变电站直流电源在线监测系统关键技术研究

李秉宇，陈晓东，范　辉，苗俊杰

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北石家庄050021；2.国网河北省电力公司，河北石家庄050021)

变电站直流电源在线监测系统关键技术研究

李秉宇1，陈晓东1，范辉1，苗俊杰2

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北石家庄050021；2.国网河北省电力公司，河北石家庄050021)

直流电源在线监测技术的发展是实现电力直流电源系统状态检修的基础。研究了河北南部电网变电站直流电源在线监测系统的建设方案和应用的关键技术，提出了直流在线监测系统省级、地市级、电站三级建设方案及系统组成，介绍了基于数据采集层、数据透明转发层和监控中心管理层的数据架构，研究了蓄电池内阻多循环分组测试技术，提出了一种基于状态空间预测理论的蓄电池剩余容量在线测试方法，介绍了系统软件的关键技术和工作流程，系统的运行对掌握直流设备的健康状况具有重要作用。

直流电源；在线监测；状态检修；内阻；剩余容量；卡尔曼滤波

应用先进的计算机技术、网络光纤通信技术及设备监测诊断技术，将分散的直流电源信息由人工巡检变为在线实时监测、集中采集、自动分析诊断及远程控制，实现先进的电力直流电源系统状态检修(CBM,condition based maintenance),是电力系统的重要发展方向和关键技术之一，也是实现智能电网的技术之一，可有效提高电网运行安全水平，减员增效[1]。

本文介绍了河北南部电网直流电源在线监测系统的建设方案和关键技术，提出了蓄电池内阻和容量的在线测试方法，系统的运行对掌握直流设备的健康状况具有重要作用。

1　直流在线监测系统建设方案

以直流操作电源为核心，将交流电源、直流操作电源、电力用交流不间断电源(UPS)或电力用逆变电源(INV)、通信用直流变换电源等组合为一体，全站交流、直流、UPS、通信等电源一体化设计、一体化配置、一体化监控，通过统一的智能网络平台，实现变电站电源的集中供电和统一的监控管理，进而实现在线的状态检测。其运行工况和信息数据能通过一体化监控单元展示并转换为标准模型数据，以标准IEC61850格式接入当地自动化系统的站控层交换机，并上传至远方控制中心[2]。

直流电源在线监测系统分为三层，一层为省公司主站系统，二层为地市公司子站系统，三层为变电站站端设备。主站系统包括数据服务器、高级分析终端、浏览终端，用于直流电源系统数据分析、故障统计和设备健康状态评价诊断，设于省公司设备状态评价中心。子站系统包括数据服务器、监控与维护终端、浏览终端，用于直流电源设备在线监测、远程维护，设于各地市公司运检部或工区。变电站站端设备包括监控装置、电池管理单元、通信单元、恒流放电装置、开关量监测单元、充电机特性监测单元、规约转换单元及其他信息单元组成，用于直流电源设备的各种信号采集、运行方式的切换、电池组的测量和维护。

直流电源在线监控维护系统通信模型必须基于光纤以太网，通过TCP/IP方式与各个子站和主站通信。直流电源在线监控维护系统组成如图1所示。

图1　直流电源在线监测维护系统组成

2　系统数据构架

直流电源系统状态监测管理系统自上而下分为三层：数据采集层、数据透明转发和协议转换层、远方监控中心管理分析层。

2.1数据采集层

数据采集层主要实现对直流系统设备运行数据、状态的采集，并通过RS232、RS485串口总线将数据传送到数据透明转发层，同时接收监控中心下达指令对现场直流设备进行控制操作。主要包括蓄电池组运行状态监测设备，直流电源参数监测设备，绝缘状况在线监测设备等。蓄电池运行状态监测设备可在线监测每节电池的电压、内阻、电池总电压、充放电电流、温度等，并综合蓄电池的特性参数，估算蓄电池的剩余容量，从而判断蓄电池的健康状态。

2.2数据透明转发和协议转换层

数据透明转发技术无需对数据进行解释，不必在现场编写协议转化程序，直接将各种协议的设备数据转化为符合网络通信协议的数据包，满足各种协议的兼容性，同时支持NET网络地址转发，解决网络设备IP地址不够的问题。

现场各种数据采集设备通过RS232、RS485串口连接到设备运行状态采集设备EII(equipment information instrument)。EII设备采用Linux2.2.20操作系统，利用数据透明转发技术将各种协议数据转换为符合TCP/IP通信协议的数据包，通过RJ45输出端口接入以太网，实现直流设备数据的统一传输。

2.3直流设备信息管理分析层

直流设备信息管理分析层包括上位机直流设备信息管理分析系统及远程WEB服务器。远程WEB服务器中的后台数据采集查询综合分析系统，通过局域网传输手段，将所采集数据信息送入远程服务器数据库中，并通过接收软件对不同通信协议的程序进行解释、接收、处理，并保存在数据库中，通过WEB发布的形式供用户查询[3]。

远程WEB服务器和变电站数据透明转发设备的通信采用后台C/S构架的监控软件，和现场设备运行状态采集设备发送通信命令，接收和处理回送的设备运行状态信息数据，解释并放入开放式实时数据库。远程WEB服务器与IE浏览器的通迅采用B/S形式的WEB发布软件，对数据库的数据进行分析、处理并进行WEB发布，工程技术人员通过监控中心管理分析软件可查看各变电站实时运行状态、分析历史数据、查看故障告警信息，预测和评估蓄电池状态，实现对直流设备的在线状态监测管理[4]。

3　监测系统关键技术

3.1内阻测试技术

由于电池的内阻与其本身容量有着非线性关系，利用电池内阻参数参与预测电池的性能，能够节省对蓄电池性能的评估周期和费用。通过对大量的各种类型电池的测试表明，如果电池的内阻增至高于其基准值，即电池在最佳状态下的内阻值的30%～50%时，电池的容量将低于80%。常用内阻测试方法比较如表1所示。

表1　内阻测试方法对比表

针对以上几种方法的优缺点，提出了一种多循环分组内阻在线测试技术(见图2)。该技术在瞬间直流电流放电法测量内阻的基础上，利用光电继电器将电池组分成多个循环组，每次测量内阻时对一个循环组进行放电，最大程度地减轻了瞬间放电对直流母线电压的影响。在放电过程中，系统采集单元高速采集每节电池的放电曲线，通过计算放电结束后的恢复电压与放电时的瞬时电压的压差，根据压差与放电电流得出每节电池的内阻。蓄电池多循环内阻测试需要通过一个完整的蓄电池在线监测系统来实现，该系统由采集单元、内阻单元、通讯管理单元及服务器组网构成，其中内阻单元内置恒流电路，采用大功率进口IGBT模块，蓄电池内阻线按循环与内阻单元连接，通过软件控制内阻单元中每个循环的继电器与大功率IGBT模块导通与关断，实现恒流放电，完成内阻循环测试。

图2　蓄电池内阻多循环分组测试原理图

3.2蓄电池容量在线测试技术

电池的容量是蓄电池故障的集中表现，通过对容量的预测可以实现蓄电池故障的早期预测。传统的剩余容量估算法采用开路电压、温度、内阻和充放电电流等参数对蓄电池容量进行简单预测估算，存在测试精度低、速度慢等缺点。

本系统利用基于状态空间预测理论的卡尔曼滤波器对蓄电池剩余容量进行预测。卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，利用上一时刻的估计，再加上实时得到的量来进行实时估计[5]。在采用简化的蓄电池模型的基础上(见图3)，考虑到内阻和极化效应对电池剩余容量的影响，建立基于卡尔曼滤波器的蓄电池修正模型。

图3　简化电池模型

分别以蓄电池剩余容量为状态向量和以电池电压为观测向量，建立电池的状态方程为[6]：

通过蓄电池内阻和极化效应的修正得到电池系统的观测方程为：

式中：xk为蓄电池剩余容量；Pk为极化效应；OCV为开路电压；Rk为蓄电池内阻；Ik为充放电电流。

根据已知的状态方程和观测方程，在均方误差最小的准则下，用状态向量的先验估计值、观测值与相应的误差估计去修正先验估计值，得到最优估计值(不是真实值)，并能估计出相应的误差与下一步的。如此循环迭代，估计出整个过程及其相应的误差。经过有限次的迭代之后，最优估计值逐渐接近于真实值xk[7]。

基于卡尔曼滤波器的蓄电池剩余容量估算法能较好地跟踪实际值，避免了以往剩余容量估算法误差较大、跟踪滞后等缺点，对单一的利用SOC-OCV曲线查找剩余容量法进行了修正，在充放电电流较大时能较快地得到估算值[8]。

3.3软件关键技术

(1)实时数据库。实时数据库是整个系统的核心部分，是系统实时数据的集中地，客户端获取实时数据的来源。采用共享内存的方式实现，所有的数据以内存影射文件的方式在计算机内存中交互。按照统一格式，统一编排，形成数据点位表，按照不同的内存地址组织数据，采用CMutex互斥体类来建立同步锁，实现了实时数据库的数据并发控制。

(2)数据分析服务。该服务包含两方面的内容：数据处理和数据分析，数据源来自于实时库。数据处理功能指的是动态分析每个量测点数据的有效性，防止非法数据入库。数据分析功能则是实时分析每个量测点的当前数据品质，形成量测品质表；实时分析开关量变位信息，形成SOE。量测品质可以细化为表2中所示类型。

表2　量测品质表

(3)系统流程。上位机控制软件是基于WIN32平台的WINDOWS程序，它的开发环境为Micorosoft Visual Studio 2010。程序框架为微软基础类库MFC，在程序的设计过程中，充分考虑了系统的可扩展性和向后兼容性问题，其基本流程图如图4所示。

图4　系统流程图

(4)规约处理。各种接口规约的处理是数据采集系统的技术重点。本系统采用了插件技术，即通过统一的程序接口来调用不同的模块，以实现不同功能的调用，用来扩充主程序的功能。

这个统一的程序接口采用C++的抽象类实现，宿主程序和插件通过这个约定的抽象类进行通信，插件程序通过对抽象类的继承，重写类的所有纯虚函数来实现特定功能。插件的实现形式是动态库，宿主程序通过动态加载规约库的方式，使系统规约的接入具有灵活性和可扩展性，规约处理流程图如图5。

4　结论

应用先进的在线监测技术，通过统一的通信信息平台实现直流电源设备的状态检修是智能化变电站的发展趋势和必然要求。在应用先进技术的同时，应同时考虑系统的高可靠性，提高系统抗干扰措施和故障恢复能力，压缩系统成本，真正实现直流设备的智能化管理和状态检修。

图5　规约处理流程图

[1]徐海明，王全胜.变电站直流电源设备使用与维护[M].北京：中国电力出版社，2007：1-201.

[2]马永光，陆振国，林永君.基于Internet的电厂远程实时监控系统[J].电网技术，2007，31(2)：80-83.

[3]赵树涛，李宝树，崔桂彦，等.基于计算机视觉的远程变电站状态监测与诊断新策略[J].电网技术，2005，29(6)：63-66.

[4]孟平，苏红根，王昭顺.B/S体系结构及其在测试管理系统中的应用[J].微电子学与计算机，2004，21(2)：25-28.

[5]姜建国，曹建中，高玉明.信号与系统分析基础[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]王斯成，陈子平.蓄电池剩余容量(SOC)数学模型探讨和在线测试仪的开发[J].太阳能学报，2008，26(2)：6-12.

[7]BHANGU B S,BENTLEY P,STONE D A,et al.Nonlinear observers for predicting state-of-charge and state-of-health of leadacid batteries for hybrid-electric vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,54(5):3.

[8]KALMAN R E.A new approach to linear filtering and prediction problems[J].Journal of Basic Engineering,2007,82:35-45.

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，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为电力系统电源检测与评价技术。