监控画面信号自动巡视技术在电化学储能EMS 中的应用

钱 进，张 云，冯力勇

( 能建时代(上海)新型储能技术研究院有限公司，上海 200032 )

0 引言

近年来，能量管理系统(energy management system，EMS)的应用越来越广泛，尤其是在电力系统中，EMS 的作用不可忽视。储能EMS的主要功能是通过自动化的方式，对储能电站的设备进行实时监视和控制，以实现储能系统的优化运行，提高储能电站的经济性和可靠性。

近年来，随着含高比例新能源的新型电力系统建设工作的推进，大规模储能技术已成为支撑新型电力系统建设的关键技术[1-3]，储能电站容量规模也不断增大，有向吉瓦时级发展的趋势[4-5]。储能EMS 在大容量储能电站的应用也面临着越来越大的挑战。据统计，吉瓦时级储能需要监控的数据信号达到数百万点的量级，监控画面超过1 000 幅。如何从海量监控数据中快速地识别异常数据，高效地监控和控制吉瓦时级储能电站各类设备的运行，确保储能系统的稳定和安全，已经成为当前的重要研究课题。

信号自动巡视技术是一种通过自动化的方式，对EMS 系统中监控画面上的数据信号进行实时分析与统计，以EMS 数据采集、品质判断功能为基础，对全站设备进行自动监控运维的手段，可以实时发现系统中的异常情况，及时进行处理，避免了因设备故障而导致电站停运。

自2021 年以来，国家电网有限公司组织开展了新一代变电站集中监控系统的建设[6]，在集控系统的应用功能中提出并应用了监控信号自动巡视技术，试点项目应用情况表明：采用信号自动巡视可以替代监控人员开展画面监盘工作，明显提高设备运维效率[7]。

本文对在储能EMS 中应用监控画面信号自动巡视技术开展研究，探讨其在提高储能EMS数据监控运行效率和可靠性方面的作用，以期为储能电站的优化运行提供技术支撑。

1 储能EMS

1.1 定义

储能EMS 系统是一种集软硬件于一体的自动化系统，用于监控和控制储能电站的各类设备。通过对全站数据进行采集、处理及分析，实时监测储能电站设备的运行状态，结合电站的环境条件，发现储能系统中的潜在问题，制定优化调度控制策略，以提高储能电站的经济性和可靠性。

1.2 网络拓扑

储能EMS 系统由数据服务器、AGC/AVC服务器、操作员站、工程师站、网关机等服务器和网络设备组成，如图1 所示，采用双机双网冗余配置以保证系统运行的稳定性和可靠性。其中数据服务器、AGC/AVC 服务器、操作员站均为双机冗余配置，站控层与间隔层网络均双网配置。

图1 EMS系统网络拓扑

1.3 储能EMS的主要功能

对储能EMS 在数据采集、数据处理、调度与控制的主要功能分述如下。

1)数据采集：储能EMS 系统通过各种传感器和设备，实时采集储能电站中各类设备的运行数据，包括电池的充放电状态、温度、电压、电流，PCS 的电压、电流、功率等数据。这些数据是储能EMS 系统进行数据处理和调度与控制的基础。

2)数据处理：储能EMS 系统对采集到的数据进行处理，包括数据滤波、工程值转换、计算量合成等，经过处理后获得储能电站电池、BMS、PCS 等设备的实时数据，从而判断全站的运行状态和趋势。

3)调度与控制：根据数据处理的结果，储能EMS 系统制定出最优的运行策略，包括设备的启停、调整充放电策略等。根据运行策略，对相关设备进行控制，通过合理地使用电池，减少电池的过度衰减，保障储能自身的经济性。

2 信号自动巡视实现方案

2.1 模块划分

为了实现监控画面信号的自动巡视，需要在EMS 系统中增加3 个模块，分别是图形文件解析模块、巡视任务执行模块和巡视结果展示模块。

图形文件解析模块从监控图形文件模型中读取关联信号点的数据库ID，并以动态库接口的方式提供给巡视任务执行模块调用。

巡视任务执行模块根据图形文件解析模块提取的数据点ID，从数据库中读取对应设备的实时运行数据，识别数据品质的具体类型并进行统计。将统计结果生成json 格式数据流，提供给巡视结果展示模块进行展示。

巡视结果展示模块将巡视执行的数据进行汇总，并以表格视图的方式进行展示并输出巡视报告，便于监控人员查看和分析。

2.2 实现过程

画面信号自动巡视的实现过程可以分为以下6 步。

1)第一步：解析画面上关联的数据点。首先需要解析监控画面上所显示的数据所关联的数据库中的信号点ID。在绘制组态画面时，会将画面上的数据图元和数据库中的信号点相关联，以便在监控画面上能够显示该信号点的实时运行状态数值，所以只要按照组态文件的生成格式进行解析，就能得到数据点的ID。组态画面文件的模型片段如图2 所示。其中，图2第三行所描述的是监控画面上一个断路器图元，keyid 属性值“296352743701”就是该断路器状态信号点在EMS 系统数据库中的ID。

图2 组态画面文件模型片段

2)第二步：提取数据点的ID 并读取值和品质。从画面中得到数据点的ID 之后，系统将使用这些ID 从实时数据库中读取相应数据点的当前值和数据品质，创建该数据点的品质变量Q。

3)第三步：识别数据点的品质标志，进行特征值分析。对每个数据点的品质标志进行按位比对，以识别出数据点具体的品质类型。对于与电池相关的数据点，使用健康评价模型分析数据，并对电池的健康状态进行评估。这一步可以帮助检测潜在的问题或异常情况。

4)第四步：统计自动巡视结果并输出到功能界面。在巡视过程中，系统会积累各个数据点的统计信息，并将其汇总为自动巡视的结果。这些统计信息包括故障数量、异常数据点的数量、健康评估结果等。

5)第五步：切换到下一个监控画面，依此执行以上4 个步骤，直到把系统中的每个画面都执行一遍。

6)第六步：生成自动巡视报告并进行存储。最后一步是生成自动巡视报告，并将其存储起来供后续检索和分析。自动巡视报告包括巡视结果的详细说明、数据点的数值和品质信息、健康评估结果、异常情况的记录等内容。

信号自动巡视的工作流程如图3 所示。

图3 信号自动巡视流程

3 储能EMS中自动巡视技术的应用

3.1 应用场景

3.1.1 数据品质自动巡视

品质变量Q是用一个字节型的变量，是EMS 系统中数据品质的标志，品质判断是EMS系统的基本功能，数据处理模块完成品质判定后将品质数值赋予变量Q。这个字节型变量共有8 个比特位，每一个比特位代表一种品质类型，见表1 所列。当对应比特位的值为1 时，表示该品质类型生效。主要的品质类型包括人工置数、测试数据、取代、不刷新、不一致、可疑、不变化和抖动。

表1 品质变量Q比特位定义

1)人工置数：人工置数是指手动填充或设定的数据值。当bit1 的数值为1 时，表示数据是通过人工操作进行填充的，而不是通过传感器或其他自动采集手段获得的。

2)测试数据：测试数据是指在系统测试或调试过程中产生的数据。当bit2 的数值为1 时，表示数据是测试过程中生成的，可能与真实环境下的数据有所不同。

3)取代：取代是指在采集过程中，当某个传感器数据不可用时，由其他传感器或模型生成的替代数据。当bit3 的数值为1 时，表示当前数据是由取代操作生成的。

4)不刷新：不刷新是指数据的更新频率低于设定值或数据未及时更新。当bit4 的数值为1 时，表示数据未能及时刷新或更新，不能反映当前状态，可能是由于通信通道故障导致的。

5)不一致：不一致是指多源数据之间存在矛盾或不一致的情况。当对应bit5的数值为1时，表示多源的数据信号存在不一致的情况，可能需要进一步检查和调整。

6)可疑：可疑是指数据可能存在异常或不确定性，需要进一步验证或确认。当bit6 的数值为1 时，表示数据具有可疑性质，需要在分析过程中予以特别注意。

7)不变化：不变化是指数据保持稳定且没有变化的情况。当bit7 的数值为1 时，表示数据没有发生变化，可能是由于传感器故障或其他原因导致的。

8)抖动：抖动是指数据不稳定，存在异常波动的情况，可能由于传感器信号线接触不良导致。当bit8 的数值为1 时，表示数据存在抖动的问题，需要检查传感器接线是否松动。

EMS 系统在监控画面上以图元的颜色区分不同的数据品质，监控员通过观察图元的颜色识别品质类型。自动巡视技术通过周期性地分析采集信号点的品质变量，比对字节的每一个比特位的数值，识别该信号点当前的品质类型，实现EMS 系统自动巡视数据品质的目的。

3.1.2 电池健康状态自动巡视

在EMS 系统层面开展电池健康状态的评估，其评估模型中考虑了BMS 系统自身的运行状况，可以作为BMS 系统SOH 评价的有效补充。

在锂离子电池的储能电站中，电池设备的关键运行数据包括单体电芯电压、单体电芯温度、电池组电压、电池组温度、电池簇开关状态、BMS 告警信息等。将上述设备状态数据进行处理，获取设备健康状态特征值，形成设备健康状态数据库，考虑设备原理和设备参数等因素进行大数据挖掘，得到设备健康状态模型。

通过自动巡视电池设备关键运行数据，使用健康评估模型以评价电池的健康状态，电池健康状态如图4 所示。其中：当电池的健康等级低于P 点，表示该电池的性能开始下降；当低于F 点时，表示电池失效损坏。

注：P点为电池健康的最低临界点，F点为电池失效点。图4 电池健康状态示意图

3.2 功能界面

自动巡视功能界面以表格视图的形式呈现巡视结果信息(如图5 所示)，其中的表头包括巡视开始时间、巡视结束时间、巡视结果和巡视任务状态等。在自动巡视功能界面中，用户可以直观查看巡视任务的基本信息和状态，方便进行任务管理和监控。可以按照时间顺序查看巡视任务的起止时间，了解每项任务的耗时情况。同时，巡视结果的记录也为用户提供了对巡视过程的可追溯性和问题分析的便利。

图5 自动巡视功能界面

4 应用情况

本文选取某大型新能源基地项目作为应用实例，该基地前期建设工程包括2 座储能电站，容量分别为1#站50 MW/100 MWh 和2#站75 MW/150 MWh。这2 个储能电站都部署有EMS 系统，分别是1#EMS 系统和2#EMS 系统。2 套系统的基本信息见表2 所列。

表2 EMS系统基本信息

从表2 可以看出，1#EMS 系统使用常规监盘的方式，即由监控员通过查看监控画面，识别画面上关联数据点的异常信息。当监控员在BMS、PCS 总览画面上发现对应设备图元闪烁时，手动切换至该设备的监视分画面，再通过分画面上数据图元的显示颜色找到异常的数据点，然后在该数据点上弹出右键菜单查看该数据点详细的异常类型。在数据点数和监控画面更多的2#EMS 系统中部署信号自动巡视功能，采用自动巡视的方式识别全站画面的异常数据。

在2 套EMS 系统中分别模拟产生不同数量的异常数据，记录2 套EMS 系统识别出数据异常所需要的时间(见表3 所列)，每种情况分别记录3 次，取平均时间作为测试结果。

表3 异常数据识别测试记录

结果表明，采用了信号自动巡视技术的2#EMS 系统识别异常数据所需的时间明显小于常规监盘方式的1#EMS 系统。特别是当同时出现多个异常数据时，采用常规监盘方式的1#EMS 系统所需要的时间成倍地增加，而采用自动巡视技术的2#EMS 系统则没有明显的变化，此时监控画面的巡视效率提升超过10 倍。

5 结语

通过对信号自动巡视技术在储能EMS 系统中的应用进行深入研究，发现该技术在识别异常数据方面比常规的人工监盘方式效率提升超过100%。特别是当同时出现多个异常时，常规监盘方式耗费的时间成倍地增加，难以及时地发现故障。而通过自动巡视功能的应用，无论异常数据的数量如何变化，均能够快速地感知识别，从而提高了系统的运行效率和可靠性。

当前，储能EMS 系统中的自动巡视功能尚停留在对采集信号点的异常数据发现阶段，能够自动发现并统计设备故障。下一步需要在储能电站EMS 系统与辅控系统、运检系统的设备一体化建模以及系统融合方面开展研究，在自动巡视结果的基础上，提取故障设备信息，联动辅控系统或运检系统执行解决故障的方案或者自动生成处理工单，助力储能电站最终实现无人值守。