基于智能物聯網的電池組群管護系統

李偉杰

基于智能物聯網的電池組群管護系統

李偉杰

（北京國電光宇機電設備有限公司，北京 100068）

本文結合目前電力物聯網技術的廣泛融合應用，分析常規電池管理系統的不足，提出新一代基于智能物聯網的蓄電池管護系統解決方案，并實際研制了從廠站端智能化邊緣管理，到中心端全局管護的一整套電池組群管護系統。該系統兼顧廠站端檢測的深入完整性和所轄區域監護的全面性，經近一年的穩定運行，取得了良好的社會經濟效益。相比常規維護手段，該系統單站投入折合費用減少近20萬元，對蓄電池管護系統的智能化、信息化建設和發展有現實意義。

物聯網；電池管護；云計算；智能診斷系統；蓄電池

0 引言

目前在電力系統、數據通信系統及新能源等多個領域，大容量蓄電池作為不間斷應急電源、智能一體化電源系統，以及源網荷儲微電網儲能的重要設備，在不斷擴大投入使用，其大量監測數據也呈現海量增長趨勢。傳統的蓄電池組管理系統因存在功能單一、檢測誤差大、監控范圍有限及安裝繁瑣等弊端，對蓄電池的日常運管效果不夠理想，甚至由于對蓄電池監護不到位，造成系統事故擴大。因此，技術方案與配置陳舊的蓄電池管理系統已不能滿足當前蓄電池在電力、新能源、儲能等領域大規模應用背景下的全面管護需求。傳統蓄電池檢測管理存在的技術瓶頸越來越明顯，比如在多站點電池組集中管護時，對相關數據的存儲、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方案與手段來提升原有電池管理系統水平，乃至達到深度且全面的智能管護水平。

智能物聯網技術作為當前信息技術發展的前沿，在電力電網運行領域中的大數據存儲、數據分析、數據挖掘、數據共享等方面已經得到深化應用，但在蓄電池監測管護領域，還未有相對成熟的應用研究[1-6]。

本文通過設計研發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，同時利用電力線載波通信（power line communication, PLC）技術、無線通信技術（WiFi、GPRS等）及消息隊列遙測傳輸（massage queuing telemetry transport, MQTT）典型云邊通信物聯網通信協議等，將物聯網技術應用于電池管理系統，建立一套專家型電池全壽命管理系統，以提高電池全面管護技術的智能化、信息化水平。

1 蓄電池組管理系統現狀

1.1 現有蓄電池管理系統特點

1）實時信息檢測，包括電壓、電流、溫度[7]。

2）性能部分粗略估計，如通過當前電壓粗估容量，在飽和浮充狀態下，通過注入交流小信號，完成靜態內阻值的檢測。

3）簡單管理控制，比如異常報警控制處理等。

4）系統本地化或局域化很強，只能本地查看電池信息。

5）智能化分析診斷水平有限。

1.2 傳統蓄電池監測管理不足

1）功能性方面，常規情況下不具備內阻監測能力，目前少數站點通過注入交流小信號實現靜態內阻檢測，而通過大電流沖擊放電檢測動態內阻的應用很少，所以常規管理系統對大電流沖擊放電的性能監測普遍缺失，降低了對沖擊負荷潛在供電可靠性的把控。除此之外，常規系統不具備自動放電核容能力，只能依靠額外移動式放電儀的配合進行定期放電核容測試，需要投入大量人力物力財力，效率低下，且不具有自動活化與均衡功能，缺少對蓄電池健康度的修復能力和對蓄電池性能趨勢的智能診斷預判能力，不能在處置電池方面給予運維人員及時有效的指導[8-9]。

2）安全可靠運行方面，由于蓄電池單本數量大、分布式檢測二次線繁多，增加了系統潛在故障點，同時增大了整體受干擾概率，可能造成蓄電池誤報、漏報等情況發生。

3）應用形式方面，常規管控系統多是就地監控，屬于小型局域監控，監控受到地域限制，無法隨時隨地掌控蓄電池的運行狀態。

4）系統性能方面，常規數據收集、處理、儲存等環節都存在性能瓶頸，對全域設備的統一管護能力有限，不能實現對少量數據的挖掘及設備運行趨勢的預判。

5）一般的分布式采集結構比集中或分散式進步很多，但在安裝維護性能方面還有優化空間，在分布式結構基礎上，結合PLC技術，以及云計算技術研發的新型云平臺電池管理系統，最大化解決以上不足。表1為三種電池管理系統架構對比。

表1 三種電池管理系統架構對比

2 物聯網技術

2.1 物聯網體系架構

目前被廣泛采用的物聯網體系架構有若干種，此處列舉最常用的幾種。

1）物聯網三層架構

物聯網三層架構由底層的感知層、中間的網絡層及上層的業務應用層組成[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設備數據采集，并通過中間件等組成設備感知核心層，具有功耗低、微型化等特點。網絡層主要利用無線4G或5G網絡、北斗衛星通信網絡及光纖網絡等對集中的數據進行編碼、加密和傳輸，目前相對成熟的通信基站網絡是物聯網的重要基礎技術條件，是技術一致性最高且最成熟的一層。業務應用層具有豐富的應用生態，也是物聯網建設的根本目的，使物聯網技術與業務應用相融合，打破業務信息孤島，加強數據的開發利用，顯著提升生產力。物聯網三層架構如圖1所示。

圖1 物聯網三層架構

2）介導網關邊緣架構

介導網關邊緣架構是另一種實現方式，管理網關是連接廣域網和局域網的樞紐傳輸介質，底層傳感器、智能采集器、集中器等組網形成局域網，鏈接至管理網關，管理網關另一端外接廣域網，從而起到邊緣與廣域網隔離作用[11]。介導網關邊緣架構如圖2所示。

圖2 介導網關邊緣架構

3）其他典型結構

物聯網框架還有“邊-云-端”架構?！斑?云-端”設計架構與介導網關邊緣架構設計的差異為：設備裝置等可直連尋址，而不是用邊緣管理網關分離其他邊緣設備[12]。

2.2 物聯網的典型特征

1）數據強關聯

物聯網的關鍵特征之一是數據的智能處理，物聯網組件中會產生海量的不同特征的數據，經過中心或邊緣處理后，這些數據可用于狀態辨識、運行異常診斷、操作控制等。目前，物聯網系統設備多利用數據語義建模，以更直觀實用地解析數據內在含義，促進設備的互操作性。

2）強通信能力

為了使設備能夠達到廣泛交互能力，物聯網系統中融入了別類廣泛的通信接口與協議，基本通信方式并不局限于某一種或某幾種方式，而是由實際使用場景來決定最優配置方案。目前，物聯網最主要的技術目標之一就是實現無障礙跨域數據交互，使業務數據深度整合，顯著提升生產力[13]。

3）高信息安全要求

物聯網中成千上萬的智能裝置數據互通、信息共享，要求系統在數據傳輸運轉過程中有極高水平的安全技術措施，這也是系統能被廣泛接納和使用的前提技術條件。例如，采用加密認證等技術手段保證數據傳輸安全性，采用安全管理網關等防火墻進行管理域內的攻擊防護等。

3 基于智能物聯網的蓄電池全面管護系統

3.1 蓄電池物聯網全面管護系統架構

基于智能物聯網的蓄電池全面管護系統架構如圖3所示，整個系統分為以下幾個層次。

廠站終端設備層：包括大電流放電動態內阻檢測單元、剩余容量檢測單元、單節電壓、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、工控機及現場監控顯示、IEC 61850、MQTT協議遠程通信等，以及云端主站彈性服務器（管理服務器、業務服務器、存儲服務器、智能管理網關等）。業務應用層：PC客戶端，手持式移動客戶端。

廠站終端是一個性能優良、功能全面的邊緣端智能系統，是在常規直流電源系統加設電池管理部分。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鍵技術有：

1）負載母線與蓄電池組間加設能量單向逆止VD1、VD2、投切器件2ZK～5ZK、可編程控制器等邏輯電路，實現智能放電旁路，實現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載的穩定可靠運行水平。

2）系統放電負載FDQ采用具有能量雙向流動能力的雙向有源逆變單元，放電負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，使能量回收達到綠色放電，且沒有常規熱電阻放電產生大量熱量，避免對周圍設備運行造成不良影響。

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

4）每節電池上加裝智能采集傳感器，實現異步輪詢持續靜態內阻檢測。同時分布式智能傳感器通過電力載波通信接口，實現免專用通信線的定期同步采集，實現小電流靜態內阻測試與大電流放電內阻測試整合?；赑LC的靜態內阻分布式檢測如圖6所示。

圖3 基于智能物聯網的蓄電池全面管護系統架構

圖4 蓄電池管理廠站邊緣端主原理

5）中央監控器部分完成整個廠站端的綜合協調處理及邊緣計算、向中心平臺端通信等功能，具備以太網、4G、5G等數據上送能力。

中心平臺端云服務器是一個泛稱，根據用途劃分成業務服務器、數據存儲服務器、管理網關服務器等。云服務器一般由電信或服務器運營廠商提供設備，用戶還可自己配置環境，安裝組件，架設服務，可以安裝所需的任何軟件，擴展能力非常強，而且速度快，效率高[14-15]。該應用可有效解決多站點蓄電池運行大數據監測處理存儲等問題。另外，通過移動智能終端設備上的應用程序，可不受時間不受地域限制地自由掌控所轄區域內所有電池的運行狀態。

平臺服務運行為Linux系統環境，開發框架基于java+mysql+tomcat+nginx+mqtt，并且內置工控Modbus RTU、Modbus TCP等主流協議，以及IEC 61850標注協議等。中心平臺結合多協議數據傳輸單元（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，物聯平臺具備了一定的通用性。平臺服務除了可以手機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行自動通知服務。

圖5 放電負載雙向逆變主電路

圖6 基于PLC的靜態內阻分布式檢測

平臺管理員在管理后臺向各層級運管人員指派操作權限，操作員通過瀏覽器可以登錄相關權限下的界面進行運管操作，通過展現豐富直觀的可視化數據界面實現電池全面與全域管護，基于B/S架構的客戶端訪問如圖7所示。

圖7 基于B/S架構的客戶端訪問

3.2 智能物聯網平臺電池管護運行測試

從2022年1月開始，利用物聯網管護系統平臺對兩組500A?h電池組進行監護實驗，以104節為一組，變電站蓄電池組運行現場如圖8所示。由現場實拍圖可知，分布式檢測裝置安裝簡明，免去了常規的通信線，減少了潛在故障點和干擾可能性，整體設備也顯得更簡潔美觀。在幾個月時間內進行了若干次動態內阻測試、核容及診斷等工作。

圖8 變電站蓄電池組運行現場

設定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，放電時間10h。系統核容檢測參數設定如圖9所示。

圖9 系統核容檢測參數設定

實際以50A（10小時率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，均在設定閾值之上，電池健康度達到100%。蓄電池組10小時率10放電核容曲線如圖10所示。

圖10 蓄電池組10小時率I10放電核容曲線

蓄電池組浮充狀態下剩余容量為100%時，放電10h后，診斷的動態內阻值如圖11所示，動態內阻均值為2.497mW，極大值為3.326mW，極小值為2.182mW，極大值與極小值間的動態內阻差異較大?？紤]到外部環境及活化程度造成的測量誤差，進行三次以上反復測量，加權取平均，鎖定內阻確實異常的電池，并進行后續的重點監測管理，然后系統根據電壓內阻運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建議，或自動啟動執行活化修復等措施。

圖11 蓄電池組各節電池動態內阻值

相對于傳統管理維護模式，基于物聯網的蓄電池管護系統的研制與應用，不僅減少了人工成本，還提高了勞動效率，減少了故障率，避免了潛在故障可能產生的重大損失。

根據電力蓄電池維護規程要求，站內新投運蓄電池需要進行一次100%全容量核容試驗，投運2年后需每年進行一次充放電試驗。目前，以每組蓄電池做一次充放電試驗需要配備2～3人、駐守2～3天的維護模式，考慮供電公司本部所轄變電站數量，公司每年可節省近萬元人力成本。新一代電池管護系統在線核容能量反饋電網，節約蓄電池檢測儀表使用維護費近萬元。蓄電池常規人工維護費用明細見表2。

表2 蓄電池常規人工維護費用明細（估算）

注：以上費用以330～500kV變電站費用投入估算，僅供參考。

4 結論

本文對基于智能物聯網技術的蓄電池全面管護系統進行研究并實際應用，在該運維管護領域取得了理想應用效果，系統具有以下優點：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態內阻測試功能，且測試過程綠色放電節能環保；具備定期自動活化能力與遠程控制活化能力；系統深度檢測與全面檢測相結合，就地智能自動控制與遠程監護相結合；蓄電池運管人員可以隨時隨地全面全域自由掌控所轄蓄電池運行情況。基于物聯網技術框架下的大數據處理，為系統整體安全可靠運行提供了有力技術支撐，并取得了較明顯的經濟效益。該系統可更直接落地應用于輸變配電、供用電等電力系統各個環節的蓄電池管理領域，以及風光儲充等一體化新興微電網系統中，實現經濟、高效、綠色節能的蓄電池全壽命周期管護。

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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，研究方向為廠站交直流一體化電源及其智能網絡化開發應用。