基于行波测距的分布式储能电池组故障监测定位系统及方法与流程

本发明属于电力系统领域，涉及基于行波测距的分布式储能电池组故障监测定位系统及方法。

背景技术：

1、随着锂电池储能系统的装机量不断增加，锂电池储能系统的安全隐患也不断显现出来。由于农网储能电站多为分布式，并且多位于山林易着火区域从而使得当储能电站发生危险事故很容易引发山火，大大增加事故后果的严重性。

2、目前多数电池监测装置通过光缆将状态数据传输到蓄电池组检测器，可以测定电池组的整体电压、单体电压、以及整体电流、电池组内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等参数，但是大多数监测都是针对单体电池进行监测，对于串联电池组运行状况检测适用不了，也就无法应用于分布式储能站电池组的监测中去。此外另外一种主要针对电池组的电池荷电状态soc进行监测从而预估电池组的运行状态，但是其监测成本高。上述监测设备运行复杂，并且一些传感器成本太高、灵敏度低，无法对分布式储能站电池组进行精准化监测，基于此，本发明提出一种基于行波测距农网分布式储能站电池组故障在线监测及故障定位系统，采用高集成“四合一”方案，可利用对储能电池组电缆接线处监测运行电流电压实现对电池组故障前的监测预警，监测故障后通过电压电流行波选线、测距以及基于人工神经网络判断故障类型以及严重程度。该系统采用高精度对时同步技术、测距无死区、行波波头准确识别和测距模式选择技术，系统集成度高，适用于复杂的分布式储能在线监测系统。此外，为了防止储能站电池组故障严重化，该系统利用电池故障严重程度启用风冷机组、灭火器以及开关切换装置对电池进行降温、灭火出力以及断电等一系列处理，对故障进行及时处理，防止故障危害进一步扩大。

3、与本发明最接近的技术方案的说明：《储能电池监测预警装置与方法》(申请号cn202111526082.x)与《一种具备故障早期预警功能的储能电池管理装置》(申请号cn202021299439.6)。

4、该系统重点解决目前分布式储能站电池组监测系统准确性不高、无法直观判断电池组热故障严重程度的问题。提出一种能够降低热故障误报率、故障定位、直观判别热故障严重程度以及故障后果及时处理。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供基于行波测距的分布式储能电池组故障监测定位系统。目前大多数储能电池站在线监测均是根据电池组运行时的核心参数荷电状态、温度、电压以及电流检测，在检测时所需的传感器装置通常依附在电池组表面，对电池组散热等产生不利影响，并且传感器还需要工作人员日常巡视进行维护，浪费大量人力物力，并且在检测电池组精度以及准确度不高。特别是在分布式储能站电池管理系统中，电池组分布较为分散，集中化管理难度较大。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于行波测距的分布式储能电池组故障监测定位系统，该系统包括电池组检测管理模块、gprs数据传输模块以及监控主站模块；

4、所述电池组监测管理模块采用arm4 cortex_m4f内核的stm32f104作为数据处理中央芯片，对传感器网络进行数据处理以及控制信号发送以及控制风冷机组灭火器以及电池组接入开关切换装置；

5、所述传感器网络包含电流、电压行波监测传感器、护层环流信号检测传感器以及温度传感器；护层环流信号检测传感器与温度传感装置放置于储能站电池组与电缆接线处，用于检测电池组温度以及互层环流并通过gprs无线传输系统输入中央芯片中进行数据处理；当储能电池处于放电、充电或者待机状态时，其对应在电缆接头处的金属保护层上感应出环流很小，当储能电池发生故障时，保护层的环流会超过储能电池正常工作时环流大小，然后将采集到的护层环流信号送给处理器进行故障判别；用于检测电池温度变化情况；电流、电压行波监测传感器位于电缆与电网集中接线处，便于进行集中化管理，用于行波选线、测距以及距离判断；

6、当储能站电池组发生故障导致电缆产生故障电流电压，当检测到故障电流电压时，利用行波暂态波形以及小波算法的接地故障选线技术，区分出故障电缆线；

7、当储能电池发生故障时，其对应在储能电池电缆接线处会发生电路故障，根据行波来返于故障电与传感器之间的时间，实现单端行波测距：

8、

9、式中：v为行波在电缆中的传播速度；tm为初始行波浪涌到达测量端m的时刻；tmf为经故障点反射后到达测量端m的时刻；dmf为故障点f距离测量端m的距离；

10、行波监测传感器通过现场可编程门阵列fpga芯片控制高速模数转换器adc芯片对行波信号进行250mhz的采样，采集的数据时间精度为40ns，经直接存储器访问dma将数据送入stm32f104主控芯片进行数据存储以及处理；当检测到电池组运行故障时，将通过电池组接入开关切换装置将电池组与供电系统切断电能传输，通过控制风冷机组先对故障电池组进行循环风冷循环系统对电池组进行降温处理，如果遇见明火将启动灭火装置对电池组进行灭火；

11、所述gprs数据传输模块选用cm3160ep gprs dtu作为数据通信模块；

12、所述监控主站模块包括报警模块以及消防主机模块；所述报警模块由报警灯、语音转换模块、功放及喇叭和报警报文组成；报警灯采用led，安装在装置内部；语音转换模块接收来自数据计算模块串行输出报警指令，将指令转换成语音输出驱动功放和喇叭，实时发出报警语音；消防主机模块当监控主站中心无人值守时，当储能站电池组故障严重时会自动向消防人员发送提醒。

13、基于所述系统的基于行波测距的分布式储能电池组故障监测定位方法，该方法包括以下步骤：

14、步骤一：连接信号采集装置fpga以及主控芯片stm32芯片的电源启动后，采集储能站电池组电缆接线处护层环流，每40ns采样一次；将采集到的环流数据保存到本地，每隔1s更新数据；将1s内采集到的护层环流电池组故障时环流变化进行比对，当护层环流超过阈值，向主控芯片stm32f104发送故障信息；

15、步骤二：如果在某一个时刻点，护层环流超过设置的阈值，则对stm32f104主控芯片控制电流、电压行波监测传感器进行下个周期内的连续采样，并获取对应的参数值变化曲线；根据情况的不同，分以下步骤三～步骤五进行判别；

16、步骤三：如果电流、电压行波监测传感器接下来对行波电压、电流检测，如果所采样得到电压、电流数据与正常工作时的电压、电流无明显差别，则说明护层环流传感器误判，重复步骤一；

17、步骤四：电流、电压行波监测传感器与储能电池正常工作状态下差别过大，连续几个采样周期内采样的行波电压、电流接近故障样本曲线，没有上升，则认为该电池产生早期热滥用，通过主控芯片利用行波测距计算出对应储能站中的电池组，并将故障电池组id通过gprs传输模块传输给监控主站，监控主站报警模块进行报警“电池id发生热滥用”，并启动风冷循环降温系统对电池组进行降温处理；stm32控制电池组接入开关切换装置切断对应储能站与电网的功率传输；

18、步骤五：如果温度传感器超过最大阀值，且在下个周期内当前参数持续上升，接近故障储能电池在故障情况下的电压电流变化样本曲线；则认为该电池当前发生热扩散，则led灯闪烁，喇叭发出“电池id发生热扩散”语音提示；如果有明火产生，主控芯片打开灭火装置阀门；

19、步骤六：当每次发生电池状态变化时，通过gprs无线传输模块，将状态变化的时间、电池id、护层环流、电压电流数据上传到监控主站，主站中的服务器根据当前电池的状态并综合储能单元舱内其他状态采集装置的参数；若温度检测装置显示储能站电池组温度持续上升，并且经过降温系统降温无法对其进行降温处理时，则认为储能站电池故障一直存在，此时应当派遣工作人员至现场处理；如果监控主站无人处理，通过消防主机向消防机构发送故障信息。

20、本发明的有益效果在于：首先对农网分布式储能电站电池组热故障判断准确，降低误报率，通过引入消防联动来监测热故障情况，防止由于温度、气体传感器测量不准确或者微小变化而造成的误报。

21、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。