變電站通信電源及機房環境監控系統的研究

蔣振宇

（廣東電網有限責任公司茂名供電局，廣東 茂名 525000）

0 引言

在南方電網公司，傳輸設備、PCM 設備及數據網設備均能通過網管進行實時監控，安全可靠性較高，而在通信電源及機房環境方面的監控手段存在較大的缺失。通信電源是通信設備正常運行的基礎，一旦出現故障往往造成大面積的設備停電和電力業務中斷；機房的整體然環境對設備的影響也不可忽視，空調驟停引起的高溫或者意外引發的火災對設備的運行也是致命的[1]。

目前，對通信電源的監控主要通過告警監控模塊的干接點接入傳輸設備外部告警或者調度自動化系統進行監控，這種監控方式不能對缺乏告警監控模塊的DC-DC 電源設備進行監控，也不能實時地采集每節電池的運行狀態，存在較大的局限性。而對于機房環境的監控幾乎沒有，往往設備已經產生告警了才通知變電站運維人員至現場處理，消耗的時間過長，容易引起設備停機或者業務中斷。針對這些問題，筆者決定另辟蹊徑，不通過電源監控模塊收集告警信號，而是直接采集通信電源電壓電流的方式收集各類信號，另外采取紅外線遠程控制的方式遙控空調，立項新建茂名供電局變電站通信電源及機房環境監控系統。

1 系統建設

變電站通信電源及機房環境監控系統通過串口服務器采集變電站通信電源整流屏、DC-DC 電源的電壓和電流、蓄電池的電壓和單節內阻、空調的狀態、機房的溫度等信息，利用變電站綜合數據數據網接入茂名供電局辦公樓通信機房的后臺服務器，服務器連接公司短信平臺。系統實時上傳各類監控數據至服務器，儲存通信電源運行數據和機房環境數據，對存在異常的數據通過短信、微信等工具產生告警信息。班組員工能登錄個人電腦查看各個變電站通信電源和機房環境的情況，也能通過告警信息遠程了解設備故障情況，大大提高了搶修響應速度[2]。系統原理如圖1 所示。

2 系統的各個監控節點的實現過程

2.1 整流屏及DC-DC 屏的監控

整流設備或者DC-DC 設備是通信電源的核心，應該重點監護，要求能實現如下情境的信息采集功能：

（1）當整流屏的交流輸入切換、其中一路交流輸入缺相等異常或者兩路交流輸入異常，產生告警；

（2）當整流屏的交流輸出缺相等異常，產生告警；

（3）當整流模塊交流輸入或者直流輸出電壓、電流異常，輸出過壓或者欠壓，產生告警；

（4）當蓄電池輸入至整流屏的直流電壓過高或者過低，產生告警；

（5）當DC-DC 屏的直流輸入電壓或者DC-DC 模塊的輸出電壓、電流異常，產生告警。

分析如上告警可以發現，采集的信息一個是電壓，另外一個是電流，均可以通過電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）測量實現，如圖2 所示。最終結果輸出至串口服務器的電壓表和電流表上。

圖1 系統原理圖

圖2 用PT、CT 測量電壓和電流

2.2 通信蓄電池的監控

蓄電池是當通信整流設備故障時提供不間斷直流電源的儲能設備，變電站通信蓄電池大多數采用閥控鉛酸蓄電池，其設計原理是把所需份量的電解液注入極板和隔板中，通過化學反應實現電能和化學能的轉換。通信電源屏自帶的監控模塊只有當蓄電池電壓過低才產生告警，具有滯后性和被動性，不能提前預知蓄電池的質量變化趨勢。因此，對蓄電池的監控重點關注兩方面。一方面，蓄電池的溫度。閥控鉛酸蓄電池對溫度的要求很高，溫度每升高1℃，電池電壓下降約3 mV/單電池，致使浮充電流升高，使溫度進一步升高。溫度高于50℃會使電池槽變形。溫度低于-40℃時，閥控式鉛酸蓄電池還能正常工作，但蓄電池容量會減小。另一方面，閥控鉛酸蓄電池的內阻是反映蓄電池性能和健康狀況的重要指標，單節電池內阻過大會拖累整組蓄電池狀態，使得電池組容量不足。

目前，測試蓄電池內阻的方法繁多，如動態大電流沖擊負載放電法、直流瞬間大電流放電法、交流內阻測試法、小電流二次放電法等。基于通信電源穩定可靠運行的和蓄電池低損害的要求，筆者采用小電流二次放電法測試[3]。測試電路如圖3 所示。

圖3 小電流二次放電法測試電路圖

圖3 中，電池電動勢為E，R1、R2為額定電阻，R0為負載等效電阻，r為電池內阻，K1、K2為開關。R1和R2數值已知，E、R0和r數值未知。

首先，開關K1、K2都斷開，蓄電池對負載電阻R0放電，可測得R0兩端電壓為U0和流過R0的電流為I0。由歐姆定律可得：

其次，對蓄電池進行第一次小電流放電，K1閉合，K2斷開，此時R1和R0并聯，R1兩端的電壓為U1，由歐姆定律可得：

最后，對蓄電池進行第二次小電流放電，K2閉合，K1斷開，此時R2和R0并聯，R2兩端的電壓為U2，由歐姆定律可得：

結合式（1）、式（2）、式（3），最終得出蓄電池內阻r：

除了測試單節蓄電池內阻，蓄電池監測模塊還能采集蓄電池電壓、表面溫度等運行參數，實現全方位在線檢測，實時了解蓄電池的運行狀況，杜絕因蓄電池故障、老化引起的容量不足和安全問題，蓄電池監控模塊之間采用手拉手總線方式。

2.3 空調狀態的遠程在線監控及環境信息采集

為了實現空調狀態的遠程在線監控及控制，通過RS485 接口采集空調的運行狀態，選用AT89C52 作為BAC485 空調遙控器的中央處理器。其數據存儲器EEPROM 用來存儲學習過程中各品牌空調編碼信號的脈沖寬度和編碼。在使用中，首先對站內遠程控制模塊進行初始化操作，學習要控制的空調的各條指令，如開機、關機、溫度調節、運行模式等，站內遠程控制模塊的紅外發射器收發方向指向空調控制模塊，中間不能有遮擋。一旦空調停機，可通過紅外信號直接控制空調運行狀態的開機[4]，結構如圖4 所示。

圖4 空調遙控器的中央處理器結構圖

需在通信機房合適的位置安裝溫度傳感器和煙感傳感器，一般7 m2一個溫濕度傳感器和煙感傳感器。傳感器的信號通過RS-485 的方式接入至變電站串口服務器，實現在線檢測。

3 工作成效

變電站通信電源及機房環境監控系統項目完成后，能實時檢測通信電源和蓄電池的電壓、電流狀況，了解通信機房的溫度和濕度，存在的告警情況會顯示在主頁面上。在系統上提前設置電壓、電流、溫度、濕度等數據的閥值，高于閥值或者低于閥值均會產生告警。各類產生的告警按照重要性和緊急程度，分為緊急告警、重要告警和一般告警，緊急告警通過公司告警平臺，實時給通信檢修人員發送短信或者微信。

2018 年末，茂名供電局的通信電源和機房環境監控系統建成。對比2018 年運維情況，2019 年35 kV 及以上變電站日常巡視次數減少50 次，故障檢修時間平均縮短2 h，提前發現2 起110 kV 變電站蓄電池狀態惡化。由此可見，該監控系統效果是顯著的，能大大縮短運維人員發現故障的處理時間，提升通信電源設備管理水平和運行穩定性，減少進站工作次數和車輛使用次數，提高工作效率，有助于變電站二次設備業務的可靠運行，實現了對變電站通信電源設備和通信機房的少人、無人運維值守，這也符合公司為基層減負和電網智能化的工作思路。

4 結論

安全是電網的生命線，通信電源和機房環境監控系統為通信電源設備和其他通信設備的可靠運行提供有力能源和環境支撐，切實改善地市局主網變電站通信設備的智能運行水平，有效杜絕電網事故事件的發生。隨著配網通信設備的進一步推廣，惡劣復雜的機房環境更需要加強在線監控，因此，該系統也能應用于配網10 kV 開關站及其他配網工作站，值得南網其他地市局參考借鑒。