陳 就，陳偉郴，劉文平，李新海，楊 婷，何欣欣
（1.南方電網(wǎng)廣東中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東信通通信有限公司，廣東 中山 528411）
0 引 言
直流系統(tǒng)為發(fā)電廠、變電站、換流站、開關(guān)站以及配電站等自動化裝置提供可靠的直流電源，直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。隨著配網(wǎng)自動化和保護技術(shù)廣泛應用，配套的環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量也在大幅增加。直流系統(tǒng)是一個復雜的多分支供電網(wǎng)絡(luò)，需要大量人力進行巡視維護，急需整合環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)中的蓄電池監(jiān)控、直流屏、空氣開關(guān)狀態(tài)等信息以及相關(guān)智能化監(jiān)控[1-2]。
國外對直流系統(tǒng)在線監(jiān)測的研究主要集中于蓄電池容量預測方法、電池內(nèi)阻測量方法、蓄電池性能參數(shù)監(jiān)測技術(shù)等內(nèi)容。國內(nèi)研究主要集中于蓄電池多點監(jiān)測技術(shù)、故障診斷及監(jiān)測預警技術(shù)、直流系統(tǒng)接地故障多點監(jiān)測定位技術(shù)等內(nèi)容[3-5]。目前，直流屏、蓄電池數(shù)據(jù)和站端其他設(shè)備數(shù)據(jù)只能在本地進行測量，甚至有些設(shè)備不配備檢測設(shè)備，不具備就地匯總檢測查看和遠程監(jiān)測查看功能[6-7]。受制于網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)資源、廠家規(guī)約不一等原因，長期處于本地化工作狀態(tài)，各類信息均需要現(xiàn)場采集，一些設(shè)備無法遠程控制[8]。同時，站端很多設(shè)備信息離散，沒有統(tǒng)一的匯總展示接口，不方便現(xiàn)場運維。
文章針對現(xiàn)有配網(wǎng)自動化設(shè)備終端直流系統(tǒng)無檢測設(shè)備、無遠程監(jiān)控、設(shè)備信息離散的缺點，提出了一種配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成應用蓄電池智能診斷技術(shù)、監(jiān)測預警技術(shù)、并聯(lián)直流電源技術(shù)，匯總并統(tǒng)一監(jiān)測管理就地蓄電池、直流屏等信息，同時可以通過標準網(wǎng)絡(luò)接口將所有信息上傳至監(jiān)控后臺，為調(diào)度監(jiān)控人員提供監(jiān)控信息提高調(diào)度監(jiān)控效率，為環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)運維決策提供重要依據(jù)，保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
1 配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控裝置、雙電源自動切換開關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS）、電源模塊、蓄電池以及絕緣監(jiān)測模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。
圖1 配電網(wǎng)直流系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
監(jiān)控裝置由處理器模塊、告警模塊、顯示屏、RS-485 總線、通信模塊以及存儲器等組成。監(jiān)控裝置采集直流系統(tǒng)電壓與電流、交流輸入、絕緣監(jiān)測、蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻以及度等數(shù)據(jù)，并分析處理數(shù)據(jù)，得出蓄電池容量、放電時間、使用壽命等參數(shù)，評估蓄電池健康狀態(tài)。通過多種方式采集電源模塊、絕緣監(jiān)測模塊和其他模塊的數(shù)據(jù)，并通過多種通信方式與上位機對接，實現(xiàn)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞與控制。RS-485 總線負責接收終端的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理器整理后再通過顯示屏顯示；存儲器負責記錄蓄電池充放電信息、異常預警信息、內(nèi)阻測試記錄等關(guān)鍵信息；通信模塊負責將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)配電網(wǎng)直流系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能；告警模塊負責對參數(shù)異�；螂姵毓收陷敵龈婢盘�，并通知檢修人員消缺。
雙電源自動切換開關(guān)用于實現(xiàn)不同電源之間的自動切換，以保證電力供應的連續(xù)性和穩(wěn)定性[9]。其主要包括電源選擇器、控制器和電動執(zhí)行器，在一路交流電源異常停電時，會自動切換至另一路備用交流電源，確保電力供應不間斷。
電源模塊智能管理蓄電池，包括狀態(tài)監(jiān)測、自動維護、在線核容等功能。
蓄電池采用閥控式鉛酸蓄電池，具備運行安全、內(nèi)阻小、放電電壓穩(wěn)定、容量大、放電效果良好、溫度適應性強、效率高、壽命長（3 ～6 年）以及隔爆性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測可實現(xiàn)實時監(jiān)測直流母線電壓、母線對地電阻、故障支路尋線、支路對地電阻、交流串直流以及故障告警等功能。其中，母線參數(shù)反映了整個系統(tǒng)的綜合狀況，因此在發(fā)現(xiàn)故障時進行故障支路尋線，需要滿足對其監(jiān)測的實時性和快速性。
1.2 功能設(shè)計
配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)功能包括絕緣監(jiān)測、蓄電池電壓監(jiān)測、內(nèi)阻監(jiān)測、溫度監(jiān)測、母線電壓監(jiān)測、母線電流監(jiān)測、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)、異常告警信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)導入導出以及診斷與預警等功能，具體實現(xiàn)功能如下。一是整合環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)中的蓄電池監(jiān)控、直流屏、絕緣監(jiān)測等信息，實現(xiàn)設(shè)備的智能網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)測與管理。二是實時分析比較蓄電池電壓、電流、內(nèi)阻、溫度、交流輸入、絕緣監(jiān)測以及各種開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)量，同時可以采用多種檢測判定蓄電池組異常的方式監(jiān)測蓄電池組異常狀態(tài)。三是將蓄電池的異常告警信息自動上報至生產(chǎn)系統(tǒng)缺陷管理子系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)設(shè)備臺賬，以便檢修人員準備所需的備品備件，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。當接入設(shè)備出現(xiàn)故障或者報警時，可以通過顯示、聲音等多種方式進行展示，讓現(xiàn)場運維人員快速接受信息進行有效運維。四是運行維護人員能夠在中心站服務器端通過網(wǎng)頁瀏覽的方式實時掌握所管轄環(huán)網(wǎng)配電柜的直流系統(tǒng)狀態(tài)的運行情況、設(shè)備運行狀況、異常告警狀況及其性能變化趨勢，保障配電網(wǎng)直流系統(tǒng)的安全可靠運行。
2 配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 蓄電池智能診斷技術(shù)
蓄電池智能診斷技術(shù)利用傳感器采集蓄電池電流、電壓、內(nèi)阻及溫度等相關(guān)參數(shù)，與相關(guān)專家數(shù)據(jù)庫比較，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池的故障。蓄電池智能診斷技術(shù)由數(shù)據(jù)庫采集技術(shù)和專家數(shù)據(jù)庫組成。數(shù)據(jù)庫采集技術(shù)采用多傳感器采集技術(shù)，降低維護成本，全面自動監(jiān)控蓄電池的運行狀況，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務器。配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)采用蓄電池智能診斷算法，可以實時檢測蓄電池運行參數(shù)，對異常電池進行識別。具體是每個電源模塊對48 V 蓄電池模塊進行智能管理，實時對蓄電池進行充放電管理、溫度管理、容量與內(nèi)阻計算等，數(shù)據(jù)并與專家數(shù)據(jù)庫進行對比分析，確認蓄電池的健康程度。
2.2 監(jiān)測預警技術(shù)
直流監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視接入設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過閾值判斷、變位識別等方式預警設(shè)備。直流系統(tǒng)監(jiān)測預警技術(shù)將所采集的預警信息通過監(jiān)測系統(tǒng)顯示，采集數(shù)據(jù)包括直流系統(tǒng)的多個技術(shù)參數(shù)，并在界面上顯示直流系統(tǒng)故障告警信息，將告警信息發(fā)送至配網(wǎng)自動化運維人員的終端設(shè)備，以便及時消缺。直流監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測設(shè)備和后臺服務器，兩者通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，將監(jiān)測到的預警信息發(fā)送至遠程服務器中并發(fā)送給運維人員。
直流電源在線監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)維護層。
圖2 直流系統(tǒng)監(jiān)測預警結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集層包括傳感器和監(jiān)測單元。傳感器包括電壓、電流、溫度等傳感器，各類傳感器將溫度信息、電壓信息和電流信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字或模擬信號，監(jiān)測裝置將傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并將預警信息發(fā)送至數(shù)據(jù)分析層。
數(shù)據(jù)分析層通過接收采集層的電壓、電流、溫度以及絕緣監(jiān)測等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)和信息整理后，上傳至數(shù)據(jù)維護層的終端服務器進行遠方維護或與調(diào)度自動化系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享。
數(shù)據(jù)維護層由終端服務器和數(shù)據(jù)維護系統(tǒng)組成，負責評估蓄電池運行狀態(tài)，作為系統(tǒng)檢修依據(jù)。數(shù)據(jù)維護系統(tǒng)主要收集直流監(jiān)測系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和信息，評估配網(wǎng)直流系統(tǒng)運行狀態(tài)，當診斷出設(shè)備有隱患或缺陷時，立即對異常數(shù)據(jù)進行決策，并采取相應措施。
2.3 并聯(lián)直流電源技術(shù)
配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)采用并聯(lián)型直流電源設(shè)計，與傳統(tǒng)串聯(lián)型直流系統(tǒng)相比，資產(chǎn)全生命周期經(jīng)濟性優(yōu)勢如表1 所示。其中，蓄電池采用閥控鉛酸蓄電池（12 V/200 Ah），全生命周期按12 年計算。并聯(lián)電源模塊由并聯(lián)電源變換模塊和48 V/24 V 蓄電池（4只12 V 蓄電池串聯(lián)或2 只12 V 蓄電池串聯(lián)）組成，其中并聯(lián)電源變換模塊由交直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）整流電路、蓄電池充放電直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電路等組成。正常運行方式下，交流220 V 通過并聯(lián)電源變換模塊的AC/DC 電路整流成直流48 V/24 V 輸出至直流母線，為環(huán)網(wǎng)配電柜直流48 V/24 V 負載供電，輸出電壓采用均流控制器對局域網(wǎng)絡(luò)線路實現(xiàn)負載的平均分配，同時并聯(lián)電源變換模塊通過充電DC/DC模塊實現(xiàn)蓄電池電流充電控制。當交流電源系統(tǒng)發(fā)生異常時，蓄電池可作為環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)的備用電源，并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
表1 并聯(lián)型與串聯(lián)型直流系統(tǒng)經(jīng)濟性對比
圖3 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 應用實例
文章設(shè)計的配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)在調(diào)試穩(wěn)定后，在中山供電局某供電分局環(huán)網(wǎng)配電柜直流系統(tǒng)進行試運行，并聯(lián)型直流屏柜設(shè)計如圖4 所示。該直流監(jiān)測系統(tǒng)包括4 個并聯(lián)電源變換模塊、2 組4 節(jié)12 V/100 Ah蓄電池、2 個屏柜。經(jīng)過2 個月正常運行，跟蹤蓄電池運行數(shù)據(jù)，驗證了配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測直流系統(tǒng)異常、缺陷的能力，監(jiān)控裝置界面如圖5 所示。
圖4 并聯(lián)型直流屏柜設(shè)計
圖5 監(jiān)控裝置監(jiān)測界面
4 結(jié) 論
文章設(shè)計的配電網(wǎng)直流監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測蓄電池電壓、內(nèi)阻、溫度、直流屏、絕緣檢測以及電流等信息參數(shù)，以了解蓄電池的運行狀態(tài)，通過電力專網(wǎng)將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺服務器進行存儲、分析處理、發(fā)布顯示和故障報警，滿足實時在線監(jiān)控、安全性、可針對多組蓄電池等要求，配網(wǎng)專業(yè)人員僅需排除該系統(tǒng)所告警的相關(guān)故障，大大減少了環(huán)網(wǎng)配電柜的直流系統(tǒng)運維工作量，提高了直流系統(tǒng)的可靠性和安全性。
