变电站直流系统的故障诊断及监测预警技术研究

2022-06-15李斐

中国设备工程 2022年11期

李斐

（广西电网有限责任公司北海供电局，广西北海 536000）

随着变电站直流系统运行时间的变长，直流系统中的电源模块、蓄电池、直流回路等都可能会出现运行异常的情况。如果对这些直流系统中的缺陷不及时加以处理，则可能会导致更为严重的问题。通过应用变电站直流系统的故障诊断及监测预警技术，可以满足对变电站直流系统实时监测、以及发生事故或异常情况时进行分析的需求，实现电池开路检测预警，以及电池模块化评估和故障状态下直流系统的主动隔离。本文详细分析了变电站直流系统的故障诊断及监测预警技术，对于提高变电站直流电源系统的运行管理水平具有一定的价值。

1 变电站中的直流系统

1.1 变电站直流系统中的蓄电池

在变电站的主控室中，包括了交流系统和直流系统，电力二次设备和通信自动化设备基本都是通过直流系统逆变来供电。其中蓄电池是直流系统的重要组成部分，也是决定直流系统运行稳定性的关键。变电站直流系统中蓄电池在组成结构上包括了电容、正极和负极、电解液等，利用蓄电池可以试下化学能和电能之间的转换。当蓄电池运行在放电状态时，可以将电能转化为化学能，当蓄电池运行在充电状态时，能够将化学能转化为电能，并给负载供电，图1为变电站直流系统中蓄电池的结构图。

从图1变电站直流系统中蓄电池的结构图中可以看出，组件1代表蓄电池上的接线柱，组件2代表蓄电池的电池盖、组件3代表蓄电池的安全阀、组件4代表蓄电池的正极板、组件5代表蓄电池的隔板、组件6代表蓄电池的负极板、蓄电池7代表蓄电池的外壳。蓄电池从分类上，主要可以分为碱性蓄电池和酸性蓄电池，其中酸性蓄电池的特点是其两端的电压相对较高，但其使用周期也相对较短，并且在运维过程中也较为不方便。而碱性蓄电池由于其体积较小，故在运维过程中相对容易，但是其放电电流比较小，故在变电站的直流系统中一般都是采用酸性蓄电池。

图1 变电站直流系统中蓄电池的结构

1.2 采用变电站直流系统的故障诊断及监测预警技术的必要性

变电站直流系统在运行过程中，涉及到化学能和电能之间的转换，当运行时间较长时，受到人为因素或者设备质量等因素的影响，容易出现故障。此时有必要应用故障诊断及监测预警技术，及时发现和掌握变电站直流系统中所存在的缺陷。利用变电站直流系统的故障诊断及监测预警技术，可以开发出变电站直流系统蓄电池状态诊断和异常情况主动隔离装置，根据所采集到的数据信息，来对直流系统的运行状态进行判断。当发现直流系统存在异常情况时，则及时主动进行隔离，保证直流系统不会出现较大范围的故障。

2 变电站直流系统的故障诊断技术分析

2.1 变电站直流系统故障诊断技术现状

目前在变电站直流系统中基本都配置了监控装置，但大多数只是在直流系统处于正常运行状态时进行信息数据采集，当直流系统发生故障时，则难以及时采集到相关信息，给后续的故障诊断分析带来了较大的难度。同时，直流线路监控装置虽然能够对蓄电池的端电压进行监控，当发现电压异常时，也能够发出预警信息。但是无法对蓄电池的运行内阻进行监测，依然需要通过人工采用仪表进行检测的方式才能获取到数据。为了提高对变电站直流系统蓄电池的故障诊断及检测质量，可以配置专门的直流系统监测装置。

2.2 变电站直流系统的组成

在变电站直流系统的组成中，主要包括了蓄电池和充电屏等部分，其中在充电屏柜中包括了充电机、直流馈电系统、交流配电系统、监控模块、绝缘监测系统等，通过各个组成部分之间的协调配合，保证整个变电站直流系统能够安全稳定运行，图2为变电站直流系统的组成结构图。

图2 变电站直流系统的组成结构图

从图2变电站直流系统的组成结构图中可以看出，首先站用电源进线通过交流配电系统，将交流电源分配到各个充电模块中，充电功能模块主要是用来完成站用交流系统到直流系统的变换，并通过整流模块加以实现。之后再通过直流馈电模块，将直流电源分配到各个支路中。监控模块则可以对变电站直流系统的蓄电池运行状态、绝缘系统的状态等进行实时监测，当变电站直流系统出现异常时，能够发出相应的告警信息。电池监测模块可以对蓄电池的端电压、环境温度以及充放电电流的大小等进行全面的监控。采用这种系统结构的好处主要是当站用电出现故障时，依然可以通过蓄电池来保证电力二次设备的正常可靠供电，将蓄电池作为重要的备用电源。

2.3 变电站直流系统的故障诊断及隔离技术

变电站直流系统可能发生的常见故障类型，包括三相交流系统的输入故障、充电机输入故障、蓄电池故障、接地故障等。首先对于三相交流系统的输入故障，如果蓄电池不断处于放电的工作状态，电池容量明显降低，则表明三相交流系统可能出现了故障。其次当充电机的输入电压过高时，会给直流系统的蓄电池带来较大的损伤，此时应主动切断直流输入，保证蓄电池的安全。再次当蓄电池的外壳膨胀或者出现裂纹时，则表明蓄电池出现了故障。最后，变电站直流系统还会发生交流串入故障。当变电站中的一次设备发生了接地情况时，此时在供电回路中会产生零序电流，如果直流系统回路和地网较为接近时，此时由于对地存在分布电容，会通过分布电容形成回路，导致接地产生的零序电流通过直流回路回到直流侧，从而引发故障。对于这种故障类型的诊断，可以采用检测系统中的交流电压数据的方式，当检测到的电压数据比所诊断系统中所设定的数据大时，则说明该直流系统发生了交流串入情况。

同时在变电站直流系统的故障诊断技术中，可以引入大数据和人工智能等技术，提高变电站直流系统诊断评估结果的鲁棒性和准确性。并且通过采用这些技术，也可以提高对变电站直流系统故障诊断的效率和准确度。在应用变电站直流系统的故障诊断技术时，需要研发出变电站直流系统故障信息采集及录波装置，这样就可以根据装置中所采集到的波形曲线来分析直流系统所发生的故障类型。

3 变电站直流系统的监测预警技术分析

通过采用变电站直流系统的监测预警技术，可以将所采集到的直流系统预警信息在监测系统的界面上显示出来。在变电站直流监测系统中，监控装置处于核心地位，能够对直流系统中多个物理量进行采集，并且根据系统的控制指标要求进行相应的控制，同时可以在监测装置的界面上展示出所记录下来的直流系统故障信息。直流系统监测装置在应用过程中，需要和其他设备之间保持良好的信息通信。在变电站直流系统监测系统中，涉及到数据采集技术、数据展示技术和数据储存技术等。

对于变电站直流系统监测系统的应用流程，首先是监测采集到直流系统中的异常运行数据，之后再经过对数据的处理，发出告警信息，并将告警信息推送到变电站直流系统运维人员的终端设备上，以便运维人员能够及时掌握信息，并采取措施进行消缺。同时还应加强变电站直流系统监测系统的硬件配置、软件配置以及网络配置，在监测系统中包括了监测终端设备和远程服务器，两者之间需要通过以太网通信方式进行相互组网连接，以实现所监测到的预警信息能够发送到远程服务器中并进一步推送给运维人员。将该变电站直流系统监测预警技术应用在某实际供电企业中，结果表明该故障诊断及监测预警系统能够对直流系统中的多种不同故障类型进行准确的诊断分析，准确率很高，并且预警信息也能够可靠传输给运维人员，对于降低对变电站直流系统的运维成本、提高运维技术水平发挥了重要作用，取得了很好的应用效果。