变电站直流电源故障分析系统的研究与应用

杨帅

摘要：近年来，在电力系统内因变电站直流电源系统出现异常而引起保护装置误动、拒动的事故呈上升趋势，而目前直流系统安装的设备在事故状态下却无法捕捉到准确和详细的异常情况信息，缺乏事故数据支撑，给事故原因分析增添了许多不确定因素，导致采取的后续措施缺乏有效的技术依据。

关键词：变电站;直流电源;故障分析

1 国内研究现状分析

目前，国内外相关系统尚未对整个直流系统设备进行系统性监测管理，对于直流系统的监测也不全面，现有的离线监测运维手段，容易受到人为因素的影响，并且数据的连续性差，不容易进行数据分析，无法确切掌握整体系统的运行状况。

现阶段研究分别从直流系统环网故障、继电器线圈接地故障、交直流混路造成保护误动等方面分析了不同故障带来的各种危害并相应提出了解决措施。同时针对直流系统绝缘监测、直流系统对地电容测量方法、直流系统绝缘监测装置、蓄电池容量的半荷内阻测量等方法进行了探讨和研究，对解决目前由于绝缘监测装置缺陷导致的直流系统故障，提高系统运行的安全性具有重要意义，同时也对在蓄电池安全检测、性能分析、寿命准确估计与预测方面开辟一条新的学术思路有所助益。

但目前的研究依然存在如下技术瓶颈：

（1）直流电源系统的研究内容主要集中于系统绝缘故障监测、蓄电池的远程在线监测与充放电等方面，但都是针对直流系统某一方面的独立研究，对于直流电源系统全方位整体状态的监测和评估尚未涉及。

（2）蓄电池组状态监测存在很多不足。目前绝大部分变电站仅安装了蓄电池巡检仪，仅实现了单体电压和蓄电池组电压监测，但电压测量偏差较大，无法对蓄电池的状态进行准确监测。

（3）接地告警功能不完善，存在重大安全隐患的绝缘装置还在继续使用，并且有类似问题的设备依然不断流入电网。

总的来讲，目前直流电源故障检测技术的研究主要面向单个设备，而未从直流电源系统的角度开展。本文通过直接采样及从现有设备中获取等方式，将直流电源主要参数的稳态与瞬态数据集中上传至故障分析系统主站，对各参数的纵、横两个方向进行对比，并分析各参数之间的相互作用和影响，以全面、及时、准确判断直流电源发生的故障及设备性能的变化趋势。

2 直流电源故障分析系统

考虑到该系统用户的分布面广，使用人员的地理位置分散，因此，系统软件采用B/S（浏览器/服务器）结构，数据库、应用程序和服务器都集中放置在总站，方便系统维护、升级及功能的扩展。该系统可作为子系统接入地区电网状态中心，可容纳500个变电站站点接入。

直流电源故障分析系统通过监测和分析蓄电池、充电机、绝缘装置及蓄电池监测装置的运行参数变化趋势，深入了解上述设备的运行状态，及时发现蓄电池组、充电机的故障及不满足有关规程、反措要求的绝缘监测装置。根据装置、设备的性能劣化程度，提出检修建议与方案，逐步实现状态检修，以大大减少直流电源设备的日常维护工作量;确保蓄电池组具有事故跳闸和2 h事故放电能力，防止直流电源消失引起保护拒动事故;消除充电机不稳定输出对蓄电池造成的不利影响，从而提高直流电源系统的供电可靠性;交流窜入、直流环网、电压偏差及电压波动等各种直流接地故障能及时告警并得到排除，以预防直流系统一点接地引起保护误动。

3 系统设计

直流电源故障分析系统在研究设计时分为以下三部分：数据采集终端研制、通信规约制定、分析辅助决策系统开发。

3.1 研制数据采集终端

数据采集终端以通信方式从集中监控、绝缘装置、蓄电池巡检仪获取有关数据，并将绝缘装置、蓄电池巡检仪的数据转发给集中监控，获取的数据包括各类参数整定值、测量值和告警信息以及单体电池电压、内阻、温度等。系统通过实时采樣获取数据，数据采集终端可通过自采的方式采集蓄电池组浮充电流、均充电流、核容放电电流、事故跳闸放电电流，母线电压、对地电压与对地交流电压等。系统具有B码对时功能，以保证数据采集时与其他设备一致，便于事故分析与各种数据统计等。

储能电感L1及电解电容C1可保证在直流电源失压的条件下，本装置还可工作一段时间，以便采集系统事故后的数据;超级电容C2则保证本装置的CPU等主要部件最后失去电源，以便保存采集数据。

3.2 制定通信规约

系统中的数据采集终端与绝缘监测装置之间通信采用RS485通信规约，与蓄电池巡检仪之间通信采用RS485通信规约，与集中监控装置之间通信采用RS485通信规约，与主站之间通信采用TCP/IP通信规约。

3.3 开发直流电源故障智能分析辅助决策系统

直流电源故障智能分析辅助决策系统需要在采集故障信息的基础上对直流系统进行故障建模及分析，要能准确及时地对直流电源系统的异常及故障情况做出分析，并根据分析结果发出告警或警示，分析结果以图形、文本等方式展示出来，通过监测分析，可判断出直流斩波器、硅链等稳压、调压设备的特性是否满足直流系统的运行要求;可以监测在蓄电池转供期间，特别是在出现保护装置动作等大负荷状态时，各蓄电池所表现出的容量情况及母线电压的波动情况，以判断蓄电池容量是否满足运行要求，在容量不满足运行要求时能及时发出告警信息;直流系统绝缘监测装置在进行接地检测时，由于平衡回路的切换，将会造成直流系统对地电阻和对地电容的变化，通过在直流系统绝缘监测装置检测动作时同步检测对直流系统的扰动情况，可以鉴别出直流系统绝缘监测装置的原理及特性是否满足直流系统的运行要求。系统的总体结构拟采用四层构架，划分为数据采集层、数据管理层、故障断诊断层、Web展示层。

其中，数据采集层实现的功能是使用TCP/IP通信收集前端数据采集装置上传的数据，并将系统的控制指令发送给前端采集装置，从而实现系统软件与前端装置之间的数据交互。采集层监控每台采集装置的工作状态、网络情况，并将数据传输给数据管理层。数据管理层主要功能有数据的预处理、数据计算、数据校验及纠错、数据库管理等。数据管理层将采集层的数据全部整理完成，录入数据库的同时为故障诊断层提供有效的数据。故障诊断层是软件的核心部分，涉及直流系统的故障诊断方法。故障诊断层根据数据管理层提供的数据及设定的参数分析出各个直流系统目前的工作状态是否良好，从而判断系统是否进入高速采集模式;同时，故障诊断层将根据采集数据的变化趋势对直流系统故障状态提前预警。展示层为操作展示层，系统利用Web进行信息展示及操作。

4 结语

本文搭建的直流电源故障分析系统可通过采集运行中充电机、绝缘监测装置、蓄电池巡检装置数据，分析装置是否出现故障;可实现蓄电池开路、短路、容量下降等故障的判断与告警;可实现绝缘装置接地故障报警与隐患的分析监测功能，可实现接地引起保护误动分析，十分适用于直流电源设备全生命周期的管理。

参考文献

[1]叶有生，赖江平，曾志琳.某型测试设备供电电流异常故障分析及预防[J].航空维修与工程，2019（2）：82-84.

[2]林海，罗雯茜.厂站直流电源系统故障分析与防范[J].福建水力发电，2018（1）：43-44.

[3]周天雷.直流电源系统接地故障分析[J].水泥工程，2018（2）：71.

[4]李培亮，魏治成，熊泽群，等.某500 k V变电站直流电源系统故障分析[J].国网技术学院学报，2017，20（4）：25-27.