基于PI數據庫的變電站直流系統多狀態量監測與預警

陳 亮，莫雪梅

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

在變電站中，直流電源為斷路器分合閘及站內的繼電保護、自動裝置、信號裝置、事故照明和電氣設備的遠距離操作提供可靠的工作電源，所以直流電源的輸出質量及可靠性與電力系統的安全可靠運行密切相關。直流電源系統主要由交流配電設備、直流充電裝置、直流配電設備和蓄電池組組成。通過對變電站內大量的直流設備運行狀態信息進行采集和分析，就能建立變電站直流系統遙測數據及各類設備狀態量的監測預警專家系統。基于PI（Plant Information System）數據庫在湖州電力局成熟和廣泛的應用及其本身所具備的優異性能，決定基于PI技術來實現對直流系統的監測和分析。

PI實時/歷史數據庫系統是企業底層控制網絡與上層管理信息系統連接的橋梁，在技術上采用獨特的旋轉門壓縮專利技術，可對存入數據庫的數據實現高倍壓縮，適合長久記錄在生產過程中按時間順序產生的大量數據。而對直流系統的監測分析特別是對蓄電池的性能分析，需要長時間的運行數據積累，PI系統正適于此類應用。

1 設計思想

1.1 硬件架構

系統的硬件架構分信息采集、數據存貯和分析展現3個部分。

信息采集主要是將各類直流設備的狀態信息及監測數據通過通信網絡上傳至遠端服務器，經軟件解析出不同規約所傳遞的數據并存入數據庫。數據存儲分為兩個部分，首先是將解析出的實時測點數據存入PI數據庫，非實時數據則存入系統數據庫（SQL Server），因此配備兩臺數據庫服務器。分析展現主要應用了PI數據庫系統提供的 PI ProcessBook，PI DataLink，PI SDK，PI ODBC并結合VB，將相應的分析展現于以太網上。硬件架構見圖1。

圖1 硬件架構圖

1.2 軟件架構

監測和預警實現方法采用PI ProcessBook工具和VB，報表模塊實現方法采用PI DataLink，故障預警和狀態檢修實現方法采用PI ProcessBook，PI ODBC和VBA。通過這些工具分別對PI數據庫和SQL Server數據庫中各類數據進行分析處理，獲得所需的監測和預警信息，全面反映直流設備運行的健康狀態。

1.3 數據存儲規則

直流設備運行狀態數據、告警數據，各類電壓、電流、溫度等實時數據量隨時間不斷增加，適合存入PI數據庫進行處理；其余的例如蓄電池內阻、直流設備參數、通信參數等非實時數據的信息則存入SQL Server數據庫。

2 多狀態的監測和預警

2.1 變電站蓄電池組的監測和預警

蓄電池組是直流系統的重要組成部分，在交流電源或充電裝置發生故障情況下，蓄電池組必須具有“獨立電源”的功能，為二次系統負載提供安全、穩定、可靠的電力保障，確保繼電保護、通信設備的正常運行，因此對蓄電池組的監測和預警是本項目的重要部分。蓄電池組的性能與多個性能指標有關，因此通過對蓄電池組運行參數的監測，對蓄電池內阻和性能的估算及監測等來保證蓄電池組的正常運行，具體實施方案如下：

2.1.1 蓄電池組運行參數監測

對蓄電池組運行參數進行實時監測，對閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的日常維護工作所起到的指導作用是至關重要的。特別是運行狀態下浮充電壓的實時監測值能直接反映蓄電池的健康狀態。由于蓄電池制造過程中存在離散性，當性能不一致的電池組成一組并投入運行時，若以同樣大小的浮充電流對整組電池進行浮充，某些自身性能差的電池將無法完全補償自放電，導致電池長期欠充（浮充電壓大大低于2.23 V/節）而出現容量損失和極板硫酸鹽化，而自身性能好的電池則因長期過充導致失水和極板腐蝕（浮充電壓大大高于2.28 V/節）。蓄電池組中存在單電池電壓過高或過低，長期運行會降低電池組的容量，影響整組電池穩定運行。通過PI ProcessBook柱狀圖工具實現單電池電壓監測，同時設置多狀態預警，將蓄電池電壓監測值設置為正常態、預警態和故障態。同時，監測蓄電池其他基本運行參數，如組端電壓、單電池電壓、充放電電流、工作溫度等，通過點擊柱狀圖和相關查詢定位工具，實現實時監測和歷史趨勢曲線監測功能。通過PI DataLink工具實現整組蓄電池每節電池實時電壓和歷史電壓的查詢及輸出。

2.1.2 蓄電池內阻監測

檢測蓄電池內阻是檢驗蓄電池健康狀態的重要手段之一，通過測量內阻可以判別電池是否失效，當內阻小幅度增加時說明電池出現劣化，因此在線監測電池內阻是必要的。內阻監測模塊用于監測蓄電池內阻值，并提供內阻變化的預警。

2.1.3 蓄電池性能估算

蓄電池性能估算是對多個基本運行參數監測數據進行計算分析后，綜合各方面影響因素計算得到的，它的精確度是由長期的數據積累來保證的。按性能值的估算指標，確定了3個多狀態設置：小于50為報警態，建議更換；50～80為預警態，建議維護；大于80為正常態，為蓄電池健康狀態。

2.2 變電站直流絕緣的監測和預警

變電站直流絕緣監測和預警的數據采集自絕緣監測儀，使用PI ProcessBook實現設計功能。監測的數據包括母線正對地電阻、負對地電阻、母線電壓，以及當絕緣降低時通過監測儀巡檢獲得的支路報警信息。同時，可以通過趨勢圖窗口監測對地電阻和母線電壓的歷史變化曲線，為故障查找提供幫助。

2.3 變電站直流屏運行參數的監測和預警

變電站直流屏運行參數的監測和預警數據采集自直流屏監控主機，使用PI ProcessBook實現設計功能，共有數據監測、狀態監測、報警信息和模塊監測4個功能模塊。數據監測主要對交流輸入、合母電壓、控母電壓、控母電流、電池電流等實時量進行監測和預警。狀態監測反映了當前系統的運行狀態，如均浮充狀態、交流工作狀態、交流停電狀態等。報警信息主要對合母過欠壓、控母過欠壓、交流過欠壓、熔斷器故障、通信故障等故障量設置報警燈。模塊監測主要對充電模塊的工作狀態進行監測和預警，可以監測每塊充電模塊的輸出電流。

2.4 變電站直流系統告警管理

告警信息類型分組端電壓、單電池電壓、溫度、電壓均差等遙測量超限告警和電池性能值、交流過欠壓、通訊狀態、合母過欠壓、控母過欠壓等告警值。告警方式有柱狀圖和報警燈變色閃爍報警、告警信息報警及手機短消息報警。功能運行界面見圖2。

3 狀態評估

直流系統狀態評估模塊通過綜合直流系統各類監測信息，經過分析評估得到直流系統健康狀態信息，由PI ProcessBook，PI ODBC和VBA聯合實現。首先，在主界面上方設置了變電站健康狀態柱狀圖，直觀反映變電站健康狀態。柱狀圖設置了多狀態報警，紅色為報警，閥值小于50；黃色為預警，閥值為50～80；綠色為健康，閥值大于80。主界面的下方左側是信息窗口，啟動時顯示歷史和當前系統報警信息，右側是趨勢圖窗口和一系列控制按鈕。

狀態評估模塊啟動時，從SQL Server數據庫讀取性能參數設置柱狀圖，通過柱狀圖的多狀態預警可以一目了然地掌握變電站直流系統健康狀態。只要點擊柱狀圖，相應變電站設備狀態就會顯示在信息窗口中，例如蓄電池性能、設備報警信息等，同時給出檢修建議，并在趨勢圖窗口顯示性能指標下降的蓄電池的運行曲線。

狀態評估和預警模塊的作用在于給運行和檢修人員提供日常工作建議，給生技部門提供狀態檢修輔助決策建議，并實時了解所轄直流設備的健康狀態，具體界面見圖3。

4 結語

基于PI數據庫的變電站直流系統多狀態量監測和預警的實現和運用，將原來的故障后檢修轉變為故障前預警，提高了變電站直流系統維護和檢修的工作效率，同時對直流系統開展狀態檢修提供一定幫助。該系統充分利用PI數據庫數據存貯和處理的優勢，達到了設計要求，并成功應用于湖州電力局直流檢修工作。

圖2 多狀態量監測和預警界面

圖3 直流系統狀態評估界面

[1]史興華，湖州電力局.供電企業實時/歷史數據庫PI典型應用案例[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐海明.供電工人技術培訓教材（直流設備檢修）[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]徐在林.直流設備檢修崗位技能培訓教材[M].北京：中國電力出版社，1998.