變電站直流操作電源監控系統的設計研究

郭 韜

（國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州215000）

0 引 言

直流操作電源系統在電力系統中發揮著重要作用，是一種由變流器、蓄電池和其他輔助電路組成的供電系統。直流操作電源供電區域要求直流電源穩定運行，同時便于調節電流。直流操作電源系統分布分散、設備冗雜，且維護與監測頻率較高。作為變電站的關鍵組成，直流電源系統的運行質量直接影響著電氣設備的運行質量。直流操作電源監控系統可實時采集蓄電池組數據，并將其傳輸至控制中心，有利于工作人員實時監測變電站電力系統的運行狀態。不僅可以有效降低變電站的維護工作量，而且可以實時監測直流設備的運行狀態，大大提高了變電站的運維水平[1]。

1 變電站直流操作電源運維現狀

現階段，國內多數變電站直流操作系統選擇閥控蓄電池與高頻開關電源充電模塊。此模塊的主要特點為質量小、配置靈活、體積小以及精密度高等。蓄電池具有無污染、密封性好、維護量小及過放電性能優良的特點。直流操作電源系統在調度端可對直流操作系統實現“三遙”，而調度中心接收的信息較少，很難反映直流操作系統的實際運行狀態，導致變電站人員無法及時了解蓄電池組與直流設備的工作狀態[2]。

此外，變電站直流操作電源系統運行中會出現一系列故障。第一，充電整流模塊保護。該模塊交流輸入電壓太低或太高、溫度過高等，會造成充電整流模塊保護。第二，蓄電池組故障。該故障產生的主要原因在于蓄電池熱失控、極板腐蝕、過充電以及池水損失等。第三，充電整流故障。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）過流、輸出電壓過高等，都會引發充電整流故障。第四，直流斷路器故障。第五，絕緣監控裝置故障。

2 直流操作電源監控系統的拓撲架構

直流操作電源監控系統主要分為3 層，即管理應用層、通信層以及數據采集層。該系統包括本地監控裝置、遠程監控終端、電池均衡采集系統、通信網絡、饋線開關量采集系統以及充電機通信系統等。各變電站端監控裝置借助RS-485 總線連接數據采集層設備，通過這些設備采集直流操作電源系統的運行數據，如電池電壓、充電機運行狀態、絕緣監測、母線電流電壓以及饋線開關狀態等，并統一管理收集的數據，由光纖環網、交換機等網絡通信層設備向數據中心服務器傳送[3-5]。中心服務器在存儲和處理數據信息后，將相關信息傳輸至各遠程監控終端，確保其通過互聯網瀏覽直流系統信息，同時將分級管理口令提供給各個遠程監控終端，依照各自權限更改變電站設施參數與信息，提供電池均衡、母線狀態切換以及蓄電池放電等遠程控制。圖1 為直流操作電源監控系統拓撲架構。

圖1 直流操作電源監控系統拓撲架構

3 變電站直流操作電源監控系統設計

3.1 系統設計思路

為滿足變電站直流操作電源的多樣性，直流操作電源監控系統選擇模塊化設計方案。依照變電站直流操作電源系統的差異性，選擇規格型號各異的底層模塊，包括開關量模塊、綜合測量模塊、交流測量模塊、絕緣檢測模塊以及電池巡檢模塊。表1 為變電站直流操作電源監控系統的組成模塊及其功能。

表1 變電站直流操作電源監控系統的組成模塊及其功能

系統主界面可實時顯示交流進線狀態、電池系統狀態、逆變系統狀態、通信系統狀態以及充電系統狀態等，同時實時動態顯示主界面開關量數據。點擊圖片能查看設備詳細信息，界面下設快捷菜單，點擊即可查看更多菜單信息，如圖2 所示。

圖2 變電站直流操作電源監控主界面

3.2 系統設計

3.2.1 監控主機設計

主機采用液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）觸摸屏，結構簡單，占用體積小，便于安裝，且組配比較靈活。主界面顯示數據布置合理、便于操作，具有良好的人機交互性能。該系統的主要功能特點如下：一是最多可以設置16 個電源組件；二是監測器選擇彩色觸摸屏幕，顯示畫面采用圖形模式，能夠直觀顯示系統數據，同時可以設置和校準系統參數，顯示系統的運行狀態；三是可顯示失效的歷史紀錄和內存殘缺情況；四是能實現對電池組的自動控制，根據充電和放電關系，對一套電池組進行充電和放電；五是能與交流檢測模塊結合，實時監測交流輸入系統運行情況；六是能與集成檢測模塊結合，實時監測交流電源和母線運行情況；七是可結合蓄電池巡查功能，實時監測220 個蓄電池的運行情況；八是可與開關容量探測模組協同工作，監測使用者設定的開關容量，并輸入其設定的開關容量；九是可與隔離檢查模組結合，監測母線和分支線路的隔離狀況；十是監測母線和支路的絕緣狀況，并在母線、支路出現接地故障時，通過聲音、光線等方式發出報警提示[6-8]。

3.2.2 綜合測量模塊設計

變電站直流操作電源的監測模塊主要負責監測直流供電系統的各項參數，并把監測結果傳送到監測主機。該模塊能夠同時測量3 路直流電壓、3 路交流電壓、2 路電流以及1 組電池的溫度，監測4 路開關量輸入數據、1 段母線絕緣性能、2 路和8 路開關量輸出數據等。交流電壓測量最大值為500 V。交流電壓在304 ～456 V 時，測量精度為1%。測得的最大直流電壓量程為300 V，且在90%～130%的額定電壓范圍內，準確度應小于0.5%。在20 ～100 A 范圍內，最大量程為100 A，且準確度應小于1%。在電壓為-2 ～100 V 的情況下，電壓的最大量程為-100 V。此外，電池組溫度測量在-10 ～+100 ℃，應實現±3 ℃的精確測定。

3.2.3 電池巡檢模塊設計

變電所直流操作電源監控系統監測蓄電池，并將監測結果傳送到監控主機。該系統應能實時監控多節12 V 單電池和1 組電池的溫度。在10 ～15 V 范圍內，最大量程為17 V，準確度超過0.5%。該芯片能對55 節2 V 的單電池進行電壓監測，并對2 個單電池進行溫度監測。若單電池電壓為2 ～3 V，則最大量程應為4 V，準確率超過1%。

3.2.4 絕緣檢測模塊設計

變電所直流操作電源監控系統監測母線和分支線路的絕緣狀況，并將監測數據傳送到監測主機。在小分支數直流操作電源系統中，該模塊應實現在40 s 內對單段母線和32 條分支線路進行同步檢測。對于分支數更多的直流操作電源系統，該模塊應實現在60 s 內對單段母線和64 條分支線路進行同步監測。在對母線和支路的絕緣電阻測量精度方面，該模塊的測量誤差應在±5%～±10%。

3.2.5 開關量模塊設計

變電所直流電源監控系統開關量模塊主要是監測開關量信號的輸入。使用者可以設定開關量輸入值，并將監測數據傳送到監控主機。該模塊能監控64 路輸入的開關量數據，并具有8 個開關量輸出節點。輸出節點容量為交流250 V/5 A、直流30 V/5 A 或直流220 V/50 mA。

3.2.6 交流測量模塊設計

變電站直流操作電源監控系統交流電流測量模塊是一種適用于1 000 A 或小于1 000 A 直流電源監控的交流電流測量模塊。它能對A、B、C、N 相的4路交流電壓、三相交流電流、功率因數以及有功功率進行同步測量。通過對無功功率、總功率、頻率等參數的分析，向監控系統發送數據。在測量交流電流時，可采用開口型封閉霍爾電流傳感器，以便能夠在不斷電的情況下改造直流屏，并且在開口區采用降低磁阻的方法使其測量精度達到±2%。

4 結 論

變電站直流操作電源監控系統制造簡便、成本低、易于安裝和應用，能有效減少日常維修成本，減少工人的工作量。該監控系統具有自動警報與斷電等功能，可有效保障系統安全。對于多塵多濕條件，可進一步改進設備，提高設備的保護水平。對于直流操作電源監控系統保障有較高需求的用戶，可以按照需求拓展其功能，如添加直流操作電源系統的正常操作和故障操作，實現區分記錄、交直流互串報警和蓄電池的環境檢測等功能。