智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘" 要：隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和可再生能源的廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的地位日益重要。本文詳細(xì)介紹了智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、功能特點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；可再生能源；儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)

一、引言

目前，可再生能源快速發(fā)展，但其間歇性和不穩(wěn)定性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)作為解決這一問(wèn)題的有效手段，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而，儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也面臨著一些風(fēng)險(xiǎn)，如電池過(guò)熱、過(guò)充過(guò)放等，均可能導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)故障甚至引發(fā)安全事故。鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性來(lái)源于其內(nèi)部可以發(fā)生燃燒反應(yīng)的化學(xué)材料，鋰離子電池?zé)崾Э匾鹑紵|發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐牡湫图ぴ粗饕釣E用、電濫用、機(jī)械濫用等[1]。因此，建立一套高效的儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

二、智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

（一）硬件架構(gòu)

當(dāng)下針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)的三級(jí)電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）大多只能采集電池的電壓、電流和表面溫度等[2]，而智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的功能更多，硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、通信模塊和監(jiān)控主機(jī)等。傳感器負(fù)責(zé)采集儲(chǔ)能系統(tǒng)的各種參數(shù)，如電壓、電流等。數(shù)據(jù)采集單元將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，并通過(guò)通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

數(shù)據(jù)采集單元通常采用微處理器或?qū)Ｓ玫臄?shù)據(jù)采集芯片，能夠?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。通信模塊可以選擇有線通信方式，也可以采用無(wú)線通信方式，取決于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

（二）軟件架構(gòu)

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析軟件和預(yù)警管理軟件等。數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取有用的信息。

1、技術(shù)方案與技術(shù)路線

在軟件架構(gòu)中，將大數(shù)據(jù)和人工智能創(chuàng)新地應(yīng)用到新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通過(guò)改造通訊方式和大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取全時(shí)全量秒級(jí)數(shù)據(jù)，再用人工智能、時(shí)間序列、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行深度分析，最后完成界面形成一套完整的儲(chǔ)能監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)。具體包括以下幾個(gè)方面：

①儲(chǔ)能系統(tǒng)中基于AUTBUS的總線方案設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目方案，將采用基于AUTBUS通信總線協(xié)議的外掛式串聯(lián)儲(chǔ)能管理系統(tǒng)，以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。但該方案要求總帶寬不低于100Mbps，同時(shí)要求上傳的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括精準(zhǔn)的時(shí)間戳，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。設(shè)備數(shù)據(jù)將通過(guò)雙絞線進(jìn)行傳輸，同時(shí)支持熱插拔模式，從而使儲(chǔ)能系統(tǒng)維護(hù)更加便捷和高度可靠。這一總線方案將極大簡(jiǎn)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的布線需求，消除冗余級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了扁平化管理，進(jìn)一步提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)化性和安全性。此外，AUTBUS通信總線的高帶寬BMU數(shù)據(jù)采集方式也降低了分布式BCU的功能負(fù)擔(dān)，使BCU更加輕量化和低成本。

②設(shè)計(jì)輕量級(jí)蓄電池健康監(jiān)測(cè)方案

運(yùn)用人工智能，將多組電芯數(shù)據(jù)融合形成新的系統(tǒng)指數(shù)——復(fù)雜度，利用全周期蓄電池檢測(cè)的數(shù)據(jù)從多維度描述復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的不確定性，通過(guò)復(fù)雜度分析電芯狀態(tài)。

③設(shè)計(jì)一體化智慧能源管理平臺(tái)

運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)：

[1]數(shù)據(jù)采集，全時(shí)全量采集所有設(shè)備數(shù)據(jù)，為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。

[2]遠(yuǎn)程集控，通過(guò)集中化遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、少人值守。

[3]智慧運(yùn)維，通過(guò)故障預(yù)警、故障診斷、設(shè)備健康管理、業(yè)務(wù)管理等功能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站智總管理和運(yùn)維，并進(jìn)一步使用歷史數(shù)據(jù)輔助決策，通過(guò)大數(shù)據(jù)結(jié)果決定儲(chǔ)能量大小，合理布局儲(chǔ)能資源；使用大數(shù)據(jù)實(shí)施決策，依據(jù)數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)決定充放電策略。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）傳感器技術(shù)

傳感技術(shù)是智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的全面監(jiān)控，需要采用多種類(lèi)型的傳感器，如電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。這些傳感器需要具有高精度、高可靠性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，以確保采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新型傳感器也在不斷涌現(xiàn)。

（二）數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)。為了確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，需要采用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)和可靠的通信方式。目前，常用的通信方式為有線通信和無(wú)線通信兩種，其中無(wú)線通信具有安裝方便、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以采用同步采樣、多通道并行采集等方式，提高數(shù)據(jù)采集的速度和精度。在通信方面，需要考慮通信協(xié)議的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩缘葐?wèn)題。

（三）數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)是智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的核心技術(shù)。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以提取出有用的信息，如電池狀態(tài)、儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)等。同時(shí)，還可以對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以從大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和模式，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化和決策提供技術(shù)支持。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立預(yù)測(cè)模型，對(duì)電池的壽命、儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障等進(jìn)行預(yù)測(cè)。人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更加智能化的監(jiān)控和預(yù)警。

（三）預(yù)警與決策技術(shù)

預(yù)警與決策技術(shù)是智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并采取相應(yīng)的措施。預(yù)警與決策技術(shù)主要包括預(yù)警算法、決策支持系統(tǒng)等。預(yù)警算法需要根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，準(zhǔn)確判斷異常情況的類(lèi)型和嚴(yán)重程度，并發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)。

四、功能特點(diǎn)

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)控

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括電池狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的異常情況，并采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。

實(shí)時(shí)監(jiān)控不僅可以提供當(dāng)前的儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)信息，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和分析，發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。

（二）預(yù)警功能

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)具有強(qiáng)大的預(yù)警功能，能對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。預(yù)警方式包括聲光報(bào)警、短信通知、郵件通知等，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)置。鋰離子電池火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)能在電池發(fā)生熱失控前發(fā)出預(yù)警，但由于其他因素導(dǎo)致沒(méi)能及時(shí)阻止電池發(fā)生熱失控和火災(zāi)，就需要有一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的抑制滅火系統(tǒng)來(lái)阻止火災(zāi)的蔓延并撲滅火源[3]。

（三）數(shù)據(jù)分析

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取有用的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以為用戶(hù)提供決策支持，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。數(shù)據(jù)分析可以采用多種方法，如統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、頻譜分析等。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，可以了解儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和性能特點(diǎn)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。

（四）遠(yuǎn)程控制

用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。遠(yuǎn)程控制功能可以方便用戶(hù)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)，提高工作效率。遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、參數(shù)調(diào)整等操作。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、平板電腦或電腦等終端設(shè)備隨時(shí)隨地對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和便捷性。

（五）歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，用戶(hù)可以隨時(shí)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能可以幫助用戶(hù)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行情況，找出問(wèn)題的根源，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。此外，智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)還可以提供設(shè)備維護(hù)提醒、故障診斷等功能，幫助用戶(hù)及時(shí)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和故障處理。

五、實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

（一）提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的異常情況，并采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。同時(shí)，智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)還可以對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免電池過(guò)充過(guò)放、過(guò)熱等情況的發(fā)生，提高電池的使用壽命和安全性。

（二）提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的故障和隱患，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)還可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前做好維護(hù)和保養(yǎng)工作，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)設(shè)備的故障時(shí)間和維護(hù)需求，提前安排維護(hù)計(jì)劃，避免設(shè)備故障對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行造成影響。

（四）提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率

通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以?xún)?yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率和能量利用率。同時(shí)，智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)還可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行分析和評(píng)估，為用戶(hù)提供決策支持，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

六、結(jié)論

智能與安全儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)是一種高效、可靠的儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)。它通過(guò)先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)以及預(yù)警與決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

參考文獻(xiàn)：

[1]李首頂，李艷，田杰等。鋰離子電池電力儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全現(xiàn)狀分析J1.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2020，9（5）：1505-1516.

[2]袁性忠，王輝，賈宏剛等。基于儲(chǔ)能型 APF 的微電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理.高壓電器，2022，58（8）：238-244

[3]蔡昊燃。儲(chǔ)能電站電化學(xué)特性分析及火災(zāi)防控措施思考J. 山東化工，2022，51（16）：219-221.

作者單位：北京智慧空間科技有限責(zé)任公司