CN115019465B - 一种用于变电站储能的预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变电站储能的预警系统，在传统储能监控模块预警方式的基础上，通过同时测量模组的电压数据、可燃气体浓度和温度数据，而后将测得数据通过二型模糊控制技术进行综合分析，智能判断出电池是否处于正常状态，三者数据的综合分析大大的减少了误判的概率，且不需要人工识别。实现了电池状态高精度观测、智能分析数据报警、实时监控、真正意义上无人值守的预警系统。本发明针对一类锂离子电池模组，可以同时监测电池的温度、电压的数据以及可燃气体的含量，综合所述数据并结合二型模糊控制方法实时监测电池模组运行状态。

Description

一种用于变电站储能的预警系统

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种用于变电站储能的预警系统。

背景技术

随着经济的飞速发展及人类生活需求的日益增长，绿色发展、低碳发展开始进入人们的视野，在全球能源革命大背景下，储能产业发展如火如荼。同时，能源安全问题的严重性开始提高，保障储能电站工作人员人身安全，将火灾及时控制甚至扼杀在萌芽中，避免其对社会和人身带来的不利影响。

目前针对储能电池箱的监控策略主要是利用传感器测量电池的电压、温度或者电池自身释放的可燃气体含量，而后转化为数字信号输出数据，依据所述参量的数据判断电池是否处于正常状态，进而确定启动报警装置，值班人员现场查看电池状态，确认无误后启动灭火系统。

锂离子电池的热失控通常由于一些滥用条件所致，如挤压、外界高温、过充过放导致。这些滥用条件会引起放热反应，导致温度升高，温度反过来又加速放热反应的进行。当这个过程变得失去控制，将导致大量气体射流甚至发生起火燃烧。

1、以温度作为参数进行预警的方式，最大的问题就是热电偶或温度传感器在测量电池温度的过程中内外温度存在一定的误差，会导致还未到设定预警温度时就会出现电池热失控的现象，最终导致预警失败。

2、以电压作为参数进行预警的方式，电池发生热失控时，电压也会发生异常变化，最终降至0V。不同的引发方式电压的下降的过程是不一样的：对于针刺等机械滥用引发通常电池的电压会骤降至0V；对于过充等电滥用引发电池的电压会呈现出一个持续增加的状态，最终到达峰值后降至0V；而对于热滥用引发电压都会随着热失控过程逐渐降低至0V。但是实际上电池的电压的变化很复杂且规律性差，且当电压出现骤降的时候通常电池已经失效，此时热失控已经发生。此外除了电池热失控，有时电池出现接触不良的情况也会使电池电压突变，若单纯用电压作为预警的参数并不一定能及时起到预警的作用。

4、电池热失控过程涉及电解液及黏结剂与正负极的反应和自身的分解反应，会有大量的气体以及烟雾生成，这些气体会导致电池的压力发生变化，电池出现鼓包现象并最终通过减压阀将气体喷出，通过监测气体从减压阀喷出前电池壳压力的变化也可以做到对电池的热失控进行预警。考虑到压力传感器一般价格相对较高，对于以监测电池压力变化作为电池预警依据的方式目前还并未商业化，若想将压力监测的方式广泛应用于电池预警中，未来还需要研发出价格成本较低且具有高灵敏度的压力传感器。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种用于变电站储能的预警系统。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于变电站储能的预警系统，包括电池模组、温度信息采集模块、可燃气体探测模块、电压数据采集模块、二型模糊控制模块、火灾报警模块、数据显示模块和视频监控模块；所述温度信息采集模块、可燃气体探测模块、电压数据采集模块、火灾报警模块、数据显示模块和视频监控模块分别连接二型模糊控制模块；所述温度信息采集模块采集电池模组内部的温度，并将温度信息传输至二型模糊控制模块；所述可燃气体探测模块探测电池模组周围的可燃气体浓度，并将可燃气体浓度信息传输至二型模糊控制模块；所述电压数据采集模块采集电池模组的内部电压，并将电池模组的内部电压信息传输至二型模糊控制模块；所述视频监控模块对电池模组进行监控并存储监控录像，同时将监控信息传输至二型模糊控制模块；所述二型模糊控制模块对采集到的温度信息、可燃气体浓度信息和电池模组的内部电压信息进行模糊化处理，输出精确值作为电池模组触发的防护等级，具体包括：超稳态、稳态和非稳态，根据监控信息判断输出精确值的可靠性，将可靠的电池模组的防护等级信息通过数据显示模块传输至外部人员，当电池模组的防护等级处于非稳态时，二型模糊控制模块向火灾报警模块传输触发信号，火灾报警模块发出声光报警并启动消防灭火系统。

优选地，所述温度信息采集模块包括温度传感器和数据采集装置，温度传感器一端连接布置于电池模组内部正负极柱周围，另一端输出至数据采集装置，将电压信号转化为电信号得到实际的温度数据值并传输至二型模糊控制模块；所述温度传感器采用K型热电偶。

优选地，所述可燃气体探测模块布置于电池模组的正上方。

优选地，所述电压数据采集模块通过两根导线连接于电池模组正负极处。

优选地，所述二型模糊控制模块的策略逻辑具体包括：模糊器、数据库、规则库、模糊推理器、降型器和解模糊器。

优选地，所述模糊器具体包括：

将采集到的温度信息、可燃气体浓度信息和电池模组的内部电压信息通过模糊器映射为二型模糊集合，将一个精确值x＝(x₁,x₂,x₃,L,x_N)∈X映射到X上，形成模糊集合，N代表规则总数，X为精确值的集合，系统的输出为y，y∈Y；隶属函数选择带不确定方差的高斯型隶属函数μ_A(x)，表达式如下：

其中，[σ₁,σ₂]是方差的变化范围，即隶属函数的偏差，m为函数中心值，σ为方差，x为该点的精确值，该点表示的是在x被模糊化之前的确定的值，表示一个确定的数值；

隶属度函数上界表达式如下：

式中，σ₂表示方差的最大变化值；

隶属度函数下界μ(x)表达式如下：

式中，σ₁表示方差的最小变化值。

优选地，所述规则库采用Mamdani型构造的多输入单输出规则库表达式如下：

其中，i＝1,L,N,N代表规则总数，所有的N条规则构成二型模糊系统的规则库；x₁、x₂、x₃分别为系统的温度、可燃气体浓度、电压的精确值； 为分别代表温度、可燃气体含量、电压数据的二型模糊集合；/>为规则后件，代表输出报警等级的二型模糊集合。

优选地，所述模糊推理器依据规则库中的IF-THEN规则，将一个论域X中的模糊集合映射到论域Y中的模糊集合/>区间二型模糊集合的具体推理为输入与前件产生激活度，再与后件作用产生输出，综合所有激活的规则，输出论域Y上的二型模糊集合/>表达式如下：

其中，R_i对应每条规则，o表示一种映射关系，×为笛卡尔乘积；

模糊集合的隶属函数/>表示为：

式中，表示X的隶属度函数，/>表示在每条模糊规则下由X映射到y的隶属度函数；

输出论域Y上的二型模糊集合表示为：

二型模糊集合对应隶属度函数/>示为：

优选地，所述降型器输出的结果为[y_l y_r]计算公式表示如下：

其中，f(x_i)、分别是降型器隶属度函数的上、下界；L和R分别为左、右切换点，x_i为输入精确值参量，N为模糊规则总数。

其中，f(x_i)、分别是降型器隶属度函数的上、下界，L和R分别为左、右切换点，x_i为输入精确值参量，N为模糊规则综述。

优选地，所述解模糊器求得的降型集合Y_cos是一个一型区间模糊集合，解模糊时采用均值法取y_l和y_r两端点的中心，如下式所示：

采用上述技术方案带来的有益效果：

1、本发明结合电池的温度、电压及释放可燃气体的数据，全面的评价电池状态，大大减少了火灾报警装置误报的概率，有效的避免了单一数据引发的误报，

2、本发明引入二型模糊控制方法，模仿人类的思维模式。基于知识库，根据三者的数据判断电池是否处于正常运行状态，更准确、更迅速的对火灾发生相关征兆进行预警，科学调度消防人员和消防资源，有效预防危险事故的发生，提高消防效率和安全质量，降低损失，做到早预警、早知道、早扑灭，实现电池状态高精度观测、智能分析数据分析、及时报警、实时监控、真正意义上无人值守的预警系统。

3、本发明建立预警监控平台，实现持续不间断监测，依托后台算法智能判断，‘预知性’故障提醒及火灾报警分析，通过有效的预防和应急措施，保障电力运行的稳定与安全。

附图说明

图1是本发明模块连接示意图；

图2是本发明实际布置图；

图3是本发明模块连接电气图；

图4是本发明二型模糊控制模块运行逻辑示意图；

图5是本发明高斯型隶属函数示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出了一种用于变电站储能的预警系统，如图1、图2所示，系统具体包括，1、温度信息采集模块：温度传感器一端连接布置于模组内部正负极柱周围(电池正负极周围温度变化较为明显)，另一端输出至数据采集装置，所述电压信号转化为电信号得到实际的温度数据值。所述温度传感器采用K型热电偶。

2、可燃气体探测模块：可燃气体采集装置布置在电池模组正上方，通过硬接线连接至可燃气体数据采集装置，将传感器探测到的可燃气体信号输出为电信号。

3、电压数据采集模块：通过两根导线布置于模组正负极处，导线另一端连接至数字万用表测得实时电压数据。

4、二型模糊控制模块：所述温度信息采集模块、可燃气体探测模块以及电压数据采集模块三者以4～20电信号的形式将各个数据输入至二型模糊控制模块中的模糊化接口中进行模糊化，输出的精确值为电池触发的防护等级；作为模糊控制规则而言，划分等级越多其准确性越好，但是伴随而来的计算量会等复杂，此处将系统的输入和输出变量均分为三个模糊划分VN(超稳态)、N(稳态)、UN(非稳态)。

所述输出值设定值范围位于0-T1为正常，不做任何操作；T1-T2间为冷却降温阶段，火报发出指令由BMS关闭空调、启动风机并跳开舱级PCS断路器、簇级继电器，实施降温并伴随一级报警灯闪烁；T2-T3间为灭火阶段，火灾报警控制器发出指令开水阀启动细水雾灭火系统，且舱级PCS断路器跳闸并伴随二级声光告警。所述输出输入值范围依据数据库已有实验数据进行选取；作为模糊控制规则而言，划分等级越多其准确性越好，但是伴随而来的计算量会等复杂，此处将系统的输入和输出变量均分为三个模糊划分VN(超稳态)、N(稳态)、UN(非稳态)。

5、二型模糊控制模块：如图3所示，所述二型模糊控制模块采用STM32单片机，可燃气体探测器、热电偶测温和电压传感器输出电压信号经过可燃气体报警控制器转化为4～20ma的电流信号而后输入二型控制模块；二型控制模块通过网口接视频监控、485接口到数据显示模块并通过CAN线到火灾报警模块，如下图所示。所述二型模糊控制模块输出精确值后传输至CPU控制模块，判断电池目前是否属于正常运行状态，当电池状态超过预警阈值时，由控制器控制火灾报警模块的火灾报警控制器发出声光报警。也可设定进一步启动消防灭火系统，本发明提供一种电池状态预警装置，并未涉及消防灭火系统。

6、火灾报警模块采用声光报警器；数据显示模块采用LCD液晶显示屏，实时显示电池状态的曲线分析图像；视频监控模块采用高清晰数码摄像机同时可以存储拍摄记录供工作人员查询。

如图4所示，二型模糊控制策略逻辑主要包括模糊化、数据库、规则库、模糊推理、降型器和解模糊器六部分

根据集装箱内电池两端电压、可燃气体含量及电池端温度值决定火灾报警控制器的报警等级，输入变量为电压、可燃气体、温度，输出为精确的数值，此数值用于传输至火灾报警控制器，设定值范围位于0-T1为正常，不做任何操作；T1-T2间为冷却降温阶段，火报发出指令由BMS关闭空调、启动风机并跳开舱级PCS断路器、簇级继电器，实施降温并伴随一级报警灯闪烁；T2-T3间为灭火阶段，火灾报警控制器发出指令开水阀启动细水雾灭火系统，且舱级PCS断路器跳闸并伴随二级声光告警。

(1)模糊器

各采集模块即传感器将采集到的准确数据通过模糊器映射为二型模糊集合，将确定的值映射为很多模糊集合的作用称为模糊化，即一个确定的点x＝(x₁,x₂,x₃,L,x_n)∈X映射到X上的模糊集合系统的输出为y,y∈Y，如图5所示。

隶属函数选择带不确定方差的高斯型隶属函数：

其中，[σ₁,σ₂]是方差的变化范围，即是隶属函数的偏差，m为函数中心值

隶属度函数上界：

隶属度函数下界：

(2)模糊推理

规则库：采用Mamdani型构造的多输入单输出规则库如下：

其中，i＝1,K,N，N代表规则总数，所有的N条规则构成了二型模糊系统的规则库；x₁、x₂、x₃分别为系统的温度、可燃气体含量、电压的精确值输入； 为规则前件，分别代表温度、可燃气体含量、电压数据的二型模糊集合；/>为规则后件，代表输出报警等级的二型模糊集合。

作为模糊控制规则而言，划分等级越多其准确性越好，但是伴随而来的计算量会等复杂，此处将系统的输入和输出变量均分为三个模糊划分VN(超稳态)、N(稳态)、UN(非稳态)。

数据库：输入量的值及论域依据数据库内存储的实验数据可靠给出。

模糊推理：模糊推理机能够依据规则库中的IF-THEN规则，将一个论域X中的模糊集合向论域Y中的模糊集合/>即将输入集合映射到输出集合上，就区间二型模糊集合而言，其具体推理为输入与前件产生激活度，再与后件作用产生输出，综合所有激活的规则，输出论域Y上的二型模糊集合：

给定输入，模糊推理机根据每条模糊规则决定一个二型输出模糊集

R_i对应每条规则，o表示一种映射关系，×为笛卡尔乘积：

隶属度函数表示为：

输出论域Y上的二型模糊集合为：

对应隶属度函数为

(3)降型器

二型模糊系统经过推理机输出的集合为二型集合，不可以直接通过解模糊化输出精确值，需要通过降型器将所有激活规则输出的二型模糊集合转化为一型模糊集合。降型器的可以被认为是解模糊的扩展，解模糊的实质是找出一个能够有效表示原集合的点，常选作质心。采用中心降型法进行降型计算结果，考虑EIASC算法实现起来简单、循环次数少、运算效率高，降型结果为实数区间[y_l y_r]，两端点计算方式为：

其中，f(x_i)、分别是隶属度函数的上下界；L和R分别为左、右切换点。

(4)解模糊器

求得的降型集合Y_cos是一个一型区间模糊集合，解模糊时采用均值法取y_l和y_r两端点的中心即可：

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，包括电池模组、温度信息采集模块、可燃气体探测模块、电压数据采集模块、二型模糊控制模块、火灾报警模块、数据显示模块和视频监控模块；所述温度信息采集模块、可燃气体探测模块、电压数据采集模块、火灾报警模块、数据显示模块和视频监控模块分别连接二型模糊控制模块；所述温度信息采集模块采集电池模组内部的温度，并将温度信息传输至二型模糊控制模块；所述可燃气体探测模块探测电池模组周围的可燃气体浓度，并将可燃气体浓度信息传输至二型模糊控制模块；所述电压数据采集模块采集电池模组的内部电压，并将电池模组的内部电压信息传输至二型模糊控制模块；所述视频监控模块对电池模组进行监控并存储监控录像，同时将监控信息传输至二型模糊控制模块；所述二型模糊控制模块对采集到的温度信息、可燃气体浓度信息和电池模组的内部电压信息进行模糊化处理，输出精确值作为电池模组触发的防护等级，具体包括：超稳态、稳态和非稳态，根据监控信息判断输出精确值的可靠性，将可靠的电池模组的防护等级信息通过数据显示模块传输至外部人员，当电池模组的防护等级处于非稳态时，二型模糊控制模块向火灾报警模块传输触发信号，火灾报警模块发出声光报警并启动消防灭火系统；

所述二型模糊控制模块的策略逻辑具体包括：模糊器、数据库、规则库、模糊推理器、降型器和解模糊器；

所述模糊器具体包括：将采集到的温度信息、可燃气体浓度信息和电池模组的内部电压信息通过模糊器映射为二型模糊集合，将一个精确值x＝(x₁,x₂,x₃,L,x_N)∈X映射到X上，形成模糊集合，N代表规则总数，X为精确值的集合，系统的输出为y，y∈Y；隶属函数选择带不确定方差的高斯型隶属函数μ_A(x)，表达式如下：

其中，[σ₁ σ₂]是方差的变化范围，即隶属函数的偏差，m为函数中心值，σ为方差，x为该点的精确值，该点表示的是在x被模糊化之前的确定的值，表示一个确定的数值；

隶属度函数上界表达式如下：

式中，σ₂表示方差的最大变化值；

隶属度函数下界μ(x)表达式如下：

式中，σ₁表示方差的最小变化值。

2.根据权利要求1所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述温度信息采集模块包括温度传感器和数据采集装置，温度传感器一端连接布置于电池模组内部正负极柱周围，另一端输出至数据采集装置，将电压信号转化为电信号得到实际的温度数据值并传输至二型模糊控制模块；所述温度传感器采用K型热电偶。

3.根据权利要求1所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述可燃气体探测模块布置于电池模组的正上方。

4.根据权利要求1所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述电压数据采集模块通过两根导线连接于电池模组正负极处。

5.根据权利要求1所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述规则库采用Mamdani型构造的多输入单输出规则库表达式如下：

IF x₁ isand x₂ is/>and x₃ is/>then y is/>

…

IF x₁ isand x₂ is/>and x₃ is/>then y is/>

…

IF x₁isand x₂ is/>and x₃ is/>then y is/>

其中，i＝1，K，N，N代表规则总数，所有的N条规则构成二型模糊系统的规则库；x₁、x₂、x₃分别为系统的温度、可燃气体浓度、电压的精确值；

为分别代表温度、可燃气体含量、电压数据的二型模糊集合；

为规则后件，代表输出报警等级的二型模糊集合。

6.根据权利要求5所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述模糊推理器依据规则库中的IF-THEN规则，将一个论域X中的模糊集合映射到论域Y中的模糊集合区间二型模糊集合的具体推理为输入与前件产生激活度，再与后件作用产生输出，综合所有激活的规则，输出论域Y上的二型模糊集合/>表达式如下：

其中，R_i对应每条规则，表示一种映射关系，×为笛卡尔乘积：

模糊集合的隶属度函数/>表示为：

式中，表示X的隶属度函数，/>表示在每条模糊规则下由X映射到y的隶属度函数；

输出论域Y上的二型模糊集合表示为：

二型模糊集合对应隶属度函数/>表示为：

7.根据权利要求6所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述降型器输出的结果为[y_l y_r]计算公式表示如下：

其中，f(x_i)、分别是降型器隶属度函数的上、下界；L和R分别为左、右切换点，x_i为输入精确值参量，N为模糊规则总数。

8.根据权利要求7所述一种用于变电站储能的预警系统，其特征在于，所述解模糊器求得的降型集合Y_cos是一个一型区间模糊集合，解模糊时采用均值法取y_l和y_r两端点的中心，如下式所示：