一種變電站直流電源運行狀態監測系統的研究與應用

王 磊 黃 力 夏 添 喻紹鴻 付同福 周金橋

（1.貴州電網有限責任公司六盤水供電局 2.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

直流電源系統為變電站內保護自動化裝置、事故照明、應急電源、信號設備以及斷路器分合閘操作提供電源，其工作可靠性直接關乎繼電保護及開關能否正確及時切除故障，關系到全站乃至上級變電站的正常運行，是變電站內非常重要的設備之一，對于電網的穩定運行起到至關重要的作用［1-2］。

蓄電池組作為變電站直流電源系統的重要核心，在實際應用現場中大多處于無狀態管理或管理缺失狀態（僅監測電池端電壓），而對電池實際運行狀態處于未知的管理盲區，只有出現蓄電池事故后才能發現。但是，蓄電池是作為后備和應急電源應用的，所以有必要研究一種變電站直流電源在線監測系統，對變電站用直流電源蓄電池的實時運行狀態進行在線監測，并探索智能一體化多維感知策略，從而有效彌補變電站運行中的監測盲點，解決無法提前預知故障所帶來的隱患［3-4］。

1 系統整體設計

變電站直流電源在線監測系統主要由單體監測模塊、組電壓、組電流檢測模塊、組端收斂模塊以及在線監測主機組成，其系統圖如圖1所示。

圖1 變電站直流電源在線監測系統圖

圖1中，單體檢測模塊對直流電源系統單體電池的端電源、內阻以及溫度進行實時監測；組端收斂模塊對直流電源系統電池組整組電壓、整組電流進行實時監測，同時通過傳感網絡技術接收來自單體監測模塊的監測數據并將其送入在線監測主機，從而實現系統的多維感知探測。

1.1 單體監測模塊的研究與實現

單體監測模塊是整體在線監測系統中分布式部署到感知區域中用于采集每個單體設備的本體參數，協作完成指定任務的裝置。每個單體模塊由端電壓傳感檢測單元、內阻傳感檢測單元、溫度傳感檢測單元、控制邏輯單元、通訊收發單元以及供電單元幾部分組成，其內部組成如圖2所示。

圖2 單體監測模塊內部單元組成

1.2 組端收斂模塊的研究與實現

組端收斂模塊負責采集并計算組端電壓和組端電流，并集中采集單體監測模塊采集的本體參數，經集中打包處理后，上傳至在線監測主機。其內部主要由組電壓檢測單元、組電流傳感檢測單元、環境溫濕度傳感檢測單元、控制邏輯單元、兩個通訊收發單元以及供電單元幾部分組成，其內部組成如圖3所示。

圖3 組端收斂模塊內部單元組成

1.3 在線監測主機的研究與實現

在線監測主機負責接收來自組端收斂模塊集中采集并傳輸的數據，包含組端電壓、組端電流、單體電壓、單體內阻、單體溫度、環境溫濕度等，并通過就地顯示屏顯示出來。主機內置多種上傳協議庫，可通過配置支持Modbus、IEC104、IEC61850、MQTT等多種協議，從而實現實時遠程在線監測，其內部組成如圖4所示。

圖4 在線監測主機內部單元組成

2 系統硬件實現

2.1 單體傳感檢測單元設計

單體傳感檢測單元由端電壓傳感檢測單元、內阻傳感檢測單元和溫度傳感檢測單元組成，分別針對直流電源設備單體設備的端電壓、內阻以及溫度進行參數檢測。

其中，端電壓檢測采用運算放大器組成的線性采樣電路實現。為克服共模信號的干擾，將單體電池的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負端，經過差分放大器放大后送入AD轉換器進行AD轉換。

系統采用多循環法實現單體內阻的采集，測量時在一個電池組內劃分出多個循環過程。測量過程由第一個循環放電開始，接著進行第二個循環放電，各個循環依次進行直至結束。單體電池的放電曲線會被采集到系統中，內阻測量在壓降后進行。放電時采用恒流負載的方法，放電電流的穩定性可以得到保證。這一過程可通過系統軟件設置間隔時間實現無人自動測量。

溫度檢測單元采用已校準數字輸出的SHTC3溫濕度傳感器，其溫度檢測范圍為－45℃～125℃，溫度檢測精度為±1℃以內；濕度檢測范圍為0% ～100%，濕度檢測精度為±3%RH以內。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。

2.2 電流檢測單元設計

組電流檢測采用開合式霍爾電流傳感器實現，可實現非接觸式測量，其輸出信號4～20mA接至組端收斂模塊的電流采集端口，實現組端電流檢測。

在運行過程中，采樣電阻會先將電流信號轉換成電壓信號。隨后，對轉換得到的電壓信號進行放大處理，放大信號應當滿足轉換器量程。放大后的信號就是進行A／D轉換的電壓，將其輸入組端收斂模塊的控制邏輯單元進行信號計算。

2.3 在線監測主機

在線監測主機是整個系統的主控部分。它的作用是實時集中采集并顯示處理監控數據，并將所有監測數據和狀態上傳至后臺通訊服務站。主機配備了觸摸一體式顯示屏，也可在現場對其操作。另外，主機支持遠程接收后臺通訊服務站下發的指令，通過控制切換模塊來切換不同的開關，使蓄電池對放電模塊的假負載放電。放電試驗結束后，主機可自動控制切換模塊來切換開關，通過充電模塊對蓄電池組充電。

2.4 通信與數據傳輸

各模塊之間的通信通過RS-485來實現，其具有通信速率高、距離遠、抗干擾能力強等優點。主機與后臺通訊服務站之間的數據通過內網傳輸，可有效防止黑客入侵，增加系統的安全性。

3 系統應用效果

該系統在變電站直流電源系統的投運，可使運維人員及時掌握直流電源系統的實時運行狀態，通過實時數據與歷史數據的對比，對系統可能出現的問題進行預防。在大幅減少運維人員工作量的同時，使運維人員更及時、精準的掌握直流電源系統的實時運行狀態。

在推廣性方面，由于整套系統安裝較為方便，再加上電力物聯網的普及，可以在運維站管轄的較大范圍內的變電站安裝該套設備，使運維人員可在運維站后臺機上監測所有管轄變電站電池組的實時運行狀態。

在經濟性方面，既減少了人力勞動成本，又減少了往來各個變電站之間的用車成本，還節約了車程、人員操作等待的時間。并且可以通過實時監測及時發現問題，對隱患早做處理，避免擴大損失，間接帶來經濟效益。

4 結束語

本文提出的系統有效地彌補了傳統運維方式存在的缺陷。通過實際應用，可以精準、及時地向遠方的后臺機傳輸直流電源系統的實時運行狀態信息，生成可視化報表，對蓄電池異常告警。對公司節約成本，提升變電站智能運維的工作效率、可靠性和經濟性有著重大意義。