CN114441983A - 一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法，包括蓄电池、电感、电压及温度传感器、电流传感器、控制器和事件告警模块；蓄电池与电感串联连接，电感上并联有电流传感器，蓄电池上并联有电压及温度传感器，电流传感器和电压及温度传感器均与控制器电连接，控制器与事件告警模块电连接。本发明的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法使用方便，通过电压传感器、温度传感器、电流传感器测量蓄电池运行数据，通过模糊综合评价法进行综合评判，实现异常蓄电池状态的告警输出，提醒工作人员前往进行查看并及时更换故障蓄电池，减少了人工运检成本，避免了蓄电池老化、鼓包甚至引发火灾等问题带来的安全隐患。

Description

一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及监测装置技术领域，具体涉及一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法。

背景技术

在电力配电自动化系统中，铅酸蓄电池是一种用于配电自动化站所终端后备电源的储能装置。当蓄电池出现异常，容易导致故障扩大站所终端功能失效，故障停电范围扩大，停电时间延长。当前配电自动化站所终端铅酸蓄电池健康状态缺乏有效的监控手段，配电自动化站所终端电源管理模块仅对蓄电池电压进行监控，无法针对蓄电池容量衰减、电压异常、内阻过高等各类潜在的异常状态进行综合评估，给出运维决策。

在其他领域，存在一些对铅酸蓄电池进行状态监测或健康状态评估的技术方案，但大多数近针对容量衰减或内阻增多，偏向于蓄电池正常老化生命过程评估，对于运行过程中可能出现的异常故障缺乏关注，而且测量蓄电池容量或内阻往往需要对蓄电池限定条件进行充放电，对电池寿命有一定损害。

基于上述情况，本发明提出了一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法，可有效解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法。本发明的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法使用方便，通过电压传感器、温度传感器、电流传感器测量蓄电池运行数据，将数据传输至研判模块进行利用并存储，研判模块仅通过测量得到的高精度的具备时间标记的电压、电流、温度数据，即可实现电池内阻、电量、容量(寿命)等参数的计算与单电池低电压、内阻过高、电池异常发热、异常老化等异常状态的识别，并通过模糊综合评价法进行综合评判，将评价结果传输至现有的配电自动化系统，实现异常蓄电池状态的告警输出，提醒工作人员前往进行查看并及时更换故障蓄电池，减少了人工运检成本，减少了蓄电池老化、鼓包甚至引发火灾等问题带来的安全隐患，提高了供电的可靠性，将带来极大的经济效益与社会效益。

本发明通过下述技术方案实现：

一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置，包括电压及温度传感器、电流传感器、控制器和事件告警模块；

所述电流传感器与蓄电池串联连接，所述电压及温度传感器与蓄电池并联连接，所述电流传感器和电压及温度传感器均与控制器电连接，所述控制器与事件告警模块电连接。

本发明的目的在于提供一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法。本发明的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法使用方便，通过电压传感器、温度传感器、电流传感器测量蓄电池运行数据，将数据传输至研判模块进行利用并存储，研判模块仅通过测量得到的高精度的具备时间标记的电压、电流、温度数据，即可实现电池内阻、电量、容量(寿命)等参数的计算与单电池低电压、内阻过高、电池异常发热、异常老化等异常状态的识别，并通过模糊综合评价法进行综合评判，将评价结果传输至现有的配电自动化系统，实现异常蓄电池状态的告警输出，提醒工作人员前往进行查看并及时更换故障蓄电池，减少了人工运检成本，减少了蓄电池老化、鼓包甚至引发火灾等问题带来的安全隐患，提高了供电的可靠性，将带来极大的经济效益与社会效益。

优选的，所述控制器包括用于收集传感器传递的数据并存储的数据汇集及存储模块和用于判断蓄电池健康状态的研判模块。

优选的，所述蓄电池和电压及温度传感器的数量均为四个，每个蓄电池上均并联有电压及温度传感器。

一种配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过电压及温度传感器和电流传感器采集蓄电池运行数据；

步骤S2：数据汇集及存储模块将电压及温度传感器和电流传感器采集到的数据收集并存储，传送给研判模块；

步骤S3：研判模块通过采集到的数据，计算得到蓄电池运行参数；

步骤S4：研判模块采用模糊综合评价法，通过蓄电池运行参数判断得到蓄电池健康状态。

优选的，步骤S3中所述蓄电池运行参数包括电压、电流、温度、内阻、负荷、容量、电压不平衡度和累计充放电容量，；

所述内阻的计算公式为：

其中，ΔU代表浮充至放电时的突变电压，ΔI代表浮充至有放电现象时的突变电流；

所述负荷的计算公式为：

P＝ui，

所述容量的计算公式为：

Q＝∫uidt，

所述电压不平衡度计算公式为：

其中，u_max、min代表最大电压或最小电压中，更偏离平均值的电压，∑u_i/n代表n个蓄电池的平均电压。

优选的，步骤S4包括以下步骤

步骤S41：计算各指标对各个状态的隶属度，以各因素评价集的隶属度为行组成第一权重矩阵R；

步骤S42：确定各底层指标对上一层指标的权重，采用均衡变权法得到第二权重矩阵A，计算公式如下：

其中，w_i代表第i个评价因素的变权权重，w_j代表第j个评价因素的变权权重，

代表第i个评价因素的常权权重，

代表第j个评价因素的常权权重，x_i代表第i个评价因素的归一化值，x_j代表第j个评价因素的归一化值，γ代表评价者保守度；

步骤S43：第一权重矩阵R和第二权重矩阵A相乘得到隶属度函数B，可通过隶属度函数B判断蓄电池健康状态，并传输相应信号给现有系统，提醒运维人员进行相应的运维策略。

优选的，步骤S41中各个指标针对正常、注意、异常、严重状态的隶属度函数计算公式采用梯形型计算：

针对电压、容量指标，隶属度函数计算公式为：

针对电流、温度、电压不平衡度、功率、内阻、累计充放电容量指标，隶属度函数计算公式为：

各个指标运行于严重临界值之外时，直接判定对严重的隶属度为1；各指标运行于正常指标之内时，判定对正常的隶属度为1。

优选的，所述步骤S42中归一化值计算公式如下：

其中，R2(x)代表注意状态下的隶属度函数，R3(x)代表异常状态下的隶属度函数。

优选的，所述步骤S43中隶属度函数B的计算公式如下：

B＝A×R。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法使用方便，通过电压传感器、温度传感器、电流传感器测量蓄电池运行数据，将数据传输至研判模块进行利用并存储，研判模块仅通过测量得到的高精度的具备时间标记的电压、电流、温度数据，即可实现电池内阻、电量、容量(寿命)等参数的计算与单电池低电压、内阻过高、电池异常发热、异常老化等异常状态的识别，并通过模糊综合评价法进行综合评判，将评价结果传输至现有的配电自动化系统，实现异常蓄电池状态的告警输出，提醒工作人员前往进行查看并及时更换故障蓄电池，减少了人工运检成本，减少了蓄电池老化、鼓包甚至引发火灾等问题带来的安全隐患，提高了供电的可靠性，将带来极大的经济效益与社会效益，具体有益效果如下：

1、本发明仅需对蓄电池电压、电流、温度等参数进行非侵入式测量，通过计算得到所需要的内阻、容量、寿命等参数；

2、本发明的状态告警不仅针对于蓄电池寿命(容量)进行告警，还能针对蓄电池运行过程中体现出的一些其他异常指标如内阻低、单电池电压异常、电池负荷异常、电池过热等情况进行识别及告警，全方面的评估蓄电池运行状态及健康指数；

3、本发明的电压传感器、电流传感器、温度传感器成本低廉，采用模块化结构，因此能够进一步降低本发明的制造成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置，包括电压及温度传感器3、电流传感器4、控制器5和事件告警模块6；

所述电流传感器4与蓄电池1串联连接，所述电压及温度传感器3与蓄电池1并联连接，所述电流传感器4和电压及温度传感器3均与控制器5电连接，所述控制器5与事件告警模块6电连接。

进一步地，在另一个实施例中，所述控制器5包括用于收集传感器传递的数据并存储的数据汇集及存储模块和用于判断蓄电池1健康状态的研判模块。

进一步地，在另一个实施例中，所述蓄电池1和电压及温度传感器3的数量均为四个，每个蓄电池1上均并联有电压及温度传感器3。

根据本发明的另一方面，提供了一种配电自动化站蓄电池1健康状态监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过电压及温度传感器3和电流传感器4采集蓄电池1运行数据；

步骤S2：数据汇集及存储模块将电压及温度传感器3和电流传感器4采集到的数据收集并存储，传送给研判模块；

步骤S3：研判模块通过采集到的数据，计算得到蓄电池1运行参数；

步骤S4：研判模块采用模糊综合评价法，通过蓄电池1运行参数判断得到蓄电池1健康状态。

进一步地，在另一个实施例中，步骤S3中所述蓄电池1运行参数包括电压、电流、温度、内阻、负荷、容量、电压不平衡度和累计充放电容量，所述蓄电池1运行参数包括正常状态、注意状态、异常状态和严重状态；

因配电自动化站所终端蓄电池1一般处于浮充状态，因此采用蓄电池1由浮充转变为放电的状态之间的电压与电流比值计算内阻r，因蓄电池1内阻在整个放电过程中会有较大变化，因此，仅采用浮充至放电瞬间的数值进行内阻计算，并将计算值进行存储，以进行比较。所述内阻的计算公式为：

其中，ΔU代表浮充至放电时的突变电压，ΔI代表浮充至有放电现象时的突变电流；

正常情况下，配电自动化站所终端蓄电池1所承载的负荷恒定，蓄电池1定时进行活化放电，放电功率P一定。所述负荷的计算公式为：

P＝ui，

当长时间功率低于某一数值时，代表蓄电池1可能存在开路或电源管理模块存在异常；当功率高于某一数值时，代表回路可能存在短路或漏电；当蓄电池1功率低而温度较高时，代表环境存在异常或存在内部短路。

随着电池的使用，蓄电池1容量会逐渐减小，记录一次完整的放电过程(从浮充电压54V至放电截止电压48V)，计算容量，比对其与标称值的比值，计算剩余寿命。所述容量的计算公式为：

Q＝∫uidt，

电压不平衡度：即蓄电池1组中，电池电压偏离平均电压最大的一块蓄电池1，其电压偏离平均电压的值与平均电压的比值，因蓄电池1组中，各电池因材质、出厂工艺等因素，可能运行状态、老化速率并不一致。正常情况下，各电池电压应近乎相等，当出现不平衡时，代表此电池出现异常。所述电压不平衡度计算公式为：

其中，u_max、min代表最大电压或最小电压中，更偏离平均值的电压，∑u_i/n代表n个蓄电池1的平均电压。

下表1中体现了八个底层指标的状态参数范围：

表1

进一步地，在另一个实施例中，步骤S4包括以下步骤

步骤S41：计算各指标对各个状态的隶属度，以各因素评价集的隶属度为行组成第一权重矩阵R；

步骤S42：确定各底层指标对上一层指标的权重，采用均衡变权法得到第二权重矩阵A，如果某些参数严重偏离原本的正常值时，往往表示该设备的某些性能已经急剧下降，但是在常权评估方法中有可能因为其权重太小，导致该设备总体评价结果是正常的，这就与设备的真实情况不符。因此，在此采用均衡变权法确定权重。计算公式如下：

其中，w_i代表第i个评价因素的变权权重，w_j代表第j个评价因素的变权权重，

代表第i个评价因素的常权权重，

代表第j个评价因素的常权权重，x_i代表第i个评价因素的归一化值，x_j代表第j个评价因素的归一化值，γ代表评价者保守度；一般而言，如果γ＜0.5，则表示比较能容忍某方面的缺陷；如果γ＞0.5，则表明评价者比较保守，对各评价因素的平衡问题考虑较多；多数情况下取γ＝0.5比较合适，在此取0.5。

步骤S43：第一权重矩阵R和第二权重矩阵A相乘得到隶属度函数B，可通过隶属度函数B判断蓄电池1健康状态，并传输相应信号给现有系统，提醒运维人员进行相应的运维策略。

进一步地，在另一个实施例中，步骤S41中各个指标针对正常、注意、异常、严重状态的隶属度函数计算公式采用梯形型计算：

针对电压、容量指标，隶属度函数计算公式为：

针对电流、温度、电压不平衡度、功率、内阻、累计充放电容量指标，隶属度函数计算公式为：

如，电压u为47V，则其针对(正常，注意，异常，严重)四个状态的隶属度为(0，0，0.5，0)；如电压不平衡度为20％，则则其针对(正常，注意，异常，严重)四个状态的隶属度为(0，0，0，1)。

各个指标运行于严重临界值之外时，直接判定对严重的隶属度为1；各指标运行于正常指标之内时，判定对正常的隶属度为1。

进一步地，在另一个实施例中，所述步骤S42中归一化值计算公式如下：

其中，R2(x)代表注意状态下的隶属度函数，R3(x)代表异常状态下的隶属度函数。

进一步地，在另一个实施例中，所述步骤S43中隶属度函数B的计算公式如下：

B＝A×R。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置及监测方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置，其特征在于：包括电压及温度传感器、电流传感器、控制器和事件告警模块；

所述电流传感器与蓄电池串联连接，所述电压及温度传感器与蓄电池并联连接，所述电流传感器和电压及温度传感器均与控制器电连接，所述控制器与事件告警模块电连接。

2.根据权利要求1所述的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置，其特征在于：所述控制器包括用于收集传感器传递的数据并存储的数据汇集及存储模块和用于判断蓄电池健康状态的研判模块。

3.根据权利要求1所述的配电自动化站蓄电池健康状态的监测装置，其特征在于：所述蓄电池和电压及温度传感器的数量均为四个，每个蓄电池上均并联有电压及温度传感器。

4.如权利要求1-3任一项所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：通过电压及温度传感器和电流传感器采集蓄电池运行数据；

步骤S2：数据汇集及存储模块将电压及温度传感器和电流传感器采集到的数据收集并存储，传送给研判模块；

步骤S3：研判模块通过采集到的数据，计算得到蓄电池运行参数；

步骤S4：研判模块采用模糊综合评价法，通过蓄电池运行参数判断得到蓄电池健康状态。

5.根据权利要求4所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于：步骤S3中所述蓄电池运行参数包括电压、电流、温度、内阻、负荷、容量、电压不平衡度和累计充放电容量；

所述内阻的计算公式为：

其中，ΔU代表浮充至放电时的突变电压，ΔI代表浮充至有放电现象时的突变电流；

所述负荷的计算公式为：

P＝ui，

所述容量的计算公式为：

Q＝∫uidt，

所述电压不平衡度计算公式为：

其中，u_max、min代表最大电压或最小电压中，更偏离平均值的电压，∑u_i/n代表n个蓄电池的平均电压。

6.根据权利要求4所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于：步骤S4包括以下步骤

步骤S41：计算各指标对各个状态的隶属度，以各因素评价集的隶属度为行组成第一权重矩阵R；

步骤S42：确定各底层指标对上一层指标的权重，采用均衡变权法得到第二权重矩阵A，计算公式如下：

其中，w_i代表第i个评价因素的变权权重，w_j代表第j个评价因素的变权权重，

代表第i个评价因素的常权权重，

代表第j个评价因素的常权权重，x_i代表第i个评价因素的归一化值，x_j代表第j个评价因素的归一化值，γ代表评价者保守度；

步骤S43：第一权重矩阵R和第二权重矩阵A相乘得到隶属度函数B，可通过隶属度函数B判断蓄电池健康状态，并传输相应信号给现有系统，提醒运维人员进行相应的运维策略。

7.根据权利要求6所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于：步骤S41中各个指标针对正常、注意、异常、严重状态的隶属度函数计算公式采用梯形型计算：

针对电压、容量指标，隶属度函数计算公式为：

针对电流、温度、电压不平衡度、功率、内阻、累计充放电容量指标，隶属度函数计算公式为：

各个指标运行于严重临界值之外时，直接判定对严重的隶属度为1；各指标运行于正常指标之内时，判定对正常的隶属度为1。

8.根据权利要求6所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S42中归一化值计算公式如下：

其中，R2(x)代表注意状态下的隶属度函数，R3(x)代表异常状态下的隶属度函数。

9.根据权利要求6所述的配电自动化站蓄电池健康状态监测装置的监测方法，其特征在于：所述步骤S43中隶属度函数B的计算公式如下：

B＝A×R。

Images