李秉宇，陳曉東，范　輝，苗俊杰

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，河北石家莊050021)

變電站直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李秉宇1，陳曉東1，范輝1，苗俊杰2

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，河北石家莊050021)

直流電源在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)電力直流電源系統(tǒng)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。研究了河北南部電網(wǎng)變電站直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)方案和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提出了直流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)省級(jí)、地市級(jí)、電站三級(jí)建設(shè)方案及系統(tǒng)組成，介紹了基于數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)層和監(jiān)控中心管理層的數(shù)據(jù)架構(gòu)，研究了蓄電池內(nèi)阻多循環(huán)分組測(cè)試技術(shù)，提出了一種基于狀態(tài)空間預(yù)測(cè)理論的蓄電池剩余容量在線測(cè)試方法，介紹了系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵技術(shù)和工作流程，系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)掌握直流設(shè)備的健康狀況具有重要作用。

直流電源；在線監(jiān)測(cè)；狀態(tài)檢修；內(nèi)阻；剩余容量；卡爾曼濾波

應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)光纖通信技術(shù)及設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，將分散的直流電源信息由人工巡檢變?yōu)樵诰€實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、集中采集、自動(dòng)分析診斷及遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電力直流電源系統(tǒng)狀態(tài)檢修(CBM,condition based maintenance),是電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的技術(shù)之一，可有效提高電網(wǎng)運(yùn)行安全水平，減員增效[1]。

本文介紹了河北南部電網(wǎng)直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)方案和關(guān)鍵技術(shù)，提出了蓄電池內(nèi)阻和容量的在線測(cè)試方法，系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)掌握直流設(shè)備的健康狀況具有重要作用。

1　直流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方案

以直流操作電源為核心，將交流電源、直流操作電源、電力用交流不間斷電源(UPS)或電力用逆變電源(INV)、通信用直流變換電源等組合為一體，全站交流、直流、UPS、通信等電源一體化設(shè)計(jì)、一體化配置、一體化監(jiān)控，通過(guò)統(tǒng)一的智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站電源的集中供電和統(tǒng)一的監(jiān)控管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線的狀態(tài)檢測(cè)。其運(yùn)行工況和信息數(shù)據(jù)能通過(guò)一體化監(jiān)控單元展示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)IEC61850格式接入當(dāng)?shù)刈詣?dòng)化系統(tǒng)的站控層交換機(jī)，并上傳至遠(yuǎn)方控制中心[2]。

直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為三層，一層為省公司主站系統(tǒng)，二層為地市公司子站系統(tǒng)，三層為變電站站端設(shè)備。主站系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、高級(jí)分析終端、瀏覽終端，用于直流電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、故障統(tǒng)計(jì)和設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)診斷，設(shè)于省公司設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心。子站系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控與維護(hù)終端、瀏覽終端，用于直流電源設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程維護(hù)，設(shè)于各地市公司運(yùn)檢部或工區(qū)。變電站站端設(shè)備包括監(jiān)控裝置、電池管理單元、通信單元、恒流放電裝置、開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)單元、充電機(jī)特性監(jiān)測(cè)單元、規(guī)約轉(zhuǎn)換單元及其他信息單元組成，用于直流電源設(shè)備的各種信號(hào)采集、運(yùn)行方式的切換、電池組的測(cè)量和維護(hù)。

直流電源在線監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)通信模型必須基于光纖以太網(wǎng)，通過(guò)TCP/IP方式與各個(gè)子站和主站通信。直流電源在線監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　直流電源在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)組成

2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)架

直流電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)自上而下分為三層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換層、遠(yuǎn)方監(jiān)控中心管理分析層。

2.1數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)的采集，并通過(guò)RS232、RS485串口總線將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)層，同時(shí)接收監(jiān)控中心下達(dá)指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直流設(shè)備進(jìn)行控制操作。主要包括蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，直流電源參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，絕緣狀況在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等。蓄電池運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備可在線監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、電池總電壓、充放電電流、溫度等，并綜合蓄電池的特性參數(shù)，估算蓄電池的剩余容量，從而判斷蓄電池的健康狀態(tài)。

2.2數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換層

數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，不必在現(xiàn)場(chǎng)編寫協(xié)議轉(zhuǎn)化程序，直接將各種協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包，滿足各種協(xié)議的兼容性，同時(shí)支持NET網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)發(fā)，解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址不夠的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)RS232、RS485串口連接到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集設(shè)備EII(equipment information instrument)。EII設(shè)備采用Linux2.2.20操作系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)將各種協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包，通過(guò)RJ45輸出端口接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直流設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸。

2.3直流設(shè)備信息管理分析層

直流設(shè)備信息管理分析層包括上位機(jī)直流設(shè)備信息管理分析系統(tǒng)及遠(yuǎn)程WEB服務(wù)器。遠(yuǎn)程WEB服務(wù)器中的后臺(tái)數(shù)據(jù)采集查詢綜合分析系統(tǒng)，通過(guò)局域網(wǎng)傳輸手段，將所采集數(shù)據(jù)信息送入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)接收軟件對(duì)不同通信協(xié)議的程序進(jìn)行解釋、接收、處理，并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)WEB發(fā)布的形式供用戶查詢[3]。

遠(yuǎn)程WEB服務(wù)器和變電站數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的通信采用后臺(tái)C/S構(gòu)架的監(jiān)控軟件，和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集設(shè)備發(fā)送通信命令，接收和處理回送的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，解釋并放入開(kāi)放式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。遠(yuǎn)程WEB服務(wù)器與IE瀏覽器的通迅采用B/S形式的WEB發(fā)布軟件，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并進(jìn)行WEB發(fā)布，工程技術(shù)人員通過(guò)監(jiān)控中心管理分析軟件可查看各變電站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、分析歷史數(shù)據(jù)、查看故障告警信息，預(yù)測(cè)和評(píng)估蓄電池狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理[4]。

3　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)

由于電池的內(nèi)阻與其本身容量有著非線性關(guān)系，利用電池內(nèi)阻參數(shù)參與預(yù)測(cè)電池的性能，能夠節(jié)省對(duì)蓄電池性能的評(píng)估周期和費(fèi)用。通過(guò)對(duì)大量的各種類型電池的測(cè)試表明，如果電池的內(nèi)阻增至高于其基準(zhǔn)值，即電池在最佳狀態(tài)下的內(nèi)阻值的30%～50%時(shí)，電池的容量將低于80%。常用內(nèi)阻測(cè)試方法比較如表1所示。

表1　內(nèi)阻測(cè)試方法對(duì)比表

針對(duì)以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種多循環(huán)分組內(nèi)阻在線測(cè)試技術(shù)(見(jiàn)圖2)。該技術(shù)在瞬間直流電流放電法測(cè)量?jī)?nèi)阻的基礎(chǔ)上，利用光電繼電器將電池組分成多個(gè)循環(huán)組，每次測(cè)量?jī)?nèi)阻時(shí)對(duì)一個(gè)循環(huán)組進(jìn)行放電，最大程度地減輕了瞬間放電對(duì)直流母線電壓的影響。在放電過(guò)程中，系統(tǒng)采集單元高速采集每節(jié)電池的放電曲線，通過(guò)計(jì)算放電結(jié)束后的恢復(fù)電壓與放電時(shí)的瞬時(shí)電壓的壓差，根據(jù)壓差與放電電流得出每節(jié)電池的內(nèi)阻。蓄電池多循環(huán)內(nèi)阻測(cè)試需要通過(guò)一個(gè)完整的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由采集單元、內(nèi)阻單元、通訊管理單元及服務(wù)器組網(wǎng)構(gòu)成，其中內(nèi)阻單元內(nèi)置恒流電路，采用大功率進(jìn)口IGBT模塊，蓄電池內(nèi)阻線按循環(huán)與內(nèi)阻單元連接，通過(guò)軟件控制內(nèi)阻單元中每個(gè)循環(huán)的繼電器與大功率IGBT模塊導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)恒流放電，完成內(nèi)阻循環(huán)測(cè)試。

圖2　蓄電池內(nèi)阻多循環(huán)分組測(cè)試原理圖

3.2蓄電池容量在線測(cè)試技術(shù)

電池的容量是蓄電池故障的集中表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)容量的預(yù)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池故障的早期預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)的剩余容量估算法采用開(kāi)路電壓、溫度、內(nèi)阻和充放電電流等參數(shù)對(duì)蓄電池容量進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)估算，存在測(cè)試精度低、速度慢等缺點(diǎn)。

本系統(tǒng)利用基于狀態(tài)空間預(yù)測(cè)理論的卡爾曼濾波器對(duì)蓄電池剩余容量進(jìn)行預(yù)測(cè)?？柭鼮V波是一種遞推線性最小方差估計(jì)，利用上一時(shí)刻的估計(jì)，再加上實(shí)時(shí)得到的量來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)[5]。在采用簡(jiǎn)化的蓄電池模型的基礎(chǔ)上(見(jiàn)圖3)，考慮到內(nèi)阻和極化效應(yīng)對(duì)電池剩余容量的影響，建立基于卡爾曼濾波器的蓄電池修正模型。

圖3　簡(jiǎn)化電池模型

分別以蓄電池剩余容量為狀態(tài)向量和以電池電壓為觀測(cè)向量，建立電池的狀態(tài)方程為[6]：

通過(guò)蓄電池內(nèi)阻和極化效應(yīng)的修正得到電池系統(tǒng)的觀測(cè)方程為：

式中：xk為蓄電池剩余容量；Pk為極化效應(yīng)；OCV為開(kāi)路電壓；Rk為蓄電池內(nèi)阻；Ik為充放電電流。

根據(jù)已知的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，在均方誤差最小的準(zhǔn)則下，用狀態(tài)向量的先驗(yàn)估計(jì)值、觀測(cè)值與相應(yīng)的誤差估計(jì)去修正先驗(yàn)估計(jì)值，得到最優(yōu)估計(jì)值(不是真實(shí)值)，并能估計(jì)出相應(yīng)的誤差與下一步的。如此循環(huán)迭代，估計(jì)出整個(gè)過(guò)程及其相應(yīng)的誤差。經(jīng)過(guò)有限次的迭代之后，最優(yōu)估計(jì)值逐漸接近于真實(shí)值xk[7]。

基于卡爾曼濾波器的蓄電池剩余容量估算法能較好地跟蹤實(shí)際值，避免了以往剩余容量估算法誤差較大、跟蹤滯后等缺點(diǎn)，對(duì)單一的利用SOC-OCV曲線查找剩余容量法進(jìn)行了修正，在充放電電流較大時(shí)能較快地得到估算值[8]。

3.3軟件關(guān)鍵技術(shù)

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集中地，客戶端獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的來(lái)源。采用共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)，所有的數(shù)據(jù)以內(nèi)存影射文件的方式在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中交互。按照統(tǒng)一格式，統(tǒng)一編排，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)位表，按照不同的內(nèi)存地址組織數(shù)據(jù)，采用CMutex互斥體類來(lái)建立同步鎖，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)并發(fā)控制。

(2)數(shù)據(jù)分析服務(wù)。該服務(wù)包含兩方面的內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)源來(lái)自于實(shí)時(shí)庫(kù)。數(shù)據(jù)處理功能指的是動(dòng)態(tài)分析每個(gè)量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效性，防止非法數(shù)據(jù)入庫(kù)。數(shù)據(jù)分析功能則是實(shí)時(shí)分析每個(gè)量測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前數(shù)據(jù)品質(zhì)，形成量測(cè)品質(zhì)表；實(shí)時(shí)分析開(kāi)關(guān)量變位信息，形成SOE。量測(cè)品質(zhì)可以細(xì)化為表2中所示類型。

表2　量測(cè)品質(zhì)表

(3)系統(tǒng)流程。上位機(jī)控制軟件是基于WIN32平臺(tái)的WINDOWS程序，它的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Micorosoft Visual Studio 2010。程序框架為微軟基礎(chǔ)類庫(kù)MFC，在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和向后兼容性問(wèn)題，其基本流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

(4)規(guī)約處理。各種接口規(guī)約的處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了插件技術(shù)，即通過(guò)統(tǒng)一的程序接口來(lái)調(diào)用不同的模塊，以實(shí)現(xiàn)不同功能的調(diào)用，用來(lái)擴(kuò)充主程序的功能。

這個(gè)統(tǒng)一的程序接口采用C++的抽象類實(shí)現(xiàn)，宿主程序和插件通過(guò)這個(gè)約定的抽象類進(jìn)行通信，插件程序通過(guò)對(duì)抽象類的繼承，重寫類的所有純虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能。插件的實(shí)現(xiàn)形式是動(dòng)態(tài)庫(kù)，宿主程序通過(guò)動(dòng)態(tài)加載規(guī)約庫(kù)的方式，使系統(tǒng)規(guī)約的接入具有靈活性和可擴(kuò)展性，規(guī)約處理流程圖如圖5。

4　結(jié)論

應(yīng)用先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)一的通信信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)直流電源設(shè)備的狀態(tài)檢修是智能化變電站的發(fā)展趨勢(shì)和必然要求。在應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮系統(tǒng)的高可靠性，提高系統(tǒng)抗干擾措施和故障恢復(fù)能力，壓縮系統(tǒng)成本，真正實(shí)現(xiàn)直流設(shè)備的智能化管理和狀態(tài)檢修。

圖5　規(guī)約處理流程圖

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Research on crucial technology of on-line monitoring system in station DC power

LI Bing-yu1,CHEN Xiao-dong1,FAN Hui1,MIAO Jun-jie2
(1.State GRID Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang Hebei 050021,China;2.State GRID Hebei Electric Co.Ltd,Shijiazhuang Hebei 050021,China)

The development of DC on-line monitoring technology is the basis for the realization of CBM for DC Power. The key technologies of on-line monitoring system and its application of Southern Hebei power substation DC power supply were researched.Three grade construction scheme and system of DC online monitoring system at the provincial level,municipal,power plant was proposed.The data acquisition layer,data transparent transmission layer and the monitoring center management framework based on research data were introduced.A battery resistance of multi cycle group testing technology was researched,a kind of on-line remaining capacity testing method for battery based on state space prediction theory was proposed,and the key technology and the work flow of the system software was described.The system plays an important role to obtain the health status for DC equipment.

DC power;on-line monitoring;CBM;internal resistance;SOC;Kalman filter

TM 7

A

1002-087 X(2016)10-2064-04

2016-03-18

李秉宇(1981—)，男，河北省人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電源檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)。