基于數據融合的變電站蓄電池組電壓實時監測系統

李文偉，王曉明，陳寶歡，姚敏芳

（1.廣西電網有限責任公司欽州供電局，廣西欽州 535000；2.廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530023）

蓄電池組作為變電站遇到突發情況應急備用的重要組成部分，在變電站供電電源無法供電時，能夠保障變電站正常運行[1]。在對其進行監測時，如果采用直流系統只能實時監測其電壓和電流，無法準確分析與評估其容量和運行狀況是否滿足運行要求[2]。

為及時、準確地掌握蓄電池運行狀態，相關研究人員研制開發了一種多傳感器的觸點式繼電器切換監測系統[3]。觸點繼電器開關監控器是傳統電池監控器中基于多傳感器技術的一種，由于觸點放電會出現反彈現象，需要采用多種傳感器實現。由于多個傳感器只能分別反映多個側面信息。因此，同一信息重復采集概率較高，也存在采集信息過于簡單，不能發揮各信息之間優勢互補的問題。多路模擬開關選通監測系統采用多路模擬開關式門禁監控系統，采用V/F 變換器可以實現模擬信號轉換，改善了工作時輸入電壓高于工作電壓的現象。但該系統存在響應速度慢、線性度和精度不高等缺點。

為此，文中設計了基于數據融合的變電站蓄電池組電壓實時監測系統。與傳統監測系統相比具有監測精度高的優勢。

1 系統硬件結構設計

變電站蓄電池組電壓實時監測系統硬件結構，如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

由圖1 可知，該文設計系統結構由感知層、網絡層和應用層3 個層次組成。其中，感知層是由溫度傳感器和終端機上電池進行對象識別和信息采集。網絡層包括基站和監控服務器，通過網絡將監控服務器監控的信息進行有效處理[4]。應用層實現物聯網的數據分析與應用，負責為用戶提供接口、操作及報表，并設置報警系統，實現變電站蓄電池組電壓實時監測。

1.1 應用層——系統主站

蓄電池組電壓監測數據由數據中心傳送至傳輸設備，再傳送至主站。主站結構如圖2 所示。

圖2 主站結構

系統主站由蓄電池組、采集板、集中傳輸設備、光纖電路及CAN 總線組成，通過采集板采集信號，由傳感器節點傳輸信號，再通過總線向系統內部進行信息傳輸[5]。

1.2 網絡層——監控服務器

網絡層監控服務器主要負責在每個檢測終端上不間斷地查詢電池狀態參數，再對參數進行分析，具有故障報警和遙控操作等功能[6]。此外，監控服務器還負責將電池狀態參數存儲在監控數據庫中，為用戶提供網絡服務，方便操作人員查看電池整體狀態。

由于Windows 服務器具有易于維護和穩定的優點，故Windows 服務器成為監控服務器首選操作系統。同時，該服務器還可發布網絡信息，并對設備狀態數據存儲[7]。結合系統軟件，向用戶瀏覽器發送狀態參數和警報信息。

1.3 感知層——高線性度隔離光耦采集裝置

采用高度線性隔離光耦采集裝置除了可以作為蓄電池組參量實時采集裝置，還可作為采樣隔離單元，其結構如圖3 所示。

圖3 蓄電池參數實時采集裝置

采集裝置由電路和單片機系統兩部分組成，通過電池組提供電壓，電池組電壓通過線性光電耦合傳輸到單片機系統中，實現前后兩層完全隔離。該裝置具有隔離式光耦，供每個電池的極片使用[8-10]。采用高性能STM32F4 系列單片機，可實現24 路數據采集，在極短時間內可讀取電池所有狀態信息并將其上傳后臺，滿足實時監控要求[11-13]。

2 系統軟件設計

在蓄電池組電壓實時監測方法的設計中，采用基于數據融合對蓄電池組電壓實時監測。監測步驟如下：

Step1：對變電站DC 系統蓄電池組電氣參數和狀態參數進行劃分，分析狀態評價中各監測參數作用。

1）單體電壓

檢測故障電池通過實時監測電池的浮動充電壓力實現。實際應用中，電池的浮充電壓正常時，存在電池輸出不足的問題[14]。這是由于電解液氧化，造成充氣壓力出現一定程度的偏差，而在浮充壓力正常情況下，放電容量卻不足，不能完全反映電池狀態。故以浮充電壓作為輔助電參數，對電池狀態進行判斷。

2）單體內阻

蓄電池性能參數重要指標是蓄電池單體內阻，它與蓄電池容量之間存在非線性關系，可以對蓄電池運行狀態進行實時判斷[15]。電池內部電阻變化緩慢，出現問題的電池內阻會相應增大。因此，采用縱向比較法對電池內阻進行判斷分析，并建立相應趨勢分析數學模型。

3）蓄電池溫度

電池組溫度是電池組性能的重要指標，也是其運行狀態的重要反映。通過參數選擇，建立Bang-Bang模型，即：

式中，U表示輸入參數，a、b表示輸入參量閾值。

Step2：確定狀態參量并完成狀態參數評估，當電池從總線上分離或斷開時，整個系統受到嚴重影響，如電池組連接良好，執行Step3。

Step3：根據不同參數，建立數學分析模型，分析電池組的當前運行狀態。

Step4：結合蓄電池歷史數據，建立蓄電池歷史數據趨勢分析模型，預測蓄電池的運行狀況。

由于蓄電池單體內阻(電壓)變化較慢，可垂直比較電池組內電阻(電壓)，預測其健康狀況[16]。根據電壓變化趨勢，建立蓄電池歷史數據趨勢分析模型判斷單個電池內阻(電壓)：

式中，λre表示內阻電壓變化率，c表示內阻電壓變化閾值。

將趨勢模型連續輸出次數記錄為1，由最新內部電阻(電壓)數據計算內部電阻(電壓)變化率，達到一定值(設定值)后，可預測電池組的異常運行狀態。

Step5：在此基礎上，提出了基于深度數據融合的電池組運行狀態的評價方法。將正常、異常和嚴重作為評估蓄電池狀態的3 種等級。在Bang-Bang模型基礎上，基于輸出和趨勢判斷模型的數據融合決策分析方法來綜合判斷電池運行狀態。

按照以下3 個層次對正常、異常和嚴重進行分類：正常的Bang-Bang 模型輸出和趨勢判斷模型輸出為0；異常的Bang-Bang 模型輸出和趨勢判斷模型輸出為1；嚴重的Bang-Bang 模型輸出和趨勢判斷模型輸出為n。融合決策采用以下規則：

①當各參數Bang-Bang 模型和趨勢判斷模型輸出均為0 時，系統整體評估狀態正常；

②對Bang-Bang 模型或帶有參數的趨勢判斷模型，系統輸出為1 時，整體評價異常；

③在異常情況下，判斷參數重要程度，重要程度較大時，系統整體評估為異常。

Step6：在局部參數異常情況下，判斷趨勢模型累計輸出達到設定值n時，系統的總體評價狀況為嚴重。

3 實驗分析

3.1 實驗參數

為方便實驗控制和管理，該實驗的參數如表1所示。

表1 實驗參數

3.2 實驗環境創建

監測蓄電池組電壓變化情況，判斷蓄電池組處于放電還是充電狀態，使用遙控調節方式調節交流母線的電壓，如果低于設定的閾值，那么蓄電池組處于放電狀態；反之，則處于充電狀態。

蓄電池放電判斷示意圖如圖4 所示。

圖4 蓄電池放電判斷示意圖

在開發系統中添加遙控調壓模塊，通過遠程操作就可完成電壓調節。

3.3 結果分析

選取基于多傳感器的觸點式繼電器切換監測系統、多路模擬開關選通監測系統和基于數據融合監測系統的年電壓合格率，以此作為實驗對比條件，選取結果如圖5 所示。

圖5 年電壓合格率選取結果

由圖5 可知，規定年電壓合格率超過60%即為合格，3 種系統在2-6 月份年電壓合格率超過60%，因此選取2-6 月份使用的蓄電池組作為實驗對象。

基于上述選取蓄電池組，分別使用3 種系統對蓄電池組電壓變化情況進行對比，并分析監測結果，如表2 所示。

由表2 可知，當總線電壓降至閾值以下時，蓄電池電壓發生變化。蓄電池組電壓不變，說明基于多傳感器的觸點式繼電器切換監測系統、多路模擬開關選通監測系統通信電源出現故障。在基于數據融合監測系統的基礎上，蓄電池組總電壓下降，放電持續，顯示電路正常工作，且電壓變化情況與實際值誤差較小，最大誤差為1 V，說明該系統實際監測結果精準。

表2 不同方法電壓實時變化情況對比

4 結束語

該文提出基于數據融合的變電站蓄電池組電壓實時監測系統。實驗研究表明，該系統能對變電所內蓄電池的溫度、電壓、內阻進行實時、有效監控，提高了監控的精確度，避免監控不到位導致的后果。但目前監測體系還存在很多不足和問題，需要進一步分析和解決。