利用時序信號處理進行電池組件預測維護的系統和方法

2023-07-26 19:30:46 1

專利名稱：利用時序信號處理進行電池組件預測維護的系統和方法
技術領域：
本發明公開的技術一般涉及電池組件的監控和持續性能評估，更具體地說，涉及
到基於被監控參數的時序處理，對電池組件進行預測維護的系統和方法。
背景技術：
變電站作為電力傳輸和配送系統的一部分，通常用於開關電源電路和將電力從一個伏特數轉變到另一個伏特數。變電站可能包括開關、斷路器、母線和變壓器等各種設備。變電站可能包括一個或多個電池系統，以在電力系統故障或電路的重新配置過程中，提供直流(DC)電力給保護繼電器，斷路器控制電路，以及其他低功率控制，監控和指示設備。如果電池不工作，並不準備在這些情況下提供可靠的電力，那麼保護、控制、監控和切換功能將無法實現。

發明內容
據上所述，本領域中需要在電池組件使用過程中監控電池組件，以評估電池組件的健康和可用性。 根據本公開的一個方面，一種監控電池組件的方法，包括監控與電池組件相關聯的參數，以獲取被監控參數的多個樣本；根據被監控參數樣本，生成單調增加值的時序序列；分析該時序序列，獲知被監控參數趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預測電池組件的故障情況。 根據本公開的另一方面，一種電池組件的預測監控組件，包括分析器，根據一系列被監控參數的樣本，生成單調增加值的時序序列，被監控參數的樣本通過監控與電池組件相關聯的參數獲得；分析該時序序列，獲知被監控參數趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預測電池組件的故障情況。 結合後續描述和附圖，這些以及其他的特性將會更為明顯。在描述和附圖中，詳細公開了本發明的特定實施例，以說明可以應用本發明原理的一些方式，但需要理解，本發明並不相應局限於這些實施例。然而，本發明還涵蓋在後附權利要求書範圍內的所有變化、改進和等價物。 針對一個實施例描述和/或說明的特徵，可以以同樣或者類似方法應用於一個或多個其他實施例，並且可以/或者與其他實施例特徵組合使用，或者替換其他實施例特徵。


圖1是包括電池組件的預測監控系統的示例性電池系統的示意方框圖。
圖2是電池組件多級多邊監控方法的示例性圖形化表示。 圖3是預測電池監控和維護的示例性方法的流程圖。 圖4是被監控值到時序序列映射的示例性圖形化表示。 圖5是根據被監控電池情況確定時序序列值的示例性方法的流程圖。
圖6是基於時序序列值到達次數的多級告警功能的示例性圖形化表示。 圖7A、7B和7C是對應於不同電池情況的被監控值的示例性趨勢圖。 圖8A、8B和8C分別是對電池組件的第一模擬性能評估的輸入信號、時序序列和告
警信號的示例性圖。 圖9A、9B和9C分別是對電池組件的第二模擬性能評估的輸入信號、時序序列和告警信號的示例性圖。 圖10A、10B和10C分別是對電池組件的第三模擬性能評估的輸入信號、時序序列和告警信號的示例性圖。 圖11A、11B和11C分別是對電池組件的第四模擬性能評估的輸入信號、時序序列和告警信號的示例性圖。 圖12A、12B和12C分別是對電池組件的第五模擬性能評估的輸入信號、時序序列和告警信號的示例性圖。
具體實施例方式
下面參考附圖，描述本發明各個實施例，所有附圖中相同參考標號指示了相同元件。需要理解圖不一定按比例繪製。 先參看圖1，示出了被監控電池組件12的示例性預測監控系統10。該系統10，以及相關的方法，在電池組件12出現故障之前，可識別出電池組件12即將出現的問題。在一種示例性應用中，系統10和方法可作為正在工作中的變電站電池及智能電子設備(IED)電源供應部件的預測維護計劃的基礎，前述變電站電池和智能電子設備電源供應部件的健康狀況通過一種連續和遞增的方式確定。在另一種示例性操作上下文中，電池組件12可能是一個汽車電池，為車載設備提供動力。在另一種示例性操作上下文中，電池組件12可能形成計算機系統、醫療設備或其他電子設備不間斷電源(UPS)的一部分。
在給出的例子中，電池組件12是鉛酸電池，有多個串14，每個包括3個罐16(有時稱為單體)，後者有三個單元18。需要理解，這個電池組件12布局是示例性的，電池系統12的其他布局是可能的。被監控電池組件12可以是一個完整的電池系統或電池系統的一部分，如該電池系統的一個或多個單元18，一個或多個罐16，或一個或多個串14。此外，該系統10和相關的方法可以適用於鉛酸電池之外的其他電池組件，例如但不局限於鎳鎘電池、鎳聚合物電池、鎳鋅電池。該電池組件12可以涉及非密封的(也稱為通氣)電池配置或密封電池配置。 電池組件12在工作中為負載20提供電能。在一種實施例中，電池組件12是負載20的主要電力來源或唯一電力來源。在其他的實施例中，電池組件12是負載20的次要電力來源或備用電力來源，只有在主要來源，例如公用電源的電力供應不可用時，才予以應用。 在一種示例性操作上下文中，負載20包括電力傳輸和配送系統的一個或多個部件，這些部件用於開關或中斷電源電路、進行控制、保護和監控等。在這種操作上下文中，負載20可以包括一個或多個保護繼電器、斷路器控制電路、控制組件、運行狀態或故障指示設備、IED的任何類別(例如，基於微處理器的設備、繼電器、保護或控制組件)，等等。
雖然沒有說明，但可能存在充電組件，以維持電池組件12的功率傳輸能力。例如，充電組件可能會對電池組件12進行定期放電和涓流充電。 預測監控系統10可以包括監控組件22，其包括一個或多個監控設備，如用於進行 代表所需被監控參數或多個參數的測量的適當傳感器。對電池組件12的健康和狀態進行 的監控可能包括用監控組件22監控一個或多個參數。例如，監控組件22可以測量電池組 件12的電壓、電流或溫度中的一個或多個。另外，電池組件12的內部阻抗可通過測量電壓 和電流，並計算阻抗值來監控。如上所述，受監控的電池組件12可以是整個電池系統或IED 電源組件。在另一種實施例中，被監控電池組件12可以是被單獨監控的一個串14，一個罐 16或單元18，或者可以是某些部件的組合(例如，多個串14的平均阻抗)。因此，當電池組 件12"在線"(例如，作為主要能力或次要能力使用時)時，可以在單元級，罐級，串級，組件 /系統級，或在這些級的組合的任何一級上監控被監控參數。 例如，關注於電池組件的內部阻抗值這一點，典型情況是阻抗隨電池組件使用壽 命以相對穩定的速度上升。但在異常情況下，阻抗上升速度加快可能表明電池組件內部出 現問題。 作為另一個例子，電池組件的浮充電壓隨著時間的推移可能會降低。但是，即使所 有測量電壓值都在製造商指定的範圍，還有可能出現電池組件的早期故障情況。如果採用 依賴瞬時閾值檢查的傳統電池監控方法，就不會發現電池組件正在發展的問題(即使出現 電池組件問題的提前跡象)。 常規監控方法以對已經過了初期階段的問題進行響應的方式生成告警。例如，對 一個變電站和斷路器/開關應用而言，繼電器或IED終端測量得到的直流(DC)電壓可以用 來估計電池電壓。測得的電壓值傳統上與一個高閾值和一個低閾值進行比較，以分別檢測 過充情況和過放電/少充情況。因此，每當電池電壓瞬時值侵犯了一個閾值，就可能會生成 告警。如果電池電壓位於閾值之間，則認為電池的狀態是正常的。這種方法往往不能識別電 池的問題(直到電池出現故障，無法再繼續充當電源，特別是閥控式鉛酸電池組件(VRLA)， 其中浮充電壓往往保持在製造商規定的限制內，即使是電池組件出現了嚴重問題)。
此外，許多監控任務依靠現場的目視檢查，並以依靠專家解釋的測量值為基礎。現 場目視檢查的費用，由人工解釋產生不一致的結果，以及無法對電池組件未來的故障作預 測，這些可能是大多數傳統的電池監控方法所具備的特徵。 本專利所述的系統和方法使現有技術從瞬間閾值跨越技術進展了一步，代之以對 電池組件12的健康進行預測評估。根據公開的辦法，作為預測評估的一部分，考慮一系列 被監控參數的時間值。這種預測時序評估可以支持持續的預測，或在問題達到故障階段之 前早期發現問題。因此，時序信號處理方法充分利用了被監控參數中嵌入的時序信息，以提 供一個主動並持續應用的電池組件12的監控解決方案。 預測時序評估可在一個分析器24(圖1)中實現，它與監控組件22—起，形成了預 測監控系統10的一部分。儘可能減小預測時序評估的計算複雜性，使分析器24至少有一 部分可以嵌入到與負載20關聯的控制設備(未示出)。例如，分析器24可以嵌入在變電站 的控制設備中，後者包括一個微處理器或微控制器。在另一種實施例中，分析器24可以是 一個獨立的設備，如通用計算機，它具有能執行邏輯指令(如軟體)的處理器和存儲器(例 如，系統存儲器如RAM和/或數據存儲設備，如硬碟或快閃記憶體)。 需要理解，預測時序評估可作為預測時序評估功能26來具體實現。下面詳細描述預測時序評估功能26的更多細節和操作。預測時序評估功能26可作為駐留在分析器24 中並可由分析器24執行的可執行代碼來具體實現。在一種實施例中，預測時序評估功能26 是一個存儲在計算機或機器可讀介質上的程序。預測時序評估功能26可以是一個獨立的 軟體應用程式或形成一個軟體應用的一部分，前述軟體應用執行有關分析器24或嵌入有 分析器24的控制模塊的額外任務。在此處所述的實施例中，預測時序評估功能26以處理 設備執行的可執行代碼形式具體實現。但是，預測時序評估功能26的功能也可以通過專用 硬體(如電路)，固件，或者一些硬體、固件和/或軟體的組合來實現。 在給出的實施例中，被監控(多個)參數的分析是在本地執行的。例如，分析器24 的位置相對接近電池組件12。在變電站應用中，分析器24可以設在變電站現場。在另一實 施例中，(多個)被監控參數可能會傳送到另一位置進行處理，如分析一個或多個組件的電 池信息的中央監控站，後者可能具有不同的地理位置。 電池組件12的預測監控技術，能夠支持電池組件12和IED電源部件的及時維護。 該技術利用在一段時間內在線並不斷監控與電池組件12相關的至少一個參數所獲得的信 息。被監控參數可以定期測量和記錄(如存儲)，以進行分析。在收集統計意義上足夠數量 的數據點之後，可以進行分析以評估電池組件12的健康和狀態。被監控參數的突然變化可 立即被識別和處理。被監控參數的逐漸改變可以通過分析確定，持續走向警示線的傾向可 用於觸發一個及時告警(如警告信號)。用戶可以對告警作出反應，以採取進一步的調查行 動或糾正措施，諸如維護、修理或更換全部或部分電池組件12 。 預測監控技術可利用被監控參數中嵌入的時序信息檢測漸變，但持續的被監控參 數的偏差。另外，可以估計被監控參數隨著時間的推移的向下或向上的運動的程度。電池監 控的這種先進性使得採取主動措施管理電池的維護，並避免意外的事故和故障成為可能。 下面將更明顯，電池狀態分析是基於被監控參數的當前值以及以前的值的。被監控參數可 以定期採樣，並且確定值可以存儲在一個資料庫中，以在收集到預定數量的值之後，對其進 行自動分析。 針對多久獲取一次被監控參數的值可以作出多種設計選擇。例如，依賴電池組件 12作為主電源的情況下，被監控參數可能以較高的採樣頻率(例如大約每5或10分鐘)採 樣。在其他情況下，例如當電池組件12是次要的電源時，被監控參數的採樣頻率可以低些 (例如，大約每半小時或一小時)。 被監控參數可以是直接測量的參數，如電壓、電流或溫度。另外，被監控參數可以 是直接測量值的組合，例如根據測量的電壓和測量的電流導出的阻抗。預測分析可僅針對 一個被監控參數進行，或者針對其他被監控參數重複進行。 再參考圖2，被監控參數的值可能會針對多級、雙面監控概念進行處理。給出的實 施例的監控概念是三級、雙面方法。在圖2和隨後的圖中，被監控參數的值由點代表，並被 稱為值28。示出的兩面方法圖示說明了被監控參數的幅度(例如y軸)隨時間(例如x 軸)的變化。 多級方法的級對應於指示電池狀態的預定邊界。例如，在所說明的實施例中，被監 控參數的正常波動一般都位於上普通操作邊界30a和下普通操作邊界30b之間。上和下普 通操作邊界30嵌在上超常操作邊界32a和下超常操作邊界32b之間。普通操作邊界30和 超常操作邊界32之間的區域對應於電池組件12的半正常操作。超常操作邊界32嵌套在上警示邊界34a及下警示邊界34b之間，上下警示邊界對應於相關電池組件12存在問題的 狀況。預測監控技術量化被監控參數的趨勢，並可在適當的時候警示用戶。下面會更明顯， 電池組件12隨時間的匯總行為用來評估電池組件12的健康和狀態，而不是針對閾值的瞬 間波動來評估電池組件12的健康和狀態。 再來參看圖3，示出了預測電池監控的示例性方法的流程圖。該示例性方法例如可 通過執行預測時序評估功能26的一種實施例來實現。因此，圖3流程圖可以被認為是描繪 分析器24所執行方法的步驟。該方法一般包括基於監控參數值確定一個時間順序("T序 列")，確定對應於T-序列值的告警信號值並應用一組停止規則。 該方法開始於塊36，其中得到被監控參數的預定數量的值。被監控參數可以是一 個或多個的電壓，電流，阻抗或溫度的函數。例如，被監控參數可以是直接測量得到的值或 從一個測量的值推出的值，例如但不局限於，電池系統12中各單元的平均阻抗。預定的數 目由變量"m"表示。從理論上講，m可少至三個值，但收集和分析更多值時，趨勢分析的輸 出可以有更多的實際意義。 再來參考圖4，給出了 13個被監控參數的示例性一系列值28，並進一步標記第一 個(或最早的被監控參數值)為V(1)，一直標記到第十三被監控參數的值V(13)。為舉例 說明，可以假設m已被設置為13。因此，在所示例子中，V(13)可視為V(m)。
被監控的參數值28示出了被監控參數值28的幅度隨時間的波動。為了對電池組 件12的狀態進行時間分析，這些波動可轉化為一系列按時間順序排列的序列值，稱為T-序 列。因此，邏輯流可繼續到塊38，其中確定對應於被監控參數值28的一系列T序列值。T 序列的確定可以被視為被監控參數值28到x軸數據點序列的y軸映射，數據點量化了被監 控參數向選定邊界(如邊界30，32或34)的運動。數據點包括時間分量。總的來說，數據 點的序列是單調遞增，並且可以視為是一種按時間順序排列的"到達次數"序列。到達次數 的相鄰對由"到達次數間隙"分隔。 進一步參考圖5描述塊38，圖5這個示例性流程圖說明了根據被監控參數值28確 定T-序列的方法。T-序列的確定從塊40開始，其中整數值"i"被設置為1。接下來，在塊 42，檢索i值的被監控參數值28，例如從存儲被監控參數值的存儲器中讀值V(i)。另外，邏 輯流也可以以對被監控參數進行採樣的形式完成。 在塊44，確定被監控參數值V(i)與預定閾值的接近程度。預定閾值可以是，例如 對應邊界30a、30b、32a、32b、34a或34b之一的閾值。需要理解，確定相對於與下邊界(例 如30b、32b或34b)相對應的閾值的接近程度，隱含著也表明了與相關上邊界(例如分別為 30a、32a或34a)的接近程度，反之亦然。閾值可以有一個量度值，該值與感興趣的邊界值相 同，以及又一個量度值，該值是感興趣的邊界值的函數，或其他一些值。
在所示例子中，確定被監控參數值V(i)相對於與下告警邊界34b相對應的閾值的 接近程度。接近程度可以是值V(i)和閾值量度之間的數值差，這由標識為"Th"的線來表 示。接近程度可以數值化表達為一個接近值d(i)。在圖4所示的例子中，接近值由分別標 記為d(l)到d(13)的箭頭表示。在這個例子中，根據前述技術得到的T-序列和告警信號 值，將表明被監控參數向下警示邊界34b或上警示邊界34a移動的趨勢。
接著，在決46，可以確定對應於當前接近值d(i)的一個T-序列值T(i)。該T-序 列值T(i)可以通過增量方法，如在目前接近值d(i)上加上以前的接近值(例如d(i-l))確定。如果i等於l，有可能沒有以前的接近值。在這種情況下，T-序列的值是當前接近值 d(i)。在圖4中，T-序列值為沿水平軸定位的菱形。按照所給出的例子，圖4中T-序列值 標為T(l)到T(13)。 在完成當前i值的塊46之後，邏輯流前進到塊48，其中確定m樣本窗口中最後被 監控的參數值是否已被轉換為T-序列值。例如，如果i小於m，可在塊48作一個否定確定。 如果塊48作了一個否定確定，邏輯流前進到塊50，其中i值增量l。塊50之後，邏輯流可 以返回塊42，以計算下一個T序列值。 如果塊48作了一個肯定確定，邏輯流前進到塊52，其中通過偏移確定的T-序列 值，使得第一 T-序列值T (1)等於零，並且T序列值之間的相對間距保持不變，從而最終確 定T-序列。例如，可從每個T-序列值T(l)到T(m)減去第一T-序列值T(l)。以這種方式 偏移T-序列便於確定告警信號，下面予以詳細說明。 需要理解，T-序列提供了時間的概念以及被監控值與感興趣的上或下邊界有多接 近的概念。例如，如果一個T-序列值為1，而下一T序列值為5，值之間的差距為4。如果下 一 T序列值為7，與前兩個值的差距為2。相鄰的T序列值對之間差距的減少表明，被監控 值是向下邊界移動。相鄰的T序列值對之間差距的增加則表明，被監控值是向上邊界移動。 如果確定被監控參數值28相對於上限值而不是下限值的接近性，則情況相反。
現在回到圖3的邏輯流程，一旦塊38確定T-序列，邏輯流前進到塊54，其中確定 對應於T-序列值的告警信號值。告警信號值標記為AV(i)。告警序列值定量評估了被監控 參數向上或向下傾向的存在，並提供了一個基礎，以決定是否生成一個告警，警告運營商電 池組件12的問題開始發作。 告警信號可以由告警信號值AV(i)組成，後者通過在觀察窗口 (O，T(m))內以時間 順序對T-序列值(m次到達次數)應用拉普拉斯測試統計(LTS)來生成。為m個T序列值 的集合的LTS可以由方程1來表示。
TY 、
^__，) 丄j^ = ot-12 方超 1
x」-^-
^120-1) 根據齊次泊松過程(HPP)的皿11假設，對T序列應用LTS的結果將趨於正態分布。 大的正或負數值將在選定的置信水平上拒絕無趨勢的null假設，其中±1. 96對應百分之 九十五的兩面置信水平。但不同於LTS通常應用的可靠性研究，通過對單向增長的T序列 值窗口應用LTS，將LTS用於時間分析。由此產生的LTS值是按照公式2的告警值AV(i)。
AV (i) = LTS | T—，ence(1,...," 方程2 告警值往往會根據T序列值之間的間隔，在正和負值之間波動。為了進行一致性 預測，並應用一致性告警閾值，告警值AV(i)(有時稱為為AV》可以被歸一化，使歸一化的 告警值，稱為AS(AV》，有一個在範圍-1 (負1)至+1 (正1)之間的值。告警信號值可以通 過方程3的數值版本歸一化。
iy《丄 ^S04K) = 1 —、 一 f e了&其中-1《AS(AV》《+1 Eq. 3
8
再參看圖6，給出了基於時間序列值到達次數的多級告警功能的示例性圖形表示。 在圖6中，y軸代表了歸一化告警值的嚴重程度而x軸代表了從1到觀察窗結束的樣本數 目，圖6的例子中這是120個樣本。 可能的歸一化告警值範圍可分為多個區域。在示出的實施例中，有三個區，包括中 立區、警示區和告警區。警示區和告警區每個都有上部和下部，分別表明被監控參數趨勢向 上和被監控參數趨勢向下。也可以使用不到3個區或超過3個區。 歸一化告警值區域的建立可能有助於對告警信號應用前面針對圖2介紹過的多 級監控概念。例如，當歸一化告警值在給出的例子的中立區，則表明正常運行狀況。當歸一 化告警值持續位於上警示區，則表明被監控參數在向上方向上趨向於故障。當歸一化告警 值持續位於下警示區，則表明被監控參數在向下方向上趨向於故障。同樣，當歸一化告警值 持續位於下告警區或上告警區，則表明電池組件故障或即將故障。 在塊54中產生告警信號之後，並且如果合適，產生歸一化告警信號之後，邏輯流 前進到塊56。在塊56，停止規則可以應用於告警信號或歸一化告警信號之一，或兩個。舉 例來說，本申請所描述的停止規則只適用於歸一化告警信號。但是，可以修改應用於告警信 號的停止規則。 停止規則是一組條件，當滿足時，表明被監控參數有足夠的上升或下降趨勢，以通 知用戶注意電池組件12可能是適當的。可以設立多個上下閾值(也稱為限制)，從而針對 被監控參數趨勢的嚴重程度的各種相應的狀況或高低產生告警。因此， 一些告警可能被認 為比其他告警嚴重。例如，有些告警可能是警示性警報，而另一些可能是更迫切的警告。告 警可以採取任何適當的形式，如消息，信號，或一些其他機制，以傳遞信息到本地設備、遠程 設備(例如，位置與預測監控系統的實際位置不同的中央監控站)和/或個人。告警可能 會導致工作站(例如，一臺計算機和相關的顯示器)、指標面板等的聽覺和/或視覺輸出。
再參看圖7A、7B及7C，告警信號或歸一化告警信號提供了一種定量機制，針對這 種定量機制可制定停止規則。圖7A、7B及7C是被監控(多個)參數的示例性趨勢圖。例 如，在圖7A中，被監控參數呈現出趨向下超常操作邊界32b(或者下警示邊界34b)的向下 傾向。針對這一趨勢，與相應T序列相關的到達次數間隔(例如T序列值之間的距離)，往 往會變得更小。這對應於歸一化告警信號向負l運動。在圖7B中，被監控參數呈現出趨向 上超常操作邊界32a(或者上警示邊界34a)的向上傾向。針對這一趨勢，與相應T序列相 關的到達次數間隔往往會變得更大。這對應於歸一化告警信號向正l運動。在圖7C中，沒 有特定傾向(例如，歸一化告警信號值保持在中立區)，由此產生的歸一化告警信號將傾向 於保持在中立區(例如，圖6中示出了一個示例性中立區)。 根據告警信號的可能行為，可以構建停止規則，以集中在至少一個下限(簡稱 TlOT)和至少一個上限(稱為Thi)。人們會認識到，可以設立多個下限和多個上限，以便針 對歸一化告警信號相對於多個閾值運動產生告警。適當地構建停止規則，可以使告警以預 測的方式確定。例如，可適當設立限制，使被監控值穿越相應的邊界(例如，邊界40、42或 44)之前，歸一化告警信號會越過該限制。例如，在只有一個下限和一個上限的實施例中， 可以構建兩個基本規則。第一規則可以是，如果AS(AVi)小於或等於T^，則告警信號觸碰 了下閾值。如果需要，可以生成指出到達了相應的下邊界的告警。第二條規則可以是，如果 AS(AV》大於或等於Thi，則告警信號觸碰了上閾值。如果需要，可以生成指出到達了相應的上邊界的告警。 或許有第一或第二個規則得到滿足，但電池沒有出現早期故障的情況。例如，被監 控參數可能趨向邊界(例如，邊界42或邊界44)，並回到中立的操作。在其他情況下，與電 池組件12無關的情況可能導致規則之一得到滿足。鑑於這些可能性，預測監控系統10可 以基於用戶的喜好配置，在產生誤報的可能性和產生真正告警，使比否則所期望的更晚地 進入早期故障，的可能性之間權衡。 在一種實施例中，可以根據用戶對誤報的寬容性和所需的警報及時性選擇Thi和 U勺值。隨著Thi和T^絕對值的增加，誤報的概率可能會減少。隨著Thi和T^絕對值的 增加，為早期故障生成告警的時間可能更長(如對比Thi和TlOT被設定為較低值的情況，電 池組件12可能更晚地步入早期故障)。因此，可基於經驗、用戶偏好、電池組件12的技術數 據、使用電池組件12的相對重要性、用以進行測量的導體所造成損耗等，為每個電池組件 12監控應用設定1和1\ 值。Thi的示例性默認值可以是約0.90，但也可以用其他值(例 如，約0. 80，約0. 85，或者約0. 95)。同樣，Tlow的示例性默認值可以是約負0. 90，但也可以 用其他值(例如，約負0. 80，約負0. 85，或者約負0. 95) 。 Thi和TlOT可以有相同或不同的絕 對值。 在另一實施例中，停止規則可以被修改，以在連續出現多起對基本停止規則的侵 犯之後，生成告警。這可能會減輕噪音和異常值的影響，從而減少誤報的可能性。
根據修改後的停止規則，每次告警信號AS(AVi)小於或等於T^時，記錄"低"侵 犯。同樣，每次告警信號AS(AVi)大於或等於Thi時，記錄"高"侵犯。單獨統計連續低侵犯 和連續高侵犯，分別趨向允許連續低侵犯的最大數目(NOPCV1(J和允許連續高侵犯的最大 數目(NOPCVhi)。如果NOPCV^大於或等於一個預定閾值(N^)，那麼生成到達相應下邊界 的告警。同樣，如果NOPCVhi大於或等於一個預定閾值(NJ，那麼生成到達相應上邊界的告 警。閾值N^和Nhi可表示為樣本數量，可以具有相同或不同的值。在一種實施例中，閾值 NlOT和Nhi之一，或兩者都可以是大約3個樣本、5個樣本、8個樣本、10個樣本或其他數量的 樣本。 在一種實施例中，可以應用多個基本停止規則和/或修改後的停止規則。例如可 針對多個限值(TlOT和/或Thi)和/或多個閾值(NlOT和/或Nhi)應用歸一化告警信號。通 過這種方式，可以基於電池組件12行為的各種組合，生成多個告警。 繼續參看圖3，在塊56應用停止規則之後，邏輯流前進到塊58，其中對停止規則和 /或修改後的停止規則是否導致了警報的生成進行確定。如果塊58作出了否定確定，邏輯 流前進到塊60，其中預定數量的被監控參數值m加1。塊60之後，邏輯例程返回到塊36。 利用m的增量值，可重複電池組件12的監控技術。在重複時，可以獲取以前確定的被監控 參數值、T-序列、告警信號和/或歸一化告警信號加以重用。通過這種方式，觀察窗可擴展 一個樣本，並且前面樣本可以被重用。在另一實施例中，不使用最早的樣本，這樣，觀察窗大 小仍然與該技術的前一迭代相同，但觀察窗每個迭代向前移動。在另一種實施例中，不重用 以前樣本，在過了對應於m樣本的一段時間後，構建一個全新的觀察窗。
如果塊58作出肯定認定，邏輯流前進到塊62。在塊62，確定相應告警，該告警對 應於導致肯定確定的停止規則或修改後的停止規則的破壞。正如所指出的，告警可採取任 何適當的形式，如消息、信號或將信息傳遞到本地設備、遠端設備和/或個人的其他任何機制。在一種實施例中，邏輯流程最後終止於塊62。在對電池組件12進行檢查和/或採取糾 正措施後，監控技術可以被重置和/或重啟。在另一實施例中，塊62之後，邏輯流前進到塊 60，繼續對電池組件12進行監控。 需要認識到，邏輯例程可以部分重複，以基於那些針對另一閾值(例如，邊界30、 32或34)確定的接近值，得出額外的T序列。可以產生額外的告警信號和歸一化告警信號， 可以將其與停止規則或修改的停止規則比較。此外，邏輯例程可以針對不同的被監控參數
單獨執行。 再來參看圖8A到12C，下面給出電池組件12監控技術的操作例子。這些例子是將 技術應用於各種輸入信號的計算機模擬，其中輸入信號代表了隨時間變化的被監控參數。 下面示例中，輸入信號是歸一化信號，可以代表電壓、電流、阻抗或電池組件12溫度中的一 個或多個的函數，因為預測監控技術獨立於被監控的電池參數。對於這些例子，假定輸入信 號在指定的範圍內變化，前述範圍在圖中由虛線/點線表示。 圖8A、8B和8C對應於第一個例子，其中輸入信號(圖8A中示出)在上限和下限 之間隨機波動。在這個例子中，沒有去往任何邊界的單調趨勢。圖8B說明了對應於圖8A 輸入信號的T-序列。圖8C說明了從圖8B T序列得出的一個歸一化告警信號。歸一化告 警信號沒有傳遞具體的傾向，並且通常在一個中立區中(例如，約-0.5到約0.5範圍)變 化。在這個例子中，針對輸入信號的行為，沒有告警產生。 圖9A、9B及9C對應於第二個例子，其中輸入信號(圖9A中示出)逐步接近下邊 界。因此，在這個例子中，有一個趨向下邊界的單調走勢。圖9B說明了對應於該輸入信號 的T-序列，並顯示了到達次數向著觀察窗結束越來越多。歸一化告警信號，如圖9C所示， 給出了向下限傾斜的量化視圖。如果告警閾值T^設定為約-0. 95，當歸一化告警信號穿過 該閾值時，可以產生告警，作為電池組件12存在問題(圖9C中表明發生在樣本47處)的 預測指示。 圖10A、10B及IOC對應於第三個例子，其中輸入信號(圖10A中示出)逐步接近 上邊界。因此，在這個例子中，有一個趨向上邊界的單調走勢。在將罐、串或者電池組件的 更大集合用作被監控參數時，這種行為可能是典型的故障模式。圖IOB說明了對應於該輸 入信號的T-序列，並顯示了到達次數向著觀察窗結束越來越少，從而表明輸入信號與下邊 界不斷偏離。歸一化告警信號，如圖10C所示，給出了向上限傾斜的量化視圖。如果告警閾 值Thi設定為約0. 95，當歸一化告警信號穿過該閾值時，可以產生告警，作為電池組件12存 在問題(圖10C中表明發生在樣本41處)的預測指示。 圖11A、11B及11C對應於第四個例子，其中輸入信號(圖11A中示出)包括了上向 傾斜和之後的下向傾斜。這可以認為是輸入信號的綜合行為。在這個例子中，前面20個輸 入信號樣本中有上向趨勢，之後趨勢向下。T-序列(圖11B)和歸一化告警信號(圖11C) 有最初的向上趨勢。之後，隨著輸入信號遠離上限，歸一化告警信號返回到中立區。可以適 當設置修改的停止規則，允許這種行為而不產生告警(例如約20或25樣本的Nhi)。
圖12A、12B及12C對應於第五個例子，其中輸入信號(圖12A中示出)包括了上 向傾斜和之後的下向傾斜。與第四個例子相似，所示行為可以認為是輸入信號的綜合行為。 此外，第五個例子給出了一個退化情況，其中只要與下限或上限接近度在統計意義上保持 無關緊要，則沒有充分的告警條件。在這個例子中，前面73個樣本有上向趨勢，之後趨勢向下。T-序列(圖12B)和歸一化告警信號(圖12C)有最初的向上趨勢。之後，歸一化告警 信號趨向下限，取決於修改的停止規則，這可能會觸發告警。 公開了一種時序信號處理方法及系統，用於對電池或IED電源組件的狀態進行連 續監控，檢測出本來是不引人注目的早期問題。該方法可適於任何可用的參數，如電壓、電 流、阻抗或溫度中一個或多個的函數。這降低了對專門的測試和數據採集設備的依賴。在 該系統和方法下，即將發生的故障可以在初期階段被檢測出來，從而能夠進行"及時"維護。 此外，在分析中利用被監控參數的過去和現在的行為，從而可以減輕異常值和測量噪聲的 影響。此外，利用被監控參數過去和現在的值，可以用一貫適用的方式，通過基於計算機或 機器的實現，發現逐步和增量的偏差。簡化了用戶定製警示級別，因為可以針對包含在已知 範圍內(例如，-l到+l)的歸一化告警信號設置告警級別。此外，監控可以以降低計算復 雜性的迭代方式工作。此外，該系統可以嵌入到一個獨立的電池監控裝置或可能出現在電 池的設備中，如變電站應用中的斷路器控制設備中。 儘管圖示並描述了特定實施例，但需要理解，對本領域技術人員而言，在閱讀和理 解了說明書之後，能夠想到的等價物和改進都在後附權利要求書範圍內。
權利要求
一種監控電池組件的方法，包括監控與電池組件相關聯的參數，以獲取多個被監控參數樣本；根據被監控參數樣本，生成單調增加值的時序序列；以及分析該時序序列，獲知被監控參數趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預測電池組件的故障情況。
2. 根據權利要求l的方法，其中該分析包括根據時序序列得出告警信號，該告警信號 有基於對時序序列值應用拉普拉斯測試統計得到的一系列值。
3. 根據權利要求2的方法，其中該分析還包括比較告警信號和高閾值和低閾值中的至少一個。
4. 根據權利要求3的方法，還包括如果告警信號侵犯高閾值或低閾值，達到預定數量的告警信號值，則生成告警。
5. 根據權利要求2的方法，其中該分析還包括歸一化告警信號。
6. 根據權利要求5的方法，其中該分析還包括比較歸一化告警信號和高閾值和低閾值 中的至少一個。
7. 根據權利要求6的方法，還包括如果歸一化告警信號侵犯高閾值或低閾值，達到預 定數量的告警信號值，則生成告警。
8. 根據權利要求6的方法，還包括如果歸一化告警信號侵犯高閾值或低閾值，則生成告塾
9. 根據權利要求1的方法，其中該電池組件包括鉛酸電池。
10. 根據權利要求1的方法，其中該電池組件在使用過程中被監控。
11. 根據權利要求10的方法，其中該電池組件是負載的主電源。
12. 根據權利要求1的方法，其中該電池組件用於電力傳輸和配送變電站。
13. 根據權利要求l的方法，其中被監控參數是電壓、電流、阻抗或溫度中至少一個的 函數。
14. 一種電池組件的預測監控組件，包括分析器，該分析器根據一系列被監控參數的樣 本，生成單調增加值的時序序列，被監控參數樣本通過監控與電池組件相關聯的參數獲得， 並且該分析器分析該時序序列，獲知被監控參數趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢 的指示，以預測電池組件的故障情況。
15. 根據權利要求14的預測監控組件，其中該分析器根據時序序列得出告警信號，該 告警信號有基於對時序序列值應用拉普拉斯測試統計得到的一系列值。
16. 根據權利要求15的預測監控組件，其中如果告警信號表示侵犯高閾值或低閾值， 達到預定數量的告警信號值，則該分析器生成告警。
17. 根據權利要求14的預測監控組件，還包括監控組件，用以測量與該電池組件相關 的參數。
18. 根據權利要求14的預測監控組件，其中該電池組件包括鉛酸電池。
19. 根據權利要求14的預測監控組件，其中該電池組件在使用過程中被監控。
20. 根據權利要求19的預測監控組件，其中該電池組件是負載的備用電源。
21. 根據權利要求14的預測監控組件，其中該電池組件用於電力傳輸和配送變電站。
22. 根據權利要求14的預測監控組件，其中被監控參數是電壓、電流、阻抗或溫度中至 少一個的函數。
全文摘要
一種監控電池組件的技術，包括監控與電池組件相關聯的參數，以獲取多個被監控參數樣本。根據被監控參數樣本，生成單調增加值的時序序列。分析該時序序列，獲知被監控參數趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預測電池組件的故障情況。
文檔編號G05B23/00GK101720453SQ200880023199
公開日2010年6月2日 申請日期2008年7月2日 優先權日2007年7月5日
發明者D·巴尤米, J·J·瑪戈萬, M·瑪哈希, M·穆薩維 申請人:Abb研究有限公司