監控畫面信號自動巡視技術在電化學儲能EMS 中的應用

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(energy management system，EMS)的應用越來越廣泛，尤其是在電力系統中，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視和控制，以實現儲能系統的優化運行，提高儲能電站的經濟性和可靠性。

近年來，隨著含高比例新能源的新型電力系統建設工作的推進，大規模儲能技術已成為支撐新型電力系統建設的關鍵技術[1-3]，儲能電站容量規模也不斷增大，有向吉瓦時級發展的趨勢[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。據統計，吉瓦時級儲能需要監控的數據信號達到數百萬點的量級，監控畫面超過1 000 幅。如何從海量監控數據中快速地識別異常數據，高效地監控和控制吉瓦時級儲能電站各類設備的運行，確保儲能系統的穩定和安全，已經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 系統中監控畫面上的數據信號進行實時分析與統計，以EMS 數據采集、品質判斷功能為基礎，對全站設備進行自動監控運維的手段，可以實時發現系統中的異常情況，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，國家電網有限公司組織開展了新一代變電站集中監控系統的建設[6]，在集控系統的應用功能中提出并應用了監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控人員開展畫面監盤工作，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數據監控運行效率和可靠性方面的作用，以期為儲能電站的優化運行提供技術支撐。

1 儲能EMS

1.1 定義

儲能EMS 系統是一種集軟硬件于一體的自動化系統，用于監控和控制儲能電站的各類設備。通過對全站數據進行采集、處理及分析，實時監測儲能電站設備的運行狀態，結合電站的環境條件，發現儲能系統中的潛在問題，制定優化調度控制策略，以提高儲能電站的經濟性和可靠性。

1.2 網絡拓撲

儲能EMS 系統由數據服務器、AGC/AVC服務器、操作員站、工程師站、網關機等服務器和網絡設備組成，如圖1 所示，采用雙機雙網冗余配置以保證系統運行的穩定性和可靠性。其中數據服務器、AGC/AVC 服務器、操作員站均為雙機冗余配置，站控層與間隔層網絡均雙網配置。

圖1 EMS系統網絡拓撲

1.3 儲能EMS的主要功能

對儲能EMS 在數據采集、數據處理、調度與控制的主要功能分述如下。

1)數據采集：儲能EMS 系統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據，包括電池的充放電狀態、溫度、電壓、電流，PCS 的電壓、電流、功率等數據。這些數據是儲能EMS 系統進行數據處理和調度與控制的基礎。

2)數據處理：儲能EMS 系統對采集到的數據進行處理，包括數據濾波、工程值轉換、計算量合成等，經過處理后獲得儲能電站電池、BMS、PCS 等設備的實時數據，從而判斷全站的運行狀態和趨勢。

3)調度與控制：根據數據處理的結果，儲能EMS 系統制定出最優的運行策略，包括設備的啟停、調整充放電策略等。根據運行策略，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，保障儲能自身的經濟性。

2 信號自動巡視實現方案

2.1 模塊劃分

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

圖形文件解析模塊從監控圖形文件模型中讀取關聯信號點的數據庫ID，并以動態庫接口的方式提供給巡視任務執行模塊調用。

巡視任務執行模塊根據圖形文件解析模塊提取的數據點ID，從數據庫中讀取對應設備的實時運行數據，識別數據品質的具體類型并進行統計。將統計結果生成json 格式數據流，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行的數據進行匯總，并以表格視圖的方式進行展示并輸出巡視報告，便于監控人員查看和分析。

2.2 實現過程

畫面信號自動巡視的實現過程可以分為以下6 步。

1)第一步：解析畫面上關聯的數據點。首先需要解析監控畫面上所顯示的數據所關聯的數據庫中的信號點ID。在繪制組態畫面時，會將畫面上的數據圖元和數據庫中的信號點相關聯，以便在監控畫面上能夠顯示該信號點的實時運行狀態數值，所以只要按照組態文件的生成格式進行解析，就能得到數據點的ID。組態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控畫面上一個斷路器圖元，keyid 屬性值“296352743701”就是該斷路器狀態信號點在EMS 系統數據庫中的ID。

圖2 組態畫面文件模型片段

2)第二步：提取數據點的ID 并讀取值和品質。從畫面中得到數據點的ID 之后，系統將使用這些ID 從實時數據庫中讀取相應數據點的當前值和數據品質，創建該數據點的品質變量Q。

3)第三步：識別數據點的品質標志，進行特征值分析。對每個數據點的品質標志進行按位比對，以識別出數據點具體的品質類型。對于與電池相關的數據點，使用健康評價模型分析數據，并對電池的健康狀態進行評估。這一步可以幫助檢測潛在的問題或異常情況。

4)第四步：統計自動巡視結果并輸出到功能界面。在巡視過程中，系統會積累各個數據點的統計信息，并將其匯總為自動巡視的結果。這些統計信息包括故障數量、異常數據點的數量、健康評估結果等。

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

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檢索和分析。自動巡視報告包括巡視結果的詳細說明、數據點的數值和品質信息、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 數據品質自動巡視

品質變量Q是用一個字節型的變量，是EMS 系統中數據品質的標志，品質判斷是EMS系統的基本功能，數據處理模塊完成品質判定后將品質數值賦予變量Q。這個字節型變量共有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、測試數據、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：人工置數是指手動填充或設定的數據值。當bit1 的數值為1 時，表示數據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)測試數據：測試數據是指在系統測試或調試過程中產生的數據。當bit2 的數值為1 時，表示數據是測試過程中生成的，可能與真實環境下的數據有所不同。

3)取代：取代是指在采集過程中，當某個傳感器數據不可用時，由其他傳感器或模型生成的替代數據。當bit3 的數值為1 時，表示當前數據是由取代操作生成的。

4)不刷新：不刷新是指數據的更新頻率低于設定值或數據未及時更新。當bit4 的數值為1 時，表示數據未能及時刷新或更新，不能反映當前狀態，可能是由于通信通道故障導致的。

5)不一致：不一致是指多源數據之間存在矛盾或不一致的情況。當對應bit5的數值為1時，表示多源的數據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：可疑是指數據可能存在異常或不確定性，需要進一步驗證或確認。當bit6 的數值為1 時，表示數據具有可疑性質，需要在分析過程中予以特別注意。

7)不變化：不變化是指數據保持穩定且沒有變化的情況。當bit7 的數值為1 時，表示數據沒有發生變化，可能是由于傳感器故障或其他原因導致的。

8)抖動：抖動是指數據不穩定，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 的數值為1 時，表示數據存在抖動的問題，需要檢查傳感器接線是否松動。

EMS 系統在監控畫面上以圖元的顏色區分不同的數據品質，監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，比對字節的每一個比特位的數值，識別該信號點當前的品質類型，實現EMS 系統自動巡視數據品質的目的。

3.1.2 電池健康狀態自動巡視

在EMS 系統層面開展電池健康狀態的評估，其評估模型中考慮了BMS 系統自身的運行狀況，可以作為BMS 系統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據包括單體電芯電壓、單體電芯溫度、電池組電壓、電池組溫度、電池簇開關狀態、BMS 告警信息等。將上述設備狀態數據進行處理，獲取設備健康狀態特征值，形成設備健康狀態數據庫，考慮設備原理和設備參數等因素進行大數據挖掘，得到設備健康狀態模型。

通過自動巡視電池設備關鍵運行數據，使用健康評估模型以評價電池的健康狀態，電池健康狀態如圖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；當低于F 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點為電池失效點。圖4 電池健康狀態示意圖

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，方便進行任務管理和監控。可以按照時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，分別是1#EMS 系統和2#EMS 系統。2 套系統的基本信息見表2 所列。

表2 EMS系統基本信息

從表2 可以看出，1#EMS 系統使用常規監盤的方式，即由監控員通過查看監控畫面，識別畫面上關聯數據點的異常信息。當監控員在BMS、PCS 總覽畫面上發現對應設備圖元閃爍時，手動切換至該設備的監視分畫面，再通過分畫面上數據圖元的顯示顏色找到異常的數據點，然后在該數據點上彈出右鍵菜單查看該數據點詳細的異常類型。在數據點數和監控畫面更多的2#EMS 系統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據。

在2 套EMS 系統中分別模擬產生不同數量的異常數據，記錄2 套EMS 系統識別出數據異常所需要的時間(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 異常數據識別測試記錄

結果表明，采用了信號自動巡視技術的2#EMS 系統識別異常數據所需的時間明顯小于常規監盤方式的1#EMS 系統。特別是當同時出現多個異常數據時，采用常規監盤方式的1#EMS 系統所需要的時間成倍地增加，而采用自動巡視技術的2#EMS 系統則沒有明顯的變化，此時監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 系統中的應用進行深入研究，發現該技術在識別異常數據方面比常規的人工監盤方式效率提升超過100%。特別是當同時出現多個異常時，常規監盤方式耗費的時間成倍地增加，難以及時地發現故障。而通過自動巡視功能的應用，無論異常數據的數量如何變化，均能夠快速地感知識別，從而提高了系統的運行效率和可靠性。

當前，儲能EMS 系統中的自動巡視功能尚停留在對采集信號點的異常數據發現階段，能夠自動發現并統計設備故障。下一步需要在儲能電站EMS 系統與輔控系統、運檢系統的設備一體化建模以及系統融合方面開展研究，在自動巡視結果的基礎上，提取故障設備信息，聯動輔控系統或運檢系統執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無人值守。