變電站直流電源故障分析系統的研究與應用

楊帥

摘要：近年來，在電力系統內因變電站直流電源系統出現異常而引起保護裝置誤動、拒動的事故呈上升趨勢，而目前直流系統安裝的設備在事故狀態下卻無法捕捉到準確和詳細的異常情況信息，缺乏事故數據支撐，給事故原因分析增添了許多不確定因素，導致采取的后續措施缺乏有效的技術依據。

關鍵詞：變電站;直流電源;故障分析

1 國內研究現狀分析

目前，國內外相關系統尚未對整個直流系統設備進行系統性監測管理，對于直流系統的監測也不全面，現有的離線監測運維手段，容易受到人為因素的影響，并且數據的連續性差，不容易進行數據分析，無法確切掌握整體系統的運行狀況。

現階段研究分別從直流系統環網故障、繼電器線圈接地故障、交直流混路造成保護誤動等方面分析了不同故障帶來的各種危害并相應提出了解決措施。同時針對直流系統絕緣監測、直流系統對地電容測量方法、直流系統絕緣監測裝置、蓄電池容量的半荷內阻測量等方法進行了探討和研究，對解決目前由于絕緣監測裝置缺陷導致的直流系統故障，提高系統運行的安全性具有重要意義，同時也對在蓄電池安全檢測、性能分析、壽命準確估計與預測方面開辟一條新的學術思路有所助益。

但目前的研究依然存在如下技術瓶頸：

（1）直流電源系統的研究內容主要集中于系統絕緣故障監測、蓄電池的遠程在線監測與充放電等方面，但都是針對直流系統某一方面的獨立研究，對于直流電源系統全方位整體狀態的監測和評估尚未涉及。

（2）蓄電池組狀態監測存在很多不足。目前絕大部分變電站僅安裝了蓄電池巡檢儀，僅實現了單體電壓和蓄電池組電壓監測，但電壓測量偏差較大，無法對蓄電池的狀態進行準確監測。

（3）接地告警功能不完善，存在重大安全隱患的絕緣裝置還在繼續使用，并且有類似問題的設備依然不斷流入電網。

總的來講，目前直流電源故障檢測技術的研究主要面向單個設備，而未從直流電源系統的角度開展。本文通過直接采樣及從現有設備中獲取等方式，將直流電源主要參數的穩態與瞬態數據集中上傳至故障分析系統主站，對各參數的縱、橫兩個方向進行對比，并分析各參數之間的相互作用和影響，以全面、及時、準確判斷直流電源發生的故障及設備性能的變化趨勢。

2 直流電源故障分析系統

考慮到該系統用戶的分布面廣，使用人員的地理位置分散，因此，系統軟件采用B/S（瀏覽器/服務器）結構，數據庫、應用程序和服務器都集中放置在總站，方便系統維護、升級及功能的擴展。該系統可作為子系統接入地區電網狀態中心，可容納500個變電站站點接入。

直流電源故障分析系統通過監測和分析蓄電池、充電機、絕緣裝置及蓄電池監測裝置的運行參數變化趨勢，深入了解上述設備的運行狀態，及時發現蓄電池組、充電機的故障及不滿足有關規程、反措要求的絕緣監測裝置。根據裝置、設備的性能劣化程度，提出檢修建議與方案，逐步實現狀態檢修，以大大減少直流電源設備的日常維護工作量;確保蓄電池組具有事故跳閘和2 h事故放電能力，防止直流電源消失引起保護拒動事故;消除充電機不穩定輸出對蓄電池造成的不利影響，從而提高直流電源系統的供電可靠性;交流竄入、直流環網、電壓偏差及電壓波動等各種直流接地故障能及時告警并得到排除，以預防直流系統一點接地引起保護誤動。

3 系統設計

直流電源故障分析系統在研究設計時分為以下三部分：數據采集終端研制、通信規約制定、分析輔助決策系統開發。

3.1 研制數據采集終端

數據采集終端以通信方式從集中監控、絕緣裝置、蓄電池巡檢儀獲取有關數據，并將絕緣裝置、蓄電池巡檢儀的數據轉發給集中監控，獲取的數據包括各類參數整定值、測量值和告警信息以及單體電池電壓、內阻、溫度等。系統通過實時采樣獲取數據，數據采集終端可通過自采的方式采集蓄電池組浮充電流、均充電流、核容放電電流、事故跳閘放電電流，母線電壓、對地電壓與對地交流電壓等。系統具有B碼對時功能，以保證數據采集時與其他設備一致，便于事故分析與各種數據統計等。

儲能電感L1及電解電容C1可保證在直流電源失壓的條件下，本裝置還可工作一段時間，以便采集系統事故后的數據;超級電容C2則保證本裝置的CPU等主要部件最后失去電源，以便保存采集數據。

3.2 制定通信規約

系統中的數據采集終端與絕緣監測裝置之間通信采用RS485通信規約，與蓄電池巡檢儀之間通信采用RS485通信規約，與集中監控裝置之間通信采用RS485通信規約，與主站之間通信采用TCP/IP通信規約。

3.3 開發直流電源故障智能分析輔助決策系統

直流電源故障智能分析輔助決策系統需要在采集故障信息的基礎上對直流系統進行故障建模及分析，要能準確及時地對直流電源系統的異常及故障情況做出分析，并根據分析結果發出告警或警示，分析結果以圖形、文本等方式展示出來，通過監測分析，可判斷出直流斬波器、硅鏈等穩壓、調壓設備的特性是否滿足直流系統的運行要求;可以監測在蓄電池轉供期間，特別是在出現保護裝置動作等大負荷狀態時，各蓄電池所表現出的容量情況及母線電壓的波動情況，以判斷蓄電池容量是否滿足運行要求，在容量不滿足運行要求時能及時發出告警信息;直流系統絕緣監測裝置在進行接地檢測時，由于平衡回路的切換，將會造成直流系統對地電阻和對地電容的變化，通過在直流系統絕緣監測裝置檢測動作時同步檢測對直流系統的擾動情況，可以鑒別出直流系統絕緣監測裝置的原理及特性是否滿足直流系統的運行要求。系統的總體結構擬采用四層構架，劃分為數據采集層、數據管理層、故障斷診斷層、Web展示層。

其中，數據采集層實現的功能是使用TCP/IP通信收集前端數據采集裝置上傳的數據，并將系統的控制指令發送給前端采集裝置，從而實現系統軟件與前端裝置之間的數據交互。采集層監控每臺采集裝置的工作狀態、網絡情況，并將數據傳輸給數據管理層。數據管理層主要功能有數據的預處理、數據計算、數據校驗及糾錯、數據庫管理等。數據管理層將采集層的數據全部整理完成，錄入數據庫的同時為故障診斷層提供有效的數據。故障診斷層是軟件的核心部分，涉及直流系統的故障診斷方法。故障診斷層根據數據管理層提供的數據及設定的參數分析出各個直流系統目前的工作狀態是否良好，從而判斷系統是否進入高速采集模式;同時，故障診斷層將根據采集數據的變化趨勢對直流系統故障狀態提前預警。展示層為操作展示層，系統利用Web進行信息展示及操作。

4 結語

本文搭建的直流電源故障分析系統可通過采集運行中充電機、絕緣監測裝置、蓄電池巡檢裝置數據，分析裝置是否出現故障;可實現蓄電池開路、短路、容量下降等故障的判斷與告警;可實現絕緣裝置接地故障報警與隱患的分析監測功能，可實現接地引起保護誤動分析，十分適用于直流電源設備全生命周期的管理。

參考文獻

[1]葉有生，賴江平，曾志琳.某型測試設備供電電流異常故障分析及預防[J].航空維修與工程，2019（2）：82-84.

[2]林海，羅雯茜.廠站直流電源系統故障分析與防范[J].福建水力發電，2018（1）：43-44.

[3]周天雷.直流電源系統接地故障分析[J].水泥工程，2018（2）：71.

[4]李培亮，魏治成，熊澤群，等.某500 k V變電站直流電源系統故障分析[J].國網技術學院學報，2017，20（4）：25-27.