1、第 24 卷 第 2 期 2023 年 2 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.2Feb.2023 基于智能物联网的电池组群管护系统 李伟杰（北京国电光宇机电设备有限公司，北京 100068）摘要 本文结合目前电力物联网技术的广泛融合应用，分析常规电池管理系统的不足，提出新一代基于智能物联网的蓄电池管护系统解决方案，并实际研制了从厂站端智能化边缘管理，到中心端全局管护的一整套电池组群管护系统。该系统兼顾厂站端检测的深入完整性和所辖区域监护的全面性，经近一年的稳定运行，取得了良好的社会经济效益。相比常规维护手段，该系统单站投入折合费用减少近 20
2、 万元，对蓄电池管护系统的智能化、信息化建设和发展有现实意义。关键词：物联网；电池管护；云计算；智能诊断系统；蓄电池 Battery group management and maintenance system based on intelligent internet of things LI Weijie(Beijing Guodian Guangyu Electrical Equipment Co.,Ltd,Beijing 100068)Abstract By analyzing the shortcomings of conventional battery management s
3、ystem and studying the widely integrated application of the electric internet of things,a new generation of battery management system solution based on the intelligent internet of things is proposed in this paper,and a complete set of battery group management and maintenance system from intelligent
4、edge management at the plant terminal to global management and maintenance at the central station is developed.The system takes into account the in-depth integrity of the station end detection,as well as the comprehensiveness of the area under its jurisdiction.After nearly a year of stable operation
5、,it has achieved good social and economic benefits.Compared with conventional maintenance methods,the cost of a single station is reduced by nearly 200 000 yuan.It is of practical significance for the construction and development of intelligent and information-based battery management system(BMS).Ke
6、ywords：internet of things;battery management and maintenance;cloud computing;intelligent diagnosis system;battery 0 引言 目前在电力系统、数据通信系统及新能源等多个领域，大容量蓄电池作为不间断应急电源、智能一体化电源系统，以及源网荷储微电网储能的重要设备，在不断扩大投入使用，其大量监测数据也呈现海量增长趋势。传统的蓄电池组管理系统因存在功能单一、检测误差大、监控范围有限及安装繁琐等弊端，对蓄电池的日常运管效果不够理想，甚至由于对蓄电池监护不到位，造成系统事故扩大。因此，技术方案与
7、配置陈旧的蓄电池管理系统已不能满足当前蓄电池在电力、新能源、储能等领域大规模应用背景下的全面管护需求。传统蓄电池检测管理存在的技术瓶颈越来越明显，比如在多站点电池组集中管护时，对相关数据的存储、查询、提取、处理分析等操作变得越来越困难。因此，迫切需要探索采用新的技术方案与手段来提升原有电池管理系统水平，乃至达到深度且全面的智能管护水平。智能物联网技术作为当前信息技术发展的前沿，在电力电网运行领域中的大数据存储、数据分析、数据挖掘、数据共享等方面已经得到深化应用，但在蓄电池监测管护领域，还未有相对成熟的应用研究1-6。本文通过设计研发厂站端分布式智能采集单2023 年 2 月 李伟杰 基于智能物
8、联网的电池组群管护系统 65 元、边缘智能控制在线核容检测单元，同时利用电力线载波通信（power line communication,PLC）技术、无线通信技术（WiFi、GPRS 等）及消息队列遥 测 传 输（massage queuing telemetry transport,MQTT）典型云边通信物联网通信协议等，将物联网技术应用于电池管理系统，建立一套专家型电池全寿命管理系统，以提高电池全面管护技术的智能化、信息化水平。1 蓄电池组管理系统现状 1.1 现有蓄电池管理系统特点 1）实时信息检测，包括电压、电流、温度7。2）性能部分粗略估计，如通过当前电压粗估容量，在饱和浮充状态下
9、，通过注入交流小信号，完成静态内阻值的检测。3）简单管理控制，比如异常报警控制处理等。4）系统本地化或局域化很强，只能本地查看电池信息。5）智能化分析诊断水平有限。1.2 传统蓄电池监测管理不足 1）功能性方面，常规情况下不具备内阻监测能力，目前少数站点通过注入交流小信号实现静态内阻检测，而通过大电流冲击放电检测动态内阻的应用很少，所以常规管理系统对大电流冲击放电的性 能监测普遍缺失，降低了对冲击负荷潜在供电可靠性的把控。除此之外，常规系统不具备自动放电核容能力，只能依靠额外移动式放电仪的配合进行定期放电核容测试，需要投入大量人力物力财力，效率低下，且不具有自动活化与均衡功能，缺少对蓄电池健康
10、度的修复能力和对蓄电池性能趋势的智能诊断预判能力，不能在处置电池方面给予运维人员及时有效的指导8-9。2）安全可靠运行方面，由于蓄电池单本数量大、分布式检测二次线繁多，增加了系统潜在故障点，同时增大了整体受干扰概率，可能造成蓄电池误报、漏报等情况发生。3）应用形式方面，常规管控系统多是就地监控，属于小型局域监控，监控受到地域限制，无法随时随地掌控蓄电池的运行状态。4）系统性能方面，常规数据收集、处理、储存等环节都存在性能瓶颈，对全域设备的统一管护能力有限，不能实现对少量数据的挖掘及设备运行趋势的预判。5）一般的分布式采集结构比集中或分散式进步很多，但在安装维护性能方面还有优化空间，在分布式结构
11、基础上，结合 PLC 技术，以及云计算技术研发的新型云平台电池管理系统，最大化解决以上不足。表 1 为三种电池管理系统架构对比。表 1 三种电池管理系统架构对比 项目 分布式物联网 集中式监控 分散式监控 安装 安装简单，大量精简通信线 安装复杂，大量电源通信线，人工成本高 安装复杂，需安装通信线 耗电 终端测试多节电池，日常定点巡查，休眠设置，电池无影响 长期监控，取外部电 单节取点无休眠长期取电，对电池有伤害 维护 简单，系统显示故障直接更换 复杂，需专业排查，维修复杂 简单，更换模块 通信方式 电力通信 PLC+GPRS（LAN）TCP/IP TCP/IP 数据处理及存储 云端+本地，安
12、全备份 本地，数据管理风险性高 本地，数据管理风险性高 2 物联网技术 2.1 物联网体系架构 目前被广泛采用的物联网体系架构有若干种，此处列举最常用的几种。1）物联网三层架构 物联网三层架构由底层的感知层、中间的网络层及上层的业务应用层组成10。感知层通过智能传 感器、图形识别码、短距射频装置等完成基础设备数据采集，并通过中间件等组成设备感知核心层，具有功耗低、微型化等特点。网络层主要利用无线4G 或 5G 网络、北斗卫星通信网络及光纤网络等对集中的数据进行编码、加密和传输，目前相对成熟的通信基站网络是物联网的重要基础技术条件，是技术一致性最高且最成熟的一层。业务应用层具有丰富的应用生态，也
13、是物联网建设的根本目的，使66 电 气 技 术 第 24 卷 第 2 期 物联网技术与业务应用相融合，打破业务信息孤岛，加强数据的开发利用，显著提升生产力。物联网三层架构如图 1 所示。图 1 物联网三层架构 2）介导网关边缘架构 介导网关边缘架构是另一种实现方式，管理网关是连接广域网和局域网的枢纽传输介质，底层传感器、智能采集器、集中器等组网形成局域网，链接至管理网关，管理网关另一端外接广域网，从而起到边缘与广域网隔离作用11。介导网关边缘架构如图 2 所示。图 2 介导网关边缘架构 3）其他典型结构 物联网框架还有“边-云-端”架构。“边-云-端”设计架构与介导网关边缘架构设计的差异为：设
14、备装置等可直连寻址，而不是用边缘管理网关分离其他边缘设备12。2.2 物联网的典型特征 1）数据强关联 物联网的关键特征之一是数据的智能处理，物联网组件中会产生海量的不同特征的数据，经过中心或边缘处理后，这些数据可用于状态辨识、运行异常诊断、操作控制等。目前，物联网系统设备多利用数据语义建模，以更直观实用地解析数据内在含义，促进设备的互操作性。2）强通信能力 为了使设备能够达到广泛交互能力，物联网系统中融入了别类广泛的通信接口与协议，基本通信方式并不局限于某一种或某几种方式，而是由实际使用场景来决定最优配置方案。目前，物联网最主要的技术目标之一就是实现无障碍跨域数据交互，使业务数据深度整合，显
15、著提升生产力13。3）高信息安全要求 物联网中成千上万的智能装置数据互通、信息共享，要求系统在数据传输运转过程中有极高水平的安全技术措施，这也是系统能被广泛接纳和使用的前提技术条件。例如，采用加密认证等技术手段保证数据传输安全性，采用安全管理网关等防火墙进行管理域内的攻击防护等。3 基于智能物联网的蓄电池全面管护系统 3.1 蓄电池物联网全面管护系统架构 基于智能物联网的蓄电池全面管护系统架构如图 3 所示，整个系统分为以下几个层次。厂站终端设备层：包括大电流放电动态内阻检测单元、剩余容量检测单元、单节电压、温度采集传感器等。本地控制通信层：电力载波通信、485串口通信、工控机及现场监控显示、
16、IEC 61850、MQTT 协议远程通信等，以及云端主站弹性服务器（管理服务器、业务服务器、存储服务器、智能管理网关等）。业务应用层：PC 客户端，手持式移动客户端。厂站终端是一个性能优良、功能全面的边缘端智能系统，是在常规直流电源系统加设电池管理部分。蓄电池管理厂站边缘端主原理如图 4 所示。边缘端研制所需要的关键技术有：1）负载母线与蓄电池组间加设能量单向逆止VD1、VD2、投切器件 2ZK5ZK、可编程控制器等逻辑电路，实现智能放电旁路，实现在线式核容放电测试，放电过程中蓄电池不脱离母线，提升了核容过程中负载的稳定可靠运行水平。2）系统放电负载 FDQ 采用具有能量双向流动能力的双向有源逆变单元，放电负载双向逆变主电路如图 5 所示，电池组泄放的能量回馈到电网，使能量回收达到绿色放电，且没有常规热电阻放电产生大量热量，避免对周围设备运行造成不良影响。3）双向变流单元专设物联能力的北向接口，结合工控模块活化算法，再通过 RS 485 总线协控，完成大电流脉冲振荡，对存在硫化的蓄电池起到容量恢复作用。4）每节电池上加装智能采集传感器，实现异步轮询持续静态内阻检测。同时分布式智能传感
