变电站直流操作电源监控系统设计

郭灵丰

(内蒙古电力(集团)有限责任公司 包头市达茂供电分公司，内蒙古 包头 014500)

在电力系统中，为了给保护装置、控制设备、自动化装置、事故照明设备和其他各种直流设备供电，变电站需设置独立可靠的直流电源系统。直流电源系统是变电站的重要组成部分，其安全可靠的运行为电网的安全提供了保障。当直流电源系统发生故障时，需要及时进行断电或闭合等操作，通常此类操作需要人工手动完成，不仅占用人力资源，如果操作不及时，还可能造成事故，甚至造成人身伤害。因此，研发了变电站直流电源监控系统，其具有安装操作方便、全自动运行、安全性高等优点。

1 变电站直流电源系统常见故障

变电站直流电源系统一般包括充电整流模块、蓄电池组、电池巡检装置、直流断路器和绝缘监测装置等。变电站直流电源系统常见故障如下[1]：①充电整流模块保护。充电整流模块交流输入电压过高、过低、温度过高都会导致充电整流模块保护；②充电整流模块故障；充电整流模块故障的原因有输出电压过高和IGBT过流等；③蓄电池组故障；蓄电池组故障原因有蓄电池极板腐蚀、蓄电池水损失、蓄电池热失控和蓄电池过充电等；④绝缘监察装置故障；⑤直流断路器故障。

2 变电站直流电源监控系统总体设计思路

为提高电网的安全可靠性，需对变电站直流电源系统进行实时监控，及时发现并处理出现的问题，避免事故发生或防止事故进一步扩大。变电站直流电源监控系统为适应变电站直流电源系统的多样性，采用了模块化设计方案，设计多个不同规格的底层模块[2]，根据变电站直流电源系统的不同，可以选用不同规格型号的各底层模块。底层模块主要有综合测量模块、电池巡检模块、绝缘检测模块、开关量模块和交流测量模块。变电站直流电源监控系统主机及各模块的规格及功能，如表1所示。

表1 变电站直流电源监控系统主机及各模块规格及功能

变电站直流电源监控系统主界面如图1所示。主界面可以实时显示交流进线状态、逆变系统状态、充电系统状态、电池系统状态和通信系统状态等。主界面中各主开关量数据均为实时动态显示。点击图片可查看相应设备的详细信息。主界面下部设有常用快捷菜单，点击可进入下一级菜单，查看更多信息。

图1 变电站直流电源监控系统主界面

3 监控主机设计

变电站直流电源监控系统监控主机选用PMU07A型号，监控主机采用7寸彩色800×480点阵LCD触摸屏，适用于一体化小系统的监控。监控主机结构简单、便于安装、外形美观、占用体积小、组配灵活。监控系统主界面操作简便、显示数据布置合理、人机交互性能良好。主界面不仅显示变电站直流电源系统的主接线图，还实时显示各部分的具体运行状况和监测数据。变电站直流电源监控系统监控功能比较完善，且高度智能化，并有声光报警功能。实现了对整体直流电源系统本地或远程全参数监控。监控主机还提供Modbus通讯规约供用户使用。

监控主机具有以下功能：①最多可安装16个电力模块；②监控主机选用7寸彩色触摸屏，显示界面图形化，可以直观的显示系统各类信息，可以对系统参数进行设置及校准、显示系统工作参数和指示系统故障信息；③历史故障记录和存储器剩余空间；④监控主机可以对电池组进行自动管理，按充放电曲线对1组电池进行自动充放电；⑤监控主机可以与交流测量模块配合，监测交流进线系统的工作状态；⑥监控主机可以与综合测量模块配合，监测交流系统及母线的工作状态；⑦监控主机可以与电池巡检模块配合，监测最多220节电池的电压和工作状态；⑧监控主机可以与开关量检测模块配合，监测用户自定义开关量输入数据；⑨监控主机可以与绝缘检测模块配合，监测母线和支路的绝缘性能；监控主机可以监测2路3相交流线路数据；监控主机可以监测母线和支路的绝缘性能，当发生母线或支路接地故障时会自动发出声光报警信号；监控主机可以按用户自定义进行开关量输入报警；监控主机可以按用户预置干接点闭合事件进行开关量输出；监控主机具有RS232上位通讯功能，可以与变电站自动化系统进行通讯。

4 底层模块设计

4.1 综合测量模块设计

变电站直流电源监控系统综合测量模块SPU01用于测量直流电源系统中的各种参数，并将测量数据传输至监控主机。SPU01模块可以同时测量3路交流电压、3路直流电压、2路电流和1组电池的温度，检测1段母线的绝缘性能和24路开关量输入数据，还可以提供8路开关量输出数据。交流电压最大测量值为500 V，交流电压在304 V～456 V时测量精度为1%。直流电压最大测量值为300 V，直流电压在90%～130%额定电压时测量精度为0.5%。交流电流最大测量值为100 A，交流电流在20 A～100 A时测量精度为1%。直流电流最大测量值为±100 A，直流电流在±20 A～±100 A时测量精度为1%。电池组温度测量范围为-10 ℃～+100 ℃，测量精度为±3 ℃。

4.2 电池巡检模块设计

变电站直流电源监控系统电池巡检模块负责监测单体电池的电压和电池组的温度，并将监测数据传输至监控主机。电池巡检模有BMU-19和BMU-55两种型号。

BMU-19模块可以同时监测19节12 V单体电池的电压和1组电池的温度。单体电池电压的最大测量值为17 V，当单体电池电压在10 V～15 V时测量精度为0.5%。

BMU-55模块可以同时检测55节2 V单体电池的电压和2组电池的温度。单体电池电压的最大测量值为4 V，当单体电池电压在2 V～3 V时测量精度为1%。当电池节数大于55节时，可使用多个BMU-55模块。

4.3 绝缘监测模块设计

变电站直流电源监控系统绝缘监测模块负责监测母线和各支路的绝缘性能，并将监测数据传输至监控主机。绝缘监测模块有IMU-32和IMU-64两种型号。

IMU-32模块可以同时监测1段母线和32路支路的绝缘性能，巡检时间为40 s。支路数较少的直流电源系统可选此型号。

IMU-64模块可以同时监测1段母线和64路支路的绝缘性能，巡检时间为60 s。支路数较多的直流电源系统可选此型号。

IMU-32模块和IMU-64模块的母线绝缘电阻的测量精度为±5%，支路绝缘电阻测量误差精度为±10%。

4.4 开关量模块设计

变电站直流电源监控系统开关量模块DMU-64负责监测开关量信号输入，用户可以自定义开关量输入数据，并将监测数据传输至监控主机。DMU-64模块可以同时监测64路输入开关量数据，有8个开关量输出节点，输出节点容量为交流250 V/5 A或直流30 V/5 A或直流220 V/50 mA。

4.5 交流测量模块设计

变电站直流电源监控系统交流测量模块JLCL-2是为1 000 A以下容量直流电源系统设计的交流测量模块[3]，可以同时测量A相、B相、C相和零线4路交流电压、3相交流电流、功率因数、有功功率、无功功率、总功率和频率等，可以将测量数据传输至监控主机。JLCL-2模块中设有开口闭合式霍尔电流传感器，可以实现不停电改造施工作业，开口处有减少磁阻设计，测量精度可达±2%。当一次线路所接电流互感器的变比在50/5 A以下时，JLCL-2模块中电流传感器的测量精度会降低，所以一次线路所接电流互感器的变比应在50/5 A及以上，此时二次电流较小，但测量精度不会降低。

5 技术优势及创新点

变电站直流电源监控系统主回路采用不平衡电桥法监测主回路的绝缘性能，而支路则采用直流互感器监测支路的绝缘性能，监控主机人机交互界面采用全中文显示，便于操作和查看，支路用直流互感器选用开口互感器，装置体积小，便于在原有直流电源系统上安装和不停电改造。国内大部分直流电源系统设备厂家支路绝缘监察功能出厂后不能现场增加或不停电改造困难，大部分直流系统设备厂家之间支路绝缘监察功能互相不匹配，无法对非本厂设备改造，开口互感器通用性强，可对110 kV及以下任意直流电源系统厂家设备进行现场不停电升级改造。对直流电源可靠性要求比较高的变电等专业提供了有力的技术保障。采用开口闭合式霍尔传感器，实现不停电改造施工作业，开口处采用减少磁阻设计，测量精度可达2%。

6 监控系统工程应用效果

变电站直流电源系统一般未安装监控系统，当直流电源系统发生故障，需要进行断电或闭合操作时，需要值班人员手动操作，如果操作不及时，可能造成事故，甚至造成人身伤害。现在已经在若干35 kV和10 kV开闭所直流电源系统改造中安装了变电站直流电源监控系统，通过控制开关向支路直流系统投入检测电阻，用直流电流传感器监测漏电流，通过监测绝缘电阻值来判断系统的绝缘性能。监控系统能够及时准确的监测系统的绝缘性能，监控系统的灵敏度也较高，具有自动报警和自动隔离功能，保证了人员的安全，防止事故的持续和扩大。通过一段时间的运行，发现运行效果良好。适合电厂和变电站的直流电源系统绝缘在线监测。建议对直流电源系统设备陈旧、现场直流电源线缆老化及直流电源系统无支路绝缘监控功能的直流电源系统设备升级中推广应用。

7 结束语

变电站直流电源监控系统制作简单，造价低廉，安装使用方便，有效降低日常维护费用，降低劳动强度，节约人力成本。监控系统能够自动报警和自动隔离操作，保证了人员的安全，防止事故的持续和扩大。今后在粉尘比较大或比较潮湿的环境中使用时，可以进一步完善装置结构，提高其防护等级。对直流电源系统保障要求比较高的用户，还可以根据用户要求进行功能扩展，如增加直流电源系统的正常操作和故障操作进行区分记录、交直流互串报警和蓄电池的环境检测等功能。