分布式直流电源远程监控系统及关键技术设计

刘锦明，陈德高，丁红文，付高善，孟宪珍

(国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830002)

近年来,我国电力技术不断发展，电力网络不断扩展以满足更多的生产经营和日常电力需求，开闭所和配电房的数据也随之增加[1]。使用传统的配电设备给开闭所提供电源时，输出功率不稳定且可靠性不高。当电源设备发生故障时导致熔丝熔断，进而使变压器二次绕组完全失去电压，负载设备中没有操作电压，对整个配电网络造成严重影响[2]。由于电网工作环境的特殊性，这就需要对分布式直流电源进行远程监控。现有技术通常采用internet网络进行数据监控，但这种方式监控能力滞后，容易受外界各种环境的制约。

当前对直流电源的监控研究中，文献[3]系统通过在变电站的直流屏内安装采集器的方式，完成直流电源设备的各运行参数的采集，并将数据上传到调控中心。文献[4]系统以电池充电电流为参考信号，控制直流电源的充放电模式，在保证负载电流稳定的情况下控制电池电流及电压。文献[5]应用模糊综合控制方法，采用闭环式、序列化控制方式对直流电源系统中的设备进行模糊控制，采用双稳态开关保障母线供电。文献[6]系统对直流电源的运行数据进行全面检测，并采用蚁群退火算法建立系统状态评估模型，评估直流电源的运行状态。由于变电站直流系统非常分散，对直流电源的运维管理工作仍存在缺陷，当前研究中仍缺失对电源故障的分析和预警，在发生交流失电和负载短路故障时，无法做到故障诊断预警和快读定位，可能导致事故扩大，造成严重影响。

1 分布式直流电源远程监控系统设计

针对上述技术的不足，本研究设计了一套实时远程监控系统，能够实时监测开闭所现场直流电源的运行状况，其中监控参数包括电源的运行状态、直流电源内蓄电池组两端电压、馈线柜电压和电流等参数[5]。监控中心通过调度自动化系统对变电站内直流电源单元进行远程控制和操作，控制额定开关电流为3.2 A，分闸电流为0.5 A，额定工作电压为220 V[6]。监控数据被传输到监控中心，最终实现分布式直流电源数据的统一管理，远程监控系统如图1所示。

图1 分布式直流电源远程监控系统图

分布式直流电源远程监控系统利用嵌入式计算机技术和IEEE1588技术，复用开闭所内光纤减少布线工作，系统框架稳定，采集精度高。系统对直流电源状态、充电器运行状态和蓄电池电压和各线路开关状态等运行参数实时监测，并将参数信息存储在数据服务器中，显示在调度中心屏幕上，并展示直流系统的动态模拟图[7]。多个开闭所子系统通过通信管理机、路由设备和千兆交换机上传直流电源的实时数据，调度中心发送命令控制子系统，实现整个系统的协调控制[8]。

远程监控中心由监控主站和开闭所中的监测单元组成，控制中心对每个单元模块进行监测和控制。控制中心对各单元模块采集到的数据进行检测，及时发现异常参数，上报后对异常问题进行处理[9]。监控终端通过RS485总线开关量采集模块、直流接地选线单元、直流参数测量模块、控制输出模块、充电机控制监测单元等连接到一起，根据开闭所直流电源的实时参数，动态调节实现智能化控制，确保设备运行的连续性和稳定性。直流电源系统为开闭所负载提供电能，满足开闭所中各设备的电压等级要求。母线状态切换模块确保母线电路供电不会中断，调度中心远程控制状态切换[10]。

2 关键技术分析

2.1 远程监控硬件模块设计

电压监控模块用来检测直流电源的电压，处理直流电源中蓄电池的均衡问题。均衡模块通过RS-485总线连接远程监控系统，监测多个直流电源的不同电压等级，并将采集到的电压数据上传。采集器设置自保护装置，保证不会受到直流电源的电压影响，防止出现短路或其他故障时烧毁模块，降低远程监控系统的风险[11]。充电控制单元与充电机相连接，是主控单元的对外接口，管理充电机的状态运行和系统维护。电压监控模块与充电控制模块相连，控制充电机按预设值给电池充电，使电池使用寿命增加。电压监控模块结构如图2所示。

图2 电压监控模块结构示意图

电压监控模块采用MSP430系列单片机作为主控制器，由均衡模块、检测模块和通信模块共同组成。检测模块对直流电源进行检测，并测量内部蓄电池温度和环境温度[12]。主控制器具有16位高精度A/D转换器，16M时钟频率。检测模块和均衡模块将采集到的数据发送到主控制中的存储器中保存，通过通信模块上传到数据服务器，并在监控中心实时显示。其中蓄电池单体温度检测电路如图3所示。

图3 蓄电池单体温度检测电路

远程监控系统中的开关量模块采集开闭所馈线开关和母线的状态信息，总线连接通信模块实现与监控中心的通信。485接口处加装600 W的防雷防浪涌保护装置，带有3000 V的光电隔离。开关量监控模块如图4所示。

图4 开关量监控模块

开关量监控模块采用AVR单片机Mega64L-8AU作为控制单元的核心。模块中加入光耦隔离，其中VCC1为主电源，VCC2和VCC3为辅电源，实现与内部控制单元的电气隔离，VCC1和VCC3之间采用物理隔离。其中开关量的输入输出模块采用MAX485芯片，是一种低功耗收发器，单片机RS485串口对数据传输和开关进行控制，同样加有光耦隔离[14]。单片机RS-485 串口加有光藕隔离，通过单片机的PE6IO口对芯片DE和RE置0或置1来进行使能控制，进而控制通信数据的发送或接收，充分实现了数据传输和状态控制的可靠性。

2.2 分布式直流电源接地故障诊断优化策略

分布式直流电源接地会引起接地点侧直流母线电压降低，非接地点侧母线电压升高，如果不及时对接地故障进行处理，将引起两点接地，造成开关拒动或者误动，引起重大电网事故。本研究对分布式直流电源接地故障进行诊断时，综合考虑了电阻平衡法、不平衡桥法和直流差流法，设计出故障诊断电路如图5所示。

图5 故障诊断电路

其中Rx为正母线的对地绝缘电阻，Ry为负母线的对地绝缘电阻。在分布式直流电源正常无接地的情况下，两个电阻可以等价于无穷大，Rb1和Rb2为平衡电阻，直接连接正负母线[15]。Rc1和Rc2为测试桥电阻，通过继电器接点与直流正负母线相连，接点的开合控制其接入和退出。接地故障可分为母线接地故障和支路馈线接地故障。

(1)母线接地故障诊断

本文提出电阻平衡法和不平衡桥法相结合的方式对母线接地故障进行诊断，通过对母线接地电阻进行测量，判断是否出现母线接地或绝缘降低情况。母线接地电阻测量电路如图6所示。

图6 母线接地电阻测量电路

当继电器节点K1闭合、K2断开时，此时正母线流向接地点的电流和与从接地点流入负母线的电流和相等[16]，可表示为：

设备调试运行模块是将已经组装完整的设备进行通电、通风和通药试运行，检查错漏的竞赛环节，考察学生的设备运行维护能力。一方面是要印证仪器设备组装竞赛环节的正确性，另一方面是关注设备的运营管理。与此环节相适应的教学课程设置，主要包括《污水处理厂运营管理》、《泵与风机》等课程，强化学生对设备运行管理的能力。虽然竞赛环节对这部分内容考察相对较少，却对学生综合应用及解决实际问题的能力提出了很高的要求。同时这是一个重要的职业发展方向，是就业方向的侧重点。因此，这部分的课程设置依然是教学重点。

(1)

其中U+1表示正母线对地电压，U-1表示负母线对地电压，Rb1、Rc1、Rx、Rb2、Ry表示对应电阻的电阻值。当继电器节点K2闭合、K1断开时，正母线流向接地点的电流和与从接地点流入负母线的电流和相等，可表示为：

(2)

其中U+2表示正母线对地电压，U-2表示负母线对地电压。U+2、U-2可通过测量单元对正负母线电压进行测量得到，只有Rx和Ry的阻值未知，联合公式(1)和公式(2)可得到：

(3)

(2)支路馈线接地故障诊断

本研究结合电阻平衡法和直流差流法诊断支路馈线接地故障，直流支路中包含继电器、线圈和接点等元件，可以将支路馈线等效为一个电阻。使用霍尔电流传感器测量支路的总电流，当总电流I0超过设定阈值时，可认为该支路接地，然后结合电阻平衡法可以测量该支路接地电阻的大小，继而可以判断发生的是正接地还是负接地[18]。当支路正接地时，等效测量电路如图7所示。

图7 等效测量电路

由于正母线电压高于地电位电压，所以接地电流从A点流入地中，再从地中流入平衡电桥。接地点形成分流对于A点来说I0=I1-I2=Id，用正母线对地测量电压与测量支路的总电流来求解接地电阻Rx。根据电流传感器差流的大小诊断是否接地，并判断是正接地或是负接地。本研究提出一种接地选线优化策略，由于支路接地是最容易判断且判断速度最快的，在判断直流系统接地之后首先判断是否支路接地，根据上一步的判定结果动态调整下一步的判断方法，可实现动态调用不平衡桥法，最大限度减少在接地情况下对直流系统的干扰。

3 应用测试

本研究系统通过相关设备的状态标志位来查询设备的在线情况，利用数据库同步模块dbsync提供数据库信息初始化，以及定时更新统计数据。系统的监控界面如图8所示。

图8 监控界面

为验证本研究分布式直流电源远程监控系统的性能，分别使用文献[3]电源、文献[4]电源和本研究直流电源进行实验，对比三种电源的运行时单体蓄电池放电电压和内阻。实验环境架构如图9所示。实验环境参数如表3所示。

通过构建如图9所示的实验环境架构，实验环境参数如表1所示。

表1 实验环境参数

本研究实验对母线电压的测量范围可达到0～300 V，母线对地电阻的测量范围为0～200 kΩ，交流侵入电压测量范围为0～300 V。充电开关为GMG125-2060R/125 A，放电开关为GM100M-2360R/63 A，交流空开为NDM1-63-C20。实验时间设定为24小时，检测到三种直流电源单体蓄电池放电电压变化如图10所示。

图9 实验环境架构

图10 单体蓄电池放电电压变化

观察放电电压变化可知，本研究分布式直流电源的蓄电池放电电压稳定，且本研究远程监控系统的检测精度较高，监测到放电变化实时性强，数据准确。本研究直流电源的放电电压保持在2.258～2.265 V范围内，电压波动较小，平均放电电压为2.262 V。

文献[3]直流电源的单体蓄电池的放电电压最高可到达2.285 V，最低为2.257 V。整体放电电压较大，在16时和22时出现两次较大的电压波动，在一个小时内恢复到正常电压值。文献[3]直流电源较为稳定，出现电压波动次数不多，提供的电压值较大，适用于电压波动不敏感且负载较多的工作场景。文献[4]放电电压变化幅度较大，在14时下降到最低点2.238 V，在22时达到最高点，电压值为2.306 V。文献[4]直流电源单体蓄电池的放电电压不稳定，但始终保持在2.320 V以下，如果出现更高的电压波动，可能造成电源保护设备的误动作，影响直流电源的稳定运行，使二次电气设备失去工作电源。

检测到三种直流电源的单体蓄电池内阻变化如图11所示。

图11 单体蓄电池内阻变化

对比三种直流电源蓄电池内阻变化曲线可知，系统监测到本研究分布式直流电源的内阻变化稳定，在11时达到最大值，最大内阻为0.62mΩ。内阻变化稳定说明本研究直流电源的输出稳定，在充电过程中不会出现充电电流过大的情况，保证蓄电池的健康状态。

文献[3]直流电源的内阻出现波动的次数较多，内阻在0.55～0.65mΩ内变化，但始终处于正常值。在17～24 h时间段内，内阻持续增大。文献[4]直流电源的内阻在7h上升到最大值，最大内阻为0.75mΩ。内阻变化幅度较大，最大差值达到0.21mΩ，可能导致直流电源的输出电压、电流不稳定，影响开闭所中电气设备的工作状态。

4 结 论

本研究建立了远程监控系统，采集电源电流、电压、蓄电池内阻、温度等数据，对各开闭所中的直流电源进行全方位监测，并通过通信模块传输到监控中心，对直流电源和开关状态进行远程控制。提出分布式直流电源接地故障诊断优化策略，结合电阻平衡法和不平衡桥法诊断母线接地故障，将电阻平衡法、直流差流法进行组合，对支路馈线接地故障进行诊断。

本研究系统在使用过程中还需不断完善，为了更加精确地估计电源剩余容量，还需建立评估模型，根据当前采集到的数据评估直流电源的健康状态。