廠站直流電源系統智能監測技術方案優化研究

王一龍

(廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

在復雜的現代變電站管理中，直流電源是助推變電站繼電保護、自動化等信息系統的動力源泉，沒有可靠穩定的直流電源供給，就談不上綜自化、數字化和智能化。因此，直流電源是穩定電網安全運行一個重要分支系統，不可缺少。因此，在廠站直流電源在線監測應用系統中需要解決傳統直流電源監測系統存在的功能不完善、設備的個案處理等隱患問題，需要對廠站直流電源設備在線監測技術提供最優方案，為今后這類設備的運維具有建設性的意義。

1 總體方案

直流電源智能監控管理系統由站端監控系統、傳輸網絡、主站系統三部分組成，直流電源智能監控管理系統拓撲圖見圖1。

站端監控系統(即智能管理子站)由站端監控管理主機和各功能模塊組成，監控管理主機與各功能模塊進行通信，對各模塊采集的數據進行集中監測處理與控制。功能模塊包括具有電壓、電流、環境溫度及內阻測試功能的蓄電池在線監測裝置，控制蓄電池智能充放電操作的開關控制單元及智能放電裝置，充電裝置特性監測裝置及絕緣監測裝置等。

傳輸網絡以電力辦公網絡為主，站端監控系統通過站端交換機的一個預定端口以TCP/IP方式接入電力專網，實現遠端數據傳輸。

圖1 直流電源智能監控管理系統拓撲圖

主站系統采用服務器群形式實現數據采集，分析與處理的基本SCADA功能。在此基礎上結合運維管理需要，主站系統實現了數據統計分析、報表服務、蓄電池健康狀況評估等高級應用。采用WEB發布技術，實現了數據在局域網內的共享，一個賬戶，一臺計算機就可以實現直流系統運行狀態全生命周期的遠程監護與管理。

1.1 站端監控系統

站端監控系統運行在變電站側，主要負責匯集直流電源系統數據。主要設計功能為數據采集、數據分析、越限告警、統計報表、圖形展示等，其平臺采用Linux系統，運行穩定，安全性高，站端監控系統功能框圖見圖2。

圖2 站端監控系統功能框圖

網絡設計上，硬件平臺設計支持4個網口10個串口(RS-485/RS-232)通信，站端監控系統網絡拓撲圖見圖3。前端采集設備以RS-485總線方式接入站端監控系統平臺，接入協議支持MODBUS、CDT等各主流充電裝置、絕緣監測裝置生產廠家之協議；外系統數據發布采用網絡方式(TCP/IP)進行，輸出軟報文協議格式支持CDT、MODBUS、IEC 61850協議。

圖3 站端監控系統網絡拓撲圖

1.2 數據采集與監控

數據采集與監控是系統的基本功能，是系統數據來源。主要實現蓄電池組電壓數據的采集與測量，內阻數據定時測試，智能程序化核對性放電，充電裝置、絕緣監測裝置、環境監測裝置等智能設備的軟報文協議接入等功能。物理層網絡采用RS-485總線方式，應用層數據采集采用線程池加管理者模式，實現系統資源的實時調度。

(1)一次數據采集。采集者線程根據軟報文定義，對接收到的一次數據進行優化、轉換處理，生成可以使用的二次數據。這些已經處理完畢、可以使用的熟數據被采集者保存于系統實時庫，以方便使用者索取。

(2)二次數據預警。數據分析者線程根據系統既定預警值對二次數據進行分析，經過數據濾波，過濾壞數據，對異常數據進行確認后預警。預警類型如表1所示。

表1 預警類型

(3)歷史數據存儲。按照數據重要度等級進行存儲，重要數據每小時保存一次，保存周期設計為5年；次要數據每日保存一次，保存周期為1年；告警數據即時保存，保存周期為10年。

(4)實時數據展示。重點數據突出顯示，用戶關注數據集中分組顯示。顯示形式包括表格、柱狀圖、曲線圖等方式。

1.3 高級應用功能

貼近用戶的實際工作、為使用人員解決現實中存在的問題，以及為工作流程服務是高級功能的設計出發點。高級應用功能設計如下。

(1)斷面數據。根據定值，系統自動保存斷面數據，形成斷面曲線和斷面數據分析結果兩種輸出。根據斷面數據系統可以快速還原至某一時刻場景，根據斷面曲線分析使用者可以迅速掌控某一特征數據的整體走勢。

(2)放電報告。核對性放電設計為兩種操作模式，手動和自動。這兩種操作模式都有可靠的安全保障，保證直流母線工作正常。自動模式全稱為智能化程序式核對性放電,實現一鍵式、智能化安全放電；自動生成放電報告。

(3)分析報表。系統自動、實時統計數據狀態，月末進行缺陷綜合分析后，生成月報表。

(4)實時數據報告。查看系統內所有實時數據，可以導出報表。

(5)容量核對。采用模板匹配方法，在線核對電池組放電時預計放電時間(工作時長)；也可以將其作為一種電池組容量核對方法，人工調低充電裝置輸出電壓，使電池組工作在放電狀態，然后檢查系統匹配計算出的剩余放電時間，依此來確定電池組當前狀態是否正常。

(6)特性測試。實時在線監測充電裝置的穩流精度、穩壓精度、均流不平衡度、紋波系數等參數，為蓄電池性能評估提供參考。

1.4 傳輸網絡

站端監控裝置對上(主站系統)傳輸網絡以電力4區網絡為主，方式為TCP/IP實時應答式通信，幀間隔500 ms，單站帶寬約50 kB。站端監控裝置對下(采集單元)傳輸通道為RS-485總線方式；通信機制采用主從模式，查詢、應答式通信。

2 主站系統

主站系統部署在電力公司機房，采用服務器群方式實現局域網內的WEB數據發布。采用C/S、B/S復合架構，實現系統在客戶端輕量級部署。主要功能為數據采集匯總、數據分析預測、報表生成、歷史數據記錄、事項信息查詢、曲線柱狀圖展示等。

主站系統設計為數據采集、實時服務、歷史服務、短信告警、權限服務、語音告警、事項服務等模塊，屬于多進程式設計，各服務以軟總線為通道實現數據交互。主站系統功能和主站系統拓撲圖分別見圖4。

圖4 主站系統功能

3 系統功能設計

3.1 數據采集與監視

系統實現SCADA基本功能，完成生、熟數據的轉換，在此基礎上實現了基礎數據的有效融合。數據預處理之后，進行狀態監視，異常告警。

(1)數據采集模塊具有各站點數據采集處理功能，通過TCP/IP網絡與前端設備進行數據交互，然后將一次數據轉化為可以使用的二次數據，轉存于實時庫。

(2)實時服務模塊具有數據發布、越限判斷告警功能，并可以實現系統級聯動。告警類型和聯動類型見表2和表3。

表2 告警類型

表3 聯動類型

(3)歷史服務模塊具有歷史數據存儲功能，可以按照數據重要度等級設定不同的數據保存策略，按照策略實現歷史數據的存儲。

(4)WEB模塊具有人機交互接口功能，采用柱狀圖、曲線圖、表格等方式實現人機對話；并提供歷史數據查詢、告警事項查詢等頁面。

3.2 高級管理功能

(1)設備臺賬信息。設備管理是本系統的一個增值功能，通過設備臺賬信息的維護，結合設備實際運行狀態，評價其運行質量如何。

(2)蓄電池比對。同站點不同蓄電池組、不同站點不同蓄電池組之間的電池組單體電壓、內阻數據柱狀圖比對。通過比對，可以評價蓄電池狀態的優劣，對問題電池及早處理。

(3)內阻散點分析。對某一節電池數據的縱向歷史分析，通過散點分布圖可以清晰的檢測出該蓄電池的穩定性如何。

(4)月分析報告。是系統總體評價依據，通過每個月末生成的分析報告，可以發現內阻異常電池，可以發現單體電壓異常電池。同時，維護人員可以根據報表中提出的建議制定電池組維護計劃。

(5)蓄電池故障統計。統計一個月內系統出現的故障情況，按照故障類型一一進行發生數量統計。維護人員可以借此了解系統隱患點，提前整改，防止隱患成為運行障礙。

(6)事故總。重點數據信號總狀態，對于快速掌控系統狀態起到良好的幫助提示作用。綠色表示正常，紅色(動畫提示)表示異常，點擊進入即可瀏覽異常信息，簡單、直觀。

(7)核對性放電。站端軟件功能擴展，可以在主站完成智能核對性放電工作，通過嚴格的密碼加權限驗證方式，增強了系統安全性；通過嚴謹的控制策略加大了操作安全性；通過前端設備硬件互鎖，保證了運行安全性。通過人性化的界面、功能設計為操作者提供了慣性模式，最后輸出為放電報告。在保證安全的情況下，讓系統自動運行，把工作交給程序，降低了勞動強度，提升了工作效率。

4 系統主要功能

(1)交流進線狀態監測。實時監測兩路交流進線和雙路切換裝置輸出是否正常，交流停電時立即報警。讓運維人員實時掌握交流電是否正常，如果有一路交流電停電時雙路切換裝置是否正常切換，當交流停電時能夠立即進行處理。

(2)蓄電池脫離母線運行監測。通過實時監測刀閘位置狀態，蓄電池組浮充電流，蓄電池組端電壓等數據，判斷蓄電池是否在線運行，如果蓄電池脫離母線立即報警。防止因蓄電池脫離母線造成交流停電時直流母線失壓，直流母線失壓會導致保護拒動，故障擴大。

實時在線采集蓄電池的組壓、浮充電流、出口熔斷器及各開關的輔助觸點狀態，通過對采集的各狀態數據統一整合分析，診斷當前系統的蓄電池是否處于正常工作狀態，可實現對蓄電池脫離母線運行、蓄電池開路、開關位置錯誤等直流電源系統嚴重違反規程運行的故障的監測及告警。

(3)蓄電池狀態在線監測。代替蓄電池浮充電壓的人工測試和電壓巡檢儀，代替蓄電池內阻的人工測試，代替人工報表編制工作；掌握蓄電池性能，杜絕蓄電池組開路、容量不足等造成電網故障，保障直流電源安全防線。實時采集蓄電池組壓、電流，蓄電池單體電壓、單體溫度，環境溫度等數據信息，并定期對蓄電池單體內阻、連接條內阻進行自動在線測試，配以專家分析軟件對監控的蓄電池的所有數據智能分析，得出蓄電池狀態的優劣、剩余容量、可用時間等蓄電池健康狀況信息，并可針對性地提出合理化的維護建議。

(4)充電裝置監測。通過對充電裝置通信協議的解析，讀取充電裝置整定的輸出特性參數，再通過采集單元對充電裝置輸出的電壓、電流、紋波電壓等模擬量進行實時的采樣，在充電裝置工作在均充或浮充狀態下時，通過對整定值與采樣值的對比分析，來實現對充電裝置運行狀態的實時在線監測，對充電程序進行驗證，并對充電裝置輸出異常情況加以告警提示。通過對充電裝置的通信控制充電模塊智能投退，自動控制高頻模塊在最佳輸出狀態，防止部分高頻模塊長期空載或低載運行。

(5)蓄電池智能核容放電。減少蓄電池組核對性放電試驗的工作量，代替人工報表編制工作，以安全為前提，減少蓄電池大量運維工作量，有效地解決了運維人員和試驗儀器配置不足的問題。對直流電源系統中的直流斷路器加裝自動操作機構，或者是對原有直流電源系統進行改造，使直流電源系統中各開關實現自動操作。在機柜內頂部位置安裝智能放電負載，便于放電過程中熱量的及時排出，智能放電負載可以自動控制啟動、停止；開關操作順序程序化控制，并配以開關位置操作是否到位的自動判斷，以及開關狀態互鎖邏輯，

防止開關位置不對或錯誤操作開關造成的直流母線失壓。一鍵式操作啟動蓄電池放電，放電過程中實時監測放電容量、放電時長、蓄電池組壓、單體電壓、溫度等參數是否達到放電終止條件，其中任何一個條件滿足便立即停止放電過程，確保直流電源系統能夠安全運行。

(6)絕緣監測及選線。解決支路接地時只能選線，無法準確定位和蓄電池接地時無法準確告警和定位的問題；解決瞬時接地故障時間短，無法選線的問題；解決交流竄入無法有效監測和錄波的問題。主要功能包括：直流電源系統、蓄電池絕緣降低、接地監測、選線及支路接地點定位，交流竄入直流監測、錄波及選線，直流電源系統瞬時接地監測及選線，直流互竄，直流電源系統母線對地壓差補償等。

(7)直流電源智能監控管理系統平臺軟件。將蓄電池、直流電源的維護從定期檢修，故障檢修轉變為狀態檢修，設備性能劣化時提前維護，避免問題的發生。使運維人員能夠隨時隨地掌握變電站直流電源運行狀態，有告警能夠及時了解并進行處理，以合適的報表格式為運維人員提供統計報告，方便工作，提高效率。對蓄電池、充電裝置數據進行統計分析，建立性能分析數學模型，對性能工況進行健康度分級，進行趨勢分析和故障預警，智能管控直流電源的運行。對變電站直流電源進行性能工況健康度分級，全面分析直流電源工況，為運維檢修管理工作提供依據。所轄變電站直流電源數據、狀態的全面監測并以合適的圖表方式展示；主站WEB發布，通過同一局域網內的電腦可隨時查看現場情況；直流系統圖的展示。斷面數據和歷史數據的存儲、查詢、統計、分析。具有短信告警功能，將告警發送到運維人員手機上。每月自動生成分析報告，按月統計單體電壓及內阻的狀態和異常蓄電池。

5 結語

本文介紹了廠站低壓直流電源智能系統監測技術優化方案，提出了合理的解決方案，目前在現場運行性能穩定，得到了很好的效果。隨著今后現代化變電站的不斷投入運行，對于廠站直流電源設備的運維管理是不可多得的舉措，其方案具有現實指導意義。