基于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的電力直流設(shè)備蓄電池綜合監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉偉 凌佳凱 馬駿 陳凱

摘要：電力直流設(shè)備蓄電池是配電站房、環(huán)網(wǎng)柜等站用電源中直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，為了實時準確獲取蓄電池的運行狀態(tài)，提出了一種基于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的電力直流設(shè)備蓄電池綜合監(jiān)測系統(tǒng)。首先，通過部署在直流設(shè)備蓄電池旁邊的綜合監(jiān)測傳感器，實時采集整組電池的組電壓、充放電電流和電池陰極溫度，并通過低功耗廣域（LPWAN）通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ呕?其次，通信基站通過以太網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)、公網(wǎng)4G通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏χ绷髟O(shè)備蓄電池信息綜合管理平臺，并運用“基于天牛須算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（BAS-BP）”在線分析評估蓄電池的健康程度（SOH）;最后，通過實際數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)能夠快捷有效地檢測早期失效電池并預(yù)測蓄電池性能變化趨勢，為蓄電池的穩(wěn)定安全運行護航，保證有效可靠供電。

關(guān)鍵詞：蓄電池監(jiān)測;健康程度;低功耗廣域網(wǎng)技術(shù);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

0? ? 引言

直流電源系統(tǒng)是配電站房的重要組成部分，主要負責(zé)為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負載提供安全穩(wěn)定可靠的電力保障，確保配電站房、配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜等控制、保護、通信設(shè)備正常運行[1]。直流電源系統(tǒng)主要由蓄電池和直流裝置兩部分組成，一般情況下，站用交流電經(jīng)整流裝置直接為直流電源系統(tǒng)供電;當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生狀況時，交流電無法供電，則需通過蓄電池組實現(xiàn)系統(tǒng)供電[2]，保證電力系統(tǒng)的二次系統(tǒng)負載不間斷供電。

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模和電能需求的擴大，電力系統(tǒng)的運行要求不斷提高，在配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜、開閉所和配電房等電力直流設(shè)備應(yīng)用場合，必須保證不間斷供電，因此蓄電池的穩(wěn)定性和在放電過程中能提供給負載的實際容量對確保電力設(shè)備的安全運行具有十分重要的意義。在實際應(yīng)用中，蓄電池健康度SOH是一個非常重要的指標(biāo)。目前蓄電池健康狀態(tài)的檢測方法主要有放電實驗法、電壓陡降法和電阻折算法等。

文獻[3]通過分析機理指出SEI膜和蓄電池的退化有很強的關(guān)聯(lián);文獻[4]將多項式回歸模型和經(jīng)驗指數(shù)模型相融合實現(xiàn)蓄電池容量退化趨勢的跟蹤;文獻[5]運用三參數(shù)指數(shù)退化模型描述鋰電池容量的變化趨勢;文獻[6]考慮微電網(wǎng)蓄電池退化過程中非線性和波動性的特征，提出采用基于神經(jīng)算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對蓄電池的SOH進行評估;文獻[7]分析鋰離子電池的基本特性，利用卡爾曼濾波算法對鋰電池的剩余容量SOC進行預(yù)測;文獻[8]提出了站內(nèi)蓄電池實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對蓄電池組的科學(xué)管理。上述研究均圍繞算法模型進行改進，缺乏對終端數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)的研究與改進。

鑒于此，本文提出了基于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的電力直流設(shè)備蓄電池綜合監(jiān)測系統(tǒng)，使用直流設(shè)備蓄電池的綜合監(jiān)測傳感器，實時采集整組電池的組電壓、充放電電流和電池陰極溫度，并通過低功耗廣域通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ呕?通信基站通過以太網(wǎng)或4G連接公網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒕C合管理平臺，利用算法模型在線分析評估蓄電池的健康程度，便于運維人員及時了解蓄電池運行狀態(tài)，提高運維效率。

1? ? 低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）興起是為了應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對無線通信技術(shù)的更高要求。不同于傳統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)具有低功耗、低成本、大連接、廣覆蓋的特點，同時支持大規(guī)模組網(wǎng)，在測距和定位等方面性能十分突出[9]。當(dāng)前，低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)主要包括NB-IOT（Narrow-band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、LoRaWAN（Long Range Wide-Area Network，超遠距離廣域網(wǎng)）、Sigfox、Weightless等。

LoRa具有超長距、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸特性，能夠較好地應(yīng)用于配用電通信網(wǎng)[10]。LoRaWAN協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。其中，LoRa技術(shù)在物理層使用線性調(diào)頻擴頻，不僅提高了接收機的靈敏度，在一定程度上也降低了能耗，同時上下行同頻半雙工通信，單芯片系統(tǒng)寬帶為2 Mbit/s，由8個125 kbit/s的信道組成，每個信道可以靈活使用擴頻因子SF7-12的6種擴頻方式。

當(dāng)終端進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以通過隨機接入的8個信道避免干擾。終端和網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)距離、信號強度和消息發(fā)送時間等依據(jù)確定通信使用的擴頻因子SF，實現(xiàn)通信速率的靈活轉(zhuǎn)變。為實現(xiàn)不同應(yīng)用場景的需求，協(xié)議還定義了A、B、C三類設(shè)備，使其應(yīng)用范圍更廣。

2? ? 綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜合監(jiān)測系統(tǒng)是通過低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，將測量得到的電池內(nèi)外參數(shù)（包括電池的電壓、充放電電流、充電狀態(tài)、陰極溫度等）傳輸至綜合管理平臺，并結(jié)合相應(yīng)的評估模型算法來分析電池的內(nèi)阻、SOH信息等，通過搭建鋰電池健康狀態(tài)模型在線實時檢測電池的健康狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)失效電池，實現(xiàn)蓄電池組的有效管理。

本系統(tǒng)包括綜合監(jiān)測管理平臺、通信基站和部署于電力直流設(shè)備蓄電池旁邊的電池監(jiān)測終端，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

部署在電力直流設(shè)備蓄電池旁邊的綜合監(jiān)測傳感器是電池監(jiān)測終端的關(guān)鍵組成部分。作為嵌入式硬件設(shè)備，綜合監(jiān)測傳感器具有可適配的通信接口，能夠方便地實現(xiàn)通信基站的接入。

通信基站采用低功耗長距離（LPWA）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過采用無線單跳星型網(wǎng)絡(luò)與電池監(jiān)測終端進行通信，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性，同時通過光纖/以太網(wǎng)/3G/4G與管理平臺進行通信，便于后臺實現(xiàn)電池狀態(tài)實時管理和命令發(fā)布?；九c電池監(jiān)測終端之間采用傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通信安全可靠，系統(tǒng)擴展性強，后期無需通信費用，運維成本低。

綜合監(jiān)測管理平臺由應(yīng)用軟件、平臺管理服務(wù)器等組成，平臺管理服務(wù)器包含用戶服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等服務(wù)器，系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有信號監(jiān)測和分析、報告等功能。同時本管理平臺還具有監(jiān)控蓄電池充放電狀態(tài)、蓄電池組充放電狀態(tài)，測量參數(shù)趨勢分析，提供圖表報告和事件報警等功能。

2.2? ? 綜合監(jiān)測傳感終端

現(xiàn)有的電力直流設(shè)備蓄電池監(jiān)測終端在數(shù)據(jù)采集上存在采集頻度低、保存時間短、數(shù)據(jù)分析能力差等缺點。鑒于此，從實際需求出發(fā)，設(shè)計了一套適用于電力直流設(shè)備蓄電池綜合監(jiān)測的傳感終端。

如圖3所示，裝置使用標(biāo)配的2（或4）*6pin線束可靠連接于2節(jié)或4節(jié)電池上，并通過ZigBee/LoRa/RS485總線等多種通信方式接入通信基站。裝置可實時對充放電電流、電池組電壓等參數(shù)進行監(jiān)測來判斷蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)。傳感器采用電源隔離電流環(huán)通信技術(shù)，安全穩(wěn)定;通過外接開口霍爾傳感器，可測量不同范圍的充放電電流;通過內(nèi)阻和健康度在線監(jiān)測，可快速定位出告警或故障的蓄電池組。

本系統(tǒng)的終端傳感器采用無線通信方式，設(shè)備可靈活更換、增加，有效降低了運維成本。

2.3? ? 綜合監(jiān)測服務(wù)云平臺

如圖4所示，綜合監(jiān)測服務(wù)云平臺可分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層以及展示層，具有多層結(jié)構(gòu)特征。

平臺通過應(yīng)用服務(wù)層實現(xiàn)信號的監(jiān)測和分析，并為用戶提供蓄電池充放電狀態(tài)、蓄電池組充放電狀態(tài)、測量參數(shù)趨勢分析等功能。

針對不同的應(yīng)用場景開發(fā)了多種應(yīng)用軟件，包括客戶端、Web、App和大屏幕等。

3? ? 蓄電池健康狀態(tài)評估及實驗分析

3.1? ? SOH評估

SOH表示電池當(dāng)前容量與額定容量的比值，用以反映電池當(dāng)前的使用情況。作為直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，蓄電池的健康狀態(tài)評估意義重大。然而，僅僅通過某個參數(shù)來判定電池的使用情況會存在較大偏差，不能準確評估電池的健康狀態(tài)。

SOH有兩種估算方法：基于模型的預(yù)測方案和基于數(shù)據(jù)的驅(qū)動精靈方案。前者適用于具有確定的狀態(tài)方程的研究，運用較為復(fù)雜?？紤]到蓄電池的性能受到多種因素的影響，無法通過觀測到的數(shù)據(jù)直接判斷蓄電池的健康狀態(tài)，本文擬采用基于天牛須搜索算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對蓄電池的SOH進行評估，通過BAS優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，以達到全局最優(yōu)，同時提高收斂速度。

3.2? ? 樣本采集及分析

以無錫某配電站房為例，通過部署在電力直流設(shè)備蓄電池旁邊的綜合監(jiān)測傳感器，實時采集整組電池的組電壓、充放電電流和電池陰極溫度，并通過計算得到電池的SOH，按SOH的大小將蓄電池劃分為4個等級：良好、一般、危險、更換。部分樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

由測試結(jié)果分析得出，蓄電池SOH評估值與實際值基本吻合，相對誤差不超過5%，評估性能較好。經(jīng)過軟件的分析，綜合監(jiān)測管理平臺通過后臺向管理者發(fā)出警告，從而完成電力直流設(shè)備蓄電池的綜合檢測。

4? ? 結(jié)語

本文對蓄電池綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，通過低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)整組電池的組電壓、充放電電流和電池陰極溫度的有效傳輸，同時結(jié)合人工智能算法提出了蓄電池健康度評估模型，實現(xiàn)蓄電池SOH的在線監(jiān)測，便于運維人員及時了解蓄電池運行狀態(tài)，提高運維效率。但本文的研究仍有一些不足之處，如實驗數(shù)據(jù)較少，同時本文僅僅考慮了蓄電池的3個影響因素，忽略了其他非主要因素，這樣會導(dǎo)致SOH的評估精度較低，在后續(xù)的研究中會對這些方面加以改進。

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收稿日期：2020-04-28

作者簡介：劉偉（1977—），男，江蘇無錫人，高級工程師，研究方向：配電運檢、配電自動化。