變電站直流操作電源監控系統設計

郭靈豐

(內蒙古電力(集團)有限責任公司 包頭市達茂供電分公司，內蒙古 包頭 014500)

在電力系統中，為了給保護裝置、控制設備、自動化裝置、事故照明設備和其他各種直流設備供電，變電站需設置獨立可靠的直流電源系統。直流電源系統是變電站的重要組成部分，其安全可靠的運行為電網的安全提供了保障。當直流電源系統發生故障時，需要及時進行斷電或閉合等操作，通常此類操作需要人工手動完成，不僅占用人力資源，如果操作不及時，還可能造成事故，甚至造成人身傷害。因此，研發了變電站直流電源監控系統，其具有安裝操作方便、全自動運行、安全性高等優點。

1 變電站直流電源系統常見故障

變電站直流電源系統一般包括充電整流模塊、蓄電池組、電池巡檢裝置、直流斷路器和絕緣監測裝置等。變電站直流電源系統常見故障如下[1]：①充電整流模塊保護。充電整流模塊交流輸入電壓過高、過低、溫度過高都會導致充電整流模塊保護；②充電整流模塊故障；充電整流模塊故障的原因有輸出電壓過高和IGBT過流等；③蓄電池組故障；蓄電池組故障原因有蓄電池極板腐蝕、蓄電池水損失、蓄電池熱失控和蓄電池過充電等；④絕緣監察裝置故障；⑤直流斷路器故障。

2 變電站直流電源監控系統總體設計思路

為提高電網的安全可靠性，需對變電站直流電源系統進行實時監控，及時發現并處理出現的問題，避免事故發生或防止事故進一步擴大。變電站直流電源監控系統為適應變電站直流電源系統的多樣性，采用了模塊化設計方案，設計多個不同規格的底層模塊[2]，根據變電站直流電源系統的不同，可以選用不同規格型號的各底層模塊。底層模塊主要有綜合測量模塊、電池巡檢模塊、絕緣檢測模塊、開關量模塊和交流測量模塊。變電站直流電源監控系統主機及各模塊的規格及功能，如表1所示。

表1 變電站直流電源監控系統主機及各模塊規格及功能

變電站直流電源監控系統主界面如圖1所示。主界面可以實時顯示交流進線狀態、逆變系統狀態、充電系統狀態、電池系統狀態和通信系統狀態等。主界面中各主開關量數據均為實時動態顯示。點擊圖片可查看相應設備的詳細信息。主界面下部設有常用快捷菜單，點擊可進入下一級菜單，查看更多信息。

圖1 變電站直流電源監控系統主界面

3 監控主機設計

變電站直流電源監控系統監控主機選用PMU07A型號，監控主機采用7寸彩色800×480點陣LCD觸摸屏，適用于一體化小系統的監控。監控主機結構簡單、便于安裝、外形美觀、占用體積小、組配靈活。監控系統主界面操作簡便、顯示數據布置合理、人機交互性能良好。主界面不僅顯示變電站直流電源系統的主接線圖，還實時顯示各部分的具體運行狀況和監測數據。變電站直流電源監控系統監控功能比較完善，且高度智能化，并有聲光報警功能。實現了對整體直流電源系統本地或遠程全參數監控。監控主機還提供Modbus通訊規約供用戶使用。

監控主機具有以下功能：①最多可安裝16個電力模塊；②監控主機選用7寸彩色觸摸屏，顯示界面圖形化，可以直觀的顯示系統各類信息，可以對系統參數進行設置及校準、顯示系統工作參數和指示系統故障信息；③歷史故障記錄和存儲器剩余空間；④監控主機可以對電池組進行自動管理，按充放電曲線對1組電池進行自動充放電；⑤監控主機可以與交流測量模塊配合，監測交流進線系統的工作狀態；⑥監控主機可以與綜合測量模塊配合，監測交流系統及母線的工作狀態；⑦監控主機可以與電池巡檢模塊配合，監測最多220節電池的電壓和工作狀態；⑧監控主機可以與開關量檢測模塊配合，監測用戶自定義開關量輸入數據；⑨監控主機可以與絕緣檢測模塊配合，監測母線和支路的絕緣性能；監控主機可以監測2路3相交流線路數據；監控主機可以監測母線和支路的絕緣性能，當發生母線或支路接地故障時會自動發出聲光報警信號；監控主機可以按用戶自定義進行開關量輸入報警；監控主機可以按用戶預置干接點閉合事件進行開關量輸出；監控主機具有RS232上位通訊功能，可以與變電站自動化系統進行通訊。

4 底層模塊設計

4.1 綜合測量模塊設計

變電站直流電源監控系統綜合測量模塊SPU01用于測量直流電源系統中的各種參數，并將測量數據傳輸至監控主機。SPU01模塊可以同時測量3路交流電壓、3路直流電壓、2路電流和1組電池的溫度，檢測1段母線的絕緣性能和24路開關量輸入數據，還可以提供8路開關量輸出數據。交流電壓最大測量值為500 V，交流電壓在304 V～456 V時測量精度為1%。直流電壓最大測量值為300 V，直流電壓在90%～130%額定電壓時測量精度為0.5%。交流電流最大測量值為100 A，交流電流在20 A～100 A時測量精度為1%。直流電流最大測量值為±100 A，直流電流在±20 A～±100 A時測量精度為1%。電池組溫度測量范圍為-10 ℃～+100 ℃，測量精度為±3 ℃。

4.2 電池巡檢模塊設計

變電站直流電源監控系統電池巡檢模塊負責監測單體電池的電壓和電池組的溫度，并將監測數據傳輸至監控主機。電池巡檢模有BMU-19和BMU-55兩種型號。

BMU-19模塊可以同時監測19節12 V單體電池的電壓和1組電池的溫度。單體電池電壓的最大測量值為17 V，當單體電池電壓在10 V～15 V時測量精度為0.5%。

BMU-55模塊可以同時檢測55節2 V單體電池的電壓和2組電池的溫度。單體電池電壓的最大測量值為4 V，當單體電池電壓在2 V～3 V時測量精度為1%。當電池節數大于55節時，可使用多個BMU-55模塊。

4.3 絕緣監測模塊設計

變電站直流電源監控系統絕緣監測模塊負責監測母線和各支路的絕緣性能，并將監測數據傳輸至監控主機。絕緣監測模塊有IMU-32和IMU-64兩種型號。

IMU-32模塊可以同時監測1段母線和32路支路的絕緣性能，巡檢時間為40 s。支路數較少的直流電源系統可選此型號。

IMU-64模塊可以同時監測1段母線和64路支路的絕緣性能，巡檢時間為60 s。支路數較多的直流電源系統可選此型號。

IMU-32模塊和IMU-64模塊的母線絕緣電阻的測量精度為±5%，支路絕緣電阻測量誤差精度為±10%。

4.4 開關量模塊設計

變電站直流電源監控系統開關量模塊DMU-64負責監測開關量信號輸入，用戶可以自定義開關量輸入數據，并將監測數據傳輸至監控主機。DMU-64模塊可以同時監測64路輸入開關量數據，有8個開關量輸出節點，輸出節點容量為交流250 V/5 A或直流30 V/5 A或直流220 V/50 mA。

4.5 交流測量模塊設計

變電站直流電源監控系統交流測量模塊JLCL-2是為1 000 A以下容量直流電源系統設計的交流測量模塊[3]，可以同時測量A相、B相、C相和零線4路交流電壓、3相交流電流、功率因數、有功功率、無功功率、總功率和頻率等，可以將測量數據傳輸至監控主機。JLCL-2模塊中設有開口閉合式霍爾電流傳感器，可以實現不停電改造施工作業，開口處有減少磁阻設計，測量精度可達±2%。當一次線路所接電流互感器的變比在50/5 A以下時，JLCL-2模塊中電流傳感器的測量精度會降低，所以一次線路所接電流互感器的變比應在50/5 A及以上，此時二次電流較小，但測量精度不會降低。

5 技術優勢及創新點

變電站直流電源監控系統主回路采用不平衡電橋法監測主回路的絕緣性能，而支路則采用直流互感器監測支路的絕緣性能，監控主機人機交互界面采用全中文顯示，便于操作和查看，支路用直流互感器選用開口互感器，裝置體積小，便于在原有直流電源系統上安裝和不停電改造。國內大部分直流電源系統設備廠家支路絕緣監察功能出廠后不能現場增加或不停電改造困難，大部分直流系統設備廠家之間支路絕緣監察功能互相不匹配，無法對非本廠設備改造，開口互感器通用性強，可對110 kV及以下任意直流電源系統廠家設備進行現場不停電升級改造。對直流電源可靠性要求比較高的變電等專業提供了有力的技術保障。采用開口閉合式霍爾傳感器，實現不停電改造施工作業，開口處采用減少磁阻設計，測量精度可達2%。

6 監控系統工程應用效果

變電站直流電源系統一般未安裝監控系統，當直流電源系統發生故障，需要進行斷電或閉合操作時，需要值班人員手動操作，如果操作不及時，可能造成事故，甚至造成人身傷害?，F在已經在若干35 kV和10 kV開閉所直流電源系統改造中安裝了變電站直流電源監控系統，通過控制開關向支路直流系統投入檢測電阻，用直流電流傳感器監測漏電流，通過監測絕緣電阻值來判斷系統的絕緣性能。監控系統能夠及時準確的監測系統的絕緣性能，監控系統的靈敏度也較高，具有自動報警和自動隔離功能，保證了人員的安全，防止事故的持續和擴大。通過一段時間的運行，發現運行效果良好。適合電廠和變電站的直流電源系統絕緣在線監測。建議對直流電源系統設備陳舊、現場直流電源線纜老化及直流電源系統無支路絕緣監控功能的直流電源系統設備升級中推廣應用。

7 結束語

變電站直流電源監控系統制作簡單，造價低廉，安裝使用方便，有效降低日常維護費用，降低勞動強度，節約人力成本。監控系統能夠自動報警和自動隔離操作，保證了人員的安全，防止事故的持續和擴大。今后在粉塵比較大或比較潮濕的環境中使用時，可以進一步完善裝置結構，提高其防護等級。對直流電源系統保障要求比較高的用戶，還可以根據用戶要求進行功能擴展，如增加直流電源系統的正常操作和故障操作進行區分記錄、交直流互串報警和蓄電池的環境檢測等功能。