李 劍

（國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012）

0 引 言

變電站在電力系統(tǒng)中的作用主要是對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換和分配，是電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。在用電負(fù)荷不斷增加、電網(wǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大的環(huán)境下，采用自動(dòng)化技術(shù)提高變電站運(yùn)行管理水平，向用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，是電網(wǎng)智能化發(fā)展的核心要素。變電站直流系統(tǒng)主要為設(shè)備控制、保護(hù)操作以及斷路器等設(shè)備運(yùn)行提供直流電源，直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜，出現(xiàn)故障的概率較大。如果直流系統(tǒng)饋電線路出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行精準(zhǔn)定位，及時(shí)采取應(yīng)急措施，降低故障造成的停電影響和經(jīng)濟(jì)損失。直流饋線故障處理是變電站智能化控制的重要基礎(chǔ)，對(duì)直流饋線進(jìn)行精準(zhǔn)、有效的定位不僅可以快速發(fā)現(xiàn)故障，而且可以及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)電網(wǎng)服務(wù)的質(zhì)量要求越來(lái)越高，在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，電網(wǎng)智能化程度不斷提升，將會(huì)實(shí)現(xiàn)直流饋線故障自動(dòng)化檢測(cè)，給電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行提供有力保障。

1 智能變電站直流系統(tǒng)概述

智能變電站主要作用是調(diào)整電力系統(tǒng)中的電壓及電流，并且重新分配給輸電線路。變電站中將所有電氣設(shè)備劃分為一次設(shè)備、二次設(shè)備。直流系統(tǒng)作為二次設(shè)備，對(duì)一次設(shè)備起到保護(hù)和監(jiān)控等作用。直流系統(tǒng)為變電站提供發(fā)送信號(hào)、自動(dòng)保護(hù)、故障照明、斷路器合閘操作。直流系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行供電，不受變電站及其他電力系統(tǒng)的影響，如果遇到突發(fā)狀況導(dǎo)致大面積停電，直流系統(tǒng)將充分發(fā)揮其獨(dú)立備用電源的作用，確?？焖倩謴?fù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過(guò)直流系統(tǒng)對(duì)輸入/輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出限流保護(hù)、輸出短路保護(hù)以及對(duì)直流系統(tǒng)中的各個(gè)功能單元、蓄電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取設(shè)備的各種參數(shù)信息，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化管理[1]。直流系統(tǒng)具有絕緣監(jiān)測(cè)功能，包括母線絕緣監(jiān)測(cè)和饋線絕緣監(jiān)測(cè)單元，在對(duì)電力系統(tǒng)的對(duì)地電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，當(dāng)直流系統(tǒng)中出現(xiàn)接地故障時(shí)，該模塊會(huì)進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別，并發(fā)送告警信號(hào)。電池巡檢模塊是對(duì)蓄電池組的電壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)蓄電池組電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)判斷蓄電池是否存在故障。開關(guān)量檢測(cè)模塊是對(duì)斷路器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如果斷路器發(fā)生開合閘動(dòng)作，該模塊會(huì)檢測(cè)到斷路器熔斷的具體位置，現(xiàn)階段開關(guān)量檢測(cè)模塊可以收集多路開關(guān)量的告警輸出。

2 直流饋電線路主要故障類型

2.1 直流接地故障

直流系統(tǒng)故障對(duì)電力系統(tǒng)會(huì)造成巨大影響，加之直流線路分布廣泛、工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致在眾多故障類型中由于線路絕緣老化導(dǎo)致與大地相連的故障較為常見(jiàn)。一旦出現(xiàn)直流線路接地的現(xiàn)象，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。常見(jiàn)的導(dǎo)致接地故障的因素包括材料、施工、環(huán)境、人為等因素。其中，材料因素包括線纜本身的機(jī)械強(qiáng)度較小，易受到外力影響而破損，如磨損、壓斷、過(guò)流引起的燒傷等都會(huì)造成線纜絕緣損壞而出現(xiàn)接地故障。此外，廣泛的線纜分布也導(dǎo)致接線處成為直流系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，由于接線盒密封不嚴(yán)、接線頭絕緣受損等都會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地故障。施工因素包括不按照規(guī)范進(jìn)行施工、直流設(shè)計(jì)不科學(xué)、后期檢修工作不到位。環(huán)境因素包括雨雪天氣，會(huì)導(dǎo)致線纜敷設(shè)區(qū)域存在大量積水，如果排水工作不到位會(huì)導(dǎo)致接線盒進(jìn)水、電氣設(shè)備受潮等，這些問(wèn)題都會(huì)加速電纜線路絕緣老化、接線處生銹等而發(fā)生接地故障。人員因素包括工作人員關(guān)注度不夠、接線不規(guī)范，施工時(shí)對(duì)線纜造成的損傷，接頭裸露，未及時(shí)給設(shè)備增加防排水設(shè)施等，都會(huì)引發(fā)接地故障[2]。

2.2 直流接地故障的危害

如果在直流系統(tǒng)中出現(xiàn)接地故障，原本應(yīng)起到保護(hù)作用的二次設(shè)備會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，無(wú)法起到應(yīng)有的保護(hù)作用。通常，繼電保護(hù)設(shè)備的正負(fù)極與電源直接相連，在接地情況下，正極與大地相連構(gòu)成回路，出現(xiàn)誤動(dòng)作，如果出現(xiàn)多點(diǎn)接地的現(xiàn)象，同樣會(huì)造成繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作。同時(shí)，多點(diǎn)接地會(huì)引發(fā)開關(guān)拒動(dòng)及保險(xiǎn)絲熔斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀繼電器。直流系統(tǒng)饋電網(wǎng)包括環(huán)形供電網(wǎng)和輻射供電網(wǎng)2種形式。其中，環(huán)形供電網(wǎng)是將電源與符合點(diǎn)連接成環(huán)狀供電線路；輻射供電網(wǎng)是指以直流柜上的直流母線為中心形成輻射狀供電網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形供電網(wǎng)雖然可以提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，但是當(dāng)環(huán)形供電網(wǎng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，由于各個(gè)支路環(huán)形網(wǎng)與母線并聯(lián)，出現(xiàn)接地故障的電流會(huì)隨之分流，增加支路選線的難度。此外，大多數(shù)情況下，直流系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)表現(xiàn)極不穩(wěn)定，發(fā)生故障的偶然性較大，給日常檢測(cè)增加了極大的難度。

3 智能變電站直流饋線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變電站直流系統(tǒng)饋線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出，不僅可以有效提升故障定位的精確度，而且可以極大地降低人工排查的工作強(qiáng)度。借助智能化控制技術(shù)對(duì)變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信息進(jìn)行采集、收集、分析，實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位和遠(yuǎn)程控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)饋線故障時(shí)，可以快速鎖定故障發(fā)生的范圍，并快速完成故障隔離，協(xié)助電網(wǎng)工作人員快速修復(fù)故障區(qū)域的同時(shí)，還可以有效降低因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。智能變電站直流饋線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），通過(guò)編程軟件實(shí)現(xiàn)智能化控制，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。在現(xiàn)代技術(shù)的推動(dòng)下，PLC將會(huì)擁有更加豐富的控制功能，可以進(jìn)行大量煩瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算，滿足電網(wǎng)系統(tǒng)智能化控制需求。本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、通信模塊、測(cè)控單元組成[3]。

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)以單片機(jī)為控制核心，配合電源、繼電器、通信線路、檢測(cè)傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站直流系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)主要采用C8051F 040單片機(jī)，該單片機(jī)配備高速內(nèi)核處理器且具備極強(qiáng)的兼容性，可廣泛應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)，同時(shí)支持在線編程，不占用單片機(jī)自身的內(nèi)存資源，提高工作效率。此外，智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)程序根據(jù)單片機(jī)中各個(gè)軟件對(duì)應(yīng)的地址發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，并等待單片機(jī)的返回信息幀，通過(guò)整個(gè)動(dòng)作的完成情況來(lái)判斷單片機(jī)是否順利接受指令并做出相應(yīng)的動(dòng)作。

3.2 通信模塊設(shè)計(jì)

智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)的通信模塊是連接上位機(jī)和測(cè)控單元之間的橋梁，通過(guò)（Controller Area Network，CAN）總線完成通連接信。每一個(gè)單片機(jī)都內(nèi)嵌有CAN控制器，完成對(duì)不同種類信息的處理。CAN通信總線支持一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于直流系統(tǒng)有較強(qiáng)的適用性。在CAN通信總線信息傳輸過(guò)程中，最先訪問(wèn)總線的單元可以獲得優(yōu)先權(quán)，如果多個(gè)單元同時(shí)發(fā)送信息，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)信息的單元可獲得優(yōu)先發(fā)送權(quán)。此外，CAN通信總線具有較高的傳輸速率、糾錯(cuò)能力及抗干擾能力。CAN通信總線使用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，有效實(shí)現(xiàn)了不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收相同的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性，極大地提高了智能變電站直流系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

3.3 測(cè)控單元設(shè)計(jì)

智能變電站直流饋線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)控單元主要由饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）組成，F(xiàn)TU具有遙控、遙測(cè)、遙信及故障檢測(cè)功能，測(cè)控單元設(shè)計(jì)如圖1所示。借助CAN通信總線完成FTU與上位機(jī)之間的通信連接，提供直流系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況以及各種參數(shù)即監(jiān)測(cè)控制所需信息，包括變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、接地情況、故障類型、故障發(fā)生的位置等信息，并執(zhí)行控制中心發(fā)出的指令，對(duì)變電站直流系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障處理，實(shí)現(xiàn)智能化操作，并且對(duì)故障進(jìn)行快速響應(yīng)、精準(zhǔn)定位以及及時(shí)恢復(fù)供電等，最大限度地降低故障停電造成的損失[4]。FTU對(duì)智能變電站的安全、可靠運(yùn)行有著直接影響，本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)控單元主要采用輕量化的小機(jī)箱，減少了風(fēng)扇和硬盤，同時(shí)配備了獨(dú)立電源板、通信板、保護(hù)控制主板、遙信板和交流輸入板，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于FTU需要收集的信息種類眾多，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率的要求較高，同時(shí)需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，因此高性能芯片ADSP-BF531處理器成為最佳選擇。

圖1 測(cè)控單元結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，電網(wǎng)智能化程度越來(lái)越高，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，實(shí)時(shí)檢測(cè)智能變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，可以有效降低人工檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。在智能變電站直流饋線故障檢測(cè)系統(tǒng)中，采用智能化控制技術(shù)使系統(tǒng)運(yùn)行更加高效，借助模擬濾波器等抗干擾技術(shù)使信息采集更加精準(zhǔn)、可靠，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，提高故障檢測(cè)效率。相信在智能化技術(shù)不斷優(yōu)化升級(jí)的過(guò)程中，變電站直流饋線故障檢測(cè)技術(shù)也將日趨完善，從而有效提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。