郭 韜

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州215000）

0 引 言

直流操作電源系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是一種由變流器、蓄電池和其他輔助電路組成的供電系統(tǒng)。直流操作電源供電區(qū)域要求直流電源穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)便于調(diào)節(jié)電流。直流操作電源系統(tǒng)分布分散、設(shè)備冗雜，且維護(hù)與監(jiān)測(cè)頻率較高。作為變電站的關(guān)鍵組成，直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量直接影響著電氣設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集蓄電池組數(shù)據(jù)，并將其傳輸至控制中心，有利于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。不僅可以有效降低變電站的維護(hù)工作量，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，大大提高了變電站的運(yùn)維水平[1]。

1 變電站直流操作電源運(yùn)維現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)多數(shù)變電站直流操作系統(tǒng)選擇閥控蓄電池與高頻開關(guān)電源充電模塊。此模塊的主要特點(diǎn)為質(zhì)量小、配置靈活、體積小以及精密度高等。蓄電池具有無(wú)污染、密封性好、維護(hù)量小及過(guò)放電性能優(yōu)良的特點(diǎn)。直流操作電源系統(tǒng)在調(diào)度端可對(duì)直流操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“三遙”，而調(diào)度中心接收的信息較少，很難反映直流操作系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致變電站人員無(wú)法及時(shí)了解蓄電池組與直流設(shè)備的工作狀態(tài)[2]。

此外，變電站直流操作電源系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)一系列故障。第一，充電整流模塊保護(hù)。該模塊交流輸入電壓太低或太高、溫度過(guò)高等，會(huì)造成充電整流模塊保護(hù)。第二，蓄電池組故障。該故障產(chǎn)生的主要原因在于蓄電池?zé)崾Э?、極板腐蝕、過(guò)充電以及池水損失等。第三，充電整流故障。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）過(guò)流、輸出電壓過(guò)高等，都會(huì)引發(fā)充電整流故障。第四，直流斷路器故障。第五，絕緣監(jiān)控裝置故障。

2 直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)

直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)主要分為3 層，即管理應(yīng)用層、通信層以及數(shù)據(jù)采集層。該系統(tǒng)包括本地監(jiān)控裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、電池均衡采集系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、饋線開關(guān)量采集系統(tǒng)以及充電機(jī)通信系統(tǒng)等。各變電站端監(jiān)控裝置借助RS-485 總線連接數(shù)據(jù)采集層設(shè)備，通過(guò)這些設(shè)備采集直流操作電源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電池電壓、充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、絕緣監(jiān)測(cè)、母線電流電壓以及饋線開關(guān)狀態(tài)等，并統(tǒng)一管理收集的數(shù)據(jù)，由光纖環(huán)網(wǎng)、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通信層設(shè)備向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送[3-5]。中心服務(wù)器在存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)信息后，將相關(guān)信息傳輸至各遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，確保其通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽直流系統(tǒng)信息，同時(shí)將分級(jí)管理口令提供給各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，依照各自權(quán)限更改變電站設(shè)施參數(shù)與信息，提供電池均衡、母線狀態(tài)切換以及蓄電池放電等遠(yuǎn)程控制。圖1 為直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)。

圖1 直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

3 變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為滿足變電站直流操作電源的多樣性，直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)選擇模塊化設(shè)計(jì)方案。依照變電站直流操作電源系統(tǒng)的差異性，選擇規(guī)格型號(hào)各異的底層模塊，包括開關(guān)量模塊、綜合測(cè)量模塊、交流測(cè)量模塊、絕緣檢測(cè)模塊以及電池巡檢模塊。表1 為變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)的組成模塊及其功能。

表1 變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)的組成模塊及其功能

系統(tǒng)主界面可實(shí)時(shí)顯示交流進(jìn)線狀態(tài)、電池系統(tǒng)狀態(tài)、逆變系統(tǒng)狀態(tài)、通信系統(tǒng)狀態(tài)以及充電系統(tǒng)狀態(tài)等，同時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示主界面開關(guān)量數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊圖片能查看設(shè)備詳細(xì)信息，界面下設(shè)快捷菜單，點(diǎn)擊即可查看更多菜單信息，如圖2 所示。

圖2 變電站直流操作電源監(jiān)控主界面

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)采用液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）觸摸屏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用體積小，便于安裝，且組配比較靈活。主界面顯示數(shù)據(jù)布置合理、便于操作，具有良好的人機(jī)交互性能。該系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)如下：一是最多可以設(shè)置16 個(gè)電源組件；二是監(jiān)測(cè)器選擇彩色觸摸屏幕，顯示畫面采用圖形模式，能夠直觀顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以設(shè)置和校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；三是可顯示失效的歷史紀(jì)錄和內(nèi)存殘缺情況；四是能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的自動(dòng)控制，根據(jù)充電和放電關(guān)系，對(duì)一套電池組進(jìn)行充電和放電；五是能與交流檢測(cè)模塊結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流輸入系統(tǒng)運(yùn)行情況；六是能與集成檢測(cè)模塊結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電源和母線運(yùn)行情況；七是可結(jié)合蓄電池巡查功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)220 個(gè)蓄電池的運(yùn)行情況；八是可與開關(guān)容量探測(cè)模組協(xié)同工作，監(jiān)測(cè)使用者設(shè)定的開關(guān)容量，并輸入其設(shè)定的開關(guān)容量；九是可與隔離檢查模組結(jié)合，監(jiān)測(cè)母線和分支線路的隔離狀況；十是監(jiān)測(cè)母線和支路的絕緣狀況，并在母線、支路出現(xiàn)接地故障時(shí)，通過(guò)聲音、光線等方式發(fā)出報(bào)警提示[6-8]。

3.2.2 綜合測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

變電站直流操作電源的監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)直流供電系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，并把監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送到監(jiān)測(cè)主機(jī)。該模塊能夠同時(shí)測(cè)量3 路直流電壓、3 路交流電壓、2 路電流以及1 組電池的溫度，監(jiān)測(cè)4 路開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)、1 段母線絕緣性能、2 路和8 路開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)等。交流電壓測(cè)量最大值為500 V。交流電壓在304 ～456 V 時(shí)，測(cè)量精度為1%。測(cè)得的最大直流電壓量程為300 V，且在90%～130%的額定電壓范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度應(yīng)小于0.5%。在20 ～100 A 范圍內(nèi)，最大量程為100 A，且準(zhǔn)確度應(yīng)小于1%。在電壓為-2 ～100 V 的情況下，電壓的最大量程為-100 V。此外，電池組溫度測(cè)量在-10 ～+100 ℃，應(yīng)實(shí)現(xiàn)±3 ℃的精確測(cè)定。

3.2.3 電池巡檢模塊設(shè)計(jì)

變電所直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄電池，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送到監(jiān)控主機(jī)。該系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控多節(jié)12 V 單電池和1 組電池的溫度。在10 ～15 V 范圍內(nèi)，最大量程為17 V，準(zhǔn)確度超過(guò)0.5%。該芯片能對(duì)55 節(jié)2 V 的單電池進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，并對(duì)2 個(gè)單電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。若單電池電壓為2 ～3 V，則最大量程應(yīng)為4 V，準(zhǔn)確率超過(guò)1%。

3.2.4 絕緣檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

變電所直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)母線和分支線路的絕緣狀況，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)主機(jī)。在小分支數(shù)直流操作電源系統(tǒng)中，該模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)在40 s 內(nèi)對(duì)單段母線和32 條分支線路進(jìn)行同步檢測(cè)。對(duì)于分支數(shù)更多的直流操作電源系統(tǒng)，該模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)在60 s 內(nèi)對(duì)單段母線和64 條分支線路進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。在對(duì)母線和支路的絕緣電阻測(cè)量精度方面，該模塊的測(cè)量誤差應(yīng)在±5%～±10%。

3.2.5 開關(guān)量模塊設(shè)計(jì)

變電所直流電源監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)量模塊主要是監(jiān)測(cè)開關(guān)量信號(hào)的輸入。使用者可以設(shè)定開關(guān)量輸入值，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)。該模塊能監(jiān)控64 路輸入的開關(guān)量數(shù)據(jù)，并具有8 個(gè)開關(guān)量輸出節(jié)點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)容量為交流250 V/5 A、直流30 V/5 A 或直流220 V/50 mA。

3.2.6 交流測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)交流電流測(cè)量模塊是一種適用于1 000 A 或小于1 000 A 直流電源監(jiān)控的交流電流測(cè)量模塊。它能對(duì)A、B、C、N 相的4路交流電壓、三相交流電流、功率因數(shù)以及有功功率進(jìn)行同步測(cè)量。通過(guò)對(duì)無(wú)功功率、總功率、頻率等參數(shù)的分析，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。在測(cè)量交流電流時(shí)，可采用開口型封閉霍爾電流傳感器，以便能夠在不斷電的情況下改造直流屏，并且在開口區(qū)采用降低磁阻的方法使其測(cè)量精度達(dá)到±2%。

4 結(jié) 論

變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)制造簡(jiǎn)便、成本低、易于安裝和應(yīng)用，能有效減少日常維修成本，減少工人的工作量。該監(jiān)控系統(tǒng)具有自動(dòng)警報(bào)與斷電等功能，可有效保障系統(tǒng)安全。對(duì)于多塵多濕條件，可進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，提高設(shè)備的保護(hù)水平。對(duì)于直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)保障有較高需求的用戶，可以按照需求拓展其功能，如添加直流操作電源系統(tǒng)的正常操作和故障操作，實(shí)現(xiàn)區(qū)分記錄、交直流互串報(bào)警和蓄電池的環(huán)境檢測(cè)等功能。