江蘇電科院研發(fā)儲能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)

　　10月8日，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院研制的儲能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)在南京江北儲能電站上線運(yùn)行64天。該系統(tǒng)實時監(jiān)控站內(nèi)電池預(yù)制艙狀態(tài)，一旦出現(xiàn)早期熱失控跡象，可及時發(fā)出預(yù)警。

　　電化學(xué)儲能電站已成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，但近年國內(nèi)外發(fā)生的儲能電站火災(zāi)給電力行業(yè)敲響警鐘。江蘇電科院提出利用電池安全閥開啟聲音、汽化電解液圖像、電池特征產(chǎn)氣“三合一”的多參量預(yù)警解決方案，解決根據(jù)單一參量預(yù)警不及時、易誤報、易漏報問題，縮短火災(zāi)預(yù)警時延，為執(zhí)行消防預(yù)控措施爭取時間，提升儲能電站火災(zāi)早期預(yù)警能力。

　　試驗：深入了解電池?zé)崾Э夭煌A段多參量變化特征

　　儲能電站安全問題主要源于電池?zé)崾Э?。儲能電池遭遇過充、過放等濫用情況，在內(nèi)外部激源影響下，可能突發(fā)熱失控。處于熱失控狀態(tài)的電池產(chǎn)熱快、易燃燒，起火后火勢蔓延迅速，傳統(tǒng)的消防煙感、溫感探測設(shè)備在此類場景下靈敏度低、反應(yīng)滯后，很難滿足電池?zé)崾Э仡A(yù)警需求。

　　2018年年初，江蘇電科院以鎮(zhèn)江儲能電站群為試驗對象，在北山、長旺等8座儲能電站開展火災(zāi)智能預(yù)警技術(shù)調(diào)研。調(diào)研人員發(fā)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)、不同規(guī)格的電池模組內(nèi)的溫度測點位置不同、數(shù)量不一，紅外系統(tǒng)識別范圍有限，熱失控預(yù)警功能不完善。

　　“我們調(diào)研過很多國內(nèi)的企業(yè)，也查閱了很多國外的資料，發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要經(jīng)歷兩個階段。此前多應(yīng)用的是以煙感、溫感為代表的傳統(tǒng)消防預(yù)警技術(shù)，通過電池外表面溫度、火災(zāi)煙霧濃度反映電池?zé)崾Э貭顟B(tài)，但存在反應(yīng)滯后等問題。”江蘇電科院安全技術(shù)中心主任陶風(fēng)波介紹，現(xiàn)在則側(cè)重以氫氣、一氧化碳等電池?zé)崾Э靥卣鳟a(chǎn)氣來預(yù)警。但由于電池架阻擋等原因，氣體擴(kuò)散較慢、擴(kuò)散規(guī)律復(fù)雜等問題客觀存在，極端條件下有預(yù)警靈敏性不足的風(fēng)險，且依賴單一參量的預(yù)警系統(tǒng)的可靠性還有提升空間。

　　為提高熱失控預(yù)警的靈敏性和可靠性，研究多種特征參量聯(lián)動的預(yù)警方法迫在眉睫。2018至2019年，江蘇電科院開展了60多次大規(guī)模儲能電池燃燒試驗，對電池?zé)崾Э夭煌A段的溫度、壓力、產(chǎn)氣、形變、聲音、圖像等多參量變化特征有了更深入的了解。試驗表明，可用于熱失控預(yù)警的電池特征參量眾多，各參量在預(yù)警及時性、可靠性、實施難度方面存在差異，部分參量特征適當(dāng)組合可以較好地反映電池早期熱失控發(fā)展趨勢，能夠用于實現(xiàn)更高水平的熱失控預(yù)警。以試驗為基礎(chǔ)，陶風(fēng)波帶領(lǐng)團(tuán)隊踏上了創(chuàng)新之路。

　　研發(fā)：根據(jù)聲光氣現(xiàn)象建立預(yù)警技術(shù)體系

　　研究團(tuán)隊通過試驗發(fā)現(xiàn)，幾乎所有發(fā)生熱失控的硬殼電池都出現(xiàn)了安全閥開啟現(xiàn)象，且明火產(chǎn)生前均釋放出大量密度大于空氣的白色霧狀產(chǎn)物。準(zhǔn)確無誤地識別這些現(xiàn)象并實現(xiàn)預(yù)警，是研究團(tuán)隊下一步要做的事。

　　2020年2月7日，江蘇電科院一項利用聲學(xué)特征開展儲能電池預(yù)制艙熱失控狀態(tài)判別的發(fā)明專利公開，關(guān)于熱失控多參量預(yù)警技術(shù)的研究拉開序幕。該院提出“研究涵蓋熱失控早期不同發(fā)展階段的多參量預(yù)警技術(shù)路線，研制面向大規(guī)模工程應(yīng)用的升級版預(yù)警系統(tǒng)”的目標(biāo)。

　　研究團(tuán)隊搭建儲能電池?zé)崾Э卦囼炁?，驗證利于探測電池安全閥開啟聲音、汽化電解液圖像的聲學(xué)、光學(xué)預(yù)警方法，實現(xiàn)“聽見、看見”熱失控的目的。

　　為“聽見”熱失控，研究團(tuán)隊在電池預(yù)制艙內(nèi)安裝聲學(xué)麥克風(fēng)，采集艙內(nèi)聲信號，使用小波閾值去噪法對艙內(nèi)聲信號進(jìn)行去噪處理。試驗表明，研究團(tuán)隊提出的特征聲信號辨識方法可準(zhǔn)確識別電池安全閥破裂、艙內(nèi)空調(diào)及電池管理系統(tǒng)運(yùn)行、電池充放電流等聲音，整體正確率為97.4%。依托江蘇電科院電力安全技術(shù)實驗室，研究團(tuán)隊還提出適用于電池預(yù)制艙的麥克風(fēng)排布方法和時延定位算法，據(jù)此可準(zhǔn)確定位各模塊位置，平均誤差不超過8.2厘米。在精準(zhǔn)定位故障點的基礎(chǔ)上，運(yùn)維人員可切斷故障模組所在的電池簇開關(guān)，也可檢修和更換艙內(nèi)的電池模組。

　　為“看見”熱失控，研究團(tuán)隊在電池預(yù)制艙內(nèi)安裝監(jiān)控設(shè)備，在采集艙內(nèi)查看可見光圖像信號。借助熱失控過程中霧狀樣本搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，識別故障電池泄漏產(chǎn)生的霧狀汽化電解液，較傳統(tǒng)的人工判斷更高效、準(zhǔn)確。應(yīng)用該技術(shù)比艙內(nèi)消防主機(jī)檢測到煙霧的時間早22秒。

　　加上此前應(yīng)用的熱失控特征氣體“嗅探”技術(shù)，研究團(tuán)隊建立起一套熱失控早期聲、光、氣預(yù)警技術(shù)體系，并開發(fā)內(nèi)置預(yù)警系統(tǒng)裝置樣機(jī)，以此實現(xiàn)儲能電站火災(zāi)隱患可聽、可見、可嗅探。

　　應(yīng)用：系統(tǒng)可靠性優(yōu)于當(dāng)前單一判據(jù)的熱失控預(yù)警方法

　　6月14日，儲能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)裝置樣機(jī)通過第三方檢測認(rèn)證。8月5日，該系統(tǒng)在南京江北儲能電站上線運(yùn)行。

　　系統(tǒng)由聲傳感器、光學(xué)傳感器、氣體傳感器和后臺預(yù)警系統(tǒng)組成。安裝在艙頂?shù)穆晜鞲衅鲗崟r監(jiān)聽艙內(nèi)電池安全閥破裂聲，一旦檢測到電池安全閥破裂聲信號，系統(tǒng)將自動啟動多參量預(yù)警判別程序，可在氣體傳感器檢測到微量特征產(chǎn)氣或光學(xué)傳感器捕捉到微弱汽化電解液圖像后，發(fā)出預(yù)警信號，所在艙體快速進(jìn)入火災(zāi)自動報警和消防聯(lián)動控制邏輯。

　　由于引入了聲探測技術(shù)，該系統(tǒng)將基于特征氣體探測的預(yù)警信號發(fā)出時間提前200秒左右，較發(fā)生熱失控時間平均提前720秒左右，優(yōu)于當(dāng)前市面上的熱失控預(yù)警系統(tǒng)。多參量疊加應(yīng)用進(jìn)一步提高了預(yù)警可靠性，聲學(xué)判據(jù)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后實測識別準(zhǔn)確率超97.4%，光學(xué)圖像判據(jù)識別準(zhǔn)確率超90%，加上特征氣體識別，使得系統(tǒng)可靠性優(yōu)于當(dāng)前單一判據(jù)的熱失控預(yù)警方法。（章岑 尹康涌）