锂电池储能舱运行状态信息采集系统研究

谢建江，高 翔，夏晨强，郑 益，王 浩

（杭州高特电子设备股份有限公司，浙江 杭州310012）

随着我国“2030 年碳达峰，2060 年碳中和”目标的确立，风电和光伏等可再生能源将作为电力系统主力能源迎来前所未有的快速发展机会。可再生能源自身波动性、间歇性等特性将对电力系统的安全和稳定带来极大的挑战。近年来快速发展的各种电力储能技术，可应用于平抑可再生能源发电波动、提高电网弹性和电能质量、降低弃风弃光，使其成为有效的灵活性资源，满足未来电力系统对灵活性调节资源的迫切需求。

锂离子电池因具有相对较好的安全性和较高的能量密度成为电化学储能系统配置的首选。储能系统的核心部件锂电池储能舱主要由锂离子电池堆、双向变流器、电池管理系统、消防动环系统、就地监控/智辅系统等组成[1]。由于发展时间较短，电池储能技术行业标准和规范尚不完善，仍存在较大的安全性和可靠性问题。现有锂电池储能舱在实际应用中大多存在以下问题或不足：①储能舱内各单元相对独立，单元间缺少信息交互，状态信息同步性差；②能量管理系统或就地监控系统与储能舱各单元有一定的数据交互，但缺乏综合分析和诊断功能，无法对数据进行有效筛选和提取，用于分析储能站内安全隐患；③现有储能舱内各系统均不具备真正意义上的故障录波功能，无法记录事故发生前后的运行信息，无法对事故追溯分析提供帮助。

据相关报道，截止2020 年年底，韩国国内发生了近30 起储能系统失火的安全事故[2-3]，中国和美国也发生了多起事故。引起事故的原因虽然无外乎电池本体热失控、电气安全等，但均缺少支撑事故原因分析的现场事故数据[4-6]。通过国内外调研，在电池储能舱安全与诊断技术方面，目前主要通过BMS 简单检测电池状态，并进行数据记录，如电压、温度等，BMS 未损坏时可用于事故简单还原分析；但由于安全策略主要侧重事故后的消防灭火，暂时无法做到从根源上提前避免事故，同时在实时故障信息的采集和诊断技术方面，几乎是一片空白，所采集的烟感、温感和可燃气体成分都是事故后的二次数据，缺乏原理性和事故时刻的系统运行状态的协同分析。

因此，基于以上分析，从安全保障出发，迫切需要为储能舱建立一套运行状态信息采集系统(即黑匣子)，同步汇总舱内信息，完整监测锂电池储能舱运行情况，并记录故障发生前后的扰动数据作为分析依据。通过建模技术，达到准确、全面和快速地实现诊断、预判、故障定位等功能，可用于预防事故，全面还原该时刻问题原因。

2 状态信息采集系统架构

该系统既需要坚持信息的实时性和完整性原则，又要经济性，锂电池储能舱内的电池数量庞大，重新铺设一套独立采集网络的可行性不高，需要充分利用已有监测设备。为此，该系统中设计了多种通信接口，可接入已有设备并汇总信息，保障采集实时性；设计多路模拟量和开关量信号输入通道，接入舱内没有覆盖到的采集点，保证信息覆盖的完整性。

图1 系统整体架构Fig.1 Diagram of system architecture

该系统按三层两网架构设计，包含前端采集设备、就地后台和远端后台；数据网络包含用于前置机和就地后台之间的通信网络(底层网络)，就地后台和远程后台之间的通信网络(顶层网络)，系统架构如图1所示。

每个电池箱内安装电池箱管理单元(BMM)，完成对箱体内单体电池电压和温度的采集工作。若干个电池箱构成一个电池簇，簇内建立一个数据传输网络，簇内信息由簇管理单元(BCM)管理，汇总簇单体电压、温度等信息，BCM同时完成簇端电压、电流、绝缘的采集工作，形成对整簇电池的保护控制策略。多个电池簇并联构成一个电池堆，簇与簇之间采用另一个网络进行簇间信息传输。数据记录单元接入到这两个网络中，并从中获取所需数据。数据记录单元通过接收PCS 端的信息，用于获取PCS的运行状态。数据记录单元的数据与就地分析管理单元和调度中心通过网络进行数据通信，全站对时系统对站内设备进行时间同步。

电池箱管理单元(BMM)、电池簇管理单元(BCM)、PCS系统、消防动环系统、智能设备均作为运行状态采集系统的前端采集设备，和数据记录单元的模拟量、开关量采集通道一起构建成底层动态记录数据网，向数据记录单元传送单体电池信息、电池簇端信息、动环信息等数据；数据记录单元连接顶层数据网络，向储能站内的就地分析管理单元上传数据，用于智能分析和维护；网关机连接站外数据记录网，实现数据远程存储和调度，系统具有对时功能。数据记录单元与就地分析管理单元、就地分析管理单元与调度中心之间支持IEC-61850通讯规约，实现信息与数据的实时交互，并满足双网冗余实现要求[7-10]。数据记录单元具备就地数据存储功能，安装在锂电池储能舱舱外底部位置，能在网络故障和锂电池储能舱烧毁的极端情况下保障数据安全。

3 状态信息采集系统设计

3.1 数据记录单元硬件设计

数据记录单元由电流传感器、电压传感器、AD 调理电路、开关量采集电路、DSP 数据采集板、ARM 控制板，从接入信息的多样性和通讯实时性考虑，数据记录单元有多个通道的通讯接口。

DSP 板部分完成高速采集(如交流电压、电流等)和故障启动判断；ARM板部分负责通信接口信息获取、数据存储、信息转发、设备管理功能。两个板之间采用双口RAM进行数据交互，协同完成启动和录波任务。数据记录单元的硬件结构如图2所示。

图2 数据记录单元装置硬件结构图Fig.2 Hardware structure of data recording unit

数据记录单元具有自供电能力，能保障失电工况下设备持续正常运行。数据记录单元采用2组锂电池作为自备用电源，可持续自供电运行48 h，自备电源供电电路如图3 所示。外部供电时，Vout=8.0 V，用作装置工作电源和锂电池组的充电电源(锂电池额定电压为7.4 V)。当外部失电时，Vout=0，锂电池向装置供电。考虑备用锂电池电源不能长时间浮充，因此装置通过软件控制策略，平时旁路充电回路，定期维护锂电池电源，切换开关采用MOS管，无切换次数限制。

图3 自备电源的电路图Fig.3 Circuit of self provided lithium battery

3.2 启动量选取和触发机制

锂离子电池需要工作于适宜的电压、电流、温度等参数的安全工况内。国外学者已对锂电池故障及安全演化机理进行了深入研究[11-13]，认为过充、过放、过电流、过热工况以及电池内部短路是导致电池安全状态演化致热失控的直接原因。另外运行环境的热冲击也将造成电池的过热[14]。储能舱作为整体，其中一个部分发生故障，就可能引起其他组成部分的交叉故障，导致故障复杂化。分析故障时需要从系统的层面收集数据[15]。

本系统覆盖储能舱内各类故障及异常情况，启动判据主要考虑以下几种情况：单体电池电压/温度异常、电池簇端电压/电流异常、电池堆端电压/电流异常、储能系统绝缘异常、消防动环告警、PCS 告警、储能舱内各开关动作、充放电启动等。本系统支持三种方式的故障录波启动判断：突变量启动、阀值启动、开关量变化启动[16]，故障录波启动判断逻辑见图4。

锂电池储能舱一般容量均超过1 MW·h，目前已可以做到3 MW·h容量，舱内多达上千个乃至上万个单体锂离子电芯，储能系统的异常一般由个别单体异常引起，而单体电池的异常往往发生在最高几节、最低几节或突变的几节上。所以异常发生时，每簇单体电池的最高若干节(如最高5 节)、最低若干节(如最低5节)和变化最大的若干节(如变化最大的5 节)需要实时记录；电池堆端和簇端电压、电流、绝缘同步实时记录；PCS侧交流、直流量通过通讯或数据记录单元实时采集和记录；烟感、水浸等消防变位和舱内环境温湿度根据系统配置情况同步记录；各系统的告警状态、接触器和断路器的位置状态作为重要的事故分析依据也实时记录。除此之外还可以根据储能舱的具体配置情况增加故障记录通道。

图4 故障录波启动判断逻辑Fig.4 Judgment design of fault recording start-up

故障录波触发可以细分为电压判据、电流判据、温度判据、绝缘判据、自适应启动和非电量判据，各判据详细描述如下文所述。

3.2.1 电流判据

（1） 过流判据

式中，IX为簇端电流采样值；IH为簇端过流启动定值。

（2） 电流突变量判据

其中，IX(t)为簇端电流t 时刻的采样值，IX(t-100mS)为簇端电流100 mS 前的采样值；ID为簇端电流突变量启动定值。

3.2.2 电压判据

（1） 低电压判据

式中，UX为单体电压、簇端电压或堆端电压的采样值(下同)；UL为对应的单体低压启动定值、簇端电压低压启动定值或堆端电压低压启动定值。

（2） 过电压判据

UH为对应的单体过压启动定值、簇端电压过压启动定值或堆端电压过压启动定值。

（3） 电压突变量启动

式中，UX(t)为单体电压、簇端电压或堆端电压t 时刻的采样值；UX(t-100mS)为单体电压、簇端电压或堆端电压100 mS前的有效值；UD为对应的单体突变量启动定值、簇端电压突变量启动定值或堆端电压突变量启动定值。

④ 压差判据

式中，UMax、UMin为同一时刻单体电压或簇端电压的最大、最小采样值，UHd为对应的单体或簇端压差启动定值。

3.2.3 温度变化判据

式中，TX(t)为单体温度t 时刻值，TX(t-60s)为60 s 前温度值；TFd为温度60 s 内最大允许变化值。

3.2.4 自适应判据

虽然储能系统因其规模、功能不同有多种运行方式，但是同一储能舱一段时期内的运行方式基本固定，其中运行时段、最大充放电功率、最大电流、最大电压、绝缘值等参数在该时期内基本保持一致，对此信息进行自动收集，并形成辅助启动的触发判据，即能灵敏地记录储能系统运行变化状态，其形成和判断逻辑如图5所示。

图5 自适应判据的形成和判断框图Fig.5 Block diagram of collection and judgment of adaptive start

自适应判断对储能舱运行时背景数据扰动进行监测，获取当前时刻点的运行背景数据，通过对关键数据(如电压、电流、功率、绝缘、温度等)多次采集，得到一个相对稳定的数据组集合，这个数据组集合形成了当前时刻点的运行背景数据。当运行数据扰动大于内部预设定值时触发启动，同时重新进行背景数据的获取，形成新的数据集合作为再次判断依据。背景数据始终是动态变化的，能灵敏反映运行时关键数据的扰动。对背景数据集合内的参数进行加权处理，可以灵活地适应不同储能应用场合。

3.2.5 非电量判据

非电量判据主要包括：支持手动启动录波，支持遥控启动录波，开入量启动录波，联动启动录波，或者系统收到其他设备通过网络通信或开入量变位启动录波等其他相关启动。

3.3 存储和通信设计

数据记录及就地分析管理两单元作为数据存储与计算的节点，其中存储结构如图6所示。前者负责单个储能舱模拟量、开入量数据的存储和计算处理，一般可配置64 G 就地存储器；后者负责站内所有采集数据的存储和分析，一般可配置2 TB 或以上硬盘。

图6 数据存储结构Fig.6 Data storage structure

现有储能舱就地监控系统或BMS 单体采集间隔大于100 mS，电池堆端和簇端的模拟量采集间隔大于10 mS。在此基础上，数据记录单元存储舱内全时段完整数据并在故障时进行录波，按照表1的要求进行保存。

表1 数据记录单元信息记录保存间隔Table 1 Storage interval of data recording

每个储能舱配置一台数据记录单元负责扰动启动判断，大大降低了对现有储能舱各系统的改造工作。整个储能站信息分布到各数据记录单元，实时性得到提高，也相对降低了就地分析性能要求。网络正常情况下，数据可即时就地分析；网络中断情况下，数据采用循环存储方式存储，恢复后可即时上传，或可直接导出数据，以便及时分析。就地分析管理单元分析、归类并上传就地储能能量管理系统(EMS)或电网调度中心。

3.4 就地分析管理单元设计

该单元可以独立组建也可以集成至EMS，其优点在于：只关注舱内信息，数据量小，并采用专用数据传输网络，能更实时的提供数据源；系统具有故障录波的功能，能够对故障进行追忆和分析；随着大量运行数据的积累逐步形成故障分析专家系统[17-19]。

人机交互采用WEB方式展示波形和运行信息；数据库保存储能舱长期运行数据，为专家诊断分析模块提供数据支撑；采集管理模块作为数据记录单元信息接入接口。就地分析管理单元的框图如图7所示。

图7 就地软件管理单元软件框图Fig.7 Software block diagram of local software management unit

就地分析管理单元应用软件具有如下特点：①预知电池的充放电状态，结合从数据记录单元获取的实时数据，能对每个单体电池建立实际的充放电曲线数据库，纵向对比单体电池历史充放电曲线，预估单体电池老化失效状态；②对储能舱内的电池建立同一时刻的充放电曲线数据库，横向对比同一时刻不同单体电池之间的不一致性，为电池维护提供依据[20-21]。③建立单体电池充放电数据库，为需要大数据支持的神经网络估算SOC 提供数据源[22-23]。④对每次故障状态进行归类记录，可以评估整个储能站电池系统的薄弱点，为检修提供依据。⑤利用故障回放，对故障查找和分析提供准确数据支持。

通过一段时间的信息积累，建立起储能站电池特征信息数据库和故障特征信息数据库，形成针对锂电池储能舱的安全运行分析专家系统，能对电池运行状态进行预警，特别在系统发生运行异常时，运行维护人员能利用专家系统及时做出处理。

4 现场实验

本系统已在某储能站进行试运行，试运行现场锂电池储能舱直流额定电压29.6 V，由10 个电池簇并联接入一台500 kW PCS，每个电池簇由19 个12 串3.2 V 锂离子电池组成的电池模组组成，每个电池模组由单体120 A·h 电芯2 并12 串组成，锂电池储能舱系统容量为1.75 MW·h，系统主要功能为削峰填谷，放电倍率为0.25 C/4 h率，结合上述储能舱运行状态信息采集系统的详细描述，现场分别对储能舱进行了直流系统绝缘下降、交流窜入、负荷冲击、电池单体过压、过流、过温等测试，均能及时准确地进行录波启动，录波数据完整。图8为数据记录单元实物图。

图8 数据记录单元实物图Fig.8 Data recording unit

储能电站中直流系统正、负极对地绝缘电阻基本相等，对地电压是相对平衡的。当发生单极接地时，其正、负极对地电压都会发生变化，接地极对地电压下降，非接地极电压升高，直流系统供电可靠性大大减低，需要及时发现报警。图9为模拟电池组正极单端接地的录波情况，录取正极波形如图所示，正极电压出现一个明显的下降波形。

图9 直流母线瞬间接地正极电压录波Fig.9 Waveform record of DC bus electric grounding

图10 的波形是正端窜入交流电压后的情况，电压出现下跌，并出现交流成分。时标37.5 mS时窜入交流电压，165.5 mS 后交流窜入消失，电压恢复正常。

图10 交流窜入录波Fig.10 Waveform record of AC channeling into DC system

储能电池放电时，电流突然上升并根据外部负荷变化，当外部负荷基本保持不变时，电流基本保持不变，此时录波数据记录的颗粒度可以放宽。图11为电池组放电录波。

图11 电池组放电电流录波Fig.11 Waveform record of battery bank discharging

当负载为脉冲型时，放电电流的波形也会随负载呈现脉冲型。图12 为冲击负荷放电录取的波形。

图12 直流系统负荷冲击录波Fig.12 Waveform record of discharging for impulse load

5 结 论

锂电池储能舱运行状态信息采集系统，可以对舱内的关键设备运行状态和安全节点进行全工况信息采集和记录。本文根据储能电池舱对信息采集尤其是故障录波的需求，提出了状态信息采集系统架构，设计了数据记录单元、就地分析管理单元，设立了录波触发机制，并进行了测试与现场运行。实现了储能电站安全事故和电池性能分析的全时段状态数据采集，解决故障发现迟和故障分析缺少回放数据支持的问题。

本文阐述的锂电池储能舱运行状态信息采集系统与目前通用的储能系统就地监控或能量管理等信息系统相比，具有截然不同的区别和优势，就地监控或能量管理系统除监控和能量管理功能外，虽也具备储能舱运行实时信息的记录和保存，但储能舱运行状态信息采集系统具有采集信息源丰富，采集速度快，具有故障录波等优势。

目前该系统已在试运行阶段，同时通过对每个单体电池充放电数据库的建立，可为基于云端的电池状态评估提供数据支撑；后续将对储能电站故障数据归类分析，及时发现系统设备及电池回路中的隐患，为提高储能电站安全运行和运维管理水平提供借鉴和帮助。