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(kāi)關(guān)站以及配電站等自動(dòng)化裝置提供可靠的直流電源，直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。隨著配網(wǎng)自動(dòng)化和保護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)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(gè)復(fù)雜的多分支供電網(wǎng)絡(luò)，需要大量人力進(jìn)行巡視維護(hù)，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(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息以及相關(guān)智能化監(jiān)控[1-2]。

國(guó)外對(duì)直流系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的研究主要集中于蓄電池容量預(yù)測(cè)方法、電池內(nèi)阻測(cè)量方法、蓄電池性能參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)等內(nèi)容。國(guó)內(nèi)研究主要集中于蓄電池多點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障診斷及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、直流系統(tǒng)接地故障多點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位技術(shù)等內(nèi)容[3-5]。目前，直流屏、蓄電池?cái)?shù)據(jù)和站端其他設(shè)備數(shù)據(jù)只能在本地進(jìn)行測(cè)量，甚至有些設(shè)備不配備檢測(cè)設(shè)備，不具備就地匯總檢測(cè)查看和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期處于本地化工作狀態(tài)，各類信息均需要現(xiàn)場(chǎng)采集，一些設(shè)備無(wú)法遠(yuǎn)程控制[8]。同時(shí)，站端很多設(shè)備信息離散，沒(méi)有統(tǒng)一的匯總展示接口，不方便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。

文章針對(duì)現(xiàn)有配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備終端直流系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)設(shè)備、無(wú)遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備信息離散的缺點(diǎn)，提出了一種配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成應(yīng)用蓄電池智能診斷技術(shù)、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、并聯(lián)直流電源技術(shù)，匯總并統(tǒng)一監(jiān)測(cè)管理就地蓄電池、直流屏等信息，同時(shí)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口將所有信息上傳至監(jiān)控后臺(tái)，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(yùn)維決策提供重要依據(jù)，保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控裝置、雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS）、電源模塊、蓄電池以及絕緣監(jiān)測(cè)模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(cè)、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(shí)間、使用壽命等參數(shù)，評(píng)估蓄電池健康狀態(tài)。通過(guò)多種方式采集電源模塊、絕緣監(jiān)測(cè)模塊和其他模塊的數(shù)據(jù)，并通過(guò)多種通信方式與上位機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞與控制。RS-485 總線負(fù)責(zé)接收終端的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理器整理后再通過(guò)顯示屏顯示；存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)記錄蓄電池充放電信息、異常預(yù)警信息、內(nèi)阻測(cè)試記錄等關(guān)鍵信息；通信模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)直流系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能；告警模塊負(fù)責(zé)對(duì)參數(shù)異常或電池故障輸出告警信號(hào)，并通知檢修人員消缺。

雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)不同電源之間的自動(dòng)切換，以保證電力供應(yīng)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(dòng)執(zhí)行器，在一路交流電源異常停電時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換至另一路備用交流電源，確保電力供應(yīng)不間斷。

電源模塊智能管理蓄電池，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)維護(hù)、在線核容等功能。

蓄電池采用閥控式鉛酸蓄電池，具備運(yùn)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(yīng)性強(qiáng)、效率高、壽命長(zhǎng)（3 ～6 年）以及隔爆性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線電壓、母線對(duì)地電阻、故障支路尋線、支路對(duì)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(gè)系統(tǒng)的綜合狀況，因此在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行故障支路尋線，需要滿足對(duì)其監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和快速性。

1.2 功能設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能包括絕緣監(jiān)測(cè)、蓄電池電壓監(jiān)測(cè)、內(nèi)阻監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、母線電壓監(jiān)測(cè)、母線電流監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)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(dǎo)入導(dǎo)出以及診斷與預(yù)警等功能，具體實(shí)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(cè)等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)測(cè)與管理。二是實(shí)時(shí)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(cè)以及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)量，同時(shí)可以采用多種檢測(cè)判定蓄電池組異常的方式監(jiān)測(cè)蓄電池組異常狀態(tài)。三是將蓄電池的異常告警信息自動(dòng)上報(bào)至生產(chǎn)系統(tǒng)缺陷管理子系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)設(shè)備臺(tái)賬，以便檢修人員準(zhǔn)備所需的備品備件，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。當(dāng)接入設(shè)備出現(xiàn)故障或者報(bào)警時(shí)，可以通過(guò)顯示、聲音等多種方式進(jìn)行展示，讓現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員快速接受信息進(jìn)行有效運(yùn)維。四是運(yùn)行維護(hù)人員能夠在中心站服務(wù)器端通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式實(shí)時(shí)掌握所管轄環(huán)網(wǎng)配電柜的直流系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)行情況、設(shè)備運(yùn)行狀況、異常告警狀況及其性能變化趨勢(shì)，保障配電網(wǎng)直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

2 配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)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(kù)比較，及時(shí)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(kù)采集技術(shù)和專家數(shù)據(jù)庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)采集技術(shù)采用多傳感器采集技術(shù)，降低維護(hù)成本，全面自動(dòng)監(jiān)控蓄電池的運(yùn)行狀況，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務(wù)器。配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用蓄電池智能診斷算法，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池運(yùn)行參數(shù)，對(duì)異常電池進(jìn)行識(shí)別。具體是每個(gè)電源模塊對(duì)48 V 蓄電池模塊進(jìn)行智能管理，實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理、溫度管理、容量與內(nèi)阻計(jì)算等，數(shù)據(jù)并與專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)蓄電池的健康程度。

2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)視接入設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)閾值判斷、變位識(shí)別等方式預(yù)警設(shè)備。直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)將所采集的預(yù)警信息通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，采集數(shù)據(jù)包括直流系統(tǒng)的多個(gè)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(dòng)化運(yùn)維人員的終端設(shè)備，以便及時(shí)消缺。直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)設(shè)備和后臺(tái)服務(wù)器，兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，將監(jiān)測(cè)到的預(yù)警信息發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器中并發(fā)送給運(yùn)維人員。

直流電源在線監(jiān)測(cè)預(yù)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(hù)層。

圖2 直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層包括傳感器和監(jiān)測(cè)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(hào)，監(jiān)測(cè)裝置將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并將預(yù)警信息發(fā)送至數(shù)據(jù)分析層。

數(shù)據(jù)分析層通過(guò)接收采集層的電壓、電流、溫度以及絕緣監(jiān)測(cè)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(hù)層的終端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)方維護(hù)或與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享。

數(shù)據(jù)維護(hù)層由終端服務(wù)器和數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)評(píng)估蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，作為系統(tǒng)檢修依據(jù)。數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)主要收集直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和信息，評(píng)估配網(wǎng)直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)診斷出設(shè)備有隱患或缺陷時(shí)，立即對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，并采取相應(yīng)措施。

2.3 并聯(lián)直流電源技術(shù)

配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用并聯(lián)型直流電源設(shè)計(jì)，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(jì)性優(yōu)勢(shì)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(jì)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(yùn)行方式下，交流220 V 通過(guò)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(fù)載供電，輸出電壓采用均流控制器對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)線路實(shí)現(xiàn)負(fù)載的平均分配，同時(shí)并聯(lián)電源變換模塊通過(guò)充電DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池電流充電控制。當(dāng)交流電源系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，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(jì)性對(duì)比

圖3 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

文章設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)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(jìn)行試運(yùn)行，并聯(lián)型直流屏柜設(shè)計(jì)如圖4 所示。該直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括4 個(gè)并聯(lián)電源變換模塊、2 組4 節(jié)12 V/100 Ah蓄電池、2 個(gè)屏柜。經(jīng)過(guò)2 個(gè)月正常運(yùn)行，跟蹤蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)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(jì)

圖5 監(jiān)控裝置監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié) 論

文章設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、內(nèi)阻、溫度、直流屏、絕緣檢測(cè)以及電流等信息參數(shù)，以了解蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)電力專網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、分析處理、發(fā)布顯示和故障報(bào)警，滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、安全性、可針對(duì)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(yùn)維工作量，提高了直流系統(tǒng)的可靠性和安全性。