電力自動化系統中直流供電電源的分布式監控技術研究

廣西電力職業技術學院 何宏華 陳國慶

為了保證電力系統的安全可靠性，發電廠、變電所、開閉站(所)內的保護裝置、繼電器、跳合閘開關等的工作電源均采用有蓄電池貯能的直流電源。該直流電源發生一點接地時，電力行業規程規定必須盡快找出接地線路與接地點；否則，若發生第二點接地，可能造成繼電器或保護裝置誤動作或拒動作，釀成重大事故。因此，直流系統絕緣在線監測，對直流系統及整個電力系統的正常運行，起著至關重要的作用。由于直流系統接線復雜、分支多，給接地選線造成一定困難。在中國，電力行業有關研究人員做了大量工作，已研制出一些自動監控裝置。直流供電系統故障在線監測裝置工作原理，主要分為兩種方法。第一種方法是用歐姆定理直接計算，這種方法比較理想化，不需向直流系統注入信號，且不受線路對地電容的影響，但易發生剩磁變化，導致監測裝置零點漂移。第二種方法采用直流母線上注入低頻交流信號的方法，這種方法受線路對地電容的影響較大，而很多廠家在電源與大地間接抗干擾電容，使得支路電容增大，造成這種方法監測不準。電力自動化系統中直流供電電源的分布式監控技術的工作原理為第一種方法。

1.直流供電電源的分布式監控的作用

在電廠及變電站等電力設施的的二次系統中，為了給控制、保護、自動裝置、事故照明等設備用電，必須有可靠的直流電源。直流電源的作用是：正常時為變電站內的斷路器提供合閘直流電源；故障時，當廠、站用電中斷的情況下，為繼電保護、斷路器跳合閘、載波通訊提供直流電源，其穩定運行直接影響著電力系統的安全可靠運行。電力設施直流電源通常主要由以下四個部分組成：蓄電池系統、充電模塊部分(分為交流整流及穩壓整流)、微機監控部分、調壓模塊部分。目前，現代直流電源的發展正以高頻開關技術為基礎，并兼備高頻化、高效率、大功率、無污染和模塊化等特點。在管理方式上，結合計算機網絡技術的發展，形成多級計算機網絡的集中監控管理系統。電力自動化系統中直流供電電源的分布式監控系統是整個電力設施監控系統的核心部分，它主要通過選用智能傳感器，用于多支路接地故障選線，而軟件交流磁調制檢測法則可靈活地避免剩磁引起零點漂移的問題。

圖1 系統軟件工程流圖

2.裝置的工作原理

目前通信程控機房及無人值守中繼站、電站控制操作機構的直流備用電源等都采用蓄電池組作為直流備用電源。而避免采用直流電源的相關裝置發生意外，產生事故就是分布式監控技術監控的主要項目。該技術采用軟件磁調制工作原理，軟件自動跟蹤傳感器輸出電流的變化，進行及時校正。首先，通過檢測正、負母線電壓值，判斷系統工作狀態。若系統母線電壓出現異常，裝置內平衡電阻橋失去平衡，裝置自動啟動，開始巡檢各智能傳感器輸出的數字信號。智能傳感器用于檢測各支路不平衡負載電流，采用軟件磁調制技術，傳感器輸出直流信號，經內部放大電路對直流信號進行放大。設有雙重振蕩電路，對傳感器一側受電流沖擊后的剩磁進行消磁。通過DSP數字傳輸技術把模擬信號轉化為數字信號后與主機進行傳輸。傳感器套穿在各路主流回路的正負母線上。當回路絕緣水平正常時，穿過傳感器的直流電流大小相等，方向相反。此時傳感器中的合成直流磁場為零，其輸出也就為零，當回路中出現合成直流電流時，輸出就不為零。因此，主機通過巡回檢測各回路傳感器的輸出是否為零，來判定直流系統接地故障回路。通過傳感器檢測數據進行故障識別后，完成故障信息處理與報警。

3.基于TMS320F240的系統硬件設計

3.1 系統組成

直流系統自動化監控裝置的結構采用TMS320F240、PSD813F組成主控電路，程序RAM和數據RAM均選用CY7C199(32K)。采用霍爾效應傳感器檢測兩段母線的四路母線電壓，由256個智能傳感器檢測256路支路負載的工作狀態，主機與各智能傳感器通過RS485總線網相連接。在通信模塊，主控電路通過M()DEM與公共交換線PSEN連接，實現遠程通信。同時，主控電路還通過485總線與監控中心主機交換數據。此外，該技術還擴展一個觸摸式3×3陣列按鍵、漢字液晶顯示控制接口芯片、實時時鐘芯片、報警電路、檢測控制電路、顯示燈電路、手動復位電路等。觸摸式按鍵用于菜單選擇和手工輸入設置參數。漢字液晶顯示控制接口芯片選用T6963C，可顯示240×128點陣。實時時鐘芯片選用DSl302串行時鐘芯片，可對秒、分、時、日、周、月以及帶閏年補償的年進行計數。報警電路用于對直流供電系統出現的一段母線或二段母線過壓、欠壓、接地等6種情況進行及時報警。檢測控制電路用于選擇兩段母線4路A/D信號中的兩路A/D信號。顯示燈電路共有12個顯示燈，分別顯示一、二段母線過壓、欠壓、接地、裝置運行正常、裝置有故障、裝置處于通信狀態、系統接地、裝置內電源正常、傳感器電源正常等12種狀態。手動復位電路使用戶可通過觸摸式薄膜按鍵方便地對裝置進行復位操作。

3.2 DSP與RAM的接口

TMS320F240是TI公司專為數字電機控制應用而推出的高性能16位定點運算數字信號處理(DSP)芯片[，包含看門狗定時器、實時中斷定時器和串行通信接口(SCI)，并集成了兩組8路10位的A/D轉換器和事件管理模塊等外圍設備。該技術利用DSP的雙通道模數轉換器同時進行兩段母線電壓的檢測，并設有雙通道測試口，以提高裝置的可靠性。DSP外接程序RAM和數據RAM芯片CY7C199。DSP的SCI通信口用作與RS485、RS242通信。DSP的定時器不僅對裝置進行不同的定時，也為串并轉換通信接口電路提供了不同的時鐘。另外，DSP芯片還直接控制漢字液晶顯示芯片和實時時鐘芯片。

3.3 PSD控制器

WSI公司的可編程單片機通用外圍接口芯片(PSD)將單片機所需的多個外圍器件集成在一個芯片中，與單片機實現所謂無縫連接，顯著提高了系統的可靠性。作為PSD系列中的新成員，PSD813的閃速存儲器和可編程邏輯具有在線可編程特性，集成了優化的“微控制器宏單元”邏輯結構，并允許系統地址/數據總線與PSD內部寄存器直接相連，簡化了MCU和其外部器件之間的通信。

PSD813用于實現DSP外圍電路功能，選用PSD813進行I/O重建、擴展控制器地址空間、外部芯片選擇、邏輯組合實現DSP中斷等以往較為復雜的電路設計。PSD813芯片通過Abel語言進行編程設計。該技術在PSD813硬件的基礎上，采用專用的開發軟件PSDsoft進行系統開發。PSDsoft是一套在Windows環境下運行的軟件工具，運用可視化技術進行編程，具有方便的人機交互功能。在PSDsoft軟件環境下，PSD813器件的開發主要包括Abel文件的編寫、硬件特性的配置以及目標文件的寫入等。結合Abel文件，其Abel語言實現功能如下：PSD的PA口作為數據口；通過PSD的PB El，該技術擴展了一個觸摸式功能按鍵.可使用戶方便地進行菜單選擇和參數設置，按鍵處理采用中斷方式；8251發送和接收數據也采用中斷方式；PSD還提供了數據RAM、8251、LCD的片選信號以及I/O口。

3.4 通訊電路

3.4.1 智能傳感器總線網

智能傳感器與絕緣監測裝置通過485總線網相連接。485總線的串行數據線接DSP的SCI串行通訊口，由DSP的I/O口控制收發。1個收發芯片的A1、B1可連接32個智能傳感器，4個收發芯片至多連接256個智能傳感器。

3.4.2 與監控中心主機的通訊

監控中心主機與絕緣監測裝置通過422總線網相連接。在DSP主控板電路中，用8251串并轉換芯片實現DSP并口1數據與1482串行數據的交換，由MAXl482實現422總線收發驅動。

4.系統軟件設計

4.1 系統軟件流程

系統軟件工作流程如下：開機時，對整個監控裝置進行全面自檢。在運行過程中，定時插入自檢子程序，自動判別硬軟啟動工作狀態。該系統軟件流程技術設計中，按鍵處理采用中斷方式。當出現母線電壓異常時，啟動智能傳感器工作，由主機采用分時查詢方式讀取各智能傳感器所檢測的各分支供電線路的狀態信息。

4.2 有關計算公式

絕緣電阻計算公式如下：R+=U+/I+；R—=U一/I—。其中R+為母線正極對地絕緣電阻，R—為母線負極對地絕緣電阻；U+為母線正極對地電壓，U—為母線負極對地電壓；I+為測得母線正極對地電流，I—為測得母線負極對地電流。

5.技術設計優點

該技術設計的優點為：選用PSD芯片，具有很高的集成度和很強的在線編程功能；無需在直流系統中注入任何信號，因此對直流系統無任何影響；抗直流供電系統對地大電容的干擾；直流傳感器抗電流沖擊后的剩磁影響，保證了傳感器長期的穩定性；傳感器與主機采用數字信號傳輸，使傳感器與主機的接線少，并且抗干擾能力強，連接使用方便；采用漢字液晶顯示，操作采用圖形菜單；可記憶接地故障及報警信息，裝置掉電后信息不丟失，故障信息可遠程傳送，能實現遠程監控，如圖1所示。

6.小結

總之，電力自動化系統中直流供電電源分布式監控系統，是一種用于監測多支路直流供電系統中接地、過壓、欠壓等故障的技術。裝設直流供電電源分布式監控系統后，可實時監控直流電源設備的運行情況，及時發現事故隱患，實現前瞻式管理，確保后備電源系統可靠、安全、高效運行，并且可以減少人工檢測因誤操作可能引起的設備損害。電力自動化系統中直流供電電源分布式監控系統的應用將大幅度提高直流電源設備的管理和維護。通過對該技術設備的研究設計，筆者希望對保證我國電力系統的安全可靠性，加強對直流系統絕緣在線監測，確保直流系統及整個電力系統的正常運行，避免釀成重大事故，切實確保廣大人民群眾的生命財產安全，促進我國經濟社會的安全穩定發展做出有益貢獻。

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