厂站直流电源系统智能监测技术方案优化研究

王一龙

(广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000)

在复杂的现代变电站管理中，直流电源是助推变电站继电保护、自动化等信息系统的动力源泉，没有可靠稳定的直流电源供给，就谈不上综自化、数字化和智能化。因此，直流电源是稳定电网安全运行一个重要分支系统，不可缺少。因此，在厂站直流电源在线监测应用系统中需要解决传统直流电源监测系统存在的功能不完善、设备的个案处理等隐患问题，需要对厂站直流电源设备在线监测技术提供最优方案，为今后这类设备的运维具有建设性的意义。

1 总体方案

直流电源智能监控管理系统由站端监控系统、传输网络、主站系统三部分组成，直流电源智能监控管理系统拓扑图见图1。

站端监控系统(即智能管理子站)由站端监控管理主机和各功能模块组成，监控管理主机与各功能模块进行通信，对各模块采集的数据进行集中监测处理与控制。功能模块包括具有电压、电流、环境温度及内阻测试功能的蓄电池在线监测装置，控制蓄电池智能充放电操作的开关控制单元及智能放电装置，充电装置特性监测装置及绝缘监测装置等。

传输网络以电力办公网络为主，站端监控系统通过站端交换机的一个预定端口以TCP/IP方式接入电力专网，实现远端数据传输。

图1 直流电源智能监控管理系统拓扑图

主站系统采用服务器群形式实现数据采集，分析与处理的基本SCADA功能。在此基础上结合运维管理需要，主站系统实现了数据统计分析、报表服务、蓄电池健康状况评估等高级应用。采用WEB发布技术，实现了数据在局域网内的共享，一个账户，一台计算机就可以实现直流系统运行状态全生命周期的远程监护与管理。

1.1 站端监控系统

站端监控系统运行在变电站侧，主要负责汇集直流电源系统数据。主要设计功能为数据采集、数据分析、越限告警、统计报表、图形展示等，其平台采用Linux系统，运行稳定，安全性高，站端监控系统功能框图见图2。

图2 站端监控系统功能框图

网络设计上，硬件平台设计支持4个网口10个串口(RS-485/RS-232)通信，站端监控系统网络拓扑图见图3。前端采集设备以RS-485总线方式接入站端监控系统平台，接入协议支持MODBUS、CDT等各主流充电装置、绝缘监测装置生产厂家之协议；外系统数据发布采用网络方式(TCP/IP)进行，输出软报文协议格式支持CDT、MODBUS、IEC 61850协议。

图3 站端监控系统网络拓扑图

1.2 数据采集与监控

数据采集与监控是系统的基本功能，是系统数据来源。主要实现蓄电池组电压数据的采集与测量，内阻数据定时测试，智能程序化核对性放电，充电装置、绝缘监测装置、环境监测装置等智能设备的软报文协议接入等功能。物理层网络采用RS-485总线方式，应用层数据采集采用线程池加管理者模式，实现系统资源的实时调度。

(1)一次数据采集。采集者线程根据软报文定义，对接收到的一次数据进行优化、转换处理，生成可以使用的二次数据。这些已经处理完毕、可以使用的熟数据被采集者保存于系统实时库，以方便使用者索取。

(2)二次数据预警。数据分析者线程根据系统既定预警值对二次数据进行分析，经过数据滤波，过滤坏数据，对异常数据进行确认后预警。预警类型如表1所示。

表1 预警类型

(3)历史数据存储。按照数据重要度等级进行存储，重要数据每小时保存一次，保存周期设计为5年；次要数据每日保存一次，保存周期为1年；告警数据即时保存，保存周期为10年。

(4)实时数据展示。重点数据突出显示，用户关注数据集中分组显示。显示形式包括表格、柱状图、曲线图等方式。

1.3 高级应用功能

贴近用户的实际工作、为使用人员解决现实中存在的问题，以及为工作流程服务是高级功能的设计出发点。高级应用功能设计如下。

(1)断面数据。根据定值，系统自动保存断面数据，形成断面曲线和断面数据分析结果两种输出。根据断面数据系统可以快速还原至某一时刻场景，根据断面曲线分析使用者可以迅速掌控某一特征数据的整体走势。

(2)放电报告。核对性放电设计为两种操作模式，手动和自动。这两种操作模式都有可靠的安全保障，保证直流母线工作正常。自动模式全称为智能化程序式核对性放电,实现一键式、智能化安全放电；自动生成放电报告。

(3)分析报表。系统自动、实时统计数据状态，月末进行缺陷综合分析后，生成月报表。

(4)实时数据报告。查看系统内所有实时数据，可以导出报表。

(5)容量核对。采用模板匹配方法，在线核对电池组放电时预计放电时间(工作时长)；也可以将其作为一种电池组容量核对方法，人工调低充电装置输出电压，使电池组工作在放电状态，然后检查系统匹配计算出的剩余放电时间，依此来确定电池组当前状态是否正常。

(6)特性测试。实时在线监测充电装置的稳流精度、稳压精度、均流不平衡度、纹波系数等参数，为蓄电池性能评估提供参考。

1.4 传输网络

站端监控装置对上(主站系统)传输网络以电力4区网络为主，方式为TCP/IP实时应答式通信，帧间隔500 ms，单站带宽约50 kB。站端监控装置对下(采集单元)传输通道为RS-485总线方式；通信机制采用主从模式，查询、应答式通信。

2 主站系统

主站系统部署在电力公司机房，采用服务器群方式实现局域网内的WEB数据发布。采用C/S、B/S复合架构，实现系统在客户端轻量级部署。主要功能为数据采集汇总、数据分析预测、报表生成、历史数据记录、事项信息查询、曲线柱状图展示等。

主站系统设计为数据采集、实时服务、历史服务、短信告警、权限服务、语音告警、事项服务等模块，属于多进程式设计，各服务以软总线为通道实现数据交互。主站系统功能和主站系统拓扑图分别见图4。

图4 主站系统功能

3 系统功能设计

3.1 数据采集与监视

系统实现SCADA基本功能，完成生、熟数据的转换，在此基础上实现了基础数据的有效融合。数据预处理之后，进行状态监视，异常告警。

(1)数据采集模块具有各站点数据采集处理功能，通过TCP/IP网络与前端设备进行数据交互，然后将一次数据转化为可以使用的二次数据，转存于实时库。

(2)实时服务模块具有数据发布、越限判断告警功能，并可以实现系统级联动。告警类型和联动类型见表2和表3。

表2 告警类型

表3 联动类型

(3)历史服务模块具有历史数据存储功能，可以按照数据重要度等级设定不同的数据保存策略，按照策略实现历史数据的存储。

(4)WEB模块具有人机交互接口功能，采用柱状图、曲线图、表格等方式实现人机对话；并提供历史数据查询、告警事项查询等页面。

3.2 高级管理功能

(1)设备台账信息。设备管理是本系统的一个增值功能，通过设备台账信息的维护，结合设备实际运行状态，评价其运行质量如何。

(2)蓄电池比对。同站点不同蓄电池组、不同站点不同蓄电池组之间的电池组单体电压、内阻数据柱状图比对。通过比对，可以评价蓄电池状态的优劣，对问题电池及早处理。

(3)内阻散点分析。对某一节电池数据的纵向历史分析，通过散点分布图可以清晰的检测出该蓄电池的稳定性如何。

(4)月分析报告。是系统总体评价依据，通过每个月末生成的分析报告，可以发现内阻异常电池，可以发现单体电压异常电池。同时，维护人员可以根据报表中提出的建议制定电池组维护计划。

(5)蓄电池故障统计。统计一个月内系统出现的故障情况，按照故障类型一一进行发生数量统计。维护人员可以借此了解系统隐患点，提前整改，防止隐患成为运行障碍。

(6)事故总。重点数据信号总状态，对于快速掌控系统状态起到良好的帮助提示作用。绿色表示正常，红色(动画提示)表示异常，点击进入即可浏览异常信息，简单、直观。

(7)核对性放电。站端软件功能扩展，可以在主站完成智能核对性放电工作，通过严格的密码加权限验证方式，增强了系统安全性；通过严谨的控制策略加大了操作安全性；通过前端设备硬件互锁，保证了运行安全性。通过人性化的界面、功能设计为操作者提供了惯性模式，最后输出为放电报告。在保证安全的情况下，让系统自动运行，把工作交给程序，降低了劳动强度，提升了工作效率。

4 系统主要功能

(1)交流进线状态监测。实时监测两路交流进线和双路切换装置输出是否正常，交流停电时立即报警。让运维人员实时掌握交流电是否正常，如果有一路交流电停电时双路切换装置是否正常切换，当交流停电时能够立即进行处理。

(2)蓄电池脱离母线运行监测。通过实时监测刀闸位置状态，蓄电池组浮充电流，蓄电池组端电压等数据，判断蓄电池是否在线运行，如果蓄电池脱离母线立即报警。防止因蓄电池脱离母线造成交流停电时直流母线失压，直流母线失压会导致保护拒动，故障扩大。

实时在线采集蓄电池的组压、浮充电流、出口熔断器及各开关的辅助触点状态，通过对采集的各状态数据统一整合分析，诊断当前系统的蓄电池是否处于正常工作状态，可实现对蓄电池脱离母线运行、蓄电池开路、开关位置错误等直流电源系统严重违反规程运行的故障的监测及告警。

(3)蓄电池状态在线监测。代替蓄电池浮充电压的人工测试和电压巡检仪，代替蓄电池内阻的人工测试，代替人工报表编制工作；掌握蓄电池性能，杜绝蓄电池组开路、容量不足等造成电网故障，保障直流电源安全防线。实时采集蓄电池组压、电流，蓄电池单体电压、单体温度，环境温度等数据信息，并定期对蓄电池单体内阻、连接条内阻进行自动在线测试，配以专家分析软件对监控的蓄电池的所有数据智能分析，得出蓄电池状态的优劣、剩余容量、可用时间等蓄电池健康状况信息，并可针对性地提出合理化的维护建议。

(4)充电装置监测。通过对充电装置通信协议的解析，读取充电装置整定的输出特性参数，再通过采集单元对充电装置输出的电压、电流、纹波电压等模拟量进行实时的采样，在充电装置工作在均充或浮充状态下时，通过对整定值与采样值的对比分析，来实现对充电装置运行状态的实时在线监测，对充电程序进行验证，并对充电装置输出异常情况加以告警提示。通过对充电装置的通信控制充电模块智能投退，自动控制高频模块在最佳输出状态，防止部分高频模块长期空载或低载运行。

(5)蓄电池智能核容放电。减少蓄电池组核对性放电试验的工作量，代替人工报表编制工作，以安全为前提，减少蓄电池大量运维工作量，有效地解决了运维人员和试验仪器配置不足的问题。对直流电源系统中的直流断路器加装自动操作机构，或者是对原有直流电源系统进行改造，使直流电源系统中各开关实现自动操作。在机柜内顶部位置安装智能放电负载，便于放电过程中热量的及时排出，智能放电负载可以自动控制启动、停止；开关操作顺序程序化控制，并配以开关位置操作是否到位的自动判断，以及开关状态互锁逻辑，

防止开关位置不对或错误操作开关造成的直流母线失压。一键式操作启动蓄电池放电，放电过程中实时监测放电容量、放电时长、蓄电池组压、单体电压、温度等参数是否达到放电终止条件，其中任何一个条件满足便立即停止放电过程，确保直流电源系统能够安全运行。

(6)绝缘监测及选线。解决支路接地时只能选线，无法准确定位和蓄电池接地时无法准确告警和定位的问题；解决瞬时接地故障时间短，无法选线的问题；解决交流窜入无法有效监测和录波的问题。主要功能包括：直流电源系统、蓄电池绝缘降低、接地监测、选线及支路接地点定位，交流窜入直流监测、录波及选线，直流电源系统瞬时接地监测及选线，直流互窜，直流电源系统母线对地压差补偿等。

(7)直流电源智能监控管理系统平台软件。将蓄电池、直流电源的维护从定期检修，故障检修转变为状态检修，设备性能劣化时提前维护，避免问题的发生。使运维人员能够随时随地掌握变电站直流电源运行状态，有告警能够及时了解并进行处理，以合适的报表格式为运维人员提供统计报告，方便工作，提高效率。对蓄电池、充电装置数据进行统计分析，建立性能分析数学模型，对性能工况进行健康度分级，进行趋势分析和故障预警，智能管控直流电源的运行。对变电站直流电源进行性能工况健康度分级，全面分析直流电源工况，为运维检修管理工作提供依据。所辖变电站直流电源数据、状态的全面监测并以合适的图表方式展示；主站WEB发布，通过同一局域网内的电脑可随时查看现场情况；直流系统图的展示。断面数据和历史数据的存储、查询、统计、分析。具有短信告警功能，将告警发送到运维人员手机上。每月自动生成分析报告，按月统计单体电压及内阻的状态和异常蓄电池。

5 结语

本文介绍了厂站低压直流电源智能系统监测技术优化方案，提出了合理的解决方案，目前在现场运行性能稳定，得到了很好的效果。随着今后现代化变电站的不断投入运行，对于厂站直流电源设备的运维管理是不可多得的举措，其方案具有现实指导意义。