用于狀態(tài)辨識、運(yùn)行異常診斷、操作控制等。目前，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備多利用數(shù)據(jù)語義建模，以更直觀實(shí)用地解析數(shù)據(jù)內(nèi)在含義，促進(jìn)設(shè)備的互操作性。

2）強(qiáng)通信能力

為了使設(shè)備能夠達(dá)到廣泛交互能力，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中融入了別類廣泛的通信接口與協(xié)議，基本通信方式并不局限于某一種或某幾種方式，而是由實(shí)際使用場景來決定最優(yōu)配置方案。目前，物聯(lián)網(wǎng)最主要的技術(shù)目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)無障礙跨域數(shù)據(jù)交互，使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)深度整合，顯著提升生產(chǎn)力[13]。

3）高信息安全要求

物聯(lián)網(wǎng)中成千上萬的智能裝置數(shù)據(jù)互通、信息共享，要求系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有極高水平的安全技術(shù)措施，這也是系統(tǒng)能被廣泛接納和使用的前提技術(shù)條件。例如，采用加密認(rèn)證等技術(shù)手段保證數(shù)據(jù)傳輸安全性，采用安全管理網(wǎng)關(guān)等防火墻進(jìn)行管理域內(nèi)的攻擊防護(hù)等。

3 基于智能物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池全面管護(hù)系統(tǒng)

3.1 蓄電池物聯(lián)網(wǎng)全面管護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

基于智能物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池全面管護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)層次。

廠站終端設(shè)備層：包括大電流放電動(dòng)態(tài)內(nèi)阻檢測單元、剩余容量檢測單元、單節(jié)電壓、溫度采集傳感器等。本地控制通信層：電力載波通信、485串口通信、工控機(jī)及現(xiàn)場監(jiān)控顯示、IEC 61850、MQTT協(xié)議遠(yuǎn)程通信等，以及云端主站彈性服務(wù)器（管理服務(wù)器、業(yè)務(wù)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、智能管理網(wǎng)關(guān)等）。業(yè)務(wù)應(yīng)用層：PC客戶端，手持式移動(dòng)客戶端。

廠站終端是一個(gè)性能優(yōu)良、功能全面的邊緣端智能系統(tǒng)，是在常規(guī)直流電源系統(tǒng)加設(shè)電池管理部分。蓄電池管理廠站邊緣端主原理如圖4所示。

邊緣端研制所需要的關(guān)鍵技術(shù)有：

1）負(fù)載母線與蓄電池組間加設(shè)能量單向逆止VD1、VD2、投切器件2ZK～5ZK、可編程控制器等邏輯電路，實(shí)現(xiàn)智能放電旁路，實(shí)現(xiàn)在線式核容放電測試，放電過程中蓄電池不脫離母線，提升了核容過程中負(fù)載的穩(wěn)定可靠運(yùn)行水平。

2）系統(tǒng)放電負(fù)載FDQ采用具有能量雙向流動(dòng)能力的雙向有源逆變單元，放電負(fù)載雙向逆變主電路如圖5所示，電池組泄放的能量回饋到電網(wǎng)，使能量回收達(dá)到綠色放電，且沒有常規(guī)熱電阻放電產(chǎn)生大量熱量，避免對周圍設(shè)備運(yùn)行造成不良影響。

3）雙向變流單元專設(shè)物聯(lián)能力的北向接口，結(jié)合工控模塊活化算法，再通過RS 485總線協(xié)控，完成大電流脈沖振蕩，對存在硫化的蓄電池起到容量恢復(fù)作用。

4）每節(jié)電池上加裝智能采集傳感器，實(shí)現(xiàn)異步輪詢持續(xù)靜態(tài)內(nèi)阻檢測。同時(shí)分布式智能傳感器通過電力載波通信接口，實(shí)現(xiàn)免專用通信線的定期同步采集，實(shí)現(xiàn)小電流靜態(tài)內(nèi)阻測試與大電流放電內(nèi)阻測試整合?；赑LC的靜態(tài)內(nèi)阻分布式檢測如圖6所示。

圖3 基于智能物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池全面管護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 蓄電池管理廠站邊緣端主原理

5）中央監(jiān)控器部分完成整個(gè)廠站端的綜合協(xié)調(diào)處理及邊緣計(jì)算、向中心平臺端通信等功能，具備以太網(wǎng)、4G、5G等數(shù)據(jù)上送能力。

中心平臺端云服務(wù)器是一個(gè)泛稱，根據(jù)用途劃分成業(yè)務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、管理網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等。云服務(wù)器一般由電信或服務(wù)器運(yùn)營廠商提供設(shè)備，用戶還可自己配置環(huán)境，安裝組件，架設(shè)服務(wù)，可以安裝所需的任何軟件，擴(kuò)展能力非常強(qiáng)，而且速度快，效率高[14-15]。該應(yīng)用可有效解決多站點(diǎn)蓄電池運(yùn)行大數(shù)據(jù)監(jiān)測處理存儲等問題。另外，通過移動(dòng)智能終端設(shè)備上的應(yīng)用程序，可不受時(shí)間不受地域限制地自由掌控所轄區(qū)域內(nèi)所有電池的運(yùn)行狀態(tài)。

平臺服務(wù)運(yùn)行為Linux系統(tǒng)環(huán)境，開發(fā)框架基于java+mysql+tomcat+nginx+mqtt，并且內(nèi)置工控Modbus RTU、Modbus TCP等主流協(xié)議，以及IEC 61850標(biāo)注協(xié)議等。中心平臺結(jié)合多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸單元（data transfer unit, DTU）透傳模塊，可將除自有邊緣終端外的其他廠站智能終端包羅接入，物聯(lián)平臺具備了一定的通用性。平臺服務(wù)除了可以手機(jī)H5訪問外，還具備微信公眾號接入接口，也可以通過短信、郵件及電話語音等進(jìn)行自動(dòng)通知服務(wù)。

圖5 放電負(fù)載雙向逆變主電路

圖6 基于PLC的靜態(tài)內(nèi)阻分布式檢測

平臺管理員在管理后臺向各層級運(yùn)管人員指派操作權(quán)限，操作員通過瀏覽器可以登錄相關(guān)權(quán)限下的界面進(jìn)行運(yùn)管操作，通過展現(xiàn)豐富直觀的可視化數(shù)據(jù)界面實(shí)現(xiàn)電池全面與全域管護(hù)，基于B/S架構(gòu)的客戶端訪問如圖7所示。

圖7 基于B/S架構(gòu)的客戶端訪問

3.2 智能物聯(lián)網(wǎng)平臺電池管護(hù)運(yùn)行測試

從2022年1月開始，利用物聯(lián)網(wǎng)管護(hù)系統(tǒng)平臺對兩組500A?h電池組進(jìn)行監(jiān)護(hù)實(shí)驗(yàn)，以104節(jié)為一組，變電站蓄電池組運(yùn)行現(xiàn)場如圖8所示。由現(xiàn)場實(shí)拍圖可知，分布式檢測裝置安裝簡明，免去了常規(guī)的通信線，減少了潛在故障點(diǎn)和干擾可能性，整體設(shè)備也顯得更簡潔美觀。在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了若干次動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試、核容及診斷等工作。

圖8 變電站蓄電池組運(yùn)行現(xiàn)場

設(shè)定0.110電流作為核容恒流放電電流，總終止電壓192V，單體電壓1.85V，放電時(shí)間10h。系統(tǒng)核容檢測參數(shù)設(shè)定如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)核容檢測參數(shù)設(shè)定

實(shí)際以50A（10小時(shí)率10）放電，共放出容量為500A?h，蓄電池組終止電壓195V，單體電壓均值1.89V，最小單體電壓1.86V，均在設(shè)定閾值之上，電池健康度達(dá)到100%。蓄電池組10小時(shí)率10放電核容曲線如圖10所示。

圖10 蓄電池組10小時(shí)率I10放電核容曲線

蓄電池組浮充狀態(tài)下剩余容量為100%時(shí)，放電10h后，診斷的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻值如圖11所示，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻均值為2.497mW，極大值為3.326mW，極小值為2.182mW，極大值與極小值間的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻差異較大?？紤]到外部環(huán)境及活化程度造成的測量誤差，進(jìn)行三次以上反復(fù)測量，加權(quán)取平均，鎖定內(nèi)阻確實(shí)異常的電池，并進(jìn)行后續(xù)的重點(diǎn)監(jiān)測管理，然后系統(tǒng)根據(jù)電壓內(nèi)阻運(yùn)行趨勢對蓄電池是否存在硫化、失水等問題作出智能診斷并給出維護(hù)建議，或自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行活化修復(fù)等措施。

圖11 蓄電池組各節(jié)電池動(dòng)態(tài)內(nèi)阻值

相對于傳統(tǒng)管理維護(hù)模式，基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池管護(hù)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，不僅減少了人工成本，還提高了勞動(dòng)效率，減少了故障率，避免了潛在故障可能產(chǎn)生的重大損失。

根據(jù)電力蓄電池維護(hù)規(guī)程要求，站內(nèi)新投運(yùn)蓄電池需要進(jìn)行一次100%全容量核容試驗(yàn)，投運(yùn)2年后需每年進(jìn)行一次充放電試驗(yàn)。目前，以每組蓄電池做一次充放電試驗(yàn)需要配備2～3人、駐守2～3天的維護(hù)模式，考慮供電公司本部所轄變電站數(shù)量，公司每年可節(jié)省近萬元人力成本。新一代電池管護(hù)系統(tǒng)在線核容能量反饋電網(wǎng)，節(jié)約蓄電池檢測儀表使用維護(hù)費(fèi)近萬元。蓄電池常規(guī)人工維護(hù)費(fèi)用明細(xì)見表2。

表2 蓄電池常規(guī)人工維護(hù)費(fèi)用明細(xì)（估算）

注：以上費(fèi)用以330～500kV變電站費(fèi)用投入估算，僅供參考。

4 結(jié)論

本文對基于智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池全面管護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究并實(shí)際應(yīng)用，在該運(yùn)維管護(hù)領(lǐng)域取得了理想應(yīng)用效果，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用簡明施工的電力載波通信方式，完成分布式智能采集與檢測，具備全在線核容及動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試功能，且測試過程綠色放電節(jié)能環(huán)保；具備定期自動(dòng)活化能力與遠(yuǎn)程控制活化能力；系統(tǒng)深度檢測與全面檢測相結(jié)合，就地智能自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)相結(jié)合；蓄電池運(yùn)管人員可以隨時(shí)隨地全面全域自由掌控所轄蓄電池運(yùn)行情況?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)框架下的大數(shù)據(jù)處理，為系統(tǒng)整體安全可靠運(yùn)行提供了有力技術(shù)支撐，并取得了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)可更直接落地應(yīng)用于輸變配電、供用電等電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的蓄電池管理領(lǐng)域，以及風(fēng)光儲充等一體化新興微電網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、綠色節(jié)能的蓄電池全壽命周期管護(hù)。

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Battery group management and maintenance system based on intelligent internet of things

LI Weijie

(Beijing Guodian Guangyu Electrical Equipment Co., Ltd, Beijing 100068)

By analyzing the shortcomings of conventional battery management system and studying the widely integrated application of the electric internet of things, a new generation of battery management system solution based on the intelligent internet of things is proposed in this paper, and a complete set of battery group management and maintenance system from intelligent edge management at the plant terminal to global management and maintenance at the central station is developed. The system takes into account the in-depth integrity of the station end detection, as well as the comprehensiveness of the area under its jurisdiction. After nearly a year of stable operation, it has achieved good social and economic benefits. Compared with conventional maintenance methods, the cost of a single station is reduced by nearly 200 000 yuan. It is of practical significance for the construction and development of intelligent and information-based battery management system (BMS).

internet of things; battery management and maintenance; cloud computing; intelligent diagnosis system; battery

2022-10-09

2022-10-28

李偉杰（1987—），男，河北保定人，工程師，研究方向?yàn)閺S站交直流一體化電源及其智能網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)應(yīng)用。