監(jiān)控畫面信號自動(dòng)巡視技術(shù)在電化學(xué)儲(chǔ)能EMS 中的應(yīng)用

錢 進(jìn)，張 云，馮力勇

( 能建時(shí)代(上海)新型儲(chǔ)能技術(shù)研究院有限公司，上海 200032 )

0 引言

近年來，能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在電力系統(tǒng)中，EMS 的作用不可忽視。儲(chǔ)能EMS的主要功能是通過自動(dòng)化的方式，對儲(chǔ)能電站的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，提高儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

近年來，隨著含高比例新能源的新型電力系統(tǒng)建設(shè)工作的推進(jìn)，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)已成為支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，儲(chǔ)能電站容量規(guī)模也不斷增大，有向吉瓦時(shí)級發(fā)展的趨勢[4-5]。儲(chǔ)能EMS 在大容量儲(chǔ)能電站的應(yīng)用也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，吉瓦時(shí)級儲(chǔ)能需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)信號達(dá)到數(shù)百萬點(diǎn)的量級，監(jiān)控畫面超過1 000 幅。如何從海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中快速地識別異常數(shù)據(jù)，高效地監(jiān)控和控制吉瓦時(shí)級儲(chǔ)能電站各類設(shè)備的運(yùn)行，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，已經(jīng)成為當(dāng)前的重要研究課題。

信號自動(dòng)巡視技術(shù)是一種通過自動(dòng)化的方式，對EMS 系統(tǒng)中監(jiān)控畫面上的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與統(tǒng)計(jì)，以EMS 數(shù)據(jù)采集、品質(zhì)判斷功能為基礎(chǔ)，對全站設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)維的手段，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的異常情況，及時(shí)進(jìn)行處理，避免了因設(shè)備故障而導(dǎo)致電站停運(yùn)。

自2021 年以來，國家電網(wǎng)有限公司組織開展了新一代變電站集中監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)[6]，在集控系統(tǒng)的應(yīng)用功能中提出并應(yīng)用了監(jiān)控信號自動(dòng)巡視技術(shù)，試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用情況表明：采用信號自動(dòng)巡視可以替代監(jiān)控人員開展畫面監(jiān)盤工作，明顯提高設(shè)備運(yùn)維效率[7]。

本文對在儲(chǔ)能EMS 中應(yīng)用監(jiān)控畫面信號自動(dòng)巡視技術(shù)開展研究，探討其在提高儲(chǔ)能EMS數(shù)據(jù)監(jiān)控運(yùn)行效率和可靠性方面的作用，以期為儲(chǔ)能電站的優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 儲(chǔ)能EMS

1.1 定義

儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)是一種集軟硬件于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)，用于監(jiān)控和控制儲(chǔ)能電站的各類設(shè)備。通過對全站數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測儲(chǔ)能電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合電站的環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的潛在問題，制定優(yōu)化調(diào)度控制策略，以提高儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、AGC/AVC服務(wù)器、操作員站、工程師站、網(wǎng)關(guān)機(jī)等服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如圖1 所示，采用雙機(jī)雙網(wǎng)冗余配置以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。其中數(shù)據(jù)服務(wù)器、AGC/AVC 服務(wù)器、操作員站均為雙機(jī)冗余配置，站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)均雙網(wǎng)配置。

圖1 EMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.3 儲(chǔ)能EMS的主要功能

對儲(chǔ)能EMS 在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、調(diào)度與控制的主要功能分述如下。

1)數(shù)據(jù)采集：儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)通過各種傳感器和設(shè)備，實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)能電站中各類設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電池的充放電狀態(tài)、溫度、電壓、電流，PCS 的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和調(diào)度與控制的基礎(chǔ)。

2)數(shù)據(jù)處理：儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)濾波、工程值轉(zhuǎn)換、計(jì)算量合成等，經(jīng)過處理后獲得儲(chǔ)能電站電池、BMS、PCS 等設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而判斷全站的運(yùn)行狀態(tài)和趨勢。

3)調(diào)度與控制：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)制定出最優(yōu)的運(yùn)行策略，包括設(shè)備的啟停、調(diào)整充放電策略等。根據(jù)運(yùn)行策略，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，通過合理地使用電池，減少電池的過度衰減，保障儲(chǔ)能自身的經(jīng)濟(jì)性。

2 信號自動(dòng)巡視實(shí)現(xiàn)方案

2.1 模塊劃分

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面信號的自動(dòng)巡視，需要在EMS 系統(tǒng)中增加3 個(gè)模塊，分別是圖形文件解析模塊、巡視任務(wù)執(zhí)行模塊和巡視結(jié)果展示模塊。

圖形文件解析模塊從監(jiān)控圖形文件模型中讀取關(guān)聯(lián)信號點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫ID，并以動(dòng)態(tài)庫接口的方式提供給巡視任務(wù)執(zhí)行模塊調(diào)用。

巡視任務(wù)執(zhí)行模塊根據(jù)圖形文件解析模塊提取的數(shù)據(jù)點(diǎn)ID，從數(shù)據(jù)庫中讀取對應(yīng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)品質(zhì)的具體類型并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果生成json 格式數(shù)據(jù)流，提供給巡視結(jié)果展示模塊進(jìn)行展示。

巡視結(jié)果展示模塊將巡視執(zhí)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并以表格視圖的方式進(jìn)行展示并輸出巡視報(bào)告，便于監(jiān)控人員查看和分析。

2.2 實(shí)現(xiàn)過程

畫面信號自動(dòng)巡視的實(shí)現(xiàn)過程可以分為以下6 步。

1)第一步：解析畫面上關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。首先需要解析監(jiān)控畫面上所顯示的數(shù)據(jù)所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫中的信號點(diǎn)ID。在繪制組態(tài)畫面時(shí)，會(huì)將畫面上的數(shù)據(jù)圖元和數(shù)據(jù)庫中的信號點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，以便在監(jiān)控畫面上能夠顯示該信號點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)值，所以只要按照組態(tài)文件的生成格式進(jìn)行解析，就能得到數(shù)據(jù)點(diǎn)的ID。組態(tài)畫面文件的模型片段如圖2 所示。其中，圖2第三行所描述的是監(jiān)控畫面上一個(gè)斷路器圖元，keyid 屬性值“296352743701”就是該斷路器狀態(tài)信號點(diǎn)在EMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的ID。

圖2 組態(tài)畫面文件模型片段

2)第二步：提取數(shù)據(jù)點(diǎn)的ID 并讀取值和品質(zhì)。從畫面中得到數(shù)據(jù)點(diǎn)的ID 之后，系統(tǒng)將使用這些ID 從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的當(dāng)前值和數(shù)據(jù)品質(zhì)，創(chuàng)建該數(shù)據(jù)點(diǎn)的品質(zhì)變量Q。

3)第三步：識別數(shù)據(jù)點(diǎn)的品質(zhì)標(biāo)志，進(jìn)行特征值分析。對每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的品質(zhì)標(biāo)志進(jìn)行按位比對，以識別出數(shù)據(jù)點(diǎn)具體的品質(zhì)類型。對于與電池相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用健康評價(jià)模型分析數(shù)據(jù)，并對電池的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。這一步可以幫助檢測潛在的問題或異常情況。

4)第四步：統(tǒng)計(jì)自動(dòng)巡視結(jié)果并輸出到功能界面。在巡視過程中，系統(tǒng)會(huì)積累各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息，并將其匯總為自動(dòng)巡視的結(jié)果。這些統(tǒng)計(jì)信息包括故障數(shù)量、異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量、健康評估結(jié)果等。

5)第五步：切換到下一個(gè)監(jiān)控畫面，依此執(zhí)行以上4 個(gè)步驟，直到把系統(tǒng)中的每個(gè)畫面都執(zhí)行一遍。

6)第六步：生成自動(dòng)巡視報(bào)告并進(jìn)行存儲(chǔ)。最后一步是生成自動(dòng)巡視報(bào)告，并將其存儲(chǔ)起來供后續(xù)檢索和分析。自動(dòng)巡視報(bào)告包括巡視結(jié)果的詳細(xì)說明、數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值和品質(zhì)信息、健康評估結(jié)果、異常情況的記錄等內(nèi)容。

信號自動(dòng)巡視的工作流程如圖3 所示。

圖3 信號自動(dòng)巡視流程

3 儲(chǔ)能EMS中自動(dòng)巡視技術(shù)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用場景

3.1.1 數(shù)據(jù)品質(zhì)自動(dòng)巡視

品質(zhì)變量Q是用一個(gè)字節(jié)型的變量，是EMS 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)品質(zhì)的標(biāo)志，品質(zhì)判斷是EMS系統(tǒng)的基本功能，數(shù)據(jù)處理模塊完成品質(zhì)判定后將品質(zhì)數(shù)值賦予變量Q。這個(gè)字節(jié)型變量共有8 個(gè)比特位，每一個(gè)比特位代表一種品質(zhì)類型，見表1 所列。當(dāng)對應(yīng)比特位的值為1 時(shí)，表示該品質(zhì)類型生效。主要的品質(zhì)類型包括人工置數(shù)、測試數(shù)據(jù)、取代、不刷新、不一致、可疑、不變化和抖動(dòng)。

表1 品質(zhì)變量Q比特位定義

1)人工置數(shù)：人工置數(shù)是指手動(dòng)填充或設(shè)定的數(shù)據(jù)值。當(dāng)bit1 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)是通過人工操作進(jìn)行填充的，而不是通過傳感器或其他自動(dòng)采集手段獲得的。

2)測試數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)是指在系統(tǒng)測試或調(diào)試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)bit2 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)是測試過程中生成的，可能與真實(shí)環(huán)境下的數(shù)據(jù)有所不同。

3)取代：取代是指在采集過程中，當(dāng)某個(gè)傳感器數(shù)據(jù)不可用時(shí)，由其他傳感器或模型生成的替代數(shù)據(jù)。當(dāng)bit3 的數(shù)值為1 時(shí)，表示當(dāng)前數(shù)據(jù)是由取代操作生成的。

4)不刷新：不刷新是指數(shù)據(jù)的更新頻率低于設(shè)定值或數(shù)據(jù)未及時(shí)更新。當(dāng)bit4 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)未能及時(shí)刷新或更新，不能反映當(dāng)前狀態(tài)，可能是由于通信通道故障導(dǎo)致的。

5)不一致：不一致是指多源數(shù)據(jù)之間存在矛盾或不一致的情況。當(dāng)對應(yīng)bit5的數(shù)值為1時(shí)，表示多源的數(shù)據(jù)信號存在不一致的情況，可能需要進(jìn)一步檢查和調(diào)整。

6)可疑：可疑是指數(shù)據(jù)可能存在異常或不確定性，需要進(jìn)一步驗(yàn)證或確認(rèn)。當(dāng)bit6 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)具有可疑性質(zhì)，需要在分析過程中予以特別注意。

7)不變化：不變化是指數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定且沒有變化的情況。當(dāng)bit7 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，可能是由于傳感器故障或其他原因?qū)е碌摹?/p>

8)抖動(dòng)：抖動(dòng)是指數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存在異常波動(dòng)的情況，可能由于傳感器信號線接觸不良導(dǎo)致。當(dāng)bit8 的數(shù)值為1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)存在抖動(dòng)的問題，需要檢查傳感器接線是否松動(dòng)。

EMS 系統(tǒng)在監(jiān)控畫面上以圖元的顏色區(qū)分不同的數(shù)據(jù)品質(zhì)，監(jiān)控員通過觀察圖元的顏色識別品質(zhì)類型。自動(dòng)巡視技術(shù)通過周期性地分析采集信號點(diǎn)的品質(zhì)變量，比對字節(jié)的每一個(gè)比特位的數(shù)值，識別該信號點(diǎn)當(dāng)前的品質(zhì)類型，實(shí)現(xiàn)EMS 系統(tǒng)自動(dòng)巡視數(shù)據(jù)品質(zhì)的目的。

3.1.2 電池健康狀態(tài)自動(dòng)巡視

在EMS 系統(tǒng)層面開展電池健康狀態(tài)的評估，其評估模型中考慮了BMS 系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀況，可以作為BMS 系統(tǒng)SOH 評價(jià)的有效補(bǔ)充。

在鋰離子電池的儲(chǔ)能電站中，電池設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)包括單體電芯電壓、單體電芯溫度、電池組電壓、電池組溫度、電池簇開關(guān)狀態(tài)、BMS 告警信息等。將上述設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取設(shè)備健康狀態(tài)特征值，形成設(shè)備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，考慮設(shè)備原理和設(shè)備參數(shù)等因素進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，得到設(shè)備健康狀態(tài)模型。

通過自動(dòng)巡視電池設(shè)備關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用健康評估模型以評價(jià)電池的健康狀態(tài)，電池健康狀態(tài)如圖4 所示。其中：當(dāng)電池的健康等級低于P 點(diǎn)，表示該電池的性能開始下降；當(dāng)?shù)陀贔 點(diǎn)時(shí)，表示電池失效損壞。

注：P點(diǎn)為電池健康的最低臨界點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為電池失效點(diǎn)。圖4 電池健康狀態(tài)示意圖

3.2 功能界面

自動(dòng)巡視功能界面以表格視圖的形式呈現(xiàn)巡視結(jié)果信息(如圖5 所示)，其中的表頭包括巡視開始時(shí)間、巡視結(jié)束時(shí)間、巡視結(jié)果和巡視任務(wù)狀態(tài)等。在自動(dòng)巡視功能界面中，用戶可以直觀查看巡視任務(wù)的基本信息和狀態(tài)，方便進(jìn)行任務(wù)管理和監(jiān)控?？梢园凑諘r(shí)間順序查看巡視任務(wù)的起止時(shí)間，了解每項(xiàng)任務(wù)的耗時(shí)情況。同時(shí)，巡視結(jié)果的記錄也為用戶提供了對巡視過程的可追溯性和問題分析的便利。

圖5 自動(dòng)巡視功能界面

4 應(yīng)用情況

本文選取某大型新能源基地項(xiàng)目作為應(yīng)用實(shí)例，該基地前期建設(shè)工程包括2 座儲(chǔ)能電站，容量分別為1#站50 MW/100 MWh 和2#站75 MW/150 MWh。這2 個(gè)儲(chǔ)能電站都部署有EMS 系統(tǒng)，分別是1#EMS 系統(tǒng)和2#EMS 系統(tǒng)。2 套系統(tǒng)的基本信息見表2 所列。

表2 EMS系統(tǒng)基本信息

從表2 可以看出，1#EMS 系統(tǒng)使用常規(guī)監(jiān)盤的方式，即由監(jiān)控員通過查看監(jiān)控畫面，識別畫面上關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點(diǎn)的異常信息。當(dāng)監(jiān)控員在BMS、PCS 總覽畫面上發(fā)現(xiàn)對應(yīng)設(shè)備圖元閃爍時(shí)，手動(dòng)切換至該設(shè)備的監(jiān)視分畫面，再通過分畫面上數(shù)據(jù)圖元的顯示顏色找到異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在該數(shù)據(jù)點(diǎn)上彈出右鍵菜單查看該數(shù)據(jù)點(diǎn)詳細(xì)的異常類型。在數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和監(jiān)控畫面更多的2#EMS 系統(tǒng)中部署信號自動(dòng)巡視功能，采用自動(dòng)巡視的方式識別全站畫面的異常數(shù)據(jù)。

在2 套EMS 系統(tǒng)中分別模擬產(chǎn)生不同數(shù)量的異常數(shù)據(jù)，記錄2 套EMS 系統(tǒng)識別出數(shù)據(jù)異常所需要的時(shí)間(見表3 所列)，每種情況分別記錄3 次，取平均時(shí)間作為測試結(jié)果。

表3 異常數(shù)據(jù)識別測試記錄

結(jié)果表明，采用了信號自動(dòng)巡視技術(shù)的2#EMS 系統(tǒng)識別異常數(shù)據(jù)所需的時(shí)間明顯小于常規(guī)監(jiān)盤方式的1#EMS 系統(tǒng)。特別是當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)異常數(shù)據(jù)時(shí)，采用常規(guī)監(jiān)盤方式的1#EMS 系統(tǒng)所需要的時(shí)間成倍地增加，而采用自動(dòng)巡視技術(shù)的2#EMS 系統(tǒng)則沒有明顯的變化，此時(shí)監(jiān)控畫面的巡視效率提升超過10 倍。

5 結(jié)語

通過對信號自動(dòng)巡視技術(shù)在儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在識別異常數(shù)據(jù)方面比常規(guī)的人工監(jiān)盤方式效率提升超過100%。特別是當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)異常時(shí)，常規(guī)監(jiān)盤方式耗費(fèi)的時(shí)間成倍地增加，難以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障。而通過自動(dòng)巡視功能的應(yīng)用，無論異常數(shù)據(jù)的數(shù)量如何變化，均能夠快速地感知識別，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

當(dāng)前，儲(chǔ)能EMS 系統(tǒng)中的自動(dòng)巡視功能尚停留在對采集信號點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)階段，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障。下一步需要在儲(chǔ)能電站EMS 系統(tǒng)與輔控系統(tǒng)、運(yùn)檢系統(tǒng)的設(shè)備一體化建模以及系統(tǒng)融合方面開展研究，在自動(dòng)巡視結(jié)果的基礎(chǔ)上，提取故障設(shè)備信息，聯(lián)動(dòng)輔控系統(tǒng)或運(yùn)檢系統(tǒng)執(zhí)行解決故障的方案或者自動(dòng)生成處理工單，助力儲(chǔ)能電站最終實(shí)現(xiàn)無人值守。