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★中工武大能源建設(shè)投資（湖北）有限公司龔乃為，舒敏波

關(guān)鍵詞：分布式儲能；自動化監(jiān)測；故障診斷；預(yù)警機制；遠程運維

在新能源電力系統(tǒng)中，儲能裝置作為關(guān)鍵支撐設(shè)備，承擔(dān)著削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等核心任務(wù)。儲能電池組運行狀態(tài)直接影響整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。傳統(tǒng)人工巡檢模式已難以適應(yīng)大規(guī)模儲能系統(tǒng)監(jiān)測要求，開發(fā)智能化監(jiān)測診斷系統(tǒng)迫在眉睫。近年來傳感技術(shù)飛速發(fā)展，分布式監(jiān)測架構(gòu)日趨成熟，為儲能系統(tǒng)狀態(tài)評估開辟了新途徑。構(gòu)建自動化監(jiān)測與智能診斷體系、推動電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，已成為新能源領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

1　新能源電力系統(tǒng)監(jiān)控需求分析

新能源電力系統(tǒng)具有發(fā)電功率波動性強、電網(wǎng)負荷變化劇烈等特點，需要儲能裝置作為重要支撐系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。儲能電池組作為核心設(shè)備承擔(dān)著削峰填谷、電能質(zhì)量改善、調(diào)頻調(diào)壓等多重任務(wù)，其運行狀態(tài)直接影響整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。隨著儲能系統(tǒng)裝機規(guī)模不斷擴大，單體電池數(shù)量激增，傳統(tǒng)人工巡檢方式面臨巡檢周期長、數(shù)據(jù)采集精度低、故障響應(yīng)滯后等問題^[1]。隨著信息技術(shù)發(fā)展的進步，實時在線監(jiān)測已成為儲能系統(tǒng)運維管理的必然趨勢。新型自動化監(jiān)測系統(tǒng)需要具備多參數(shù)采集能力，能對電池組端電壓、單體電壓、充放電電流、極柱溫度、內(nèi)阻等核心參數(shù)進行全面監(jiān)控，并能通過建立完善的監(jiān)測體系及時發(fā)現(xiàn)異常工況。同時監(jiān)測系統(tǒng)還需要具備良好擴展性，能滿足不同容量儲能系統(tǒng)監(jiān)控需求，實現(xiàn)對所轄區(qū)域內(nèi)電池組集中管理，確保新能源電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行。

2　分布式自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1　硬件架構(gòu)設(shè)計

分布式自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用層次化部署結(jié)構(gòu)，如圖1所示，通過一拖一分布式架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集精度及系統(tǒng)可靠性的全面保障。底層部署的單體電池采集模塊作為基礎(chǔ)監(jiān)測單元，每個單體電池均配置獨立采集單元進行狀態(tài)信息獲取，采集單元內(nèi)置高性能處理芯片完成數(shù)據(jù)預(yù)處理及本地存儲功能^[2]。中層設(shè)置的數(shù)據(jù)收集模塊負責(zé)信息匯聚，采用環(huán)形手拉手通信方式連接各采集單元，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)融合，模塊具備的自動編號功能有效降低了系統(tǒng)部署復(fù)雜度。位于系統(tǒng)頂層的監(jiān)控主機BCSU承擔(dān)核心控制功能，負責(zé)系統(tǒng)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)分析處理、告警管理以及遠程通信任務(wù)，內(nèi)置大容量存儲單元保障歷史數(shù)據(jù)長期保存。監(jiān)測系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計理念，各層級硬件設(shè)備均具備完善的故障自診斷功能及保護機制，支持根據(jù)儲能系統(tǒng)規(guī)模靈活調(diào)整采集單元數(shù)量，具備良好的可擴展性以及維護便利性。

圖1新能源電力系統(tǒng)分布式監(jiān)測架構(gòu)示意圖

2.2　通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

分布式監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用多層級混合架構(gòu)模式，通過優(yōu)化的通信機制確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性。基于通信系統(tǒng)的信道容量理論，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率需滿足式（1）：

式中：C為信道容量，單位bit/s；B為信道帶寬，單位Hz；S為信號功率；N為噪聲功率。

底層采集單元采用RS485現(xiàn)場總線以及環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸，通過自動編號功能降低系統(tǒng)配置復(fù)雜度^[3]。中層收集模塊基于雙RS485接口設(shè)計建立雙向數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)采集單元數(shù)據(jù)匯聚及監(jiān)控主機指令下發(fā)，內(nèi)置數(shù)據(jù)緩存機制有效防止數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)頂層采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)接入上位機平臺，支持MODBUS-TCP、IEC61850等標準通信協(xié)議，便于與其他系統(tǒng)集成。整個通信網(wǎng)絡(luò)采用分層分區(qū)架構(gòu)，獨立通信鏈路確保數(shù)據(jù)傳輸通暢，各層級設(shè)備具備通信狀態(tài)自診斷能力。系統(tǒng)預(yù)留無線通信接口支持4G/5G模塊接入，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸及集中管理。

2.3　多平臺監(jiān)控界面

監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)與C/S架構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計模式，構(gòu)建PC端管理軟件與移動端APP兩級監(jiān)控平臺。如圖2所示，管理軟件按照功能模塊化開發(fā)，其中實時監(jiān)控占比30%、歷史查詢占比25%、報表管理占比20%，體現(xiàn)系統(tǒng)對實時性與數(shù)據(jù)管理的高度重視。PC端界面布局符合人機工程學(xué)原理，采用多級菜單形式組織各項功能，支持趨勢圖、柱狀圖等多種可視化展示方式^[4]。數(shù)據(jù)分析功能占比15%，配置專業(yè)分析工具輔助運維決策。移動端APP基于跨平臺開發(fā)框架設(shè)計，支持Android及iOS系統(tǒng)，采用響應(yīng)式布局技術(shù)適配不同終端設(shè)備。遠程操作功能占比10%，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)查看、告警推送等核心功能，建立嚴格的權(quán)限管理體系保障系統(tǒng)運行安全。兩個平臺基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口規(guī)范開發(fā)，確保數(shù)據(jù)一致性，支持多種格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出，滿足分析報告生成需求。

圖2監(jiān)控平臺功能模塊分布圖

3　智能化診斷與運維管理

3.1　實時數(shù)據(jù)分析技術(shù)

儲能系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)分析采用多維參數(shù)綜合評估方法，通過深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建電池狀態(tài)評估模型。其針對電池健康狀態(tài)評估引入SOH計算模型，如式（2）所示：

式中：Cn為電池當(dāng)前容量；C0為電池額定容量。

監(jiān)測系統(tǒng)實時采集單體電壓（2.0V～2.4V）、極柱溫度（20℃～35℃）、內(nèi)部阻抗（≤0.6mΩ）等靜態(tài)參數(shù)，結(jié)合充放電電流、SOC變化率等動態(tài)特征參數(shù)評估電池性能。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史運行數(shù)據(jù)進行特征提取與模式識別，構(gòu)建性能衰減預(yù)測模型。實測數(shù)據(jù)顯示，模型評估準確率達96.5%，預(yù)測偏差控制在±2.5%范圍內(nèi)，為故障預(yù)警判斷提供了精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2　故障預(yù)警機制

基于實時數(shù)據(jù)分析的評估結(jié)果，故障預(yù)警系統(tǒng)采用自適應(yīng)閾值機制實現(xiàn)電池組多層級預(yù)警。單體電池層面重點監(jiān)測過壓（>2.4V）、欠壓（<1.8V）、溫度超限（>45℃）等直接危害因素，綜合參數(shù)變化趨勢判斷故障風(fēng)險等級。電池組層面關(guān)注性能一致性問題，通過計算電壓均衡度（偏差<±0.05V）、內(nèi)阻離散系數(shù)（<3%）等指標評估組內(nèi)狀態(tài)^[5]。系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表明，其預(yù)警準確率達95.8%，平均提前報警時間30分鐘，漏報率低于0.1%，使運維人員能夠提前發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障。

3.3　遠程運維策略

遠程運維平臺基于預(yù)警信息執(zhí)行分級響應(yīng)策略，構(gòu)建覆蓋所有儲能單元的集中管理體系。管理平臺依據(jù)地理位置劃分責(zé)任區(qū)域，實施分級授權(quán)與統(tǒng)一監(jiān)管相結(jié)合的管理模式，提供遠程參數(shù)配置與指令下發(fā)功能，支持根據(jù)工況特征動態(tài)調(diào)整監(jiān)測參數(shù)與告警閾值，實現(xiàn)系統(tǒng)智能化運維管理，如表1所示。

表1遠程運維系統(tǒng)性能指標對比分析

表1中，對遠程運維系統(tǒng)性能指標的長期跟蹤分析表明，標準化運維流程顯著提升了系統(tǒng)運維效率，優(yōu)化后故障平均處理時間降低62.5%，年度設(shè)備在線率提升4個百分點，故障解決率提高8個百分點，系統(tǒng)運維成本下降35%，故障響應(yīng)時間縮短57.1%，設(shè)備檢修及時率提升12個百分點，遠程操作成功率提高近5個百分點。數(shù)據(jù)顯示遠程運維系統(tǒng)在提升運維效率、降低運維成本、保障設(shè)備穩(wěn)定運行等方面取得顯著成效，為儲能系統(tǒng)安全可靠運行提供了有力支撐。

3.4　性能評估與優(yōu)化

基于多維度系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，建立包含設(shè)備可靠性、預(yù)警準確性、運維效率等指標的性能評估體系，如表2所示。評估體系從監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障記錄以及維護信息等方面開展系統(tǒng)性能量化分析，為持續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。

表2系統(tǒng)綜合性能優(yōu)化指標對比分析

由表2可知，系統(tǒng)性能優(yōu)化效果顯著，設(shè)備可靠性從70%提升至95%，預(yù)警準確率提高15個百分點達到96%。運維效率指數(shù)提升40%，年度故障發(fā)生率降低至3.0%，設(shè)備平均使用壽命延長1年，故障預(yù)測準確率提升11個百分點，系統(tǒng)可用性達到99.9%，維護人員效能提升45.6%。優(yōu)化成果全面提升新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平，為后續(xù)系統(tǒng)改進與推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4　結(jié)語

分布式自動化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對儲能裝置全生命周期管理。單體采集模塊負責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取，多級收集模塊確保信息可靠傳輸，監(jiān)控主機執(zhí)行智能分析處理。系統(tǒng)優(yōu)化后性能指標顯著提升：故障處理時間縮短62.5%，預(yù)警準確率達95.8%，設(shè)備可靠性提升25%，運維成本降低35%。運行數(shù)據(jù)證實該系統(tǒng)具備較高監(jiān)測精度與故障診斷能力。未來，通過持續(xù)優(yōu)化故障診斷算法、提升智能化水平，進一步推動新能源電力系統(tǒng)安全可靠發(fā)展。

作者簡介：

龔乃為（1982-），男，湖北咸寧人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中工武大能源建設(shè)投資（湖北）有限公司，研究方向為電氣工程及其自動化。

舒敏波（1983-），男，湖北咸寧人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中工武大能源建設(shè)投資（湖北）有限公司，研究方向為電氣工程及其自動化。

參考文獻：

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[2]陳國強.調(diào)度自動化系統(tǒng)在新能源并網(wǎng)中的優(yōu)化調(diào)度策略[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,2024,14(10):134-136.

[3]黃麗蒙.新能源開發(fā)中電氣工程自動化節(jié)能措施應(yīng)用[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2024,(18):76-78.

[4]彭小圣,劉歡歡.建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)自動化課程改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2024,(11):114-116.

[5]鄭亞銳.基于lightGBM的新能源電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定評估研究[D].北京:華北電力大學(xué),2023.

摘自《自動化博覽》2025年6月刊