變電站直流電源在線監測系統關鍵技術研究

李秉宇，陳曉東，范　輝，苗俊杰

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北石家莊050021；2.國網河北省電力公司，河北石家莊050021)

變電站直流電源在線監測系統關鍵技術研究

李秉宇1，陳曉東1，范輝1，苗俊杰2

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北石家莊050021；2.國網河北省電力公司，河北石家莊050021)

直流電源在線監測技術的發展是實現電力直流電源系統狀態檢修的基礎。研究了河北南部電網變電站直流電源在線監測系統的建設方案和應用的關鍵技術，提出了直流在線監測系統省級、地市級、電站三級建設方案及系統組成，介紹了基于數據采集層、數據透明轉發層和監控中心管理層的數據架構，研究了蓄電池內阻多循環分組測試技術，提出了一種基于狀態空間預測理論的蓄電池剩余容量在線測試方法，介紹了系統軟件的關鍵技術和工作流程，系統的運行對掌握直流設備的健康狀況具有重要作用。

直流電源；在線監測；狀態檢修；內阻；剩余容量；卡爾曼濾波

應用先進的計算機技術、網絡光纖通信技術及設備監測診斷技術，將分散的直流電源信息由人工巡檢變為在線實時監測、集中采集、自動分析診斷及遠程控制，實現先進的電力直流電源系統狀態檢修(CBM,condition based maintenance),是電力系統的重要發展方向和關鍵技術之一，也是實現智能電網的技術之一，可有效提高電網運行安全水平，減員增效[1]。

本文介紹了河北南部電網直流電源在線監測系統的建設方案和關鍵技術，提出了蓄電池內阻和容量的在線測試方法，系統的運行對掌握直流設備的健康狀況具有重要作用。

1　直流在線監測系統建設方案

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計、一體化配置、一體化監控，通過統一的智能網絡平臺，實現變電站電源的集中供電和統一的監控管理，進而實現在線的狀態檢測。其運行工況和信息數據能通過一體化監控單元展示并轉換為標準模型數據，以標準IEC61850格式接入當地自動化系統的站控層交換機，并上傳至遠方控制中心[2]。

直流電源在線監測系統分為三層，一層為省公司主站系統，二層為地市公司子站系統，三層為變電站站端設備。主站系統包括數據服務器、高級分析終端、瀏覽終端，用于直流電源系統數據分析、故障統計和設備健康狀態評價診斷，設于省公司設備狀態評價中心。子站系統包括數據服務器、監控與維護終端、瀏覽終端，用于直流電源設備在線監測、遠程維護，設于各地市公司運檢部或工區。變電站站端設備包括監控裝置、電池管理單元、通信單元、恒流放電裝置、開關量監測單元、充電機特性監測單元、規約轉換單元及其他信息單元組成，用于直流電源設備的各種信號采集、運行方式的切換、電池組的測量和維護。

直流電源在線監控維護系統通信模型必須基于光纖以太網，通過TCP/IP方式與各個子站和主站通信。直流電源在線監控維護系統組成如圖1所示。

圖1　直流電源在線監測維護系統組成

2　系統數據構架

直流電源系統狀態監測管理系統自上而下分為三層：數據采集層、數據透明轉發和協議轉換層、遠方監控中心管理分析層。

2.1數據采集層

數據采集層主要實現對直流系統設備運行數據、狀態的采集，并通過RS232、RS485串口總線將數據傳送到數據透明轉發層，同時接收監控中心下達指令對現場直流設備進行控制操作。主要包括蓄電池組運行狀態監測設備，直流電源參數監測設備，絕緣狀況在線監測設備等。蓄電池運行狀態監測設備可在線監測每節電池的電壓、內阻、電池總電壓、充放電電流、溫度等，并綜合蓄電池的特性參數，估算蓄電池的剩余容量，從而判斷蓄電池的健康狀態。

2.2數據透明轉發和協議轉換層

數據透明轉發技術無需對數據進行解釋，不必在現場編寫協議轉化程序，直接將各種協議的設備數據轉化為符合網絡通信協議的數據包，滿足各種協議的兼容性，同時支持NET網絡地址轉發，解決網絡設備IP地址不夠的問題。

現場各種數據采集設備通過RS232、RS485串口連接到設備運行狀態采集設備EII(equipment information instrument)。EII設備采用Linux2.2.20操作系統，利用數據透明轉發技術將各種協議數據轉換為符合TCP/IP通信協議的數據包，通過RJ45輸出端口接入以太網，實現直流設備數據的統一傳輸。

2.3直流設備信息管理分析層

直流設備信息管理分析層包括上位機直流設備信息管理分析系統及遠程WEB服務器。遠程WEB服務器中的后臺數據采集查詢綜合分析系統，通過局域網傳輸手段，將所采集數據信息送入遠程服務器數據庫中，并通過接收軟件對不同通信協議的程序進行解釋、接收、處理，并保存在數據庫中，通過WEB發布的形式供用戶查詢[3]。

遠程WEB服務器和變電站數據透明轉發設備的通信采用后臺C/S構架的監控軟件，和現場設備運行狀態采集設備發送通信命令，接收和處理回送的設備運行狀態信息數據，解釋并放入開放式實時數據庫。遠程WEB服務器與IE瀏覽器的通迅采用B/S形式的WEB發布軟件，對數據庫的數據進行分析、處理并進行WEB發布，工程技術人員通過監控中心管理分析軟件可查看各變電站實時運行狀態、分析歷史數據、查看故障告警信息，預測和評估蓄電池狀態，實現對直流設備的在線狀態監測管理[4]。

3　監測系統關鍵技術

3.1內阻測試技術

由于電池的內阻與其本身容量有著非線性關系，利用電池內阻參數參與預測電池的性能，能夠節省對蓄電池性能的評估周期和費用。通過對大量的各種類型電池的測試表明，如果電池的內阻增至高于其基準值，即電池在最佳狀態下的內阻值的30%～50%時，電池的容量將低于80%。常用內阻測試方法比較如表1所示。

表1　內阻測試方法對比表

針對以上幾種方法的優缺點，提出了一種多循環分組內阻在線測試技術(見圖2)。該技術在瞬間直流電流放電法測量內阻的基礎上，利用光電繼電器將電池組分成多個循環組，每次測量內阻時對一個循環組進行放電，最大程度地減輕了瞬間放電對直流母線電壓的影響。在放電過程中，系統采集單元高速采集每節電池的放電曲線，通過計算放電結束后的恢復電壓與放電時的瞬時電壓的壓差，根據壓差與放電電流得出每節電池的內阻。蓄電池多循環內阻測試需要通過一個完整的蓄電池在線監測系統來實現，該系統由采集單元、內阻單元、通訊管理單元及服務器組網構成，其中內阻單元內置恒流電路，采用大功率進口IGBT模塊，蓄電池內阻線按循環與內阻單元連接，通過軟件控制內阻單元中每個循環的繼電器與大功率IGBT模塊導通與關斷，實現恒流放電，完成內阻循環測試。

圖2　蓄電池內阻多循環分組測試原理圖

3.2蓄電池容量在線測試技術

電池的容量是蓄電池故障的集中表現，通過對容量的預測可以實現蓄電池故障的早期預測。傳統的剩余容量估算法采用開路電壓、溫度、內阻和充放電電流等參數對蓄電池容量進行簡單預測估算，存在測試精度低、速度慢等缺點。

本系統利用基于狀態空間預測理論的卡爾曼濾波器對蓄電池剩余容量進行預測。卡爾曼濾波是一種遞推線性最小方差估計，利用上一時刻的估計，再加上實時得到的量來進行實時估計[5]。在采用簡化的蓄電池模型的基礎上(見圖3)，考慮到內阻和極化效應對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　簡化電池模型

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

通過蓄電池內阻和極化效應的修正得到電池系統的觀測方程為：

式中：xk為蓄電池剩余容量；Pk為極化效應；OCV為開路電壓；Rk為蓄電池內阻；Ik為充放電電流。

根據已知的狀態方程和觀測方程，在均方誤差最小的準則下，用狀態向量的先驗估計值、觀測值與相應的誤差估計去修正先驗估計值，得到最優估計值(不是真實值)，并能估計出相應的誤差與下一步的。如此循環迭代，估計出整個過程及其相應的誤差。經過有限次的迭代之后，最優估計值逐漸接近于真實值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，對單一的利用SOC-OCV曲線查找剩余容量法進行了修正，在充放電電流較大時能較快地得到估算值[8]。

3.3軟件關鍵技術

(1)實時數據庫。實時數據庫是整個系統的核心部分，是系統實時數據的集中地，客戶端獲取實時數據的來源。采用共享內存的方式實現，所有的數據以內存影射文件的方式在計算機內存中交互。按照統一格式，統一編排，形成數據點位表，按照不同的內存地址組織數據，采用CMutex互斥體類來建立同步鎖，實現了實時數據庫的數據并發控制。

(2)數據分析服務。該服務包含兩方面的內容：數據處理和數據分析，數據源來自于實時庫。數據處理功能指的是動態分析每個量測點數據的有效性，防止非法數據入庫。數據分析功能則是實時分析每個量測點的當前數據品質，形成量測品質表；實時分析開關量變位信息，形成SOE。量測品質可以細化為表2中所示類型。

表2　量測品質表

(3)系統流程。上位機控制軟件是基于WIN32平臺的WINDOWS程序，它的開發環境為Micorosoft Visual Studio 2010。程序框架為微軟基礎類庫MFC，在程序的設計過程中，充分考慮了系統的可擴展性和向后兼容性問題，其基本流程圖如圖4所示。

圖4　系統流程圖

(4)規約處理。各種接口規約的處理是數據采集系統的技術重點。本系統采用了插件技術，即通過統一的程序接口來調用不同的模塊，以實現不同功能的調用，用來擴充主程序的功能。

這個統一的程序接口采用C++的抽象類實現，宿主程序和插件通過這個約定的抽象類進行通信，插件程序通過對抽象類的繼承，重寫類的所有純虛函數來實現特定功能。插件的實現形式是動態庫，宿主程序通過動態加載規約庫的方式，使系統規約的接入具有靈活性和可擴展性，規約處理流程圖如圖5。

4　結論

應用先進的在線監測技術，通過統一的通信信息平臺實現直流電源設備的狀態檢修是智能化變電站的發展趨勢和必然要求。在應用先進技術的同時，應同時考慮系統的高可靠性，提高系統抗干擾措施和故障恢復能力，壓縮系統成本，真正實現直流設備的智能化管理和狀態檢修。

圖5　規約處理流程圖

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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，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力系統電源檢測與評價技術。