專利名稱：利用時序信號處理進行電池組件預(yù)測維護的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的技術(shù)一般涉及電池組件的監(jiān)控和持續(xù)性能評估，更具體地說，涉及
到基于被監(jiān)控參數(shù)的時序處理，對電池組件進行預(yù)測維護的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
變電站作為電力傳輸和配送系統(tǒng)的一部分，通常用于開關(guān)電源電路和將電力從一個伏特數(shù)轉(zhuǎn)變到另一個伏特數(shù)。變電站可能包括開關(guān)、斷路器、母線和變壓器等各種設(shè)備。變電站可能包括一個或多個電池系統(tǒng)，以在電力系統(tǒng)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(jiān)控和指示設(shè)備。如果電池不工作，并不準(zhǔn)備在這些情況下提供可靠的電力，那么保護、控制、監(jiān)控和切換功能將無法實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
據(jù)上所述，本領(lǐng)域中需要在電池組件使用過程中監(jiān)控電池組件，以評估電池組件的健康和可用性。 根據(jù)本公開的一個方面，一種監(jiān)控電池組件的方法，包括監(jiān)控與電池組件相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，以獲取被監(jiān)控參數(shù)的多個樣本；根據(jù)被監(jiān)控參數(shù)樣本，生成單調(diào)增加值的時序序列；分析該時序序列，獲知被監(jiān)控參數(shù)趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預(yù)測電池組件的故障情況。 根據(jù)本公開的另一方面，一種電池組件的預(yù)測監(jiān)控組件，包括分析器，根據(jù)一系列被監(jiān)控參數(shù)的樣本，生成單調(diào)增加值的時序序列，被監(jiān)控參數(shù)的樣本通過監(jiān)控與電池組件相關(guān)聯(lián)的參數(shù)獲得；分析該時序序列，獲知被監(jiān)控參數(shù)趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預(yù)測電池組件的故障情況。 結(jié)合后續(xù)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(fā)明的特定實施例，以說明可以應(yīng)用本發(fā)明原理的一些方式，但需要理解，本發(fā)明并不相應(yīng)局限于這些實施例。然而，本發(fā)明還涵蓋在后附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有變化、改進和等價物。 針對一個實施例描述和/或說明的特征，可以以同樣或者類似方法應(yīng)用于一個或多個其他實施例，并且可以/或者與其他實施例特征組合使用，或者替換其他實施例特征。


圖1是包括電池組件的預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)的示例性電池系統(tǒng)的示意方框圖。
圖2是電池組件多級多邊監(jiān)控方法的示例性圖形化表示。 圖3是預(yù)測電池監(jiān)控和維護的示例性方法的流程圖。 圖4是被監(jiān)控值到時序序列映射的示例性圖形化表示。 圖5是根據(jù)被監(jiān)控電池情況確定時序序列值的示例性方法的流程圖。
圖6是基于時序序列值到達次數(shù)的多級告警功能的示例性圖形化表示。 圖7A、7B和7C是對應(yīng)于不同電池情況的被監(jiān)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(fā)明各個實施例，所有附圖中相同參考標(biāo)號指示了相同元件。需要理解圖不一定按比例繪制。 先參看圖1，示出了被監(jiān)控電池組件12的示例性預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)10。該系統(tǒng)10，以及相關(guān)的方法，在電池組件12出現(xiàn)故障之前，可識別出電池組件12即將出現(xiàn)的問題。在一種示例性應(yīng)用中，系統(tǒng)10和方法可作為正在工作中的變電站電池及智能電子設(shè)備(IED)電源供應(yīng)部件的預(yù)測維護計劃的基礎(chǔ)，前述變電站電池和智能電子設(shè)備電源供應(yīng)部件的健康狀況通過一種連續(xù)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(shè)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(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備或其他電子設(shè)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)，后者有三個單元18。需要理解，這個電池組件12布局是示例性的，電池系統(tǒng)12的其他布局是可能的。被監(jiān)控電池組件12可以是一個完整的電池系統(tǒng)或電池系統(tǒng)的一部分，如該電池系統(tǒng)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(tǒng)10和相關(guān)的方法可以適用于鉛酸電池之外的其他電池組件，例如但不局限于鎳鎘電池、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(yīng)不可用時，才予以應(yīng)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(tǒng)的一個或多個部件，這些部件用于開關(guān)或中斷電源電路、進行控制、保護和監(jiān)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(tài)或故障指示設(shè)備、IED的任何類別(例如，基于微處理器的設(shè)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(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)10可以包括監(jiān)控組件22，其包括一個或多個監(jiān)控設(shè)備，如用于進行 代表所需被監(jiān)控參數(shù)或多個參數(shù)的測量的適當(dāng)傳感器。對電池組件12的健康和狀態(tài)進行 的監(jiān)控可能包括用監(jiān)控組件22監(jiān)控一個或多個參數(shù)。例如，監(jiān)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(nèi)部阻抗可通過測量電壓 和電流，并計算阻抗值來監(jiān)控。如上所述，受監(jiān)控的電池組件12可以是整個電池系統(tǒng)或IED 電源組件。在另一種實施例中，被監(jiān)控電池組件12可以是被單獨監(jiān)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(dāng)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(tǒng)級，或在這些級的組合的任何一級上監(jiān)控被監(jiān)控參數(shù)。 例如，關(guān)注于電池組件的內(nèi)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(wěn)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(nèi)部出 現(xiàn)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 有測量電壓值都在制造商指定的范圍，還有可能出現(xiàn)電池組件的早期故障情況。如果采用 依賴瞬時閾值檢查的傳統(tǒng)電池監(jiān)控方法，就不會發(fā)現(xiàn)電池組件正在發(fā)展的問題(即使出現(xiàn) 電池組件問題的提前跡象)。 常規(guī)監(jiān)控方法以對已經(jīng)過了初期階段的問題進行響應(yīng)的方式生成告警。例如，對 一個變電站和斷路器/開關(guān)應(yīng)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(tǒng)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(dāng)電池電壓瞬時值侵犯了一個閾值，就可能會生成 告警。如果電池電壓位于閾值之間，則認為電池的狀態(tài)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(xiàn)故障，無法再繼續(xù)充當(dāng)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制造商規(guī)定的限制內(nèi)，即使是電池組件出現(xiàn)了嚴(yán)重問題)。
此外，許多監(jiān)控任務(wù)依靠現(xiàn)場的目視檢查，并以依靠專家解釋的測量值為基礎(chǔ)?，F(xiàn) 場目視檢查的費用，由人工解釋產(chǎn)生不一致的結(jié)果，以及無法對電池組件未來的故障作預(yù) 測，這些可能是大多數(shù)傳統(tǒng)的電池監(jiān)控方法所具備的特征。 本專利所述的系統(tǒng)和方法使現(xiàn)有技術(shù)從瞬間閾值跨越技術(shù)進展了一步，代之以對 電池組件12的健康進行預(yù)測評估。根據(jù)公開的辦法，作為預(yù)測評估的一部分，考慮一系列 被監(jiān)控參數(shù)的時間值。這種預(yù)測時序評估可以支持持續(xù)的預(yù)測，或在問題達到故障階段之 前早期發(fā)現(xiàn)問題。因此，時序信號處理方法充分利用了被監(jiān)控參數(shù)中嵌入的時序信息，以提 供一個主動并持續(xù)應(yīng)用的電池組件12的監(jiān)控解決方案。 預(yù)測時序評估可在一個分析器24(圖1)中實現(xiàn)，它與監(jiān)控組件22—起，形成了預(yù) 測監(jiān)控系統(tǒng)10的一部分。盡可能減小預(yù)測時序評估的計算復(fù)雜性，使分析器24至少有一 部分可以嵌入到與負載20關(guān)聯(lián)的控制設(shè)備(未示出)。例如，分析器24可以嵌入在變電站 的控制設(shè)備中，后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(shè)備，如通用計算機，它具有能執(zhí)行邏輯指令(如軟件)的處理器和存儲器(例 如，系統(tǒng)存儲器如RAM和/或數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，如硬盤或閃存)。 需要理解，預(yù)測時序評估可作為預(yù)測時序評估功能26來具體實現(xiàn)。下面詳細描述預(yù)測時序評估功能26的更多細節(jié)和操作。預(yù)測時序評估功能26可作為駐留在分析器24 中并可由分析器24執(zhí)行的可執(zhí)行代碼來具體實現(xiàn)。在一種實施例中，預(yù)測時序評估功能26 是一個存儲在計算機或機器可讀介質(zhì)上的程序。預(yù)測時序評估功能26可以是一個獨立的 軟件應(yīng)用程序或形成一個軟件應(yīng)用的一部分，前述軟件應(yīng)用執(zhí)行有關(guān)分析器24或嵌入有 分析器24的控制模塊的額外任務(wù)。在此處所述的實施例中，預(yù)測時序評估功能26以處理 設(shè)備執(zhí)行的可執(zhí)行代碼形式具體實現(xiàn)。但是，預(yù)測時序評估功能26的功能也可以通過專用 硬件(如電路)，固件，或者一些硬件、固件和/或軟件的組合來實現(xiàn)。 在給出的實施例中，被監(jiān)控(多個)參數(shù)的分析是在本地執(zhí)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(yīng)用中，分析器24可以設(shè)在變電站現(xiàn)場。在另一實 施例中，(多個)被監(jiān)控參數(shù)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(jiān)控站，后者可能具有不同的地理位置。 電池組件12的預(yù)測監(jiān)控技術(shù)，能夠支持電池組件12和IED電源部件的及時維護。 該技術(shù)利用在一段時間內(nèi)在線并不斷監(jiān)控與電池組件12相關(guān)的至少一個參數(shù)所獲得的信 息。被監(jiān)控參數(shù)可以定期測量和記錄(如存儲)，以進行分析。在收集統(tǒng)計意義上足夠數(shù)量 的數(shù)據(jù)點之后，可以進行分析以評估電池組件12的健康和狀態(tài)。被監(jiān)控參數(shù)的突然變化可 立即被識別和處理。被監(jiān)控參數(shù)的逐漸改變可以通過分析確定，持續(xù)走向警示線的傾向可 用于觸發(fā)一個及時告警(如警告信號)。用戶可以對告警作出反應(yīng)，以采取進一步的調(diào)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(yù)測監(jiān)控技術(shù)可利用被監(jiān)控參數(shù)中嵌入的時序信息檢測漸變，但持續(xù)的被監(jiān)控參 數(shù)的偏差。另外，可以估計被監(jiān)控參數(shù)隨著時間的推移的向下或向上的運動的程度。電池監(jiān) 控的這種先進性使得采取主動措施管理電池的維護，并避免意外的事故和故障成為可能。 下面將更明顯，電池狀態(tài)分析是基于被監(jiān)控參數(shù)的當(dāng)前值以及以前的值的。被監(jiān)控參數(shù)可 以定期采樣，并且確定值可以存儲在一個數(shù)據(jù)庫中，以在收集到預(yù)定數(shù)量的值之后，對其進 行自動分析。 針對多久獲取一次被監(jiān)控參數(shù)的值可以作出多種設(shè)計選擇。例如，依賴電池組件 12作為主電源的情況下，被監(jiān)控參數(shù)可能以較高的采樣頻率(例如大約每5或10分鐘)采 樣。在其他情況下，例如當(dāng)電池組件12是次要的電源時，被監(jiān)控參數(shù)的采樣頻率可以低些 (例如，大約每半小時或一小時)。 被監(jiān)控參數(shù)可以是直接測量的參數(shù)，如電壓、電流或溫度。另外，被監(jiān)控參數(shù)可以 是直接測量值的組合，例如根據(jù)測量的電壓和測量的電流導(dǎo)出的阻抗。預(yù)測分析可僅針對 一個被監(jiān)控參數(shù)進行，或者針對其他被監(jiān)控參數(shù)重復(fù)進行。 再參考圖2，被監(jiān)控參數(shù)的值可能會針對多級、雙面監(jiān)控概念進行處理。給出的實 施例的監(jiān)控概念是三級、雙面方法。在圖2和隨后的圖中，被監(jiān)控參數(shù)的值由點代表，并被 稱為值28。示出的兩面方法圖示說明了被監(jiān)控參數(shù)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(yīng)于指示電池狀態(tài)的預(yù)定邊界。例如，在所說明的實施例中，被監(jiān) 控參數(shù)的正常波動一般都位于上普通操作邊界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(qū)域?qū)?yīng)于電池組件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(yīng)于相關(guān)電池組件12存在問題的 狀況。預(yù)測監(jiān)控技術(shù)量化被監(jiān)控參數(shù)的趨勢，并可在適當(dāng)?shù)臅r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(tài)，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(tài)。 再來參看圖3，示出了預(yù)測電池監(jiān)控的示例性方法的流程圖。該示例性方法例如可 通過執(zhí)行預(yù)測時序評估功能26的一種實施例來實現(xiàn)。因此，圖3流程圖可以被認為是描繪 分析器24所執(zhí)行方法的步驟。該方法一般包括基于監(jiān)控參數(shù)值確定一個時間順序("T序 列")，確定對應(yīng)于T-序列值的告警信號值并應(yīng)用一組停止規(guī)則。 該方法開始于塊36，其中得到被監(jiān)控參數(shù)的預(yù)定數(shù)量的值。被監(jiān)控參數(shù)可以是一 個或多個的電壓，電流，阻抗或溫度的函數(shù)。例如，被監(jiān)控參數(shù)可以是直接測量得到的值或 從一個測量的值推出的值，例如但不局限于，電池系統(tǒng)12中各單元的平均阻抗。預(yù)定的數(shù) 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(jiān)控參數(shù)的示例性一系列值28，并進一步標(biāo)記第一 個(或最早的被監(jiān)控參數(shù)值)為V(1)，一直標(biāo)記到第十三被監(jiān)控參數(shù)的值V(13)。為舉例 說明，可以假設(shè)m已被設(shè)置為13。因此，在所示例子中，V(13)可視為V(m)。
被監(jiān)控的參數(shù)值28示出了被監(jiān)控參數(shù)值28的幅度隨時間的波動。為了對電池組 件12的狀態(tài)進行時間分析，這些波動可轉(zhuǎn)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(xù)到塊38，其中確定對應(yīng)于被監(jiān)控參數(shù)值28的一系列T序列值。T 序列的確定可以被視為被監(jiān)控參數(shù)值28到x軸數(shù)據(jù)點序列的y軸映射，數(shù)據(jù)點量化了被監(jiān) 控參數(shù)向選定邊界(如邊界30，32或34)的運動。數(shù)據(jù)點包括時間分量?？偟膩碚f，數(shù)據(jù) 點的序列是單調(diào)遞增，并且可以視為是一種按時間順序排列的"到達次數(shù)"序列。到達次數(shù) 的相鄰對由"到達次數(shù)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(jù)被監(jiān)控參數(shù)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(shù)值"i"被設(shè)置為1。接下來，在塊 42，檢索i值的被監(jiān)控參數(shù)值28，例如從存儲被監(jiān)控參數(shù)值的存儲器中讀值V(i)。另外，邏 輯流也可以以對被監(jiān)控參數(shù)進行采樣的形式完成。 在塊44，確定被監(jiān)控參數(shù)值V(i)與預(yù)定閾值的接近程度。預(yù)定閾值可以是，例如 對應(yīng)邊界30a、30b、32a、32b、34a或34b之一的閾值。需要理解，確定相對于與下邊界(例 如30b、32b或34b)相對應(yīng)的閾值的接近程度，隱含著也表明了與相關(guān)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(shù)，或其他一些值。
在所示例子中，確定被監(jiān)控參數(shù)值V(i)相對于與下告警邊界34b相對應(yīng)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(shù)值差，這由標(biāo)識為"Th"的線來表 示。接近程度可以數(shù)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(biāo) 記為d(l)到d(13)的箭頭表示。在這個例子中，根據(jù)前述技術(shù)得到的T-序列和告警信號 值，將表明被監(jiān)控參數(shù)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(yīng)于當(dāng)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等于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(dāng)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(biāo)為T(l)到T(13)。 在完成當(dāng)前i值的塊46之后，邏輯流前進到塊48，其中確定m樣本窗口中最后被 監(jiān)控的參數(shù)值是否已被轉(zhuǎn)換為T-序列值。例如，如果i小于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之后，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)等于零，并且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-序列便于確定告警信號，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(jiān)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(jiān)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(jiān)控值是向上邊界移動。 如果確定被監(jiān)控參數(shù)值28相對于上限值而不是下限值的接近性，則情況相反。
現(xiàn)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(yīng)于T-序列值的告警信號值。告警信號值標(biāo)記為AV(i)。告警序列值定量評估了被監(jiān)控 參數(shù)向上或向下傾向的存在，并提供了一個基礎(chǔ)，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(fā)作。 告警信號可以由告警信號值A(chǔ)V(i)組成，后者通過在觀察窗口 (O，T(m))內(nèi)以時間 順序?qū)-序列值(m次到達次數(shù))應(yīng)用拉普拉斯測試統(tǒng)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(jù)齊次泊松過程(HPP)的皿11假設(shè)，對T序列應(yīng)用LTS的結(jié)果將趨于正態(tài)分布。 大的正或負數(shù)值將在選定的置信水平上拒絕無趨勢的null假設(shè)，其中±1. 96對應(yīng)百分之 九十五的兩面置信水平。但不同于LTS通常應(yīng)用的可靠性研究，通過對單向增長的T序列 值窗口應(yīng)用LTS，將LTS用于時間分析。由此產(chǎn)生的LTS值是按照公式2的告警值A(chǔ)V(i)。
AV (i) = LTS | T—，ence(1,...," 方程2 告警值往往會根據(jù)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(yù)測，并應(yīng)用一致性告警閾值，告警值A(chǔ)V(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》，有一個在范圍-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(shù)值版本歸一化。
iy《丄 ^S04K) = 1 —、 一 f e了&其中-1《AS(AV》《+1 Eq. 3
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再參看圖6，給出了基于時間序列值到達次數(shù)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(yán)重程度而x軸代表了從1到觀察窗結(jié)束的樣本數(shù) 目，圖6的例子中這是120個樣本。 可能的歸一化告警值范圍可分為多個區(qū)域。在示出的實施例中，有三個區(qū)，包括中 立區(qū)、警示區(qū)和告警區(qū)。警示區(qū)和告警區(qū)每個都有上部和下部，分別表明被監(jiān)控參數(shù)趨勢向 上和被監(jiān)控參數(shù)趨勢向下。也可以使用不到3個區(qū)或超過3個區(qū)。 歸一化告警值區(qū)域的建立可能有助于對告警信號應(yīng)用前面針對圖2介紹過的多 級監(jiān)控概念。例如，當(dāng)歸一化告警值在給出的例子的中立區(qū)，則表明正常運行狀況。當(dāng)歸一 化告警值持續(xù)位于上警示區(qū)，則表明被監(jiān)控參數(shù)在向上方向上趨向于故障。當(dāng)歸一化告警 值持續(xù)位于下警示區(qū)，則表明被監(jiān)控參數(shù)在向下方向上趨向于故障。同樣，當(dāng)歸一化告警值 持續(xù)位于下告警區(qū)或上告警區(qū)，則表明電池組件故障或即將故障。 在塊54中產(chǎn)生告警信號之后，并且如果合適，產(chǎn)生歸一化告警信號之后，邏輯流 前進到塊56。在塊56，停止規(guī)則可以應(yīng)用于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(guī)則只適用于歸一化告警信號。但是，可以修改應(yīng)用于告警信 號的停止規(guī)則。 停止規(guī)則是一組條件，當(dāng)滿足時，表明被監(jiān)控參數(shù)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(dāng)?shù)摹？梢栽O(shè)立多個上下閾值(也稱為限制)，從而針對 被監(jiān)控參數(shù)趨勢的嚴(yán)重程度的各種相應(yīng)的狀況或高低產(chǎn)生告警。因此， 一些告警可能被認 為比其他告警嚴(yán)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 警可以采取任何適當(dāng)?shù)男问剑缦?，信號，或一些其他機制，以傳遞信息到本地設(shè)備、遠程 設(shè)備(例如，位置與預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)的實際位置不同的中央監(jiān)控站)和/或個人。告警可能 會導(dǎo)致工作站(例如，一臺計算機和相關(guān)的顯示器)、指標(biāo)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(guī)則。圖7A、7B及7C是被監(jiān)控(多個)參數(shù)的示例性趨勢圖。例 如，在圖7A中，被監(jiān)控參數(shù)呈現(xiàn)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(yīng)T序列相關(guān)的到達次數(shù)間隔(例如T序列值之間的距離)，往 往會變得更小。這對應(yīng)于歸一化告警信號向負l運動。在圖7B中，被監(jiān)控參數(shù)呈現(xiàn)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(yīng)T序列相 關(guān)的到達次數(shù)間隔往往會變得更大。這對應(yīng)于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(qū))，由此產(chǎn)生的歸一化告警信號將傾向 于保持在中立區(qū)(例如，圖6中示出了一個示例性中立區(qū))。 根據(jù)告警信號的可能行為，可以構(gòu)建停止規(guī)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(shè)立多個下限和多個上限，以便針 對歸一化告警信號相對于多個閾值運動產(chǎn)生告警。適當(dāng)?shù)貥?gòu)建停止規(guī)則，可以使告警以預(yù) 測的方式確定。例如，可適當(dāng)設(shè)立限制，使被監(jiān)控值穿越相應(yīng)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(gòu)建兩個基本規(guī)則。第一規(guī)則可以是，如果AS(AVi)小于或等于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(yīng)的下邊界的告警。第二條規(guī)則可以是，如果 AS(AV》大于或等于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(yīng)的上邊界的告警。 或許有第一或第二個規(guī)則得到滿足，但電池沒有出現(xiàn)早期故障的情況。例如，被監(jiān) 控參數(shù)可能趨向邊界(例如，邊界42或邊界44)，并回到中立的操作。在其他情況下，與電 池組件12無關(guān)的情況可能導(dǎo)致規(guī)則之一得到滿足。鑒于這些可能性，預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)10可 以基于用戶的喜好配置，在產(chǎn)生誤報的可能性和產(chǎn)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(quán)衡。 在一種實施例中，可以根據(jù)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(shè)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，可基于經(jīng)驗、用戶偏好、電池組件12的技術(shù)數(shù) 據(jù)、使用電池組件12的相對重要性、用以進行測量的導(dǎo)體所造成損耗等，為每個電池組件 12監(jiān)控應(yīng)用設(shè)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(guī)則可以被修改，以在連續(xù)出現(xiàn)多起對基本停止規(guī)則的侵 犯之后，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(jù)修改后的停止規(guī)則，每次告警信號AS(AVi)小于或等于T^時，記錄"低"侵 犯。同樣，每次告警信號AS(AVi)大于或等于Thi時，記錄"高"侵犯。單獨統(tǒng)計連續(xù)低侵犯 和連續(xù)高侵犯，分別趨向允許連續(xù)低侵犯的最大數(shù)目(NOPCV1(J和允許連續(xù)高侵犯的最大 數(shù)目(NOPCVhi)。如果NOPCV^大于或等于一個預(yù)定閾值(N^)，那么生成到達相應(yīng)下邊界 的告警。同樣，如果NOPCVhi大于或等于一個預(yù)定閾值(NJ，那么生成到達相應(yīng)上邊界的告 警。閾值N^和Nhi可表示為樣本數(shù)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(shù)量的 樣本。 在一種實施例中，可以應(yīng)用多個基本停止規(guī)則和/或修改后的停止規(guī)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(yīng)用歸一化告警信號。通 過這種方式，可以基于電池組件12行為的各種組合，生成多個告警。 繼續(xù)參看圖3，在塊56應(yīng)用停止規(guī)則之后，邏輯流前進到塊58，其中對停止規(guī)則和 /或修改后的停止規(guī)則是否導(dǎo)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(yù)定數(shù)量的被監(jiān)控參數(shù)值m加1。塊60之后，邏輯例程返回到塊36。 利用m的增量值，可重復(fù)電池組件12的監(jiān)控技術(shù)。在重復(fù)時，可以獲取以前確定的被監(jiān)控 參數(shù)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，并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(shù)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(yīng)于m樣本的一段時間后，構(gòu)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(yīng)告警，該告警對 應(yīng)于導(dǎo)致肯定確定的停止規(guī)則或修改后的停止規(guī)則的破壞。正如所指出的，告警可采取任 何適當(dāng)?shù)男问?，如消息、信號或?qū)⑿畔鬟f到本地設(shè)備、遠端設(shè)備和/或個人的其他任何機制。在一種實施例中，邏輯流程最后終止于塊62。在對電池組件12進行檢查和/或采取糾 正措施后，監(jiān)控技術(shù)可以被重置和/或重啟。在另一實施例中，塊62之后，邏輯流前進到塊 60，繼續(xù)對電池組件12進行監(jiān)控。 需要認識到，邏輯例程可以部分重復(fù)，以基于那些針對另一閾值(例如，邊界30、 32或34)確定的接近值，得出額外的T序列?？梢援a(chǎn)生額外的告警信號和歸一化告警信號， 可以將其與停止規(guī)則或修改的停止規(guī)則比較。此外，邏輯例程可以針對不同的被監(jiān)控參數(shù)
單獨執(zhí)行。 再來參看圖8A到12C，下面給出電池組件12監(jiān)控技術(shù)的操作例子。這些例子是將 技術(shù)應(yīng)用于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(jiān)控參數(shù)。 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(shù)，因為預(yù)測監(jiān)控技術(shù)獨立于被監(jiān)控的電池參數(shù)。對于這些例子，假定輸入信 號在指定的范圍內(nèi)變化，前述范圍在圖中由虛線/點線表示。 圖8A、8B和8C對應(yīng)于第一個例子，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(diào)趨勢。圖8B說明了對應(yīng)于圖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，并且通常在一個中立區(qū)中(例如，約-0.5到約0.5范圍)變 化。在這個例子中，針對輸入信號的行為，沒有告警產(chǎn)生。 圖9A、9B及9C對應(yīng)于第二個例子，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(diào)走勢。圖9B說明了對應(yīng)于該輸入信號 的T-序列，并顯示了到達次數(shù)向著觀察窗結(jié)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(shè)定為約-0. 95，當(dāng)歸一化告警信號穿過 該閾值時，可以產(chǎn)生告警，作為電池組件12存在問題(圖9C中表明發(fā)生在樣本47處)的 預(yù)測指示。 圖10A、10B及IOC對應(yīng)于第三個例子，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(diào)走勢。在將罐、串或者電池組件的 更大集合用作被監(jiān)控參數(shù)時，這種行為可能是典型的故障模式。圖IOB說明了對應(yīng)于該輸 入信號的T-序列，并顯示了到達次數(shù)向著觀察窗結(jié)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(shè)定為約0. 95，當(dāng)歸一化告警信號穿過該閾值時，可以產(chǎn)生告警，作為電池組件12存 在問題(圖10C中表明發(fā)生在樣本41處)的預(yù)測指示。 圖11A、11B及11C對應(yīng)于第四個例子，其中輸入信號(圖11A中示出)包括了上向 傾斜和之后的下向傾斜。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，之后趨勢向下。T-序列(圖11B)和歸一化告警信號(圖11C) 有最初的向上趨勢。之后，隨著輸入信號遠離上限，歸一化告警信號返回到中立區(qū)?？梢赃m 當(dāng)設(shè)置修改的停止規(guī)則，允許這種行為而不產(chǎn)生告警(例如約20或25樣本的Nhi)。
圖12A、12B及12C對應(yīng)于第五個例子，其中輸入信號(圖12A中示出)包括了上 向傾斜和之后的下向傾斜。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(tǒng)計意義上保持 無關(guān)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，之后趨勢向下。T-序列(圖12B)和歸一化告警信號(圖12C)有最初的向上趨勢。之后，歸一化告警 信號趨向下限，取決于修改的停止規(guī)則，這可能會觸發(fā)告警。 公開了一種時序信號處理方法及系統(tǒng)，用于對電池或IED電源組件的狀態(tài)進行連 續(xù)監(jiān)控，檢測出本來是不引人注目的早期問題。該方法可適于任何可用的參數(shù)，如電壓、電 流、阻抗或溫度中一個或多個的函數(shù)。這降低了對專門的測試和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的依賴。在 該系統(tǒng)和方法下，即將發(fā)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(jiān)控參數(shù)的過去和現(xiàn)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(jiān)控參數(shù)過去和現(xiàn)在的值，可以用一貫適用的方式，通過基于計算機或 機器的實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)逐步和增量的偏差。簡化了用戶定制警示級別，因為可以針對包含在已知 范圍內(nèi)(例如，-l到+l)的歸一化告警信號設(shè)置告警級別。此外，監(jiān)控可以以降低計算復(fù) 雜性的迭代方式工作。此外，該系統(tǒng)可以嵌入到一個獨立的電池監(jiān)控裝置或可能出現(xiàn)在電 池的設(shè)備中，如變電站應(yīng)用中的斷路器控制設(shè)備中。 盡管圖示并描述了特定實施例，但需要理解，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在閱讀和理 解了說明書之后，能夠想到的等價物和改進都在后附權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種監(jiān)控電池組件的方法，包括監(jiān)控與電池組件相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，以獲取多個被監(jiān)控參數(shù)樣本；根據(jù)被監(jiān)控參數(shù)樣本，生成單調(diào)增加值的時序序列；以及分析該時序序列，獲知被監(jiān)控參數(shù)趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預(yù)測電池組件的故障情況。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該分析包括根據(jù)時序序列得出告警信號，該告警信號 有基于對時序序列值應(yīng)用拉普拉斯測試統(tǒng)計得到的一系列值。
3. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(yù)定數(shù)量的告警信號值，則生成告警。
5. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(yù) 定數(shù)量的告警信號值，則生成告警。
8. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該電池組件包括鉛酸電池。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該電池組件在使用過程中被監(jiān)控。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該電池組件是負載的主電源。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該電池組件用于電力傳輸和配送變電站。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中被監(jiān)控參數(shù)是電壓、電流、阻抗或溫度中至少一個的 函數(shù)。
14. 一種電池組件的預(yù)測監(jiān)控組件，包括分析器，該分析器根據(jù)一系列被監(jiān)控參數(shù)的樣 本，生成單調(diào)增加值的時序序列，被監(jiān)控參數(shù)樣本通過監(jiān)控與電池組件相關(guān)聯(lián)的參數(shù)獲得， 并且該分析器分析該時序序列，獲知被監(jiān)控參數(shù)趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢 的指示，以預(yù)測電池組件的故障情況。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，其中該分析器根據(jù)時序序列得出告警信號，該 告警信號有基于對時序序列值應(yīng)用拉普拉斯測試統(tǒng)計得到的一系列值。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的預(yù)測監(jiān)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(yù)定數(shù)量的告警信號值，則該分析器生成告警。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，還包括監(jiān)控組件，用以測量與該電池組件相關(guān) 的參數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，其中該電池組件包括鉛酸電池。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，其中該電池組件在使用過程中被監(jiān)控。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的預(yù)測監(jiān)控組件，其中該電池組件是負載的備用電源。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，其中該電池組件用于電力傳輸和配送變電站。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14的預(yù)測監(jiān)控組件，其中被監(jiān)控參數(shù)是電壓、電流、阻抗或溫度中至 少一個的函數(shù)。
全文摘要
一種監(jiān)控電池組件的技術(shù)，包括監(jiān)控與電池組件相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，以獲取多個被監(jiān)控參數(shù)樣本。根據(jù)被監(jiān)控參數(shù)樣本，生成單調(diào)增加值的時序序列。分析該時序序列，獲知被監(jiān)控參數(shù)趨向上操作邊界或下操作邊界之一的趨勢的指示，以預(yù)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(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)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