江蘇電科院研發(fā)儲能電站熱失控多參量預警系統(tǒng)

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

　　電化學儲能電站已成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要組成部分，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”的多參量預警解決方案，解決根據(jù)單一參量預警不及時、易誤報、易漏報問題，縮短火災預警時延，為執(zhí)行消防預控措施爭取時間，提升儲能電站火災早期預警能力。

　　試驗：深入了解電池熱失控不同階段多參量變化特征

　　儲能電站安全問題主要源于電池熱失控。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、溫感探測設備在此類場景下靈敏度低、反應滯后，很難滿足電池熱失控預警需求。

　　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智能預警技術(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)電池熱失控預警技術(shù)的發(fā)展和應用主要經(jīng)歷兩個階段。此前多應用的是以煙感、溫感為代表的傳統(tǒng)消防預警技術(shù)，通過電池外表面溫度、火災煙霧濃度反映電池熱失控狀態(tài)，但存在反應滯后等問題。”江蘇電科院安全技術(shù)中心主任陶風波介紹，現(xiàn)在則側(cè)重以氫氣、一氧化碳等電池熱失控特征產(chǎn)氣來預警。但由于電池架阻擋等原因，氣體擴散較慢、擴散規(guī)律復雜等問題客觀存在，極端條件下有預警靈敏性不足的風險，且依賴單一參量的預警系統(tǒng)的可靠性還有提升空間。

　　為提高熱失控預警的靈敏性和可靠性，研究多種特征參量聯(lián)動的預警方法迫在眉睫。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，對電池熱失控不同階段的溫度、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，可用于熱失控預警的電池特征參量眾多，各參量在預警及時性、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警。以試驗為基礎，陶風波帶領團隊踏上了創(chuàng)新之路。

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

　　研究團隊通過試驗發(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。準確無誤地識別這些現(xiàn)象并實現(xiàn)預警，是研究團隊下一步要做的事。

　　2020年2月7日，江蘇電科院一項利用聲學特征開展儲能電池預制艙熱失控狀態(tài)判別的發(fā)明專利公開，關于熱失控多參量預警技術(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)展階段的多參量預警技術(shù)路線，研制面向大規(guī)模工程應用的升級版預警系統(tǒng)”的目標。

　　研究團隊搭建儲能電池熱失控試驗艙，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、光學預警方法，實現(xiàn)“聽見、看見”熱失控的目的。

　　為“聽見”熱失控，研究團隊在電池預制艙內(nèi)安裝聲學麥克風，采集艙內(nèi)聲信號，使用小波閾值去噪法對艙內(nèi)聲信號進行去噪處理。試驗表明，研究團隊提出的特征聲信號辨識方法可準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，研究團隊還提出適用于電池預制艙的麥克風排布方法和時延定位算法，據(jù)此可準確定位各模塊位置，平均誤差不超過8.2厘米。在精準定位故障點的基礎上，運維人員可切斷故障模組所在的電池簇開關，也可檢修和更換艙內(nèi)的電池模組。

　　為“看見”熱失控，研究團隊在電池預制艙內(nèi)安裝監(jiān)控設備，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、準確。應用該技術(shù)比艙內(nèi)消防主機檢測到煙霧的時間早22秒。

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

　　應用：系統(tǒng)可靠性優(yōu)于當前單一判據(jù)的熱失控預警方法

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

　　系統(tǒng)由聲傳感器、光學傳感器、氣體傳感器和后臺預警系統(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)氣或光學傳感器捕捉到微弱汽化電解液圖像后，發(fā)出預警信號，所在艙體快速進入火災自動報警和消防聯(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)于當前市面上的熱失控預警系統(tǒng)。多參量疊加應用進一步提高了預警可靠性，聲學判據(jù)通過神經(jīng)網(wǎng)絡訓練后實測識別準確率超97.4%，光學圖像判據(jù)識別準確率超90%，加上特征氣體識別，使得系統(tǒng)可靠性優(yōu)于當前單一判據(jù)的熱失控預警方法。（章岑 尹康涌）