劉錦明，陳德高，丁紅文，付高善，孟憲珍

(國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

近年來,我國電力技術(shù)不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡不斷擴展以滿足更多的生產(chǎn)經(jīng)營和日常電力需求，開閉所和配電房的數(shù)據(jù)也隨之增加[1]。使用傳統(tǒng)的配電設備給開閉所提供電源時，輸出功率不穩(wěn)定且可靠性不高。當電源設備發(fā)生故障時導致熔絲熔斷，進而使變壓器二次繞組完全失去電壓，負載設備中沒有操作電壓，對整個配電網(wǎng)絡造成嚴重影響[2]。由于電網(wǎng)工作環(huán)境的特殊性，這就需要對分布式直流電源進行遠程監(jiān)控。現(xiàn)有技術(shù)通常采用internet網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，但這種方式監(jiān)控能力滯后，容易受外界各種環(huán)境的制約。

當前對直流電源的監(jiān)控研究中，文獻[3]系統(tǒng)通過在變電站的直流屏內(nèi)安裝采集器的方式，完成直流電源設備的各運行參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)上傳到調(diào)控中心。文獻[4]系統(tǒng)以電池充電電流為參考信號，控制直流電源的充放電模式，在保證負載電流穩(wěn)定的情況下控制電池電流及電壓。文獻[5]應用模糊綜合控制方法，采用閉環(huán)式、序列化控制方式對直流電源系統(tǒng)中的設備進行模糊控制，采用雙穩(wěn)態(tài)開關保障母線供電。文獻[6]系統(tǒng)對直流電源的運行數(shù)據(jù)進行全面檢測，并采用蟻群退火算法建立系統(tǒng)狀態(tài)評估模型，評估直流電源的運行狀態(tài)。由于變電站直流系統(tǒng)非常分散，對直流電源的運維管理工作仍存在缺陷，當前研究中仍缺失對電源故障的分析和預警，在發(fā)生交流失電和負載短路故障時，無法做到故障診斷預警和快讀定位，可能導致事故擴大，造成嚴重影響。

1 分布式直流電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

針對上述技術(shù)的不足，本研究設計了一套實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測開閉所現(xiàn)場直流電源的運行狀況，其中監(jiān)控參數(shù)包括電源的運行狀態(tài)、直流電源內(nèi)蓄電池組兩端電壓、饋線柜電壓和電流等參數(shù)[5]。監(jiān)控中心通過調(diào)度自動化系統(tǒng)對變電站內(nèi)直流電源單元進行遠程控制和操作，控制額定開關電流為3.2 A，分閘電流為0.5 A，額定工作電壓為220 V[6]。監(jiān)控數(shù)據(jù)被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，最終實現(xiàn)分布式直流電源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式直流電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)圖

分布式直流電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用嵌入式計算機技術(shù)和IEEE1588技術(shù)，復用開閉所內(nèi)光纖減少布線工作，系統(tǒng)框架穩(wěn)定，采集精度高。系統(tǒng)對直流電源狀態(tài)、充電器運行狀態(tài)和蓄電池電壓和各線路開關狀態(tài)等運行參數(shù)實時監(jiān)測，并將參數(shù)信息存儲在數(shù)據(jù)服務器中，顯示在調(diào)度中心屏幕上，并展示直流系統(tǒng)的動態(tài)模擬圖[7]。多個開閉所子系統(tǒng)通過通信管理機、路由設備和千兆交換機上傳直流電源的實時數(shù)據(jù)，調(diào)度中心發(fā)送命令控制子系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[8]。

遠程監(jiān)控中心由監(jiān)控主站和開閉所中的監(jiān)測單元組成，控制中心對每個單元模塊進行監(jiān)測和控制?？刂浦行膶Ω鲉卧K采集到的數(shù)據(jù)進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)異常參數(shù)，上報后對異常問題進行處理[9]。監(jiān)控終端通過RS485總線開關量采集模塊、直流接地選線單元、直流參數(shù)測量模塊、控制輸出模塊、充電機控制監(jiān)測單元等連接到一起，根據(jù)開閉所直流電源的實時參數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)智能化控制，確保設備運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。直流電源系統(tǒng)為開閉所負載提供電能，滿足開閉所中各設備的電壓等級要求。母線狀態(tài)切換模塊確保母線電路供電不會中斷，調(diào)度中心遠程控制狀態(tài)切換[10]。

2 關鍵技術(shù)分析

2.1 遠程監(jiān)控硬件模塊設計

電壓監(jiān)控模塊用來檢測直流電源的電壓，處理直流電源中蓄電池的均衡問題。均衡模塊通過RS-485總線連接遠程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測多個直流電源的不同電壓等級，并將采集到的電壓數(shù)據(jù)上傳。采集器設置自保護裝置，保證不會受到直流電源的電壓影響，防止出現(xiàn)短路或其他故障時燒毀模塊，降低遠程監(jiān)控系統(tǒng)的風險[11]。充電控制單元與充電機相連接，是主控單元的對外接口，管理充電機的狀態(tài)運行和系統(tǒng)維護。電壓監(jiān)控模塊與充電控制模塊相連，控制充電機按預設值給電池充電，使電池使用壽命增加。電壓監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電壓監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)示意圖

電壓監(jiān)控模塊采用MSP430系列單片機作為主控制器，由均衡模塊、檢測模塊和通信模塊共同組成。檢測模塊對直流電源進行檢測，并測量內(nèi)部蓄電池溫度和環(huán)境溫度[12]。主控制器具有16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，16M時鐘頻率。檢測模塊和均衡模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制中的存儲器中保存，通過通信模塊上傳到數(shù)據(jù)服務器，并在監(jiān)控中心實時顯示。其中蓄電池單體溫度檢測電路如圖3所示。

圖3 蓄電池單體溫度檢測電路

遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的開關量模塊采集開閉所饋線開關和母線的狀態(tài)信息，總線連接通信模塊實現(xiàn)與監(jiān)控中心的通信。485接口處加裝600 W的防雷防浪涌保護裝置，帶有3000 V的光電隔離。開關量監(jiān)控模塊如圖4所示。

圖4 開關量監(jiān)控模塊

開關量監(jiān)控模塊采用AVR單片機Mega64L-8AU作為控制單元的核心。模塊中加入光耦隔離，其中VCC1為主電源，VCC2和VCC3為輔電源，實現(xiàn)與內(nèi)部控制單元的電氣隔離，VCC1和VCC3之間采用物理隔離。其中開關量的輸入輸出模塊采用MAX485芯片，是一種低功耗收發(fā)器，單片機RS485串口對數(shù)據(jù)傳輸和開關進行控制，同樣加有光耦隔離[14]。單片機RS-485 串口加有光藕隔離，通過單片機的PE6IO口對芯片DE和RE置0或置1來進行使能控制，進而控制通信數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，充分實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)控制的可靠性。

2.2 分布式直流電源接地故障診斷優(yōu)化策略

分布式直流電源接地會引起接地點側(cè)直流母線電壓降低，非接地點側(cè)母線電壓升高，如果不及時對接地故障進行處理，將引起兩點接地，造成開關拒動或者誤動，引起重大電網(wǎng)事故。本研究對分布式直流電源接地故障進行診斷時，綜合考慮了電阻平衡法、不平衡橋法和直流差流法，設計出故障診斷電路如圖5所示。

圖5 故障診斷電路

其中Rx為正母線的對地絕緣電阻，Ry為負母線的對地絕緣電阻。在分布式直流電源正常無接地的情況下，兩個電阻可以等價于無窮大，Rb1和Rb2為平衡電阻，直接連接正負母線[15]。Rc1和Rc2為測試橋電阻，通過繼電器接點與直流正負母線相連，接點的開合控制其接入和退出。接地故障可分為母線接地故障和支路饋線接地故障。

(1)母線接地故障診斷

本文提出電阻平衡法和不平衡橋法相結(jié)合的方式對母線接地故障進行診斷，通過對母線接地電阻進行測量，判斷是否出現(xiàn)母線接地或絕緣降低情況。母線接地電阻測量電路如圖6所示。

圖6 母線接地電阻測量電路

當繼電器節(jié)點K1閉合、K2斷開時，此時正母線流向接地點的電流和與從接地點流入負母線的電流和相等[16]，可表示為：

設備調(diào)試運行模塊是將已經(jīng)組裝完整的設備進行通電、通風和通藥試運行，檢查錯漏的競賽環(huán)節(jié)，考察學生的設備運行維護能力。一方面是要印證儀器設備組裝競賽環(huán)節(jié)的正確性，另一方面是關注設備的運營管理。與此環(huán)節(jié)相適應的教學課程設置，主要包括《污水處理廠運營管理》、《泵與風機》等課程，強化學生對設備運行管理的能力。雖然競賽環(huán)節(jié)對這部分內(nèi)容考察相對較少，卻對學生綜合應用及解決實際問題的能力提出了很高的要求。同時這是一個重要的職業(yè)發(fā)展方向，是就業(yè)方向的側(cè)重點。因此，這部分的課程設置依然是教學重點。

(1)

其中U+1表示正母線對地電壓，U-1表示負母線對地電壓，Rb1、Rc1、Rx、Rb2、Ry表示對應電阻的電阻值。當繼電器節(jié)點K2閉合、K1斷開時，正母線流向接地點的電流和與從接地點流入負母線的電流和相等，可表示為：

(2)

其中U+2表示正母線對地電壓，U-2表示負母線對地電壓。U+2、U-2可通過測量單元對正負母線電壓進行測量得到，只有Rx和Ry的阻值未知，聯(lián)合公式(1)和公式(2)可得到：

(3)

(2)支路饋線接地故障診斷

本研究結(jié)合電阻平衡法和直流差流法診斷支路饋線接地故障，直流支路中包含繼電器、線圈和接點等元件，可以將支路饋線等效為一個電阻。使用霍爾電流傳感器測量支路的總電流，當總電流I0超過設定閾值時，可認為該支路接地，然后結(jié)合電阻平衡法可以測量該支路接地電阻的大小，繼而可以判斷發(fā)生的是正接地還是負接地[18]。當支路正接地時，等效測量電路如圖7所示。

圖7 等效測量電路

由于正母線電壓高于地電位電壓，所以接地電流從A點流入地中，再從地中流入平衡電橋。接地點形成分流對于A點來說I0=I1-I2=Id，用正母線對地測量電壓與測量支路的總電流來求解接地電阻Rx。根據(jù)電流傳感器差流的大小診斷是否接地，并判斷是正接地或是負接地。本研究提出一種接地選線優(yōu)化策略，由于支路接地是最容易判斷且判斷速度最快的，在判斷直流系統(tǒng)接地之后首先判斷是否支路接地，根據(jù)上一步的判定結(jié)果動態(tài)調(diào)整下一步的判斷方法，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)用不平衡橋法，最大限度減少在接地情況下對直流系統(tǒng)的干擾。

3 應用測試

本研究系統(tǒng)通過相關設備的狀態(tài)標志位來查詢設備的在線情況，利用數(shù)據(jù)庫同步模塊dbsync提供數(shù)據(jù)庫信息初始化，以及定時更新統(tǒng)計數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)控界面

為驗證本研究分布式直流電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)的性能，分別使用文獻[3]電源、文獻[4]電源和本研究直流電源進行實驗，對比三種電源的運行時單體蓄電池放電電壓和內(nèi)阻。實驗環(huán)境架構(gòu)如圖9所示。實驗環(huán)境參數(shù)如表3所示。

通過構(gòu)建如圖9所示的實驗環(huán)境架構(gòu)，實驗環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)

本研究實驗對母線電壓的測量范圍可達到0～300 V，母線對地電阻的測量范圍為0～200 kΩ，交流侵入電壓測量范圍為0～300 V。充電開關為GMG125-2060R/125 A，放電開關為GM100M-2360R/63 A，交流空開為NDM1-63-C20。實驗時間設定為24小時，檢測到三種直流電源單體蓄電池放電電壓變化如圖10所示。

圖9 實驗環(huán)境架構(gòu)

圖10 單體蓄電池放電電壓變化

觀察放電電壓變化可知，本研究分布式直流電源的蓄電池放電電壓穩(wěn)定，且本研究遠程監(jiān)控系統(tǒng)的檢測精度較高，監(jiān)測到放電變化實時性強，數(shù)據(jù)準確。本研究直流電源的放電電壓保持在2.258～2.265 V范圍內(nèi)，電壓波動較小，平均放電電壓為2.262 V。

文獻[3]直流電源的單體蓄電池的放電電壓最高可到達2.285 V，最低為2.257 V。整體放電電壓較大，在16時和22時出現(xiàn)兩次較大的電壓波動，在一個小時內(nèi)恢復到正常電壓值。文獻[3]直流電源較為穩(wěn)定，出現(xiàn)電壓波動次數(shù)不多，提供的電壓值較大，適用于電壓波動不敏感且負載較多的工作場景。文獻[4]放電電壓變化幅度較大，在14時下降到最低點2.238 V，在22時達到最高點，電壓值為2.306 V。文獻[4]直流電源單體蓄電池的放電電壓不穩(wěn)定，但始終保持在2.320 V以下，如果出現(xiàn)更高的電壓波動，可能造成電源保護設備的誤動作，影響直流電源的穩(wěn)定運行，使二次電氣設備失去工作電源。

檢測到三種直流電源的單體蓄電池內(nèi)阻變化如圖11所示。

圖11 單體蓄電池內(nèi)阻變化

對比三種直流電源蓄電池內(nèi)阻變化曲線可知，系統(tǒng)監(jiān)測到本研究分布式直流電源的內(nèi)阻變化穩(wěn)定，在11時達到最大值，最大內(nèi)阻為0.62mΩ。內(nèi)阻變化穩(wěn)定說明本研究直流電源的輸出穩(wěn)定，在充電過程中不會出現(xiàn)充電電流過大的情況，保證蓄電池的健康狀態(tài)。

文獻[3]直流電源的內(nèi)阻出現(xiàn)波動的次數(shù)較多，內(nèi)阻在0.55～0.65mΩ內(nèi)變化，但始終處于正常值。在17～24 h時間段內(nèi)，內(nèi)阻持續(xù)增大。文獻[4]直流電源的內(nèi)阻在7h上升到最大值，最大內(nèi)阻為0.75mΩ。內(nèi)阻變化幅度較大，最大差值達到0.21mΩ，可能導致直流電源的輸出電壓、電流不穩(wěn)定，影響開閉所中電氣設備的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本研究建立了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采集電源電流、電壓、蓄電池內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)，對各開閉所中的直流電源進行全方位監(jiān)測，并通過通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，對直流電源和開關狀態(tài)進行遠程控制。提出分布式直流電源接地故障診斷優(yōu)化策略，結(jié)合電阻平衡法和不平衡橋法診斷母線接地故障，將電阻平衡法、直流差流法進行組合，對支路饋線接地故障進行診斷。

本研究系統(tǒng)在使用過程中還需不斷完善，為了更加精確地估計電源剩余容量，還需建立評估模型，根據(jù)當前采集到的數(shù)據(jù)評估直流電源的健康狀態(tài)。