配電網直流監測系統設計與實現

陳 就，陳偉郴，劉文平，李新海，楊 婷，何欣欣

（1.南方電網廣東中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東信通通信有限公司，廣東 中山 528411）

0 引 言

直流系統為發電廠、變電站、換流站、開關站以及配電站等自動化裝置提供可靠的直流電源，直流系統的安全穩定運行顯得尤為重要。隨著配網自動化和保護技術廣泛應用，配套的環網配電柜直流系統設備數量也在大幅增加。直流系統是一個復雜的多分支供電網絡，需要大量人力進行巡視維護，急需整合環網配電柜直流系統中的蓄電池監控、直流屏、空氣開關狀態等信息以及相關智能化監控[1-2]。

國外對直流系統在線監測的研究主要集中于蓄電池容量預測方法、電池內阻測量方法、蓄電池性能參數監測技術等內容。國內研究主要集中于蓄電池多點監測技術、故障診斷及監測預警技術、直流系統接地故障多點監測定位技術等內容[3-5]。目前，直流屏、蓄電池數據和站端其他設備數據只能在本地進行測量，甚至有些設備不配備檢測設備，不具備就地匯總檢測查看和遠程監測查看功能[6-7]。受制于網絡安全、網絡資源、廠家規約不一等原因，長期處于本地化工作狀態，各類信息均需要現場采集，一些設備無法遠程控制[8]。同時，站端很多設備信息離散，沒有統一的匯總展示接口，不方便現場運維。

文章針對現有配網自動化設備終端直流系統無檢測設備、無遠程監控、設備信息離散的缺點，提出了一種配電網直流監測系統。該系統集成應用蓄電池智能診斷技術、監測預警技術、并聯直流電源技術，匯總并統一監測管理就地蓄電池、直流屏等信息，同時可以通過標準網絡接口將所有信息上傳至監控后臺，為調度監控人員提供監控信息提高調度監控效率，為環網配電柜直流系統運維決策提供重要依據，保障配網安全穩定運行。

1 配電網直流監測系統結構與功能設計

1.1 系統結構設計

配電網直流監測系統由監控裝置、雙電源自動切換開關（Automatic Transfer Switch，ATS）、電源模塊、蓄電池以及絕緣監測模塊組成，系統結構設計如圖1 所示。

圖1 配電網直流系統監測系統結構

監控裝置由處理器模塊、告警模塊、顯示屏、RS-485 總線、通信模塊以及存儲器等組成。監控裝置采集直流系統電壓與電流、交流輸入、絕緣監測、蓄電池的電壓、電流、內阻以及度等數據，并分析處理數據，得出蓄電池容量、放電時間、使用壽命等參數，評估蓄電池健康狀態。通過多種方式采集電源模塊、絕緣監測模塊和其他模塊的數據，并通過多種通信方式與上位機對接，實現基于電力物聯網的信息傳遞與控制。RS-485 總線負責接收終端的數據，經過處理器整理后再通過顯示屏顯示；存儲器負責記錄蓄電池充放電信息、異常預警信息、內阻測試記錄等關鍵信息；通信模塊負責將數據傳輸至監控中心，實現配電網直流系統遠程數據監測功能；告警模塊負責對參數異常或電池故障輸出告警信號，并通知檢修人員消缺。

雙電源自動切換開關用于實現不同電源之間的自動切換，以保證電力供應的連續性和穩定性[9]。其主要包括電源選擇器、控制器和電動執行器，在一路交流電源異常停電時，會自動切換至另一路備用交流電源，確保電力供應不間斷。

電源模塊智能管理蓄電池，包括狀態監測、自動維護、在線核容等功能。

蓄電池采用閥控式鉛酸蓄電池，具備運行安全、內阻小、放電電壓穩定、容量大、放電效果良好、溫度適應性強、效率高、壽命長（3 ～6 年）以及隔爆性能穩定等優點。

直流系統絕緣監測可實現實時監測直流母線電壓、母線對地電阻、故障支路尋線、支路對地電阻、交流串直流以及故障告警等功能。其中，母線參數反映了整個系統的綜合狀況，因此在發現故障時進行故障支路尋線，需要滿足對其監測的實時性和快速性。

1.2 功能設計

配電網直流監測系統功能包括絕緣監測、蓄電池電壓監測、內阻監測、溫度監測、母線電壓監測、母線電流監測、開關狀態監測、實時數據、異常告警信息顯示、歷史數據查詢、數據交互、數據導入導出以及診斷與預警等功能，具體實現功能如下。一是整合環網配電柜直流系統中的蓄電池監控、直流屏、絕緣監測等信息，實現設備的智能網絡化集中監測與管理。二是實時分析比較蓄電池電壓、電流、內阻、溫度、交流輸入、絕緣監測以及各種開關狀態等數據量，同時可以采用多種檢測判定蓄電池組異常的方式監測蓄電池組異常狀態。三是將蓄電池的異常告警信息自動上報至生產系統缺陷管理子系統，關聯設備臺賬，以便檢修人員準備所需的備品備件，實時監控系統運行情況。當接入設備出現故障或者報警時，可以通過顯示、聲音等多種方式進行展示，讓現場運維人員快速接受信息進行有效運維。四是運行維護人員能夠在中心站服務器端通過網頁瀏覽的方式實時掌握所管轄環網配電柜的直流系統狀態的運行情況、設備運行狀況、異常告警狀況及其性能變化趨勢，保障配電網直流系統的安全可靠運行。

2 配電網直流監測系統關鍵技術

2.1 蓄電池智能診斷技術

蓄電池智能診斷技術利用傳感器采集蓄電池電流、電壓、內阻及溫度等相關參數，與相關專家數據庫比較，及時發現蓄電池的故障。蓄電池智能診斷技術由數據庫采集技術和專家數據庫組成。數據庫采集技術采用多傳感器采集技術，降低維護成本，全面自動監控蓄電池的運行狀況，并將數據發送至終端服務器。配電網直流監測系統采用蓄電池智能診斷算法，可以實時檢測蓄電池運行參數，對異常電池進行識別。具體是每個電源模塊對48 V 蓄電池模塊進行智能管理，實時對蓄電池進行充放電管理、溫度管理、容量與內阻計算等，數據并與專家數據庫進行對比分析，確認蓄電池的健康程度。

2.2 監測預警技術

直流監測系統監視接入設備的運行狀態，并通過閾值判斷、變位識別等方式預警設備。直流系統監測預警技術將所采集的預警信息通過監測系統顯示，采集數據包括直流系統的多個技術參數，并在界面上顯示直流系統故障告警信息，將告警信息發送至配網自動化運維人員的終端設備，以便及時消缺。直流監測系統包括監測設備和后臺服務器，兩者通過網絡進行連接，將監測到的預警信息發送至遠程服務器中并發送給運維人員。

直流電源在線監測預警系統軟件架構如圖2所示，包括數據采集層、數據分析層、數據維護層。

圖2 直流系統監測預警結構

數據采集層包括傳感器和監測單元。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換成數字或模擬信號，監測裝置將傳感器信號轉換成數字信號并將預警信息發送至數據分析層。

數據分析層通過接收采集層的電壓、電流、溫度以及絕緣監測等數據，將數據和信息整理后，上傳至數據維護層的終端服務器進行遠方維護或與調度自動化系統通信，實現數據和信息共享。

數據維護層由終端服務器和數據維護系統組成，負責評估蓄電池運行狀態，作為系統檢修依據。數據維護系統主要收集直流監測系統的各種數據和信息，評估配網直流系統運行狀態，當診斷出設備有隱患或缺陷時，立即對異常數據進行決策，并采取相應措施。

2.3 并聯直流電源技術

配電網直流監測系統采用并聯型直流電源設計，與傳統串聯型直流系統相比，資產全生命周期經濟性優勢如表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 年計算。并聯電源模塊由并聯電源變換模塊和48 V/24 V 蓄電池（4只12 V 蓄電池串聯或2 只12 V 蓄電池串聯）組成，其中并聯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。正常運行方式下，交流220 V 通過并聯電源變換模塊的AC/DC 電路整流成直流48 V/24 V 輸出至直流母線，為環網配電柜直流48 V/24 V 負載供電，輸出電壓采用均流控制器對局域網絡線路實現負載的平均分配，同時并聯電源變換模塊通過充電DC/DC模塊實現蓄電池電流充電控制。當交流電源系統發生異常時，蓄電池可作為環網配電柜直流系統的備用電源，并聯型直流電源系統結構如圖3 所示。

表1 并聯型與串聯型直流系統經濟性對比

圖3 并聯直流電源系統結構

3 應用實例

文章設計的配電網直流監測系統在調試穩定后，在中山供電局某供電分局環網配電柜直流系統進行試運行，并聯型直流屏柜設計如圖4 所示。該直流監測系統包括4 個并聯電源變換模塊、2 組4 節12 V/100 Ah蓄電池、2 個屏柜。經過2 個月正常運行，跟蹤蓄電池運行數據，驗證了配電網直流監測系統可以檢測直流系統異常、缺陷的能力，監控裝置界面如圖5 所示。

圖4 并聯型直流屏柜設計

圖5 監控裝置監測界面

4 結 論

文章設計的配電網直流監測系統可以實時監測蓄電池電壓、內阻、溫度、直流屏、絕緣檢測以及電流等信息參數，以了解蓄電池的運行狀態，通過電力專網將數據實時傳輸至后臺服務器進行存儲、分析處理、發布顯示和故障報警，滿足實時在線監控、安全性、可針對多組蓄電池等要求，配網專業人員僅需排除該系統所告警的相關故障，大大減少了環網配電柜的直流系統運維工作量，提高了直流系統的可靠性和安全性。