站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統的研究及應用

陳玉文，楊寶安，解立秀，胡安尉，汪 奎

（云南電網有限責任公司怒江供電局，云南 怒江 673100）

0 引 言

變電站直流屏內的充電模塊是后備直流電源系統的重要組成部分，采用n+1冗余并聯工作連續運行，除了提供充電電源還負責常態負荷，其工作狀態復雜，參數要求苛刻。這些充電模塊投運時間長短不一，均流方式各廠家不同，散熱方式有風冷和自冷兩種，出現故障的概率較高且維修保養困難。故而整個電源系統及單體模塊是否正常，是保證二次系統安全的重要保障。現階段，常規手段僅僅是測量系統的穩壓、穩流精度及紋波等，無法預測充電模塊的故障隱患，以便提前進行維護、檢修與更換，等到發生故障只能請廠家應急處理，其間必然造成系統冗余不足甚至失電。應對這一重大隱患，急需一種在系統正常運行不停電條件下對充電模塊狀態進行快速早期預判，消除隱患，提供更換依據的裝置，即變電站直流系統充電機問題快處理裝置。該方案的關鍵是利用高頻開關電源工作時固有的頻率輻射，采用無線寬頻譜接收系統接收信號，分析充電模塊主振頻率、穩定性、諧波分量以及主開關管脈沖電流信號等，預判模塊工作狀態以實現上述目的。這里由于模塊頻率各廠家不同、狀態多變、調制方式復雜以及諧波豐富等原因，為直觀、準確、定量定性且快速地判斷模塊狀態，除了常規的對接收信號進行有效平均值計算外，應有更多手段輔助檢測確保其結果有效，以保障電力系統安全運行[1]。

1 站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統

通過安裝無線寬頻譜接收系統，收集和分析電源主振頻率、穩定性、諧波分量以及主開關管脈沖電流信號等信息，從而有效地實時監測模塊工作的實際情況，預判模塊的運行狀態，制定針對性的應對策略和措施，避免出現斷電的現象，保證整個系統的穩定、安全及高效運行。

采取多重傅里葉濾波網絡，分析直流母線交流分量占比、特性及數值，預判模塊工作的狀態，根據模塊的工作狀況，針對性地制定運行維護策略。由于主回路的電氣對絕緣方面的要求相對較高，可以通過完善的電器隔離系統確保電器運行環境不受外界環境因素的干擾和影響，保證裝置的采樣準確可靠而不影響主回路的電氣絕緣要求。

內置單片機系統建立數據庫系統，通過收集的海量數據源對多套直流屏高頻整流電源建模，方便參數處理和對比分析，對系統的維護提出科學、定量的數據支撐，系統的維護工作不再僅憑經驗來進行，而是通過大量的數據分析得出綜合結論。

本著保證作業人員及運行設備安全和節約的原則，進行裝置研究開發，使裝置能適用于各廠家的充電模塊，設備便攜式，操作簡單、連接方便且數據處理迅速。圖1展示了站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統的實施措施。

圖1 站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統

2 解決的主要問題

通過站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統，能在保證正常供電的條件下預判充電模塊可能出現的問題，具體表現在以下幾個方面。

一是有效預測了電源系統未來可能出現的問題，防止發生失電問題，既縮短了維護維修需要的時間，也有效控制了維修所必須的成本，提升了電源系統維護維修的效率。二是在電源高效運轉過程中做到邊正常供電邊檢查電源板塊情況，同時還做到了實時監控電源模塊運行情況，極大程度上保證了電源系統運行的安全穩定性，減少故障發生的概率。三是豐富了直流系統維護內容和參數，對于進一步重點監護提供定量依據。

為了實現上述的主要目的，使用一種基于高頻開關電源工作狀態的聲檢裝置，包括輸入回路、與所述輸入回路電連接的主振混頻電路以及與所述主振混頻電路電連接的拍頻振蕩器和輸出回路。輸入回路主要管控高頻使用的開關，拍頻振蕩器監控生成頻率和高頻開關，主振混頻電路將前兩個板塊向后傳輸的信號混合起來向輸出回路傳遞。除此之外，拍頻振蕩器的核心是差動比較器，其不僅與輸入端之間通過晶體振蕩器連接，而且通過調節電阻與輸出端聯通，此外還需要直接與主振混頻電路相連接，從而穩定地發揮功能[2]。

所述輸入回路包括多個感應天線及RLC濾波電路，感應天線用于檢測高頻開關電源的高頻信號，并產生一頻率諧振信號，RLC濾波電路接收頻率諧振信號。輸出回路包括與主振混頻電路電連接的電壓放大輸出電路和音頻放大驅動電路。所述電壓放大輸出電路包括第一運算放大器、第二運算放大器以及第三運算放大器。其中第一運算放大器和第二運算放大器的同相輸入端連接至主振混頻電路，第一運算放大器的反相輸入端連接至第二運算放大器的反相輸入端，輸出端連接至第三運算放大器的反相輸入端，第二運算放大器的輸出端連接至第三運算放大器的同相輸入端，第三運算放大器的輸出端輸出交流電壓有效平均值放大輸出信號。音頻放大驅動電路包括音頻功率放大器和揚聲器，音頻功率放大器的第一輸入端連接至主振混頻電路，音頻功率放大器的第二輸入端接地，輸出端連接至揚聲器。拍頻振蕩器以500 Hz～10 kHz的頻率振蕩，感應天線采用小型中波磁棒天線[3]。

由此可見，本實用新型提供的聲檢裝置利用高頻開關電源工作時固有的頻率輻射，采用輸入回路接收高頻開關電源的高頻信號，主振混頻電路分析其充電模塊主振頻率、穩定性、諧波分量以及主開關管脈沖電流信號等，并產生一個放大高頻信號，拍頻振蕩器產生一個跟蹤該信號頻率的振蕩信號，主振混頻電路將放大高頻信號和振蕩信號混頻后輸出一低頻的聲音信號到輸出回路[4]。

3 站內高頻整流模塊全兼容快速診斷系統的優點

通過實施該創新性研發項目后，可以解決直流系統運行中存在的諸多問題，優點很多，具有較好的應用前景，主要表現在以下幾個方面。

一是有效保證了直流系統正常可靠運行，消除模塊存在的隱患，杜絕失電風險現象的產生，提高電網運行的安全性和可靠性。二是直流屏高頻整流電源在維護和監測中不需要進行斷電操作，可以在帶電的環境下穩定運行，降低了人員及設備的安全風險，保障了人民生命財產安全。三是在具體運行過程中可以對模塊未來可能出現的問題有一定的預測作用，能更有效保障模塊運行的長期穩定，不僅減少了維修設備的成本，也能提前預防設備的過度損耗。四是無論在任何的負載條件下，都能有效穩定直流電源的工作狀態，在保證設備運行安全性的同時，還能降低維護成本，提高資金的使用效率。

現階段，我國的直流板塊主要是220 V、110 V以及48 V這3種類型，而本項目的各種模塊能夠完美適配這3種系統，工作人員的操作也保證了運行結果的可靠性。

4 本研發的技術關鍵點及創新點

在本次研發過程中，通過設立無線寬頻譜接收系統，采取多重傅里葉濾波網絡及完善的電器隔離系統，技術關鍵點及創新點主要表現在以下幾個方面。

一是無線寬頻譜接收系統的功能是分析高頻整流電源主振頻率、穩定性、諧波分量以及主開關管脈沖電流信號，預判模塊工作的狀態。二是單片機實現多重傅里葉濾波網絡，分析直流母線交流分量占比、特性及數值，預判模塊工作的狀態，并及時將相關運行數據傳輸至管理系統，為運行方案的制定提供精準的數據支撐。三是完善的電器隔離系統，保證裝置的采樣準確可靠而不影響主回路的電氣絕緣要求，并具備完善的自保護功能。四是內置單片機系統，建立數據庫系統能對多套直流屏高頻整流電源建模，通過對比分析海量數據源，方便參數處理和對比，對維護提出科學、定量的數據支撐。五是智能整合諸多參數，直觀輸出報警顯示界面，便于現場人員快速判別，縮短了故障判斷所需要的時間，提升了現場維護和維修的效率。六是所研發的產品具有體積小、重量輕、便于攜帶以及連接件兼容性好等諸多優點，適用于各廠家規格和型號的直流屏柜，功能實用，造價低且操作簡單，值得推廣和普及使用。

5 結 論

該項目的核心是無線寬頻譜接收系統，具體由輸入回路、主振混頻電路、拍頻振蕩器以及輸出回路這4個主要組成部分。這4大板塊也各自負責不同的功能，其中輸入回路主要管控高頻使用的開關，拍頻振蕩器監控生成頻率和高頻開關，主振混頻電路將輸入回路接收到的高頻信號與拍頻振蕩器產生的振蕩信號進行混頻，并輸出差頻后的音頻信號至輸出回路。本實用新型的聲檢裝置通過拍頻振蕩器可以實現高頻開關電源工作狀態聲音檢測功能，在線實時檢測，快速報告預判結果，從而達到直流屏高頻整流電源故障預判的目的。