直流系统应急监控装置的研究

直流系统应急监控装置的研究

马晋生

国网阳泉供电公司山西阳泉045000

摘要：变电站的直流电源是实现电力系统控制与保护的基础，它主要用来对变电站的信号装置以及自动保护等装置提供工作电源。当变电站失去了交流电源之后，作为独立的应急备用电源，直流电源系统的可靠性会对变电站的安全稳定运行产生显著的影响。因而，变电站直流电源应急装置的应用研究引起了人们的高度关注。江苏省某县域供电公司的所有110KV及以下的变电站直流电源都是按照单套（即只有一组蓄电池）进行配置。

关键词：直流电源，应急装置，总体结构设计，试验研究，应用研究

引言

直流系统应急监控装置，采用独立与以往直流监控装置的通信策略，可作为正常运行的直流监控装置的备机同时运行，在监控装置故障时可独立采集直流系统信息并实现告警信息的发送，同时安装使用便捷，工作可靠性及安全性能较好，有效解决了现行直流监控装置频繁通信中断造成直流系统无法监视等问题。该设备大大减少了运维人员在变电站进行有人值守的时间，提高了工作效率。能够实时监控直流母线运行情况，在直流系统故障时及时报警，缩短故障抢修的时间、提高直流系统可靠性，是变电站直流系统所急需的实用化产品。

1系统简介

直流系统应急监控装置采用一体化设计结构，包含电源模块、直流母线电压监测模块、直流母线接地监测模块以及通信模块。以上模块的装配均在工厂完成，安装现场不再有额外的接线工作。电源模块可以直接从直流母线取电，提供设备工作电源。考虑到直流系统应急监控装置应用于应急、即接即用的特点，告警信号应选择直流母线（基本并必须）的信号，作为应急监控装置的接入信号，放弃其他细节方面的告警信号。因此，直流系统应急监控装置选择直流电压监测模块、交流窜入模块与蓄电池状态检测模块作为直流系统的监测模块。直流系统应急监控装置功能原理框图如图1.1所示，由STM32Fxxx模块作为整个系统的控制、数据处理中心。ADC部分负责将采集到的直流系统模拟量转换为数字量供给STM32Fxxx单元由其进行判断、处理，并且输出告警信号与系统状态至移动通信模块和Linux上位机。移动通信模块可将告警信号与系统状态通过通信网络实时传输至手机APP，Linux上位机则实现装置本地LCD显示功能和人机交互。MDC-150直流系统应急监控仪依据变电站实际直流系统运行的需要而设计，其包含的功能有：①在线实时监测直流母线电压、电流、KM+电压、KM-电压；②实时快速监测蓄电池组是否开路并在开路时告警；③实时监测直流母线电压过压、欠压、交流窜入，并可根据设置实现本地告警及告警短信推送；④具有手机APP远程登录浏览直流母线电压、电流、窜入交流、告警等多种运行状态信息；⑤具有本地波形数据记录功能；⑥自动识别蓄电池组充放电状态、浮充状态；⑦具有良好的本地及远端友好的人机交互功能。

2变电站直流电源应急装置主要功能需求

电力系统控制回路的基础为直流电源．直流电源对系统的正常运行起着至关重要的作用：经调查，实际运行过程中常会遇到的情况有以下几种：（１）较多的变电站仅配备一套直流屏，根据《ＤＬ／Ｔ７２４电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》中有关规定，充电机、蓄电池需接受定期维护．但直流系统不可以停电，在此情况下．另外配备一套临时的直流电源代替该原有的直流屏供电是很必要的：（２）电厂、变电站等建立初期或者进行扩建时．直流屏不能够进行供电，需要临时直流电源对蓄电池进行充电．新建电厂、变电站的继电保护设备进行调试．不受直流系统工程进度的影响：检修或改造电厂、变电站继电保护设备时，被检修或改造设备可单独供电进行全面的检修、改造和调试．以防操作不当导致变电站、电厂的不正常运行，３）电厂、变电站的继电保护设备校验，提供继电保护整组校验电源，可以测试继电器动作点的电压、脱离点的电压以及不同工作电压下设备的运行情况。另外，根据规程要求，新投运的直流元器件需经过检测才可正式投运，但禁止从现场直流屏上取电源，Ａ此需配备一套临时直流电源。针对上述问题．开展便携式变电站直流电源应急装置研制工作，经分析，它需具备两种工作模式．即电源模式和充电模式，能够满足蓄电池充电和直流元器件检测等方面的要求ｔ装置要使用ＬＥＤ液晶来显示．操作需方便。装置结构要小巧、重量要轻、方便移动，能在多个变电站之间进行移动检测．要能够在电力、铁路、油田以及其他大型企业中广泛应用。

3模块设计

（1）直流母线电压测量模块。目前直流系统直流母线电压测量一般使用电阻分压电路进行测量，它具有原理简单，测量准确等优点。如图2所示，蓄电池组直流母线电压、KM+电压、KM-电压、KM0电压经电阻分压网络送入运算放大器，由运算放大器对输入信号调理后送入A/D高速实时采样，MCU将A/D采样值运算后得到直流母线电压、KM+电压、KM-电压、KM0电压模拟值，同时MCU根据整定值实时判断母线电压是否过压、欠压、KM电压是否越限等，如果越限，告警输出。

（2）交流窜入检测模块。如图3所示母线窜入交流电压检测电路，母线电流通过电容隔直、衰减分压、运算放大器调理、A/D高速采样，MCU实时将A/D采样值经FFT计算出交流分量有效值，若外部交流窜入电压大于整定值，则告警并开出。（3）充放电及浮充判断模块。如图4所示电流检测电路，开口式电流传感器置于电池组入口直流母线上，其传感器输出在R11上由电流转换成电压送入运算放大器调理后，送给A/D采样，

MCU将A/D采样值运算变为电流值，MCU通过传感器采集电流值极性及幅值大小并结合母线电压，实时识别蓄电池组充放电、浮充状态。

（3）人机交互、图5所示本地数据记录及手机远程浏览。人机交互、本地波形数据记录及手机远程浏览等。STM32Fxxx负责A/D采样、数值计算、欠压过压越限判断、交流窜入判断、开路判断、开入、告警开出、4G手机模块通信、Linux核心板通信等功能。Linux核心板负责将STM32F上传数据整理通过交互式LCD显示并本地波形数据记录。STM32F上传数据通过移动通信4G模块经4G网络发送到云端，手机通过APP登录访问，实时查看变电站直流系统运行状态数据信息，当变电站直流系统出现异常，可以通过手机在远端及时接收4G模块发送的告警信息及短信。

结语

本课题为实际应用型项目，结合变电站直流系统的特点，以STM32Fxxx模块为系统运行的基础，设计完成了各种功能的电路，开发了配合硬件电路的软件模块。依据上述设计思想开发研制的直流系统应急监控仪的样机经过实际测试，其主要性能指标为：①直流电压测量范围：DC160～300V；②电压测量误差：±1%；③交流窜入电压测量范围：AC0～300V；④交流窜入电压精度：±2%；⑤蓄电池组端电流：-50～+50A；⑥组端电流精度：±1%；⑦告警短信接收延时小于5s（取决于网络质量）。该直流系统应急监控装置投入使用后，不仅有效减少了由直流监控系统异常时有人值班导致的大量人力成本，更节省了动辄上万元的设备更换费用，几乎不用耗费多余成本即可达到满意的结果。极大降低了变电站有人值班时间，减少了运维值班人员误动运行设备的风险，保障了运维值班人员的人身安全。

参考文献：

[1]张宝生.直流系统在线绝缘检测装置的研制[D].江苏：东南大学，2006.

[2]屈鹏宇.变电站直流系统监控装置的研制[D].北京：中国农业大学，2002.