變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究

李斐

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000）

隨著變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)，直流系統(tǒng)中的電源模塊、蓄電池、直流回路等都可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行異常的情況。如果對(duì)這些直流系統(tǒng)中的缺陷不及時(shí)加以處理，則可能會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)應(yīng)用變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，可以滿足對(duì)變電站直流系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、以及發(fā)生事故或異常情況時(shí)進(jìn)行分析的需求，實(shí)現(xiàn)電池開(kāi)路檢測(cè)預(yù)警，以及電池模塊化評(píng)估和故障狀態(tài)下直流系統(tǒng)的主動(dòng)隔離。本文詳細(xì)分析了變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，對(duì)于提高變電站直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平具有一定的價(jià)值。

1 變電站中的直流系統(tǒng)

1.1 變電站直流系統(tǒng)中的蓄電池

在變電站的主控室中，包括了交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，電力二次設(shè)備和通信自動(dòng)化設(shè)備基本都是通過(guò)直流系統(tǒng)逆變來(lái)供電。其中蓄電池是直流系統(tǒng)的重要組成部分，也是決定直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。變電站直流系統(tǒng)中蓄電池在組成結(jié)構(gòu)上包括了電容、正極和負(fù)極、電解液等，利用蓄電池可以試下化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)蓄電池運(yùn)行在放電狀態(tài)時(shí)，可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，當(dāng)蓄電池運(yùn)行在充電狀態(tài)時(shí)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并給負(fù)載供電，圖1為變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的結(jié)構(gòu)圖。

從圖1變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，組件1代表蓄電池上的接線柱，組件2代表蓄電池的電池蓋、組件3代表蓄電池的安全閥、組件4代表蓄電池的正極板、組件5代表蓄電池的隔板、組件6代表蓄電池的負(fù)極板、蓄電池7代表蓄電池的外殼。蓄電池從分類上，主要可以分為堿性蓄電池和酸性蓄電池，其中酸性蓄電池的特點(diǎn)是其兩端的電壓相對(duì)較高，但其使用周期也相對(duì)較短，并且在運(yùn)維過(guò)程中也較為不方便。而堿性蓄電池由于其體積較小，故在運(yùn)維過(guò)程中相對(duì)容易，但是其放電電流比較小，故在變電站的直流系統(tǒng)中一般都是采用酸性蓄電池。

圖1 變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的結(jié)構(gòu)

1.2 采用變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的必要性

變電站直流系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，涉及到化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，受到人為因素或者設(shè)備質(zhì)量等因素的影響，容易出現(xiàn)故障。此時(shí)有必要應(yīng)用故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握變電站直流系統(tǒng)中所存在的缺陷。利用變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)出變電站直流系統(tǒng)蓄電池狀態(tài)診斷和異常情況主動(dòng)隔離裝置，根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)信息，來(lái)對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)存在異常情況時(shí)，則及時(shí)主動(dòng)進(jìn)行隔離，保證直流系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)較大范圍的故障。

2 變電站直流系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)分析

2.1 變電站直流系統(tǒng)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

目前在變電站直流系統(tǒng)中基本都配置了監(jiān)控裝置，但大多數(shù)只是在直流系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，則難以及時(shí)采集到相關(guān)信息，給后續(xù)的故障診斷分析帶來(lái)了較大的難度。同時(shí)，直流線路監(jiān)控裝置雖然能夠?qū)π铍姵氐亩穗妷哼M(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓異常時(shí)，也能夠發(fā)出預(yù)警信息。但是無(wú)法對(duì)蓄電池的運(yùn)行內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依然需要通過(guò)人工采用儀表進(jìn)行檢測(cè)的方式才能獲取到數(shù)據(jù)。為了提高對(duì)變電站直流系統(tǒng)蓄電池的故障診斷及檢測(cè)質(zhì)量，可以配置專門(mén)的直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置。

2.2 變電站直流系統(tǒng)的組成

在變電站直流系統(tǒng)的組成中，主要包括了蓄電池和充電屏等部分，其中在充電屏柜中包括了充電機(jī)、直流饋電系統(tǒng)、交流配電系統(tǒng)、監(jiān)控模塊、絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，通過(guò)各個(gè)組成部分之間的協(xié)調(diào)配合，保證整個(gè)變電站直流系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，圖2為變電站直流系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。

圖2 變電站直流系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

從圖2變電站直流系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖中可以看出，首先站用電源進(jìn)線通過(guò)交流配電系統(tǒng)，將交流電源分配到各個(gè)充電模塊中，充電功能模塊主要是用來(lái)完成站用交流系統(tǒng)到直流系統(tǒng)的變換，并通過(guò)整流模塊加以實(shí)現(xiàn)。之后再通過(guò)直流饋電模塊，將直流電源分配到各個(gè)支路中。監(jiān)控模塊則可以對(duì)變電站直流系統(tǒng)的蓄電池運(yùn)行狀態(tài)、絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)變電站直流系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠發(fā)出相應(yīng)的告警信息。電池監(jiān)測(cè)模塊可以對(duì)蓄電池的端電壓、環(huán)境溫度以及充放電電流的大小等進(jìn)行全面的監(jiān)控。采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的好處主要是當(dāng)站用電出現(xiàn)故障時(shí)，依然可以通過(guò)蓄電池來(lái)保證電力二次設(shè)備的正常可靠供電，將蓄電池作為重要的備用電源。

2.3 變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及隔離技術(shù)

變電站直流系統(tǒng)可能發(fā)生的常見(jiàn)故障類型，包括三相交流系統(tǒng)的輸入故障、充電機(jī)輸入故障、蓄電池故障、接地故障等。首先對(duì)于三相交流系統(tǒng)的輸入故障，如果蓄電池不斷處于放電的工作狀態(tài)，電池容量明顯降低，則表明三相交流系統(tǒng)可能出現(xiàn)了故障。其次當(dāng)充電機(jī)的輸入電壓過(guò)高時(shí)，會(huì)給直流系統(tǒng)的蓄電池帶來(lái)較大的損傷，此時(shí)應(yīng)主動(dòng)切斷直流輸入，保證蓄電池的安全。再次當(dāng)蓄電池的外殼膨脹或者出現(xiàn)裂紋時(shí)，則表明蓄電池出現(xiàn)了故障。最后，變電站直流系統(tǒng)還會(huì)發(fā)生交流串入故障。當(dāng)變電站中的一次設(shè)備發(fā)生了接地情況時(shí)，此時(shí)在供電回路中會(huì)產(chǎn)生零序電流，如果直流系統(tǒng)回路和地網(wǎng)較為接近時(shí)，此時(shí)由于對(duì)地存在分布電容，會(huì)通過(guò)分布電容形成回路，導(dǎo)致接地產(chǎn)生的零序電流通過(guò)直流回路回到直流側(cè)，從而引發(fā)故障。對(duì)于這種故障類型的診斷，可以采用檢測(cè)系統(tǒng)中的交流電壓數(shù)據(jù)的方式，當(dāng)檢測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)比所診斷系統(tǒng)中所設(shè)定的數(shù)據(jù)大時(shí)，則說(shuō)明該直流系統(tǒng)發(fā)生了交流串入情況。

同時(shí)在變電站直流系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)中，可以引入大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，提高變電站直流系統(tǒng)診斷評(píng)估結(jié)果的魯棒性和準(zhǔn)確性。并且通過(guò)采用這些技術(shù)，也可以提高對(duì)變電站直流系統(tǒng)故障診斷的效率和準(zhǔn)確度。在應(yīng)用變電站直流系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)時(shí)，需要研發(fā)出變電站直流系統(tǒng)故障信息采集及錄波裝置，這樣就可以根據(jù)裝置中所采集到的波形曲線來(lái)分析直流系統(tǒng)所發(fā)生的故障類型。

3 變電站直流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)分析

通過(guò)采用變電站直流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，可以將所采集到的直流系統(tǒng)預(yù)警信息在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面上顯示出來(lái)。在變電站直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)控裝置處于核心地位，能夠?qū)χ绷飨到y(tǒng)中多個(gè)物理量進(jìn)行采集，并且根據(jù)系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)可以在監(jiān)測(cè)裝置的界面上展示出所記錄下來(lái)的直流系統(tǒng)故障信息。直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置在應(yīng)用過(guò)程中，需要和其他設(shè)備之間保持良好的信息通信。在變電站直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，涉及到數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)展示技術(shù)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)等。

對(duì)于變電站直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用流程，首先是監(jiān)測(cè)采集到直流系統(tǒng)中的異常運(yùn)行數(shù)據(jù)，之后再經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，發(fā)出告警信息，并將告警信息推送到變電站直流系統(tǒng)運(yùn)維人員的終端設(shè)備上，以便運(yùn)維人員能夠及時(shí)掌握信息，并采取措施進(jìn)行消缺。同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)變電站直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件配置、軟件配置以及網(wǎng)絡(luò)配置，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中包括了監(jiān)測(cè)終端設(shè)備和遠(yuǎn)程服務(wù)器，兩者之間需要通過(guò)以太網(wǎng)通信方式進(jìn)行相互組網(wǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)所監(jiān)測(cè)到的預(yù)警信息能夠發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中并進(jìn)一步推送給運(yùn)維人員。將該變電站直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)應(yīng)用在某實(shí)際供電企業(yè)中，結(jié)果表明該故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)χ绷飨到y(tǒng)中的多種不同故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷分析，準(zhǔn)確率很高，并且預(yù)警信息也能夠可靠傳輸給運(yùn)維人員，對(duì)于降低對(duì)變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)維成本、提高運(yùn)維技術(shù)水平發(fā)揮了重要作用，取得了很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

直流系統(tǒng)是保證變電站保護(hù)裝置、通信裝置及自動(dòng)化裝置安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則保護(hù)裝置可能出現(xiàn)拒動(dòng)或者誤動(dòng)，自動(dòng)化裝置也可能會(huì)斷電。加強(qiáng)變電站直流系統(tǒng)的故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要的意義，本文所分析的變電站直流系統(tǒng)故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，可以在實(shí)際的變電站直流系統(tǒng)運(yùn)維中加以應(yīng)用。