錢 進，張 云，馮力勇

( 能建時代(上海)新型儲能技術研究院有限公司，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。儲能EMS的主要功能是通過自動化的方式，對儲能電站的設備進行實時監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化運行，提高儲能電站的經(jīng)濟性和可靠性。

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

信號自動巡視技術是一種通過自動化的方式，對EMS 系統(tǒng)中監(jiān)控畫面上的數(shù)據(jù)信號進行實時分析與統(tǒng)計，以EMS 數(shù)據(jù)采集、品質判斷功能為基礎，對全站設備進行自動監(jiān)控運維的手段，可以實時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的異常情況，及時進行處理，避免了因設備故障而導致電站停運。

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[6]，在集控系統(tǒng)的應用功能中提出并應用了監(jiān)控信號自動巡視技術，試點項目應用情況表明：采用信號自動巡視可以替代監(jiān)控人員開展畫面監(jiān)盤工作，明顯提高設備運維效率[7]。

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

1 儲能EMS

1.1 定義

儲能EMS 系統(tǒng)是一種集軟硬件于一體的自動化系統(tǒng)，用于監(jiān)控和控制儲能電站的各類設備。通過對全站數(shù)據(jù)進行采集、處理及分析，實時監(jiān)測儲能電站設備的運行狀態(tài)，結合電站的環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)儲能系統(tǒng)中的潛在問題，制定優(yōu)化調度控制策略，以提高儲能電站的經(jīng)濟性和可靠性。

1.2 網(wǎng)絡拓撲

儲能EMS 系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務器、AGC/AVC服務器、操作員站、工程師站、網(wǎng)關機等服務器和網(wǎng)絡設備組成，如圖1 所示，采用雙機雙網(wǎng)冗余配置以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。其中數(shù)據(jù)服務器、AGC/AVC 服務器、操作員站均為雙機冗余配置，站控層與間隔層網(wǎng)絡均雙網(wǎng)配置。

圖1 EMS系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

1.3 儲能EMS的主要功能

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

1)數(shù)據(jù)采集：儲能EMS 系統(tǒng)通過各種傳感器和設備，實時采集儲能電站中各類設備的運行數(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)是儲能EMS 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和調度與控制的基礎。

2)數(shù)據(jù)處理：儲能EMS 系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)據(jù)濾波、工程值轉換、計算量合成等，經(jīng)過處理后獲得儲能電站電池、BMS、PCS 等設備的實時數(shù)據(jù)，從而判斷全站的運行狀態(tài)和趨勢。

3)調度與控制：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果，儲能EMS 系統(tǒng)制定出最優(yōu)的運行策略，包括設備的啟停、調整充放電策略等。根據(jù)運行策略，對相關設備進行控制，通過合理地使用電池，減少電池的過度衰減，保障儲能自身的經(jīng)濟性。

2 信號自動巡視實現(xiàn)方案

2.1 模塊劃分

為了實現(xiàn)監(jiān)控畫面信號的自動巡視，需要在EMS 系統(tǒng)中增加3 個模塊，分別是圖形文件解析模塊、巡視任務執(zhí)行模塊和巡視結果展示模塊。

圖形文件解析模塊從監(jiān)控圖形文件模型中讀取關聯(lián)信號點的數(shù)據(jù)庫ID，并以動態(tài)庫接口的方式提供給巡視任務執(zhí)行模塊調用。

巡視任務執(zhí)行模塊根據(jù)圖形文件解析模塊提取的數(shù)據(jù)點ID，從數(shù)據(jù)庫中讀取對應設備的實時運行數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)品質的具體類型并進行統(tǒng)計。將統(tǒng)計結果生成json 格式數(shù)據(jù)流，提供給巡視結果展示模塊進行展示。

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

2.2 實現(xiàn)過程

畫面信號自動巡視的實現(xiàn)過程可以分為以下6 步。

1)第一步：解析畫面上關聯(lián)的數(shù)據(jù)點。首先需要解析監(jiān)控畫面上所顯示的數(shù)據(jù)所關聯(lián)的數(shù)據(jù)庫中的信號點ID。在繪制組態(tài)畫面時，會將畫面上的數(shù)據(jù)圖元和數(shù)據(jù)庫中的信號點相關聯(lián)，以便在監(jiān)控畫面上能夠顯示該信號點的實時運行狀態(tài)數(shù)值，所以只要按照組態(tài)文件的生成格式進行解析，就能得到數(shù)據(jù)點的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)控畫面上一個斷路器圖元，keyid 屬性值“296352743701”就是該斷路器狀態(tài)信號點在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)點的ID 并讀取值和品質。從畫面中得到數(shù)據(jù)點的ID 之后，系統(tǒng)將使用這些ID 從實時數(shù)據(jù)庫中讀取相應數(shù)據(jù)點的當前值和數(shù)據(jù)品質，創(chuàng)建該數(shù)據(jù)點的品質變量Q。

3)第三步：識別數(shù)據(jù)點的品質標志，進行特征值分析。對每個數(shù)據(jù)點的品質標志進行按位比對，以識別出數(shù)據(jù)點具體的品質類型。對于與電池相關的數(shù)據(jù)點，使用健康評價模型分析數(shù)據(jù)，并對電池的健康狀態(tài)進行評估。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)計自動巡視結果并輸出到功能界面。在巡視過程中，系統(tǒng)會積累各個數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計信息，并將其匯總為自動巡視的結果。這些統(tǒng)計信息包括故障數(shù)量、異常數(shù)據(jù)點的數(shù)量、健康評估結果等。

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

6)第六步：生成自動巡視報告并進行存儲。最后一步是生成自動巡視報告，并將其存儲起來供后續(xù)檢索和分析。自動巡視報告包括巡視結果的詳細說明、數(shù)據(jù)點的數(shù)值和品質信息、健康評估結果、異常情況的記錄等內容。

信號自動巡視的工作流程如圖3 所示。

圖3 信號自動巡視流程

3 儲能EMS中自動巡視技術的應用

3.1 應用場景

3.1.1 數(shù)據(jù)品質自動巡視

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

表1 品質變量Q比特位定義

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

2)測試數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)是指在系統(tǒng)測試或調試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當bit2 的數(shù)值為1 時，表示數(shù)據(jù)是測試過程中生成的，可能與真實環(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，當某個傳感器數(shù)據(jù)不可用時，由其他傳感器或模型生成的替代數(shù)據(jù)。當bit3 的數(shù)值為1 時，表示當前數(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)的更新頻率低于設定值或數(shù)據(jù)未及時更新。當bit4 的數(shù)值為1 時，表示數(shù)據(jù)未能及時刷新或更新，不能反映當前狀態(tài)，可能是由于通信通道故障導致的。

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。當對應bit5的數(shù)值為1時，表示多源的數(shù)據(jù)信號存在不一致的情況，可能需要進一步檢查和調整。

6)可疑：可疑是指數(shù)據(jù)可能存在異?；虿淮_定性，需要進一步驗證或確認。當bit6 的數(shù)值為1 時，表示數(shù)據(jù)具有可疑性質，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bit7 的數(shù)值為1 時，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導致的。

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

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，監(jiān)控員通過觀察圖元的顏色識別品質類型。自動巡視技術通過周期性地分析采集信號點的品質變量，比對字節(jié)的每一個比特位的數(shù)值，識別該信號點當前的品質類型，實現(xiàn)EMS 系統(tǒng)自動巡視數(shù)據(jù)品質的目的。

3.1.2 電池健康狀態(tài)自動巡視

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)自身的運行狀況，可以作為BMS 系統(tǒng)SOH 評價的有效補充。

在鋰離子電池的儲能電站中，電池設備的關鍵運行數(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、電池簇開關狀態(tài)、BMS 告警信息等。將上述設備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，獲取設備健康狀態(tài)特征值，形成設備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，考慮設備原理和設備參數(shù)等因素進行大數(shù)據(jù)挖掘，得到設備健康狀態(tài)模型。

通過自動巡視電池設備關鍵運行數(shù)據(jù)，使用健康評估模型以評價電池的健康狀態(tài)，電池健康狀態(tài)如圖4 所示。其中：當電池的健康等級低于P 點，表示該電池的性能開始下降；當?shù)陀贔 點時，表示電池失效損壞。

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

3.2 功能界面

自動巡視功能界面以表格視圖的形式呈現(xiàn)巡視結果信息(如圖5 所示)，其中的表頭包括巡視開始時間、巡視結束時間、巡視結果和巡視任務狀態(tài)等。在自動巡視功能界面中，用戶可以直觀查看巡視任務的基本信息和狀態(tài)，方便進行任務管理和監(jiān)控?？梢园凑諘r間順序查看巡視任務的起止時間，了解每項任務的耗時情況。同時，巡視結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 自動巡視功能界面

4 應用情況

本文選取某大型新能源基地項目作為應用實例，該基地前期建設工程包括2 座儲能電站，容量分別為1#站50 MW/100 MWh 和2#站75 MW/150 MWh。這2 個儲能電站都部署有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，識別畫面上關聯(lián)數(shù)據(jù)點的異常信息。當監(jiān)控員在BMS、PCS 總覽畫面上發(fā)現(xiàn)對應設備圖元閃爍時，手動切換至該設備的監(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，然后在該數(shù)據(jù)點上彈出右鍵菜單查看該數(shù)據(jù)點詳細的異常類型。在數(shù)據(jù)點數(shù)和監(jiān)控畫面更多的2#EMS 系統(tǒng)中部署信號自動巡視功能，采用自動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)異常所需要的時間(見表3 所列)，每種情況分別記錄3 次，取平均時間作為測試結果。

表3 異常數(shù)據(jù)識別測試記錄

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

5 結語

通過對信號自動巡視技術在儲能EMS 系統(tǒng)中的應用進行深入研究，發(fā)現(xiàn)該技術在識別異常數(shù)據(jù)方面比常規(guī)的人工監(jiān)盤方式效率提升超過100%。特別是當同時出現(xiàn)多個異常時，常規(guī)監(jiān)盤方式耗費的時間成倍地增加，難以及時地發(fā)現(xiàn)故障。而通過自動巡視功能的應用，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)的運行效率和可靠性。

當前，儲能EMS 系統(tǒng)中的自動巡視功能尚停留在對采集信號點的異常數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)階段，能夠自動發(fā)現(xiàn)并統(tǒng)計設備故障。下一步需要在儲能電站EMS 系統(tǒng)與輔控系統(tǒng)、運檢系統(tǒng)的設備一體化建模以及系統(tǒng)融合方面開展研究，在自動巡視結果的基礎上，提取故障設備信息，聯(lián)動輔控系統(tǒng)或運檢系統(tǒng)執(zhí)行解決故障的方案或者自動生成處理工單，助力儲能電站最終實現(xiàn)無人值守。