基于PI數(shù)據(jù)庫的變電站直流系統(tǒng)多狀態(tài)量監(jiān)測與預(yù)警

陳 亮，莫雪梅

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

在變電站中，直流電源為斷路器分合閘及站內(nèi)的繼電保護(hù)、自動裝置、信號裝置、事故照明和電氣設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作提供可靠的工作電源，所以直流電源的輸出質(zhì)量及可靠性與電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行密切相關(guān)。直流電源系統(tǒng)主要由交流配電設(shè)備、直流充電裝置、直流配電設(shè)備和蓄電池組組成。通過對變電站內(nèi)大量的直流設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集和分析，就能建立變電站直流系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)及各類設(shè)備狀態(tài)量的監(jiān)測預(yù)警專家系統(tǒng)?；赑I（Plant Information System）數(shù)據(jù)庫在湖州電力局成熟和廣泛的應(yīng)用及其本身所具備的優(yōu)異性能，決定基于PI技術(shù)來實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的監(jiān)測和分析。

PI實時/歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是企業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層管理信息系統(tǒng)連接的橋梁，在技術(shù)上采用獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)門壓縮專利技術(shù)，可對存入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實現(xiàn)高倍壓縮，適合長久記錄在生產(chǎn)過程中按時間順序產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。而對直流系統(tǒng)的監(jiān)測分析特別是對蓄電池的性能分析，需要長時間的運(yùn)行數(shù)據(jù)積累，PI系統(tǒng)正適于此類應(yīng)用。

1 設(shè)計思想

1.1 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)分信息采集、數(shù)據(jù)存貯和分析展現(xiàn)3個部分。

信息采集主要是將各類直流設(shè)備的狀態(tài)信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器，經(jīng)軟件解析出不同規(guī)約所傳遞的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存儲分為兩個部分，首先是將解析出的實時測點(diǎn)數(shù)據(jù)存入PI數(shù)據(jù)庫，非實時數(shù)據(jù)則存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（SQL Server），因此配備兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。分析展現(xiàn)主要應(yīng)用了PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的 PI ProcessBook，PI DataLink，PI SDK，PI ODBC并結(jié)合VB，將相應(yīng)的分析展現(xiàn)于以太網(wǎng)上。硬件架構(gòu)見圖1。

圖1 硬件架構(gòu)圖

1.2 軟件架構(gòu)

監(jiān)測和預(yù)警實現(xiàn)方法采用PI ProcessBook工具和VB，報表模塊實現(xiàn)方法采用PI DataLink，故障預(yù)警和狀態(tài)檢修實現(xiàn)方法采用PI ProcessBook，PI ODBC和VBA。通過這些工具分別對PI數(shù)據(jù)庫和SQL Server數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得所需的監(jiān)測和預(yù)警信息，全面反映直流設(shè)備運(yùn)行的健康狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)存儲規(guī)則

直流設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)，各類電壓、電流、溫度等實時數(shù)據(jù)量隨時間不斷增加，適合存入PI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理；其余的例如蓄電池內(nèi)阻、直流設(shè)備參數(shù)、通信參數(shù)等非實時數(shù)據(jù)的信息則存入SQL Server數(shù)據(jù)庫。

2 多狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警

2.1 變電站蓄電池組的監(jiān)測和預(yù)警

蓄電池組是直流系統(tǒng)的重要組成部分，在交流電源或充電裝置發(fā)生故障情況下，蓄電池組必須具有“獨(dú)立電源”的功能，為二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保繼電保護(hù)、通信設(shè)備的正常運(yùn)行，因此對蓄電池組的監(jiān)測和預(yù)警是本項目的重要部分。蓄電池組的性能與多個性能指標(biāo)有關(guān)，因此通過對蓄電池組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測，對蓄電池內(nèi)阻和性能的估算及監(jiān)測等來保證蓄電池組的正常運(yùn)行，具體實施方案如下：

2.1.1 蓄電池組運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測

對蓄電池組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，對閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的日常維護(hù)工作所起到的指導(dǎo)作用是至關(guān)重要的。特別是運(yùn)行狀態(tài)下浮充電壓的實時監(jiān)測值能直接反映蓄電池的健康狀態(tài)。由于蓄電池制造過程中存在離散性，當(dāng)性能不一致的電池組成一組并投入運(yùn)行時，若以同樣大小的浮充電流對整組電池進(jìn)行浮充，某些自身性能差的電池將無法完全補(bǔ)償自放電，導(dǎo)致電池長期欠充（浮充電壓大大低于2.23 V/節(jié)）而出現(xiàn)容量損失和極板硫酸鹽化，而自身性能好的電池則因長期過充導(dǎo)致失水和極板腐蝕（浮充電壓大大高于2.28 V/節(jié)）。蓄電池組中存在單電池電壓過高或過低，長期運(yùn)行會降低電池組的容量，影響整組電池穩(wěn)定運(yùn)行。通過PI ProcessBook柱狀圖工具實現(xiàn)單電池電壓監(jiān)測，同時設(shè)置多狀態(tài)預(yù)警，將蓄電池電壓監(jiān)測值設(shè)置為正常態(tài)、預(yù)警態(tài)和故障態(tài)。同時，監(jiān)測蓄電池其他基本運(yùn)行參數(shù)，如組端電壓、單電池電壓、充放電電流、工作溫度等，通過點(diǎn)擊柱狀圖和相關(guān)查詢定位工具，實現(xiàn)實時監(jiān)測和歷史趨勢曲線監(jiān)測功能。通過PI DataLink工具實現(xiàn)整組蓄電池每節(jié)電池實時電壓和歷史電壓的查詢及輸出。

2.1.2 蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測

檢測蓄電池內(nèi)阻是檢驗蓄電池健康狀態(tài)的重要手段之一，通過測量內(nèi)阻可以判別電池是否失效，當(dāng)內(nèi)阻小幅度增加時說明電池出現(xiàn)劣化，因此在線監(jiān)測電池內(nèi)阻是必要的。內(nèi)阻監(jiān)測模塊用于監(jiān)測蓄電池內(nèi)阻值，并提供內(nèi)阻變化的預(yù)警。

2.1.3 蓄電池性能估算

蓄電池性能估算是對多個基本運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析后，綜合各方面影響因素計算得到的，它的精確度是由長期的數(shù)據(jù)積累來保證的。按性能值的估算指標(biāo)，確定了3個多狀態(tài)設(shè)置：小于50為報警態(tài)，建議更換；50～80為預(yù)警態(tài)，建議維護(hù)；大于80為正常態(tài)，為蓄電池健康狀態(tài)。

2.2 變電站直流絕緣的監(jiān)測和預(yù)警

變電站直流絕緣監(jiān)測和預(yù)警的數(shù)據(jù)采集自絕緣監(jiān)測儀，使用PI ProcessBook實現(xiàn)設(shè)計功能。監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括母線正對地電阻、負(fù)對地電阻、母線電壓，以及當(dāng)絕緣降低時通過監(jiān)測儀巡檢獲得的支路報警信息。同時，可以通過趨勢圖窗口監(jiān)測對地電阻和母線電壓的歷史變化曲線，為故障查找提供幫助。

2.3 變電站直流屏運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測和預(yù)警

變電站直流屏運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測和預(yù)警數(shù)據(jù)采集自直流屏監(jiān)控主機(jī)，使用PI ProcessBook實現(xiàn)設(shè)計功能，共有數(shù)據(jù)監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、報警信息和模塊監(jiān)測4個功能模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)測主要對交流輸入、合母電壓、控母電壓、控母電流、電池電流等實時量進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。狀態(tài)監(jiān)測反映了當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如均浮充狀態(tài)、交流工作狀態(tài)、交流停電狀態(tài)等。報警信息主要對合母過欠壓、控母過欠壓、交流過欠壓、熔斷器故障、通信故障等故障量設(shè)置報警燈。模塊監(jiān)測主要對充電模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，可以監(jiān)測每塊充電模塊的輸出電流。

2.4 變電站直流系統(tǒng)告警管理

告警信息類型分組端電壓、單電池電壓、溫度、電壓均差等遙測量超限告警和電池性能值、交流過欠壓、通訊狀態(tài)、合母過欠壓、控母過欠壓等告警值。告警方式有柱狀圖和報警燈變色閃爍報警、告警信息報警及手機(jī)短消息報警。功能運(yùn)行界面見圖2。

3 狀態(tài)評估

直流系統(tǒng)狀態(tài)評估模塊通過綜合直流系統(tǒng)各類監(jiān)測信息，經(jīng)過分析評估得到直流系統(tǒng)健康狀態(tài)信息，由PI ProcessBook，PI ODBC和VBA聯(lián)合實現(xiàn)。首先，在主界面上方設(shè)置了變電站健康狀態(tài)柱狀圖，直觀反映變電站健康狀態(tài)。柱狀圖設(shè)置了多狀態(tài)報警，紅色為報警，閥值小于50；黃色為預(yù)警，閥值為50～80；綠色為健康，閥值大于80。主界面的下方左側(cè)是信息窗口，啟動時顯示歷史和當(dāng)前系統(tǒng)報警信息，右側(cè)是趨勢圖窗口和一系列控制按鈕。

狀態(tài)評估模塊啟動時，從SQL Server數(shù)據(jù)庫讀取性能參數(shù)設(shè)置柱狀圖，通過柱狀圖的多狀態(tài)預(yù)警可以一目了然地掌握變電站直流系統(tǒng)健康狀態(tài)。只要點(diǎn)擊柱狀圖，相應(yīng)變電站設(shè)備狀態(tài)就會顯示在信息窗口中，例如蓄電池性能、設(shè)備報警信息等，同時給出檢修建議，并在趨勢圖窗口顯示性能指標(biāo)下降的蓄電池的運(yùn)行曲線。

狀態(tài)評估和預(yù)警模塊的作用在于給運(yùn)行和檢修人員提供日常工作建議，給生技部門提供狀態(tài)檢修輔助決策建議，并實時了解所轄直流設(shè)備的健康狀態(tài)，具體界面見圖3。

4 結(jié)語

基于PI數(shù)據(jù)庫的變電站直流系統(tǒng)多狀態(tài)量監(jiān)測和預(yù)警的實現(xiàn)和運(yùn)用，將原來的故障后檢修轉(zhuǎn)變?yōu)楣收锨邦A(yù)警，提高了變電站直流系統(tǒng)維護(hù)和檢修的工作效率，同時對直流系統(tǒng)開展?fàn)顟B(tài)檢修提供一定幫助。該系統(tǒng)充分利用PI數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存貯和處理的優(yōu)勢，達(dá)到了設(shè)計要求，并成功應(yīng)用于湖州電力局直流檢修工作。

圖2 多狀態(tài)量監(jiān)測和預(yù)警界面

圖3 直流系統(tǒng)狀態(tài)評估界面

[1]史興華，湖州電力局.供電企業(yè)實時/歷史數(shù)據(jù)庫PI典型應(yīng)用案例[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐海明.供電工人技術(shù)培訓(xùn)教材（直流設(shè)備檢修）[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]徐在林.直流設(shè)備檢修崗位技能培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，1998.