一种变电站直流电源运行状态监测系统的研究与应用

王 磊 黄 力 夏 添 喻绍鸿 付同福 周金桥

（1.贵州电网有限责任公司六盘水供电局 2.武汉映瑞电力科技有限公司）

0 引言

直流电源系统为变电站内保护自动化装置、事故照明、应急电源、信号设备以及断路器分合闸操作提供电源，其工作可靠性直接关乎继电保护及开关能否正确及时切除故障，关系到全站乃至上级变电站的正常运行，是变电站内非常重要的设备之一，对于电网的稳定运行起到至关重要的作用［1-2］。

蓄电池组作为变电站直流电源系统的重要核心，在实际应用现场中大多处于无状态管理或管理缺失状态（仅监测电池端电压），而对电池实际运行状态处于未知的管理盲区，只有出现蓄电池事故后才能发现。但是，蓄电池是作为后备和应急电源应用的，所以有必要研究一种变电站直流电源在线监测系统，对变电站用直流电源蓄电池的实时运行状态进行在线监测，并探索智能一体化多维感知策略，从而有效弥补变电站运行中的监测盲点，解决无法提前预知故障所带来的隐患［3-4］。

1 系统整体设计

变电站直流电源在线监测系统主要由单体监测模块、组电压、组电流检测模块、组端收敛模块以及在线监测主机组成，其系统图如图1所示。

图1 变电站直流电源在线监测系统图

图1中，单体检测模块对直流电源系统单体电池的端电源、内阻以及温度进行实时监测；组端收敛模块对直流电源系统电池组整组电压、整组电流进行实时监测，同时通过传感网络技术接收来自单体监测模块的监测数据并将其送入在线监测主机，从而实现系统的多维感知探测。

1.1 单体监测模块的研究与实现

单体监测模块是整体在线监测系统中分布式部署到感知区域中用于采集每个单体设备的本体参数，协作完成指定任务的装置。每个单体模块由端电压传感检测单元、内阻传感检测单元、温度传感检测单元、控制逻辑单元、通讯收发单元以及供电单元几部分组成，其内部组成如图2所示。

图2 单体监测模块内部单元组成

1.2 组端收敛模块的研究与实现

组端收敛模块负责采集并计算组端电压和组端电流，并集中采集单体监测模块采集的本体参数，经集中打包处理后，上传至在线监测主机。其内部主要由组电压检测单元、组电流传感检测单元、环境温湿度传感检测单元、控制逻辑单元、两个通讯收发单元以及供电单元几部分组成，其内部组成如图3所示。

图3 组端收敛模块内部单元组成

1.3 在线监测主机的研究与实现

在线监测主机负责接收来自组端收敛模块集中采集并传输的数据，包含组端电压、组端电流、单体电压、单体内阻、单体温度、环境温湿度等，并通过就地显示屏显示出来。主机内置多种上传协议库，可通过配置支持Modbus、IEC104、IEC61850、MQTT等多种协议，从而实现实时远程在线监测，其内部组成如图4所示。

图4 在线监测主机内部单元组成

2 系统硬件实现

2.1 单体传感检测单元设计

单体传感检测单元由端电压传感检测单元、内阻传感检测单元和温度传感检测单元组成，分别针对直流电源设备单体设备的端电压、内阻以及温度进行参数检测。

其中，端电压检测采用运算放大器组成的线性采样电路实现。为克服共模信号的干扰，将单体电池的两端电位分别接入差分放大器的正端和负端，经过差分放大器放大后送入AD转换器进行AD转换。

系统采用多循环法实现单体内阻的采集，测量时在一个电池组内划分出多个循环过程。测量过程由第一个循环放电开始，接着进行第二个循环放电，各个循环依次进行直至结束。单体电池的放电曲线会被采集到系统中，内阻测量在压降后进行。放电时采用恒流负载的方法，放电电流的稳定性可以得到保证。这一过程可通过系统软件设置间隔时间实现无人自动测量。

温度检测单元采用已校准数字输出的SHTC3温湿度传感器，其温度检测范围为－45℃～125℃，温度检测精度为±1℃以内；湿度检测范围为0% ～100%，湿度检测精度为±3%RH以内。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

2.2 电流检测单元设计

组电流检测采用开合式霍尔电流传感器实现，可实现非接触式测量，其输出信号4～20mA接至组端收敛模块的电流采集端口，实现组端电流检测。

在运行过程中，采样电阻会先将电流信号转换成电压信号。随后，对转换得到的电压信号进行放大处理，放大信号应当满足转换器量程。放大后的信号就是进行A／D转换的电压，将其输入组端收敛模块的控制逻辑单元进行信号计算。

2.3 在线监测主机

在线监测主机是整个系统的主控部分。它的作用是实时集中采集并显示处理监控数据，并将所有监测数据和状态上传至后台通讯服务站。主机配备了触摸一体式显示屏，也可在现场对其操作。另外，主机支持远程接收后台通讯服务站下发的指令，通过控制切换模块来切换不同的开关，使蓄电池对放电模块的假负载放电。放电试验结束后，主机可自动控制切换模块来切换开关，通过充电模块对蓄电池组充电。

2.4 通信与数据传输

各模块之间的通信通过RS-485来实现，其具有通信速率高、距离远、抗干扰能力强等优点。主机与后台通讯服务站之间的数据通过内网传输，可有效防止黑客入侵，增加系统的安全性。

3 系统应用效果

该系统在变电站直流电源系统的投运，可使运维人员及时掌握直流电源系统的实时运行状态，通过实时数据与历史数据的对比，对系统可能出现的问题进行预防。在大幅减少运维人员工作量的同时，使运维人员更及时、精准的掌握直流电源系统的实时运行状态。

在推广性方面，由于整套系统安装较为方便，再加上电力物联网的普及，可以在运维站管辖的较大范围内的变电站安装该套设备，使运维人员可在运维站后台机上监测所有管辖变电站电池组的实时运行状态。

在经济性方面，既减少了人力劳动成本，又减少了往来各个变电站之间的用车成本，还节约了车程、人员操作等待的时间。并且可以通过实时监测及时发现问题，对隐患早做处理，避免扩大损失，间接带来经济效益。

4 结束语

本文提出的系统有效地弥补了传统运维方式存在的缺陷。通过实际应用，可以精准、及时地向远方的后台机传输直流电源系统的实时运行状态信息，生成可视化报表，对蓄电池异常告警。对公司节约成本，提升变电站智能运维的工作效率、可靠性和经济性有着重大意义。