王 磊 黃 力 夏 添 喻紹鴻 付同福 周金橋

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤(pán)水供電局 2.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

直流電源系統(tǒng)為變電站內(nèi)保護(hù)自動(dòng)化裝置、事故照明、應(yīng)急電源、信號(hào)設(shè)備以及斷路器分合閘操作提供電源，其工作可靠性直接關(guān)乎繼電保護(hù)及開(kāi)關(guān)能否正確及時(shí)切除故障，關(guān)系到全站乃至上級(jí)變電站的正常運(yùn)行，是變電站內(nèi)非常重要的設(shè)備之一，對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用［1-2］。

蓄電池組作為變電站直流電源系統(tǒng)的重要核心，在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中大多處于無(wú)狀態(tài)管理或管理缺失狀態(tài)（僅監(jiān)測(cè)電池端電壓），而對(duì)電池實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)處于未知的管理盲區(qū)，只有出現(xiàn)蓄電池事故后才能發(fā)現(xiàn)。但是，蓄電池是作為后備和應(yīng)急電源應(yīng)用的，所以有必要研究一種變電站直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)變電站用直流電源蓄電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并探索智能一體化多維感知策略，從而有效彌補(bǔ)變電站運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，解決無(wú)法提前預(yù)知故障所帶來(lái)的隱患［3-4］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

變電站直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由單體監(jiān)測(cè)模塊、組電壓、組電流檢測(cè)模塊、組端收斂模塊以及在線監(jiān)測(cè)主機(jī)組成，其系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 變電站直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

圖1中，單體檢測(cè)模塊對(duì)直流電源系統(tǒng)單體電池的端電源、內(nèi)阻以及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；組端收斂模塊對(duì)直流電源系統(tǒng)電池組整組電壓、整組電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接收來(lái)自單體監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將其送入在線監(jiān)測(cè)主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多維感知探測(cè)。

1.1 單體監(jiān)測(cè)模塊的研究與實(shí)現(xiàn)

單體監(jiān)測(cè)模塊是整體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分布式部署到感知區(qū)域中用于采集每個(gè)單體設(shè)備的本體參數(shù)，協(xié)作完成指定任務(wù)的裝置。每個(gè)單體模塊由端電壓傳感檢測(cè)單元、內(nèi)阻傳感檢測(cè)單元、溫度傳感檢測(cè)單元、控制邏輯單元、通訊收發(fā)單元以及供電單元幾部分組成，其內(nèi)部組成如圖2所示。

圖2 單體監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部單元組成

1.2 組端收斂模塊的研究與實(shí)現(xiàn)

組端收斂模塊負(fù)責(zé)采集并計(jì)算組端電壓和組端電流，并集中采集單體監(jiān)測(cè)模塊采集的本體參數(shù)，經(jīng)集中打包處理后，上傳至在線監(jiān)測(cè)主機(jī)。其內(nèi)部主要由組電壓檢測(cè)單元、組電流傳感檢測(cè)單元、環(huán)境溫濕度傳感檢測(cè)單元、控制邏輯單元、兩個(gè)通訊收發(fā)單元以及供電單元幾部分組成，其內(nèi)部組成如圖3所示。

圖3 組端收斂模塊內(nèi)部單元組成

1.3 在線監(jiān)測(cè)主機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

在線監(jiān)測(cè)主機(jī)負(fù)責(zé)接收來(lái)自組端收斂模塊集中采集并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包含組端電壓、組端電流、單體電壓、單體內(nèi)阻、單體溫度、環(huán)境溫濕度等，并通過(guò)就地顯示屏顯示出來(lái)。主機(jī)內(nèi)置多種上傳協(xié)議庫(kù)，可通過(guò)配置支持Modbus、IEC104、IEC61850、MQTT等多種協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，其內(nèi)部組成如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測(cè)主機(jī)內(nèi)部單元組成

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 單體傳感檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

單體傳感檢測(cè)單元由端電壓傳感檢測(cè)單元、內(nèi)阻傳感檢測(cè)單元和溫度傳感檢測(cè)單元組成，分別針對(duì)直流電源設(shè)備單體設(shè)備的端電壓、內(nèi)阻以及溫度進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。

其中，端電壓檢測(cè)采用運(yùn)算放大器組成的線性采樣電路實(shí)現(xiàn)。為克服共模信號(hào)的干擾，將單體電池的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負(fù)端，經(jīng)過(guò)差分放大器放大后送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用多循環(huán)法實(shí)現(xiàn)單體內(nèi)阻的采集，測(cè)量時(shí)在一個(gè)電池組內(nèi)劃分出多個(gè)循環(huán)過(guò)程。測(cè)量過(guò)程由第一個(gè)循環(huán)放電開(kāi)始，接著進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)放電，各個(gè)循環(huán)依次進(jìn)行直至結(jié)束。單體電池的放電曲線會(huì)被采集到系統(tǒng)中，內(nèi)阻測(cè)量在壓降后進(jìn)行。放電時(shí)采用恒流負(fù)載的方法，放電電流的穩(wěn)定性可以得到保證。這一過(guò)程可通過(guò)系統(tǒng)軟件設(shè)置間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)測(cè)量。

溫度檢測(cè)單元采用已校準(zhǔn)數(shù)字輸出的SHTC3溫濕度傳感器，其溫度檢測(cè)范圍為－45℃～125℃，溫度檢測(cè)精度為±1℃以內(nèi)；濕度檢測(cè)范圍為0% ～100%，濕度檢測(cè)精度為±3%RH以內(nèi)。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.2 電流檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

組電流檢測(cè)采用開(kāi)合式霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，其輸出信號(hào)4～20mA接至組端收斂模塊的電流采集端口，實(shí)現(xiàn)組端電流檢測(cè)。

在運(yùn)行過(guò)程中，采樣電阻會(huì)先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。隨后，對(duì)轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大信號(hào)應(yīng)當(dāng)滿足轉(zhuǎn)換器量程。放大后的信號(hào)就是進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的電壓，將其輸入組端收斂模塊的控制邏輯單元進(jìn)行信號(hào)計(jì)算。

2.3 在線監(jiān)測(cè)主機(jī)

在線監(jiān)測(cè)主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主控部分。它的作用是實(shí)時(shí)集中采集并顯示處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳至后臺(tái)通訊服務(wù)站。主機(jī)配備了觸摸一體式顯示屏，也可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其操作。另外，主機(jī)支持遠(yuǎn)程接收后臺(tái)通訊服務(wù)站下發(fā)的指令，通過(guò)控制切換模塊來(lái)切換不同的開(kāi)關(guān)，使蓄電池對(duì)放電模塊的假負(fù)載放電。放電試驗(yàn)結(jié)束后，主機(jī)可自動(dòng)控制切換模塊來(lái)切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)充電模塊對(duì)蓄電池組充電。

2.4 通信與數(shù)據(jù)傳輸

各模塊之間的通信通過(guò)RS-485來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具有通信速率高、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。主機(jī)與后臺(tái)通訊服務(wù)站之間的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)網(wǎng)傳輸，可有效防止黑客入侵，增加系統(tǒng)的安全性。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在變電站直流電源系統(tǒng)的投運(yùn)，可使運(yùn)維人員及時(shí)掌握直流電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防。在大幅減少運(yùn)維人員工作量的同時(shí)，使運(yùn)維人員更及時(shí)、精準(zhǔn)的掌握直流電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

在推廣性方面，由于整套系統(tǒng)安裝較為方便，再加上電力物聯(lián)網(wǎng)的普及，可以在運(yùn)維站管轄的較大范圍內(nèi)的變電站安裝該套設(shè)備，使運(yùn)維人員可在運(yùn)維站后臺(tái)機(jī)上監(jiān)測(cè)所有管轄變電站電池組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

在經(jīng)濟(jì)性方面，既減少了人力勞動(dòng)成本，又減少了往來(lái)各個(gè)變電站之間的用車(chē)成本，還節(jié)約了車(chē)程、人員操作等待的時(shí)間。并且可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)隱患早做處理，避免擴(kuò)大損失，間接帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)運(yùn)維方式存在的缺陷。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，可以精準(zhǔn)、及時(shí)地向遠(yuǎn)方的后臺(tái)機(jī)傳輸直流電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，生成可視化報(bào)表，對(duì)蓄電池異常告警。對(duì)公司節(jié)約成本，提升變電站智能運(yùn)維的工作效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重大意義。