变电站直流电源智能化在线远程监测系统应用

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摘要：利用局域网实现全局直流设备远程监控。可以及时发现系统中存在的隐患，保障供电系统的安全，极大地提高变电站的安全性和可靠性，逐步实现系统的状态检修，提高系统的运行维护管理水平。大大减轻变电站维护检测的工作量，显著提高蓄电池的使用奉命。

关键词：直流；在线监测系统；应用

中图分类号：TN86 文献标识码：A文章编号：

目前对蓄电池进行监测及状态评估主要以蓄电池内阻为主要参考依据，由于大容量蓄电池内阻极小，仅为数十至数百微欧，并且蓄电池在线工作时，由于高频开关电源纹波有蓄电池工作电流和影响，要对蓄电池内阻进行精确测量是极为困难的。美国密特、日本日置采用交流注入法测量蓄电池内阻，该方法抗干扰能力弱，只适用于离线电池的测量，而对工作蓄电池的在线监测误差较大。美国阿尔伯采用直流放电法测量蓄电池内阻，但需要70～150A的测试电流，对蓄电池产生电流冲击，造成蓄电池极板变形、活性物质脱落，对蓄电池的寿命产生严重影响。

以高精度运算放大器为基础的信号可控带通滤波、自动增益放大技术，超高速同步信号采样技术，FFT、小波分析为基础的现代数字信号分析处理技术，神经元算法为基础的模式识别技术等一系列高新技术近年来取得了突破性的进展，多频点交流放电法蓄电池内阻测试技术采用了以上最新的科技成就，实现了对在线工作蓄电池真实内阻的精度测量，测量电流仅为3～5A，在存在高频开关电源纹波及蓄电池工作电流强干扰条件下，蓄电池内阻测试精度优于2%，重复精度优于1%，可以有效识别出蓄电池内阻微小的变化，以此为基础建立专家系统，实现了对蓄电池状态评估，及时找出蓄电池组中的个别落后蓄电池，提高了直流系统的安全性和可靠性，确保了供安全。

当前变电站直流电源系统存在以下不足之处：

1) 电力系统推广无人值班变电站后，调度或直流专责维护人员无法及时了解现场直流设备和蓄电池组的工作状态、运行性能，发现直流电源系统的隐患，直到出现直流故障时才去处理,此时,事故已经扩大。

2) 蓄电池组各单体电池的电压不均衡，有些电压过高、有些则过低，蓄电池组的使用寿命严重缩短。

3) 蓄电池核对性放电试验费时、费力，难以按时保质保量完成，且无法实时反映蓄电池的平时运行状态及其性能变化趋势。

4) 目前，现场直流设备的控制和维护，容易误操作，安全隐患较多。

过去，电力系统的各个变电站都有人值守，可以对直流设备的运行状态进行定期检查，因而可以及时发现并处理其出现的异常现象，保证变电站的安全稳定运行。目前，电力系统推广无人值班变电站，虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息，但是对于直流部分只能得到少量的重要信息（包括：遥信量——充电机交流电源故障，充电机故障，直流绝缘接地，直流电源电压异常；遥测量——控母电压）。它不能反映直流系统运行的详细信息，特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况，直到长期的异常运行发展为故障时才上发调度，此时，事故已经扩大。目前，对直流设备运行控制和维护也是由维护人员现场进行，容易误操作，安全隐患较多；核对性放电费时、费力，变电站多，维护人员少，显然无法保证按期按量完成，且无法实时反映蓄电池的平时运行状态及其性能变化趋势。另外，现有蓄电池组运行，从技术上讲也存在一些缺陷，直流系统的蓄电池组一般由几十只至一百多只单体蓄电池串联而成，串联状态下的蓄电池组虽然充放电电流是一致的，但由于电池的参数、外部环境及单体自放电的差异，使得蓄电池组各单体电池的电压实际并不均衡，有些电压过高、有些则过低，造成蓄电池组中某些单体蓄电池出现过充或欠充，容量减少，而且随着时间的推移，将进一步加深蓄电池参数的不一致性，正是这种恶性循环极大地缩短了蓄电池组的使用寿命。

因此，直流电源远程监控系统的应用十分必要。该系统可以实时采集直流充电机运行状态、电池的单体电压及内阻、母线电压、电流、绝缘监视,馈线开关状态检测等重要电源特性参数，将各变电站的直流设备信息上送到监控中心，实现直流设备远程监控、直流设备运行历史查询和设备运行异常的情况上报等功能，及时发现设备运行的不正常状态，及时处理，而不等其发展演变成事故；实现远程蓄电池组容量试验、电池内阻测试及在线均衡，直流母线远程控制及状态切换、充电机均/浮充转换远程控制、充电机参数的远程设置等功能，能极大减轻维护人员的工作量，降低维护成本，减少现场操作所带来的种种隐患。

同时，系统还对充电装置稳压精度、稳流精度、纹波系数进行监测，保证充电装置可靠运行，并不对蓄电池产生不利的影响。

本直流电源及蓄电池在线监测系统代表了当今的科技水平，技术水平处于国际先进水平。项目技术成熟，产品适用于在电力变电站、通讯基站、通讯机房、及多个行业的大型UPS电源的直流系统及蓄电池在线监测，并已经得到了应用。

一、主要措施

本直流电源及蓄电池在线监测系统对直流电源系统进行在线监测，可以及时发现系统中存在的隐患，保障供电系统的安全，极大地提高变电站的安全性和可靠性，逐步实现系统的状态检修，提高系统的运行维护管理水平。大大减轻变电站维护检测的工作量，显著提高蓄电池的使用奉命，产生巨大的经济效益和社会效益，具有很好的推广应用前景。

二、系统组成

直流电源远程监控系统由电压采集内阻均衡模块、开关量模块、放电负载、监控终端装置、服务器软件、系统监控软件几部分组成。每个变电站端的监控终端通过RS485总线将采集均衡模块，开关量模块，放电负载连接到一起，将它们所有的信号收集到一起统一管理，并且可以通过局域网将采集到的所有信息传送到中心服务器软件，服务器软件将信息存储管理并分发信息到每个相关管理岗位的计算机，并使其在局域网上每个计算机均可浏览到所有信息，提供分级的管理口令可对任意一个变电站的信息及参数进行更改并能提供相关的远程控制。

1、电压采集内阻均衡模块

电压采集器主要用于电池单体电压、内阻测量，并解决电池均衡问题；采用下放式安装结构（如图2），利用485总线构成传感器网络,与监控装置通讯，每个采集器监测6只电池(2V,4V,6V,12V均可),并且自动切换挡位,不影响精度,接线采用插拔式接线端子,便于更换和维护,带有自恢复保险丝不会烧毁模块和导致短路,使系统维护风险降低到最低限度。为了提高性能，提高采样精度，采集器采用TI 公司MSP430系列单片机作为主控制器，带有16位高精度A/D转换器，16M时钟频率。

2、开关量监测模块

开关量模块主要用于母线及各馈线开关状态的采集，采用下放式安装结构，利用485总线与监控装置通讯，每个模块可同时监测8路开关量,每路开关量均通过光电隔离,隔离电压4000V,开关量判断最小时间1ms,可设置软件抗抖动处理,具有硬件抗干扰措施,由通信电源提供主工作电源。

3、监控终端装置

监控终端装置负责采集电压采集模块,开关量模块,放电内阻单元等模块数据,并把采集到的数据传送到监控中心（远端）,同时负责本地数据的存储、实时显示、设置、表格、查询、报警等人机操作界面控制,并可通过通讯方式控制充电机状态转换及参数修改。

监控装置采用32位ARM 处理器作为主控制器芯片,该芯片片内资源丰富,具有60M时钟频率,带有4个UART,2个I2C,2个SPI,10/100网卡等资源, UART1和UART2为RS485接口，用于采集2组电池的电压,其中UART2可用来连接其他智能通信装置(如充电机等), 10/100网络通信接口用于本地调试或调度上传。

4、放电负载

放电负载是直流电源远程监控系统的主要组成部分，可以对两组电池进行核对性放电试验，配有7路控制输出，可以完成电池组虚脱机，电池组放电，电池组切换，母线并列等远程控制操作；通过通信口与监控装置连接，可实现远程放电，远程控制电池组切换等控制操作。具有以下功能：

(1) 具有可遥控放电试验功能

(2) 可以设定放电的终止条件，包括电池组终止电压、单体电池电压、电池组放电容量、放电时间。

(3) 负载采用新型功率材料，无红热及明火现象，强制风冷。

(4) 可以设置采样的时间间隔，以达到分析数据的最佳效果。

(5) 可将放电过程的全部电压数据及相关参数值上传监控中心。

5、服务器软件

服务器软件负责与每个变电站的监控终端通信,接收监控终端发来的所有数据,并且存储每个子站发来的报警数据和需要保存的历史数据,查询、更改每个装置的设置.

6、系统监控软件

系统监控软件负责监控和浏览所有监控终端发送来的数据,可设置每个变电站的直流系统模拟图,并可在模拟图上直接显示出控制母线电压,合闸母线电压,每个空开的运行状态及电池组温度等信息,可以用表格形式查看每节电池的当前电压,也可以用曲线或表格的形式进行对比,查看历史运行曲线等功能,查看和远程更改现场采集模块的相关设置等远程控制信息。

三、关键技术问题及技术创新点

1、微欧级微小电阻的精密测量；

2、蓄电池内阻测试不得有大电流冲击，测试电流小于10A，不对蓄电池组及直流系统运行和产生任何影响，不对蓄电池产生损害；

3、抗干扰性强，直流系统的数十安至数百安的工作电流、高频开关电源的纹波不对测试精度产生任何影响，以适应于各种苛刻条件下对直流系统的在线监测；

4、充电装置稳压精度、稳流精度、纹波系数的在线监测；

5、可以对蓄电池连线电阻进行测量，实现对蓄电池断线、接头松动、接头生锈等故障隐患的监测；

6、可以对蓄电池充放电全过程进行监测；

7、可以控制放电仪，对蓄电池进行核容放电，并自动生成核容报表；

8、绝对保证安全：

（1）不得在直流工作回路增加任何器件；

（2）测试线全部采用高阻设计，即使测试线短路也不对直流系统运行产生任何影响；

（3）采用阻燃设计；

9、SDH、以太网、GPRS、RS485、RS232、USB等多种通讯方式，实现多种方式灵活组建大范围远程监测网络。

10、以多服务器为基础的大型数据库管理分析系统，实现数十至数百个变电站的监测、数据存贮、统计分析、生成报表。

11、B/S结构的监控软件，便于软件的维护管理和升级；

12、专家系统，实现对直流电源、蓄电池的状态评估。

13、系统达到的技术经济指标：

（1）电压测试精度：0.5%；

（2）电流测试精度：1.0%；

（3）蓄电池内阻及连线电阻测试精度：2.0%；

（4）蓄电池内阻测试电流：≤5A；

（5）可以监测变电站数量：1024个。

四、应用情况

对原直流电源蓄电池系统进行改造，实现对其远程监控，提高变电站直流电源系统的自动化水平、完善其功能，增强直流系统运行的安全性和稳定性；本次建设5个变电站的直流电源系统，每个变电站各安装一套站端设备，共5套，在远端共用1台数据服务器和3个远程监控终端，实现直流电源蓄电池在线均衡维护监控。

五、经济效益分析

直流电源蓄电池在线均衡维护系统能实时采集直流充电机运行状态、电池的单体电压及内阻、母线电压、电流、绝缘监视,馈线开关状态检测等重要电源特性参数，并上送到监控中心，实现直流设备远程监控，及时发现设备运行的不正常状态，及时处理，而不等其发展演变成事故；实现远程蓄电池组容量试验、电池内阻测试及在线均衡，直流母线远程控制及状态切换、充电机均/浮充转换远程控制、充电机参数的远程设置等功能，能极大减轻维护人员的工作量，降低维护成本，减少现场操作所带来的种种隐患，全面提高变电站综合自动化技术水平。根据站内蓄电池投运6年以上需进行每年一次、6年以内需进行两年一次充放电维护的相关管理规定，目前，蓄电池站内维护一般采用配备2~3人、驻守3~7天的维护模式，其人工及车辆费约2万元左右；实现蓄电池在线均衡可有效延长蓄电池使用寿命三分之一以上，按每套8万元计算，每年每个变电站可以节约蓄电池采购费用（25000元人民币/年），合计每站年节约成本约四万五千元人民币左右，间接的经济及社会效益就更大了。

1）、节省了大量的人力物力，提高了工作效率，有利于减人增效

该系统可把各变电站的直流设备信息上送到监控中心，供其查询，同时监控中心也可以向各站发送控制命令。这样，维护人员在监控中心就可对直流设备进行远方监控，减轻了运行维护人员工作量，提高了工作效率，有利于变电站实现无人值守和少人值班，对供电企业的减人增效意义重大。

2）有利于安全生产

直流电源远程操作及维护系统把分散的直流电源蓄电池信息上送到监控中心，在监控中心就可实时监控设备的运行状态，特别是在直流设备发生运行异常时，运行维护人员能及时收到报警信号，及时处理，而不等其发展演变成事故；另外，本系统在对蓄电池组充放电等都经过了微机防误逻辑判断，严格遵守直流系统操作规程，避免了人为误操作；实现了电池在线均衡，不但延长了电池使用寿命，而且提高了电池及直流系统供电的安全性。

3）满足了智能电网及数字化变电站的发展要求。

目前,电力系统中发电厂，特别是变电站正朝着数字化、无人值守型方向发展, 各种电气设备已逐渐实现远方监控，而直流电源系统本身的远程在线维护却无完善的实施方案和技术手段；应用该系统，可实现直流系统由计划定时检修向状态检修维护的过渡，大大提高了直流电源现有技术水平，满足智能电网及数字化变电站的发展要求。

六 结论

直流电源蓄电池在线均衡维护系统可以实时监控直流充电机运行状态、电池的单体电压、内阻及容量、控制母线电压、合闸母线电压、馈线开关状态等重要电源特性参数；实现了蓄电池遥控放电和在线均衡、直流设备运行历史查询和设备运行异常的情况上报等功能，具有设计合理、功能齐全、界面友好、操作简便等特点；它的应用，可以节省大量人力物力，提高工作效率，延长电池正常使用寿命，增强直流电源系统安全性、稳定性、自动化程度，使直流电源的运行、维护实现规范化、远程化，对保障电网的安全稳定运行将起到重大的作用。