一種變電站直流電源運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王 磊 黃 力 夏 添 喻紹鴻 付同福 周金橋

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)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(tǒng)為變電站內(nèi)保護自動化裝置、事故照明、應(yīng)急電源、信號設(shè)備以及斷路器分合閘操作提供電源，其工作可靠性直接關(guān)乎繼電保護及開關(guān)能否正確及時切除故障，關(guān)系到全站乃至上級變電站的正常運行，是變電站內(nèi)非常重要的設(shè)備之一，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用［1-2］。

蓄電池組作為變電站直流電源系統(tǒng)的重要核心，在實際應(yīng)用現(xiàn)場中大多處于無狀態(tài)管理或管理缺失狀態(tài)（僅監(jiān)測電池端電壓），而對電池實際運行狀態(tài)處于未知的管理盲區(qū)，只有出現(xiàn)蓄電池事故后才能發(fā)現(xiàn)。但是，蓄電池是作為后備和應(yīng)急電源應(yīng)用的，所以有必要研究一種變電站直流電源在線監(jiān)測系統(tǒng)，對變電站用直流電源蓄電池的實時運行狀態(tài)進行在線監(jiān)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(jiān)測盲點，解決無法提前預(yù)知故障所帶來的隱患［3-4］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

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

圖1 變電站直流電源在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

圖1中，單體檢測模塊對直流電源系統(tǒng)單體電池的端電源、內(nèi)阻以及溫度進行實時監(jiān)測；組端收斂模塊對直流電源系統(tǒng)電池組整組電壓、整組電流進行實時監(jiān)測，同時通過傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接收來自單體監(jiān)測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其送入在線監(jiān)測主機，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的多維感知探測。

1.1 單體監(jiān)測模塊的研究與實現(xiàn)

單體監(jiān)測模塊是整體在線監(jiān)測系統(tǒng)中分布式部署到感知區(qū)域中用于采集每個單體設(shè)備的本體參數(shù)，協(xié)作完成指定任務(wù)的裝置。每個單體模塊由端電壓傳感檢測單元、內(nèi)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(fā)單元以及供電單元幾部分組成，其內(nèi)部組成如圖2所示。

圖2 單體監(jiān)測模塊內(nèi)部單元組成

1.2 組端收斂模塊的研究與實現(xiàn)

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

圖3 組端收斂模塊內(nèi)部單元組成

1.3 在線監(jiān)測主機的研究與實現(xiàn)

在線監(jiān)測主機負責(zé)接收來自組端收斂模塊集中采集并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包含組端電壓、組端電流、單體電壓、單體內(nèi)阻、單體溫度、環(huán)境溫濕度等，并通過就地顯示屏顯示出來。主機內(nèi)置多種上傳協(xié)議庫，可通過配置支持Modbus、IEC104、IEC61850、MQTT等多種協(xié)議，從而實現(xiàn)實時遠程在線監(jiān)測，其內(nèi)部組成如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測主機內(nèi)部單元組成

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 單體傳感檢測單元設(shè)計

單體傳感檢測單元由端電壓傳感檢測單元、內(nèi)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(shè)備單體設(shè)備的端電壓、內(nèi)阻以及溫度進行參數(shù)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(xiàn)。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(jīng)過差分放大器放大后送入AD轉(zhuǎn)換器進行AD轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用多循環(huán)法實現(xiàn)單體內(nèi)阻的采集，測量時在一個電池組內(nèi)劃分出多個循環(huán)過程。測量過程由第一個循環(huán)放電開始，接著進行第二個循環(huán)放電，各個循環(huán)依次進行直至結(jié)束。單體電池的放電曲線會被采集到系統(tǒng)中，內(nèi)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(wěn)定性可以得到保證。這一過程可通過系統(tǒng)軟件設(shè)置間隔時間實現(xiàn)無人自動測量。

溫度檢測單元采用已校準數(shù)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(nèi)；濕度檢測范圍為0% ～100%，濕度檢測精度為±3%RH以內(nèi)。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。

2.2 電流檢測單元設(shè)計

組電流檢測采用開合式霍爾電流傳感器實現(xiàn)，可實現(xiàn)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(xiàn)組端電流檢測。

在運行過程中，采樣電阻會先將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。隨后，對轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進行放大處理，放大信號應(yīng)當滿足轉(zhuǎn)換器量程。放大后的信號就是進行A／D轉(zhuǎn)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(jiān)測主機

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

2.4 通信與數(shù)據(jù)傳輸

各模塊之間的通信通過RS-485來實現(xiàn)，其具有通信速率高、距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點。主機與后臺通訊服務(wù)站之間的數(shù)據(jù)通過內(nèi)網(wǎng)傳輸，可有效防止黑客入侵，增加系統(tǒng)的安全性。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在變電站直流電源系統(tǒng)的投運，可使運維人員及時掌握直流電源系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，通過實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對比，對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)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(tǒng)的實時運行狀態(tài)。

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

在經(jīng)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(jié)約了車程、人員操作等待的時間。并且可以通過實時監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)問題，對隱患早做處理，避免擴大損失，間接帶來經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

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