智能變電站直流饋線故障監測系統研究

李 劍

（國網太原供電公司，山西 太原 030012）

0 引 言

變電站在電力系統中的作用主要是對電壓和電流進行變換和分配，是電網系統的基礎設施。在用電負荷不斷增加、電網規模進一步擴大的環境下，采用自動化技術提高變電站運行管理水平，向用戶提供更優質的服務，是電網智能化發展的核心要素。變電站直流系統主要為設備控制、保護操作以及斷路器等設備運行提供直流電源，直流系統運行時間較長、環境復雜，出現故障的概率較大。如果直流系統饋電線路出現故障，需要進行精準定位，及時采取應急措施，降低故障造成的停電影響和經濟損失。直流饋線故障處理是變電站智能化控制的重要基礎，對直流饋線進行精準、有效的定位不僅可以快速發現故障，而且可以及時采取應對措施。隨著電網規模的不斷擴大，人們對電網服務的質量要求越來越高，在科學技術的推動下，電網智能化程度不斷提升，將會實現直流饋線故障自動化檢測，給電網安全、可靠運行提供有力保障。

1 智能變電站直流系統概述

智能變電站主要作用是調整電力系統中的電壓及電流，并且重新分配給輸電線路。變電站中將所有電氣設備劃分為一次設備、二次設備。直流系統作為二次設備，對一次設備起到保護和監控等作用。直流系統為變電站提供發送信號、自動保護、故障照明、斷路器合閘操作。直流系統單獨進行供電，不受變電站及其他電力系統的影響，如果遇到突發狀況導致大面積停電，直流系統將充分發揮其獨立備用電源的作用，確保快速恢復電力系統的正常運行。通過直流系統對輸入/輸出過壓保護、輸出限流保護、輸出短路保護以及對直流系統中的各個功能單元、蓄電池組進行實時監控，獲取設備的各種參數信息，根據監測數據判斷設備的運行狀態，實現對電網系統的智能化管理[1]。直流系統具有絕緣監測功能，包括母線絕緣監測和饋線絕緣監測單元，在對電力系統的對地電阻進行實時監測的過程中，當直流系統中出現接地故障時，該模塊會進行主動識別，并發送告警信號。電池巡檢模塊是對蓄電池組的電壓情況進行實時監控，通過對蓄電池組電壓進行監測，與設定值進行比對判斷蓄電池是否存在故障。開關量檢測模塊是對斷路器進行在線監測，如果斷路器發生開合閘動作，該模塊會檢測到斷路器熔斷的具體位置，現階段開關量檢測模塊可以收集多路開關量的告警輸出。

2 直流饋電線路主要故障類型

2.1 直流接地故障

直流系統故障對電力系統會造成巨大影響，加之直流線路分布廣泛、工作環境惡劣，導致在眾多故障類型中由于線路絕緣老化導致與大地相連的故障較為常見。一旦出現直流線路接地的現象，將會造成非常嚴重的后果。常見的導致接地故障的因素包括材料、施工、環境、人為等因素。其中，材料因素包括線纜本身的機械強度較小，易受到外力影響而破損，如磨損、壓斷、過流引起的燒傷等都會造成線纜絕緣損壞而出現接地故障。此外，廣泛的線纜分布也導致接線處成為直流系統的薄弱環節，由于接線盒密封不嚴、接線頭絕緣受損等都會導致直流系統接地故障。施工因素包括不按照規范進行施工、直流設計不科學、后期檢修工作不到位。環境因素包括雨雪天氣，會導致線纜敷設區域存在大量積水，如果排水工作不到位會導致接線盒進水、電氣設備受潮等，這些問題都會加速電纜線路絕緣老化、接線處生銹等而發生接地故障。人員因素包括工作人員關注度不夠、接線不規范，施工時對線纜造成的損傷，接頭裸露，未及時給設備增加防排水設施等，都會引發接地故障[2]。

2.2 直流接地故障的危害

如果在直流系統中出現接地故障，原本應起到保護作用的二次設備會產生誤動作，無法起到應有的保護作用。通常，繼電保護設備的正負極與電源直接相連，在接地情況下，正極與大地相連構成回路，出現誤動作，如果出現多點接地的現象，同樣會造成繼電保護設備的誤動作。同時，多點接地會引發開關拒動及保險絲熔斷等現象，嚴重時會燒毀繼電器。直流系統饋電網包括環形供電網和輻射供電網2種形式。其中，環形供電網是將電源與符合點連接成環狀供電線路；輻射供電網是指以直流柜上的直流母線為中心形成輻射狀供電網絡。環形供電網雖然可以提高設備運行的穩定性，但是當環形供電網出現接地故障時，由于各個支路環形網與母線并聯，出現接地故障的電流會隨之分流，增加支路選線的難度。此外，大多數情況下，直流系統的絕緣狀態表現極不穩定，發生故障的偶然性較大，給日常檢測增加了極大的難度。

3 智能變電站直流饋線監測系統設計

智能變電站直流系統饋線故障監測系統的提出，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度。借助智能化控制技術對變電站直流系統運行的狀態信息進行采集、收集、分析，實現故障精準定位和遠程控制。當發現饋線故障時，可以快速鎖定故障發生的范圍，并快速完成故障隔離，協助電網工作人員快速修復故障區域的同時，還可以有效降低因停電造成的經濟損失。智能變電站直流饋線監測系統利用可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），通過編程軟件實現智能化控制，提高設備運行的穩定性。在現代技術的推動下，PLC將會擁有更加豐富的控制功能，可以進行大量煩瑣的數據計算，滿足電網系統智能化控制需求。本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測系統主要由上位機、通信模塊、測控單元組成[3]。

3.1 上位機設計

本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測系統的上位機以單片機為控制核心，配合電源、繼電器、通信線路、檢測傳感器等設備實現對變電站直流系統的遠程監控。本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測系統主要采用C8051F 040單片機，該單片機配備高速內核處理器且具備極強的兼容性，可廣泛應用于標準匯編器和編譯器進行軟件開發，同時支持在線編程，不占用單片機自身的內存資源，提高工作效率。此外，智能變電站直流饋線故障檢測系統的上位機程序根據單片機中各個軟件對應的地址發送對應的指令，并等待單片機的返回信息幀，通過整個動作的完成情況來判斷單片機是否順利接受指令并做出相應的動作。

3.2 通信模塊設計

智能變電站直流饋線故障檢測系統的通信模塊是連接上位機和測控單元之間的橋梁，通過（Controller Area Network，CAN）總線完成通連接信。每一個單片機都內嵌有CAN控制器，完成對不同種類信息的處理。CAN通信總線支持一對多的數據傳輸，對于直流系統有較強的適用性。在CAN通信總線信息傳輸過程中，最先訪問總線的單元可以獲得優先權，如果多個單元同時發送信息，發送高優先級信息的單元可獲得優先發送權。此外，CAN通信總線具有較高的傳輸速率、糾錯能力及抗干擾能力。CAN通信總線使用通信數據進行編碼，有效實現了不同的節點同時接收相同的數據，增強了CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性，極大地提高了智能變電站直流系統的可靠性和靈活性。

3.3 測控單元設計

智能變電站直流饋線監測系統測控單元主要由饋線終端（Feeder Terminal Unit，FTU）組成，FTU具有遙控、遙測、遙信及故障檢測功能，測控單元設計如圖1所示。借助CAN通信總線完成FTU與上位機之間的通信連接，提供直流系統中各個設備的運行情況以及各種參數即監測控制所需信息，包括變電站直流系統的運行狀態參數、接地情況、故障類型、故障發生的位置等信息，并執行控制中心發出的指令，對變電站直流系統進行遠程監控和故障處理，實現智能化操作，并且對故障進行快速響應、精準定位以及及時恢復供電等，最大限度地降低故障停電造成的損失[4]。FTU對智能變電站的安全、可靠運行有著直接影響，本文研究的智能變電站直流饋線故障檢測系統測控單元主要采用輕量化的小機箱，減少了風扇和硬盤，同時配備了獨立電源板、通信板、保護控制主板、遙信板和交流輸入板，提高了系統的穩定性。由于FTU需要收集的信息種類眾多，對于數據傳輸速率的要求較高，同時需要進行大量的運算，因此高性能芯片ADSP-BF531處理器成為最佳選擇。

圖1 測控單元結構

4 結 論

在現代科學技術的推動下，電網智能化程度越來越高，通過遠程監控方式，實時檢測智能變電站直流系統的運行狀況，可以有效降低人工檢測的勞動強度。在智能變電站直流饋線故障檢測系統中，采用智能化控制技術使系統運行更加高效，借助模擬濾波器等抗干擾技術使信息采集更加精準、可靠，通過自動化技術和無線通信技術實現對故障點的精準定位，提高故障檢測效率。相信在智能化技術不斷優化升級的過程中，變電站直流饋線故障檢測技術也將日趨完善，從而有效提升電網運行的可靠性。