变电站二次设备电源远程控制系统设计

帕提合努尔·叶列解甫 马福青 刘志同 邵瑞琦

（国网伊犁伊河供电有限责任公司）

0 引言

随着经济的发展及国家建设的进步，电网承担着全社会生产、输送、配电的重要任务。为了确保基础设施紧跟经济发展的步伐，电网每年投入使用的变电站数量越来越多，针对地处偏远无人值守变电站二次设备时常会出现的数据传输异常故障，例如保护设备运行异常、远动机死机、路由器交换机通讯异常等，故障设备原厂家服务人员不能及时赶往故障现场，只能由变电检修人员自行前往故障变电站维护检修[1]。传统的处理方式是至少需要多名检修人员和一台车辆奔驰几十公里，甚至上百公里前往故障现场处理，故障处理方式往往也就是简单地关闭设备后重启即可恢复至正常运行状态解除故障[2]。此类故障处理往往占据二次设备故障维护大部分工作时间，造成了大量人力、物力和时间上的浪费甚至是直接经济损失。这类不是频繁发生的故障，却是极大影响变电站安全运行的核心问题，严重阻碍了变电站的高效运维管理。为了减少此类低技术高成本的故障维护事件的发生，提高变电站无人值守的效率，本文开展变电站二次设备电源远程控制系统设计研究。

1 系统硬件设计

为促进变电站的运行质量提升，本文针对二次设备电源设计一种远程控制系统[3]。主要是在故障频发无人值守的偏远变电站部署二次设备远程电源管理控制系统并串入需要管理的二次设备电源，将二次设备电源管理装置通讯模块接入远动机，通过已有的IEC104通道（也可单独开通一个专用通道就无需接入远动机）送往地区调度主站系统。在地区调度主站系统配置相应的遥控点即可实现对变电站二次设备的远程电源遥控管理。图1为本文控制系统的模块分解图。

图1 本文控制系统的模块分解图

除此之外，本文系统具有硬件恢复模块，在系统控制和内嵌程序发生异常时可通过启动硬件恢复模块的自恢复功能将系统还原为正常运行状态。针对本文控制系统中的机电控制器和冗余电源进行详细设计。

1.1 继电控制器

变电站二次设备远程电源管理控制系统采用了独立接入方式连接至两个并联继电控制器的常闭触点[4]。根据本文控制系统的运行需要，选用控制电源频率为50Hz，线圈吸合电压为220V，线圈释放电压为220V，紫铜线圈材料的CDZ9-53P型号继电控制器。该型号继电控制器的温度范围在-45～+70℃范围内；采用三开三闭式触点形式、导轨式安装方式；包含11个触点，触点负载为5A/240VAC。除此之外，CDZ9-53P型号继电控制器具备免编辑性能，菜单式设置可实现独立使用，内部含有四路继电器，每个回路都可以独立控制电源开关[5]。与其他相类似继电控制器相比功耗更低，发热量更小，在断电后仍然能够保持原有输出状态，可实现智能化控制。在系统运行过程中机电控制器只有接收到下发的远程重启命令才会将对应管理的二次设备供电线路进行断电重启。

1.2 冗余电源设计

系统采用了冗余电源，确保单电源供电的状态下仍能保持系统正常运行。同时，系统电源模块具有实时的电源监测功能，能够监测连接系统的二次设备电源是否正常通电。冗余电源采用固定LAN端口，使用电源输出对二次设备电源输入故障进行解耦。为了确保本文控制系统在运行过程中不会受到输入源故障的影响，在电源的冗余架构当中增加或门二极管结构[6]。当变电站二次设备电源短路时，通过或门二极管结构能够将故障点从冗余母线上隔离，进而使二次设备能够继续保持正常的工作状态。在实际中，二次设备电源中两条线路的电压接近时，此时系统控制两个MOSFET同时导通，并使两路输入同时为符合提供电流。当输出与输入相差30mV时，则通过控制系统控制该路上的MOSFET关断，从而避免输入倒灌电流问题产生。

2 系统软件设计

2.1 控制命令接收模式预设

本文系统中的通信模块选用具备很强通讯抗干扰性的嵌入式linux操作系统。

首先利用公式（1）实现对二次设备电源运行电压的表示：

式中，U0为二次设备电源运行电压；δ为占空比；U1为电源输入电压。δ可通过如下公式计算得出：

式中，t为导通时间；T为开关时间。在上述公式基础上，将变电站二次设备远程电源管理控制系统中的命令接收部分划分为两种预设模式，即远动机控制模式（见图2）和专用通道直控模式（见图3）。

图2 远动机控制模式

图3 专用通道直控模式

远动机控制模式是通过调度主站下命令给变电站远动机，本系统再通过接收远动机转译的命令报文进行二次设备电源控制。

而专用通道直控模式则是本系统直接通过IEC104规约与主站系统建立连接，接收电源重启命令后立即开始重启操作。在具体运行过程中，通过主站端的调度主站发出控制指令，并由IEC104通道将指令传输到远动机1和远动机2上，控制远动机1和远动机2重启。重启后再利用转译后的命令报文对二次设备电源进行断电重启控制，最后恢复二次设备1和二次设备2的运行。若采用直控模式，则由主站端的调度主站或独立的电源管理主站对本文系统发出控制指令，由系统对二次设备电源同样在IEC104通道当中发出指令进行断电重启处理，最后恢复二次设备1和二次设备2的正常运行。

2.2 二次设备电源异常故障远程报警处理

系统针对装置异常采取故障粘滞的处理方式，突发的装置异常会生成持续的故障信号直至手动清除。针对二次设备电源的异常故障问题，首先由系统对故障事件以及出现的故障特征进行记录，并初步判断故障发生位置，通过IEC104通道将相关信息上报到控制中心。最后根据具体的故障类型，采取相应的故障处理措施。在远程控制过程中，当故障问题发生时，在系统的上位机显示界面会出现与故障相关的信息显示。根据不同的故障等级，由用户自行对处理决策进行设定。同时，根据故障程度可通过不同的信号灯显示，二次设备电源故障程度从高到低，信号灯依次显示红色、橙色、黄色和绿色。根据告警灯用户能够对二次设备电源的运行状态进行实时查看，并通过上述控制命令接收模式的设置，实现对其电源开关的远程控制，从而在发现电源异常时能够立刻断开开关，并对其进行检修和维护。为了进一步提高设备电源的运行质量，需要在系统中引入二次设备电源电压运行差值补偿算法，其公式为：

3 实验研究

将变电站二次设备远程电源管理控制系统部署至模拟测试环境中，对其实际应用效果进行检验。在实验过程中，为确保系统接电启用，进行必要的拉线及接电操作。对测试的二次设备进行数据封锁，之后断开电源，将需要管理的二次设备的电源纳入二次设备电源重启装置的通道，除测试的二次设备外，其他二次设备不接入本系统。将本系统接入测试通信网络，与主站系统通过IEC104通讯（直控模式）或与远动机通过相关规约进行通讯（远动机模式）。设备安装和接线工作完成后，系统通电启动，二次设备同时启动电源，检测装置是否正常运行。一切正常后开始远程重启操作命令的下发，观察二次设备是否成功断电重启。

在完成上述操作后，针对实验过程中本文控制系统的应用效果进行检验，设置传统基于集中器的远程控制系统为对照组，将本文上述设计的控制系统作为实验组。

远程启动耗时计算公式为：

式中，t′为远程启动耗时；T1为停运时间；T2为启动时间。在两种控制系统完成运行后，针对其各自运行效果进行记录，并绘制成如下表所示。

表 实验组与对照组实验结果对比表

从表中记录的数据可以看出，实验组系统针对 二次设备电源异常问题实现其远程重启耗时均在35ms以内，而对照组系统远程重启耗时均超过100ms。同时，针对五个二次设备电源，实验组系统能够实现其全部恢复正常运行，而对照组系统只实现了对编号Se-I和编号Se-III二次设备电源的故障恢复，尽管能够实现对其远程控制，但无法提升变电站二次设备运行质量。在实验过程中发现，对照组系统为单路电源配置，若自身断电，则无法保证实时控制对集中器的远程重启，装置自身抗故障能力弱，实际使用时风险较高。综合上述得出，本文提出的控制系统能够实现对二次设备电源的远程控制，系统自身具备极高的抗故障能力，且使用时的风险得到明显降低，能够充分克服传统控制系统的应用问题。

4 结束语

为了解决传统变电站二次设备电源控制系统存在的问题，设计了一种全新的控制系统，拟通过一套电源管理控制系统对变电站内的二次设备电源进行统一的管理，代替传统的人工运维方式，做到只需要检修人员在主站侧就能远程重启变电站内的二次设备，大部分情况下都无须检修人员亲自下到变电站现场进行设备重启了。因此将该系统应用在实际中能够大幅提高运维效率，同时减少运维工作量，提高自动化管理水平。