基于B/S架構的全釩液流電池遠程狀態監測系統

禹爭光 張紅亮 林 亮 曹 海 宋冬梅 白潤東

（東方汽輪機有限公司材料研究中心 長壽命高溫材料國家重點實驗室）

全釩液流電池（Vanadium Redox Batty，VRB）是一種電化學儲能技術， 相比于其他儲能方式，具有儲能容量與充放電功率相對獨立，便于后期自主配置、超過10 萬次的循環壽命、工作中和存放時安全性高、材料在全生命周期對環境友好等優點，可應用于可再生能源（如風能、太陽能等）發電側平滑電力輸出、電網側削峰填谷、系統電能備用及用戶側電能質量控制等領域［1，2］。 近年來，隨著關鍵材料技術的進步，系統成本逐年下降，VRB 儲能將迎來更為廣泛的應用前景。

目前，VRB 模塊遠程監測系統分為兩種工作模式：客戶端/服務器（C/S）模式和瀏覽器/服務器（B/S）模式［3］。 其中，C/S 模式主要應用于單機測量， 該工作模式的優點是受控系統實時性強、響應時間短，缺點是需要開發和安裝特有的客戶端軟件，并且不方便針對多個交互對象，擴展時也受限。B/S 模式是隨著Internet 技術廣泛應用而興起的，其優點是用戶可在跨平臺多系統上實現對服務器系統的訪問， 且客戶端用戶數量不限，同時可以大幅降低系統開發工作量，提高系統框架的可維護性。

在設計VRB 儲能系統時， 需利用工廠現有網絡進行統一的數據采集分析和指令分發，且能夠保證網絡內多用戶可以對VRB 儲能系統狀態進行查看和參數設置。 為此，筆者開發了一種基于B/S 架構的全釩液流電池狀態監測系統（VRB Condition Monitoring System，VRB-CMS），利用B/S架構所固有的數據安全性、 實時性和一致性，實現VRB-CMS 服務響應的及時性和網絡應用跨平臺的優勢。

1 系統總體架構

基于B/S 架構的全釩液流電池狀態監測系統采用三層架構層（圖1），分別為數據采集層、業務邏輯層和用戶界面層。 其中，數據采集層主要實現相關數據通信和存儲，業務邏輯層主要處理工作業務邏輯和一些運算，用戶界面層主要提供與用戶交互功能。 這種三層架構工作方式，能夠確保儲能系統運行時的及時性、一致性和通信數據的安全性［4，5］。

圖1 VRB-CMS 系統總體架構

1.1 數據采集層

數據采集層是儲能系統的核心，完成各儲能模塊與數據庫之間的設備信息和控制指令交換，以及與業務邏輯后端的數據交換。 數據庫服務器基于雙方協商的數據結構和指令協議， 以Socket方式與設備連接，通過網絡交換機連接到多套儲能能源管理系統（EMS）。儲能EMS 系統通過內部總線完成與BMS、PCS、各傳感器之間的通信，實現原始數據的收集和控制命令的分發。

1.2 業務邏輯層

業務邏輯層是系統工作邏輯和指令執行的關鍵，由于系統采用的是B/S 架構，故業務邏輯層不僅包含傳統服務器所具有的數據處理、邏輯分析功能，還兼備Web 服務功能。

業務邏輯層功能模塊一方面實時接收來自數據采集層的監測數據，并實時計算、分析、存儲；另一方面， 其Web 服務組件接收來自用戶的請求，并將處理后的數據通過HTTP 協議返回給用戶。

1.3 用戶界面層

在B/S 架構下，Web 瀏覽器以圖形、 圖表等直觀形式向用戶交互顯示當前監測對象的運行狀態信息。 同時，通過JS 程序和AJAX 技術定時刷新傳遞的數據，用戶不僅可以觀察任意儲能系統的實時運行數據， 還可以查看圖表化的電池SOC 狀態和系統告警信息。 客戶端下發實時工作指令、 通過口令認證、 獲取服務器授權并給出Session ID 號后， 才可下發實時工作指令到儲能設備，從而實現各層級的管理。

2 系統軟件設計

系統軟件部分包括后端數據采集層數據采集、各類數據結構變換、數據管理分析、業務邏輯層邏輯計算、前端用戶界面展示和實時更新。 在保證系統穩定性和滿足數據實時性需要的基礎上，系統后端采用Windows+Apache+PHP+Mysql+Redis 技術，包含網絡數據采集、數據結構轉換、數據計算、業務邏輯及登錄認證等業務模塊。 系統前端采用Html5+CSS3+JS 和業務框架，以提升網絡頁面用戶信息的交互性和用戶體驗感。

2.1 數據庫和數據采集通信協議

系統采用Mysql+Redis 來開發儲能服務器端的數據庫。 服務器端通過ODBC 數據源配置來實現Mysql 數據庫訪問。 VRB 儲能系統Mysql 數據庫主要包括3 類數據表（圖2）：設備信息表、實時數據表和告警信息表。采用Redis 建立Hash 數據表， 利用Hash 數據表存放儲能系統實時運行數據和下達的控制指令命令，以減少硬盤數據庫的訪問數量和時間延遲。

圖2 數據庫表結構

設備信息表在系統每次上電重啟后自動更新，在工作期間，實時數據表會對設備信息表中每個設備以每秒1 次輪詢的方式獲取1 條全部設備工作信息的實時數據和傳感器數據， 并與系統時間戳一起記錄下來。 系統設備包括DC-DC 模塊、DC-AC 模塊及電度表等。 設備和傳感器告警信息由設備運行過程中的觸發來實現實時上報。

由于儲能EMS 通信數據沒做處理，是十六進制數據，因此需要通過數據結構轉換、數據平滑并進行有效值計算后， 方可以標準數據結構保存。

2.2 Web 后端技術

考慮到系統可以采用百毫秒等級響應，對數據實時性的要求并不嚴苛，所以服務器端工作模式采用的是簡單的多線程模式。 服務器端軟件架構如圖3 所示。

圖3 VRB-CMS 服務器端軟件架構

主流程分為3 個線程：

a. 采樣通信線程，完成數據采樣、數據處理和存儲工作，該線程優先級最高；

b. 數據處理線程，負責邏輯處理、電池SOC值計算、 數據采樣后的簡單處理和接收系統指令，優先級居中，采樣間隔為1 s；

c. Web 發布線程，負責與服務器端的數據通信，該線程通過可靠的Socket 建立連接，接收來自客戶端的命令，執行相應的任務，并返回指定的數據。

2.3 Web 前端技術

Web 發布層是B/S 架構特有的構成部分，該部分的功能直接影響用戶的體驗感和交互性。 整個Web 發布方案采用的是Html5、CSS3 和PHP+JS 混合方式編程， 其中為了達到更好的顯示效果，采用Jquery 和圖形庫控件來實現波形和指針顯示儀表，Ajax 定時刷新數據形成圖表動態顯示。 Web 發布層的數據均與數據庫進行交換。

整個Web 界面分成3 部分： 實時數據顯示、運行圖表顯示和文字背景。 實時數據顯示包括采樣直接獲得的波形數據和經過數值分析得到的靜態數據，其中，波形數據又包括電壓、電流實時波形和儲能系統實時SOC 狀態。

2.4 電池荷電狀態值估算

全釩液流電池的荷電狀態數據是儲能系統的重要參數，是能量管理系統制定能量管理措施和控制儲能電池充放電策略的重要依據，也是儲能電池運行安全和延長使用壽命的關鍵保障。 目前，全釩液流電池SOC 值計算方法主要分為在線估算法和離線估算法兩種。 對于在線估算法，常用的計算模型有開路電壓法、安時積分法、修正卡爾曼濾波法和神經網絡法［6，7］。 本系統SOC 值的計算采用修正卡爾曼濾波法封裝子程序。

為準確計算SOC 值，需建立相適應的電池模型，如圖4 所示。

圖4 全釩液流電池等效電路模型

圖4 中，Ri為電堆的等效內阻， 其值與電堆質子膜、電解液、雙極板及碳氈等關鍵電池材料相關；R1、C1和R2、C2兩個串聯RC 電路分別代表電池的濃差極化和活化極化，是電池充放電過程的動態特性；R BOE和Rpump分別為控制電路等效電阻和變頻全釩電池循環泵電阻， 其中Rpump與SOC 狀態和充放電電流相關。 Evrb是與SOC 相關的理想電壓源，其計算式如下［8］：

根據基爾霍夫電壓和電流定律，數據離散化操作后建立系統的狀態方程，采用卡爾曼濾波算法進行擬合計算， 得到電池模型中的各參數值，然后電池模型參數值經過在線實時測試的正負極電解液體積和溫度的修正后，計算得到儲能系統SOC 值［9］。 由于全釩液流電池模型參數運行變化小，可較長時間間隔（每秒1 次）計算一次。

3 應用實例

筆者所設計的VRB-CMS 安裝運行于125 kW·h VRB 儲能模組中， 儲能系統為16 kW×8 串并聯結構。數據采集采用模塊化結構，BMS 模塊（電堆運行控制）、AC-DC 模塊 （交流-直流轉換）、DCDC 模塊（直流變壓恒流）、AMM 模塊（電網切換、計量、數據寄存）和PCS 模塊（模塊間工作管理、閾值設定）均裝配于機箱內，機箱內配置UPS 電源模塊。 數據服務器通過交換機與工廠局域網（內網）互聯。

由于本系統采用的是B/S 架構， 因此在工廠互聯網內用戶僅需要通過網頁瀏覽器即可從服務器端獲取實時數據、 趨勢數據和故障診斷信息。 圖5 為瀏覽器顯示液流儲能電池實時運行截圖。 可以通過表格同時顯示全部模塊運行關鍵數據，動畫展示系統充放電狀態和告警信息，通過數據圖顯示電池充放電電流、電壓和功率隨時間變化的實時波形，系統SOC 值經后臺計算后以指針圖表的形式實時顯示。 相應數據分析報告則通過數據關聯計算后，在管理者頁面給出。

圖5 瀏覽器顯示液流儲能電池實時運行截圖

4 結束語

筆者設計的基于B/S 架構的全釩液流電池遠程狀態監測系統，通過TCP 網絡協議與儲能服務器平臺交換運行數據，經服務器數據處理、計算SOC 值后上傳數據庫保存，完成后端數據管理與服務器分析發布。整個平臺通過標準TCP/IP 協議建立各類網絡數據連接，并以標準Web 發布方式跨平臺與多用戶交互。 系統以VRB 儲能電池運行參數為主要監測對象，結合電解液流量、電流、電壓、溫度、正負電解液摩爾量比值等參數，分析計算電池SOC 值和剩余容量。 目前，該系統已經用于某工廠125 kW·h 現場， 實現對儲能系統數據的采集、分析診斷和信息交互，可為系統管理維護人員實時了解儲能系統的運行狀態提供可靠依據。