江蘇電科院研發(fā)儲(chǔ)能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)

　　10月8日，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院研制的儲(chǔ)能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)在南京江北儲(chǔ)能電站上線(xiàn)運(yùn)行64天。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)出預(yù)警。

　　電化學(xué)儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外發(fā)生的儲(chǔ)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(kāi)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(shí)、易誤報(bào)、易漏報(bào)問(wèn)題，縮短火災(zāi)預(yù)警時(shí)延，為執(zhí)行消防預(yù)控措施爭(zhēng)取時(shí)間，提升儲(chǔ)能電站火災(zāi)早期預(yù)警能力。

　　試驗(yàn)：深入了解電池?zé)崾Э夭煌A段多參量變化特征

　　儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題主要源于電池?zé)崾Э?。?chǔ)能電池遭遇過(guò)充、過(guò)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(shì)蔓延迅速，傳統(tǒng)的消防煙感、溫感探測(cè)設(shè)備在此類(lèi)場(chǎng)景下靈敏度低、反應(yīng)滯后，很難滿(mǎn)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(chǔ)能電站群為試驗(yàn)對(duì)象，在北山、長(zhǎng)旺等8座儲(chǔ)能電站開(kāi)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(chǎng)家生產(chǎn)、不同規(guī)格的電池模組內(nèi)的溫度測(cè)點(diǎn)位置不同、數(shù)量不一，紅外系統(tǒng)識(shí)別范圍有限，熱失控預(yù)警功能不完善。

　　“我們調(diào)研過(guò)很多國(guó)內(nèi)的企業(yè)，也查閱了很多國(guó)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(gè)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(guò)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(wèn)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(lái)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(wèn)題客觀(guān)存在，極端條件下有預(yù)警靈敏性不足的風(fēng)險(xiǎn)，且依賴(lài)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(dòng)的預(yù)警方法迫在眉睫。2018至2019年，江蘇電科院開(kāi)展了60多次大規(guī)模儲(chǔ)能電池燃燒試驗(yàn)，對(duì)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(yàn)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(shí)性、可靠性、實(shí)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(shì)，能夠用于實(shí)現(xiàn)更高水平的熱失控預(yù)警。以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，陶風(fēng)波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(duì)通過(guò)試驗(yàn)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(kāi)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(wú)誤地識(shí)別這些現(xiàn)象并實(shí)現(xiàn)預(yù)警，是研究團(tuán)隊(duì)下一步要做的事。

　　2020年2月7日，江蘇電科院一項(xiàng)利用聲學(xué)特征開(kāi)展儲(chǔ)能電池預(yù)制艙熱失控狀態(tài)判別的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)，關(guān)于熱失控多參量預(yù)警技術(shù)的研究拉開(kāi)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(xiàn)，研制面向大規(guī)模工程應(yīng)用的升級(jí)版預(yù)警系統(tǒng)”的目標(biāo)。

　　研究團(tuán)隊(duì)搭建儲(chǔ)能電池?zé)崾Э卦囼?yàn)艙，驗(yàn)證利于探測(cè)電池安全閥開(kāi)啟聲音、汽化電解液圖像的聲學(xué)、光學(xué)預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)“聽(tīng)見(jiàn)、看見(jiàn)”熱失控的目的。

　　為“聽(tīng)見(jiàn)”熱失控，研究團(tuán)隊(duì)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(hào)，使用小波閾值去噪法對(duì)艙內(nèi)聲信號(hào)進(jìn)行去噪處理。試驗(yàn)表明，研究團(tuán)隊(duì)提出的特征聲信號(hào)辨識(shí)方法可準(zhǔn)確識(shí)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(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)還提出適用于電池預(yù)制艙的麥克風(fēng)排布方法和時(shí)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(guò)8.2厘米。在精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)維人員可切斷故障模組所在的電池簇開(kāi)關(guān)，也可檢修和更換艙內(nèi)的電池模組。

　　為“看見(jiàn)”熱失控，研究團(tuán)隊(duì)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(jiàn)光圖像信號(hào)。借助熱失控過(guò)程中霧狀樣本搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，識(shí)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(cè)到煙霧的時(shí)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(duì)建立起一套熱失控早期聲、光、氣預(yù)警技術(shù)體系，并開(kāi)發(fā)內(nèi)置預(yù)警系統(tǒng)裝置樣機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站火災(zāi)隱患可聽(tīng)、可見(jiàn)、可嗅探。

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

　　6月14日，儲(chǔ)能電站熱失控多參量預(yù)警系統(tǒng)裝置樣機(jī)通過(guò)第三方檢測(cè)認(rèn)證。8月5日，該系統(tǒng)在南京江北儲(chǔ)能電站上線(xiàn)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(tái)預(yù)警系統(tǒng)組成。安裝在艙頂?shù)穆晜鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)艙內(nèi)電池安全閥破裂聲，一旦檢測(cè)到電池安全閥破裂聲信號(hào)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)多參量預(yù)警判別程序，可在氣體傳感器檢測(cè)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(hào)，所在艙體快速進(jìn)入火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制邏輯。

　　由于引入了聲探測(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)將基于特征氣體探測(cè)的預(yù)警信號(hào)發(fā)出時(shí)間提前200秒左右，較發(fā)生熱失控時(shí)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(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后實(shí)測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確率超97.4%，光學(xué)圖像判據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確率超90%，加上特征氣體識(shí)別，使得系統(tǒng)可靠性?xún)?yōu)于當(dāng)前單一判據(jù)的熱失控預(yù)警方法。（章岑 尹康涌）