楊 銘 聞 鋮 嚴(yán)玲玲 牟京亞 孫金莉 由 勇

（1、國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077 2、國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050 3、北京匠芯電池科技有限公司，北京102606)

1 概述

蓄電池電源柜是開(kāi)關(guān)站、變電所、配電室等機(jī)構(gòu)用于掉電后恢復(fù)供電的重要備份電能存儲(chǔ)設(shè)備，其工作特點(diǎn)在于平時(shí)要保證充滿(mǎn)電、無(wú)故障，供電異常時(shí)要保證能供電、電量足，具有“養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)”的特點(diǎn)。由于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的電化學(xué)原理，決定了雖然具有單體成本比較低的優(yōu)勢(shì)，但是也有自放電率高、能量密度低、運(yùn)行維護(hù)工作復(fù)雜的劣勢(shì)。國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T-459-200 和DL/T724-2000 中明確規(guī)定鉛酸電池電源柜必須在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電，該項(xiàng)工作不但損耗電能，更重要的是在放電過(guò)程中蓄電池電源柜的儲(chǔ)能下降為原來(lái)的1/n，極端情況下降到1/2；放電次數(shù)多，每四年或每年進(jìn)行；嚴(yán)重?fù)p耗鉛酸電池壽命。備用電池維護(hù)要求高，每隔幾個(gè)月就要對(duì)備用電池進(jìn)行充電；在線(xiàn)電池由于自放電率高需要一直進(jìn)行浮充充電供電，能量浪費(fèi)大，電池沒(méi)有管理控制系統(tǒng)，內(nèi)阻等監(jiān)控參數(shù)需要人工測(cè)量，維護(hù)自動(dòng)化程度低，成本高。新型鋰離子電池具有能量密度大，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，在線(xiàn)監(jiān)控方便等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。但是，如果不對(duì)替換鋰電池進(jìn)行實(shí)時(shí)性能能監(jiān)控，則鋰電池在安全方面的缺點(diǎn)難以避免。實(shí)時(shí)估計(jì)鋰電池當(dāng)前健康狀態(tài)（Start of Health,SOH）成為鋰電池替換變電站直流系統(tǒng)鉛酸電池成功的關(guān)鍵。

2 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評(píng)估方法

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）研究始于20 世紀(jì)80-90 年代。循環(huán)網(wǎng)絡(luò)分為：輸入層，隱層，承接層和輸出層等四層。其狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。輸入層、隱層、輸出層采用順序結(jié)構(gòu)，具備前饋神經(jīng)網(wǎng)路的有點(diǎn)。在隱層和輸入層之間具有一個(gè)承接層，承接層通常又稱(chēng)為狀態(tài)層，它能夠記憶隱藏層單元在前一時(shí)刻的輸出值，記憶的輸出值按照一定的規(guī)則反饋給輸入層[3]。

圖1 RNN 狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

RNN 的狀態(tài)方程如公式（1）所示：

其中，t 表示時(shí)間，X,O 表示輸入和輸出，U,W,V 分別表示此刻時(shí)間、輸入、輸出的權(quán)重。St 表示t 時(shí)刻的記憶。g(·)為輸出層的傳遞函數(shù)，可以看作中間層在輸出過(guò)程的一種組合。f(·)為中間層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)，可以使用符號(hào)函數(shù)作為一種傳遞函數(shù)。

由于RNN 具備在有限的時(shí)間內(nèi)通過(guò)數(shù)值計(jì)算逼近函數(shù)的功能，可以將RNN 的記憶性能用來(lái)反映電池安時(shí)積分與電壓差分之間的特征關(guān)系，因此采用RNN 做電池健康度研究具有較好的適應(yīng)性。

3 模型建立與分析

3.1 樣本選取

根據(jù)變電站替換用鋰電池特點(diǎn)，電池組樣本選取國(guó)內(nèi)某大型電池企業(yè)的三元電池組。電池組數(shù)據(jù)采用監(jiān)控器上傳數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，數(shù)據(jù)融合方式獲取原始數(shù)據(jù)。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行電化學(xué)參量計(jì)算，得到該型電池包的容量增量曲線(xiàn)（Incremental Capacity Analysis, ICA）。ICA 曲線(xiàn)面積可以表示為當(dāng)前狀態(tài)下的SOH 計(jì)算量。再通過(guò)折算公式將不同溫度倍率數(shù)據(jù)折算為標(biāo)準(zhǔn)25 攝氏度，1C 倍率的折算數(shù)據(jù)，再通過(guò)容量增量的計(jì)算，得到ICA 曲線(xiàn)。通過(guò)最后一次數(shù)據(jù)后的國(guó)標(biāo)條件完整充電過(guò)程計(jì)算實(shí)際容量。

歸一化方法是為了保證樣本數(shù)在相同評(píng)價(jià)尺度上進(jìn)行比較。歸一化一本原理是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性變換，使結(jié)果映射到指定區(qū)間范圍內(nèi)。其中零值歸一化方法是將原始數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行相應(yīng)的歸一化。針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)在計(jì)算ICA 曲線(xiàn)前我們采用了均值歸一化方法。其公式為：

式中，kn為歸一數(shù)據(jù)，K 為原始數(shù)據(jù)，kmax為樣本最大值，kmin為樣本最小值。反歸一方法采用postmnmx 方法，其計(jì)算公式為：

式中，y 為原始數(shù)據(jù)，yn為歸一數(shù)據(jù)，ymax為樣本最大值，ymin為樣本最小值。

3.2 構(gòu)建模型

通過(guò)RNN 網(wǎng)絡(luò)模型，第一步確定學(xué)習(xí)函數(shù)為ICA 下降權(quán)值，設(shè)定閾值學(xué)習(xí)函數(shù)0.05 的學(xué)習(xí)率，設(shè)定梯度下降函數(shù)為輸入層、承接層和輸出層函數(shù)，設(shè)定為符號(hào)函數(shù)為隱層函數(shù)[4]，設(shè)定學(xué)習(xí)迭代次數(shù)最大為8000 次。計(jì)算流程如下圖所示：

圖2 RNN 學(xué)習(xí)流程圖

3.3 結(jié)果分析

圖3 測(cè)試鋰電池預(yù)測(cè)ICA 曲線(xiàn)與原曲線(xiàn)對(duì)比

表1 測(cè)試鋰電池預(yù)測(cè)曲線(xiàn)面積誤差分析表

通過(guò)比較經(jīng)RNN 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)學(xué)習(xí)后，能夠較好的計(jì)算出ICA 預(yù)測(cè)曲線(xiàn)，預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與實(shí)際容量計(jì)算值之間誤差值在可以接受范圍之內(nèi)。該方法適合實(shí)時(shí)估計(jì)鋰電池當(dāng)前健康狀態(tài)評(píng)估。

4 結(jié)論

采用鋰電池替換變電站直流電源中的鉛酸電池改進(jìn)傳統(tǒng)的電池接線(xiàn)和管理方式，改變變電站直流電源運(yùn)行維護(hù)制度，使得鋰電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到更好的發(fā)揮，具有較高的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)RNN 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)鋰電池當(dāng)前健康狀態(tài)評(píng)估，提高鋰電池運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)。