廠站直流電源系統(tǒng)智能監(jiān)測技術(shù)方案優(yōu)化研究

王一龍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

在復(fù)雜的現(xiàn)代變電站管理中，直流電源是助推變電站繼電保護(hù)、自動(dòng)化等信息系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，沒有可靠穩(wěn)定的直流電源供給，就談不上綜自化、數(shù)字化和智能化。因此，直流電源是穩(wěn)定電網(wǎng)安全運(yùn)行一個(gè)重要分支系統(tǒng)，不可缺少。因此，在廠站直流電源在線監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)中需要解決傳統(tǒng)直流電源監(jiān)測系統(tǒng)存在的功能不完善、設(shè)備的個(gè)案處理等隱患問題，需要對(duì)廠站直流電源設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)提供最優(yōu)方案，為今后這類設(shè)備的運(yùn)維具有建設(shè)性的意義。

1 總體方案

直流電源智能監(jiān)控管理系統(tǒng)由站端監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、主站系統(tǒng)三部分組成，直流電源智能監(jiān)控管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

站端監(jiān)控系統(tǒng)(即智能管理子站)由站端監(jiān)控管理主機(jī)和各功能模塊組成，監(jiān)控管理主機(jī)與各功能模塊進(jìn)行通信，對(duì)各模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測處理與控制。功能模塊包括具有電壓、電流、環(huán)境溫度及內(nèi)阻測試功能的蓄電池在線監(jiān)測裝置，控制蓄電池智能充放電操作的開關(guān)控制單元及智能放電裝置，充電裝置特性監(jiān)測裝置及絕緣監(jiān)測裝置等。

傳輸網(wǎng)絡(luò)以電力辦公網(wǎng)絡(luò)為主，站端監(jiān)控系統(tǒng)通過站端交換機(jī)的一個(gè)預(yù)定端口以TCP/IP方式接入電力專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 直流電源智能監(jiān)控管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

主站系統(tǒng)采用服務(wù)器群形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，分析與處理的基本SCADA功能。在此基礎(chǔ)上結(jié)合運(yùn)維管理需要，主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表服務(wù)、蓄電池健康狀況評(píng)估等高級(jí)應(yīng)用。采用WEB發(fā)布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)內(nèi)的共享，一個(gè)賬戶，一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)全生命周期的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與管理。

1.1 站端監(jiān)控系統(tǒng)

站端監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行在變電站側(cè)，主要負(fù)責(zé)匯集直流電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)。主要設(shè)計(jì)功能為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、越限告警、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖形展示等，其平臺(tái)采用Linux系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，安全性高，站端監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖見圖2。

圖2 站端監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)支持4個(gè)網(wǎng)口10個(gè)串口(RS-485/RS-232)通信，站端監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。前端采集設(shè)備以RS-485總線方式接入站端監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，接入?yún)f(xié)議支持MODBUS、CDT等各主流充電裝置、絕緣監(jiān)測裝置生產(chǎn)廠家之協(xié)議；外系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布采用網(wǎng)絡(luò)方式(TCP/IP)進(jìn)行，輸出軟報(bào)文協(xié)議格式支持CDT、MODBUS、IEC 61850協(xié)議。

圖3 站端監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控是系統(tǒng)的基本功能，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源。主要實(shí)現(xiàn)蓄電池組電壓數(shù)據(jù)的采集與測量，內(nèi)阻數(shù)據(jù)定時(shí)測試，智能程序化核對(duì)性放電，充電裝置、絕緣監(jiān)測裝置、環(huán)境監(jiān)測裝置等智能設(shè)備的軟報(bào)文協(xié)議接入等功能。物理層網(wǎng)絡(luò)采用RS-485總線方式，應(yīng)用層數(shù)據(jù)采集采用線程池加管理者模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的實(shí)時(shí)調(diào)度。

(1)一次數(shù)據(jù)采集。采集者線程根據(jù)軟報(bào)文定義，對(duì)接收到的一次數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化、轉(zhuǎn)換處理，生成可以使用的二次數(shù)據(jù)。這些已經(jīng)處理完畢、可以使用的熟數(shù)據(jù)被采集者保存于系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫，以方便使用者索取。

(2)二次數(shù)據(jù)預(yù)警。數(shù)據(jù)分析者線程根據(jù)系統(tǒng)既定預(yù)警值對(duì)二次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波，過濾壞數(shù)據(jù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)后預(yù)警。預(yù)警類型如表1所示。

表1 預(yù)警類型

(3)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。按照數(shù)據(jù)重要度等級(jí)進(jìn)行存儲(chǔ)，重要數(shù)據(jù)每小時(shí)保存一次，保存周期設(shè)計(jì)為5年；次要數(shù)據(jù)每日保存一次，保存周期為1年；告警數(shù)據(jù)即時(shí)保存，保存周期為10年。

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示。重點(diǎn)數(shù)據(jù)突出顯示，用戶關(guān)注數(shù)據(jù)集中分組顯示。顯示形式包括表格、柱狀圖、曲線圖等方式。

1.3 高級(jí)應(yīng)用功能

貼近用戶的實(shí)際工作、為使用人員解決現(xiàn)實(shí)中存在的問題，以及為工作流程服務(wù)是高級(jí)功能的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。高級(jí)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)如下。

(1)斷面數(shù)據(jù)。根據(jù)定值，系統(tǒng)自動(dòng)保存斷面數(shù)據(jù)，形成斷面曲線和斷面數(shù)據(jù)分析結(jié)果兩種輸出。根據(jù)斷面數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以快速還原至某一時(shí)刻場景，根據(jù)斷面曲線分析使用者可以迅速掌控某一特征數(shù)據(jù)的整體走勢(shì)。

(2)放電報(bào)告。核對(duì)性放電設(shè)計(jì)為兩種操作模式，手動(dòng)和自動(dòng)。這兩種操作模式都有可靠的安全保障，保證直流母線工作正常。自動(dòng)模式全稱為智能化程序式核對(duì)性放電,實(shí)現(xiàn)一鍵式、智能化安全放電；自動(dòng)生成放電報(bào)告。

(3)分析報(bào)表。系統(tǒng)自動(dòng)、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)狀態(tài)，月末進(jìn)行缺陷綜合分析后，生成月報(bào)表。

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告。查看系統(tǒng)內(nèi)所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)出報(bào)表。

(5)容量核對(duì)。采用模板匹配方法，在線核對(duì)電池組放電時(shí)預(yù)計(jì)放電時(shí)間(工作時(shí)長)；也可以將其作為一種電池組容量核對(duì)方法，人工調(diào)低充電裝置輸出電壓，使電池組工作在放電狀態(tài)，然后檢查系統(tǒng)匹配計(jì)算出的剩余放電時(shí)間，依此來確定電池組當(dāng)前狀態(tài)是否正常。

(6)特性測試。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測充電裝置的穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度、均流不平衡度、紋波系數(shù)等參數(shù)，為蓄電池性能評(píng)估提供參考。

1.4 傳輸網(wǎng)絡(luò)

站端監(jiān)控裝置對(duì)上(主站系統(tǒng))傳輸網(wǎng)絡(luò)以電力4區(qū)網(wǎng)絡(luò)為主，方式為TCP/IP實(shí)時(shí)應(yīng)答式通信，幀間隔500 ms，單站帶寬約50 kB。站端監(jiān)控裝置對(duì)下(采集單元)傳輸通道為RS-485總線方式；通信機(jī)制采用主從模式，查詢、應(yīng)答式通信。

2 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)部署在電力公司機(jī)房，采用服務(wù)器群方式實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的WEB數(shù)據(jù)發(fā)布。采用C/S、B/S復(fù)合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在客戶端輕量級(jí)部署。主要功能為數(shù)據(jù)采集匯總、數(shù)據(jù)分析預(yù)測、報(bào)表生成、歷史數(shù)據(jù)記錄、事項(xiàng)信息查詢、曲線柱狀圖展示等。

主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)服務(wù)、歷史服務(wù)、短信告警、權(quán)限服務(wù)、語音告警、事項(xiàng)服務(wù)等模塊，屬于多進(jìn)程式設(shè)計(jì)，各服務(wù)以軟總線為通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。主站系統(tǒng)功能和主站系統(tǒng)拓?fù)鋱D分別見圖4。

圖4 主站系統(tǒng)功能

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SCADA基本功能，完成生、熟數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效融合。數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，異常告警。

(1)數(shù)據(jù)采集模塊具有各站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集處理功能，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與前端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，然后將一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以使用的二次數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)存于實(shí)時(shí)庫。

(2)實(shí)時(shí)服務(wù)模塊具有數(shù)據(jù)發(fā)布、越限判斷告警功能，并可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)動(dòng)。告警類型和聯(lián)動(dòng)類型見表2和表3。

表2 告警類型

表3 聯(lián)動(dòng)類型

(3)歷史服務(wù)模塊具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可以按照數(shù)據(jù)重要度等級(jí)設(shè)定不同的數(shù)據(jù)保存策略，按照策略實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

(4)WEB模塊具有人機(jī)交互接口功能，采用柱狀圖、曲線圖、表格等方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；并提供歷史數(shù)據(jù)查詢、告警事項(xiàng)查詢等頁面。

3.2 高級(jí)管理功能

(1)設(shè)備臺(tái)賬信息。設(shè)備管理是本系統(tǒng)的一個(gè)增值功能，通過設(shè)備臺(tái)賬信息的維護(hù)，結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)價(jià)其運(yùn)行質(zhì)量如何。

(2)蓄電池比對(duì)。同站點(diǎn)不同蓄電池組、不同站點(diǎn)不同蓄電池組之間的電池組單體電壓、內(nèi)阻數(shù)據(jù)柱狀圖比對(duì)。通過比對(duì)，可以評(píng)價(jià)蓄電池狀態(tài)的優(yōu)劣，對(duì)問題電池及早處理。

(3)內(nèi)阻散點(diǎn)分析。對(duì)某一節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)的縱向歷史分析，通過散點(diǎn)分布圖可以清晰的檢測出該蓄電池的穩(wěn)定性如何。

(4)月分析報(bào)告。是系統(tǒng)總體評(píng)價(jià)依據(jù)，通過每個(gè)月末生成的分析報(bào)告，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻異常電池，可以發(fā)現(xiàn)單體電壓異常電池。同時(shí)，維護(hù)人員可以根據(jù)報(bào)表中提出的建議制定電池組維護(hù)計(jì)劃。

(5)蓄電池故障統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)一個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障情況，按照故障類型一一進(jìn)行發(fā)生數(shù)量統(tǒng)計(jì)。維護(hù)人員可以借此了解系統(tǒng)隱患點(diǎn)，提前整改，防止隱患成為運(yùn)行障礙。

(6)事故總。重點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)總狀態(tài)，對(duì)于快速掌控系統(tǒng)狀態(tài)起到良好的幫助提示作用。綠色表示正常，紅色(動(dòng)畫提示)表示異常，點(diǎn)擊進(jìn)入即可瀏覽異常信息，簡單、直觀。

(7)核對(duì)性放電。站端軟件功能擴(kuò)展，可以在主站完成智能核對(duì)性放電工作，通過嚴(yán)格的密碼加權(quán)限驗(yàn)證方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性；通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂撇呗约哟罅瞬僮靼踩裕煌ㄟ^前端設(shè)備硬件互鎖，保證了運(yùn)行安全性。通過人性化的界面、功能設(shè)計(jì)為操作者提供了慣性模式，最后輸出為放電報(bào)告。在保證安全的情況下，讓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，把工作交給程序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工作效率。

4 系統(tǒng)主要功能

(1)交流進(jìn)線狀態(tài)監(jiān)測。實(shí)時(shí)監(jiān)測兩路交流進(jìn)線和雙路切換裝置輸出是否正常，交流停電時(shí)立即報(bào)警。讓運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握交流電是否正常，如果有一路交流電停電時(shí)雙路切換裝置是否正常切換，當(dāng)交流停電時(shí)能夠立即進(jìn)行處理。

(2)蓄電池脫離母線運(yùn)行監(jiān)測。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測刀閘位置狀態(tài)，蓄電池組浮充電流，蓄電池組端電壓等數(shù)據(jù)，判斷蓄電池是否在線運(yùn)行，如果蓄電池脫離母線立即報(bào)警。防止因蓄電池脫離母線造成交流停電時(shí)直流母線失壓，直流母線失壓會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)，故障擴(kuò)大。

實(shí)時(shí)在線采集蓄電池的組壓、浮充電流、出口熔斷器及各開關(guān)的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，通過對(duì)采集的各狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合分析，診斷當(dāng)前系統(tǒng)的蓄電池是否處于正常工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池脫離母線運(yùn)行、蓄電池開路、開關(guān)位置錯(cuò)誤等直流電源系統(tǒng)嚴(yán)重違反規(guī)程運(yùn)行的故障的監(jiān)測及告警。

(3)蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測。代替蓄電池浮充電壓的人工測試和電壓巡檢儀，代替蓄電池內(nèi)阻的人工測試，代替人工報(bào)表編制工作；掌握蓄電池性能，杜絕蓄電池組開路、容量不足等造成電網(wǎng)故障，保障直流電源安全防線。實(shí)時(shí)采集蓄電池組壓、電流，蓄電池單體電壓、單體溫度，環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)信息，并定期對(duì)蓄電池單體內(nèi)阻、連接條內(nèi)阻進(jìn)行自動(dòng)在線測試，配以專家分析軟件對(duì)監(jiān)控的蓄電池的所有數(shù)據(jù)智能分析，得出蓄電池狀態(tài)的優(yōu)劣、剩余容量、可用時(shí)間等蓄電池健康狀況信息，并可針對(duì)性地提出合理化的維護(hù)建議。

(4)充電裝置監(jiān)測。通過對(duì)充電裝置通信協(xié)議的解析，讀取充電裝置整定的輸出特性參數(shù)，再通過采集單元對(duì)充電裝置輸出的電壓、電流、紋波電壓等模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣，在充電裝置工作在均充或浮充狀態(tài)下時(shí)，通過對(duì)整定值與采樣值的對(duì)比分析，來實(shí)現(xiàn)對(duì)充電裝置運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，對(duì)充電程序進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)充電裝置輸出異常情況加以告警提示。通過對(duì)充電裝置的通信控制充電模塊智能投退，自動(dòng)控制高頻模塊在最佳輸出狀態(tài)，防止部分高頻模塊長期空載或低載運(yùn)行。

(5)蓄電池智能核容放電。減少蓄電池組核對(duì)性放電試驗(yàn)的工作量，代替人工報(bào)表編制工作，以安全為前提，減少蓄電池大量運(yùn)維工作量，有效地解決了運(yùn)維人員和試驗(yàn)儀器配置不足的問題。對(duì)直流電源系統(tǒng)中的直流斷路器加裝自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，或者是對(duì)原有直流電源系統(tǒng)進(jìn)行改造，使直流電源系統(tǒng)中各開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。在機(jī)柜內(nèi)頂部位置安裝智能放電負(fù)載，便于放電過程中熱量的及時(shí)排出，智能放電負(fù)載可以自動(dòng)控制啟動(dòng)、停止；開關(guān)操作順序程序化控制，并配以開關(guān)位置操作是否到位的自動(dòng)判斷，以及開關(guān)狀態(tài)互鎖邏輯，

防止開關(guān)位置不對(duì)或錯(cuò)誤操作開關(guān)造成的直流母線失壓。一鍵式操作啟動(dòng)蓄電池放電，放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測放電容量、放電時(shí)長、蓄電池組壓、單體電壓、溫度等參數(shù)是否達(dá)到放電終止條件，其中任何一個(gè)條件滿足便立即停止放電過程，確保直流電源系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行。

(6)絕緣監(jiān)測及選線。解決支路接地時(shí)只能選線，無法準(zhǔn)確定位和蓄電池接地時(shí)無法準(zhǔn)確告警和定位的問題；解決瞬時(shí)接地故障時(shí)間短，無法選線的問題；解決交流竄入無法有效監(jiān)測和錄波的問題。主要功能包括：直流電源系統(tǒng)、蓄電池絕緣降低、接地監(jiān)測、選線及支路接地點(diǎn)定位，交流竄入直流監(jiān)測、錄波及選線，直流電源系統(tǒng)瞬時(shí)接地監(jiān)測及選線，直流互竄，直流電源系統(tǒng)母線對(duì)地壓差補(bǔ)償?shù)取?/p>

(7)直流電源智能監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)軟件。將蓄電池、直流電源的維護(hù)從定期檢修，故障檢修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修，設(shè)備性能劣化時(shí)提前維護(hù)，避免問題的發(fā)生。使運(yùn)維人員能夠隨時(shí)隨地掌握變電站直流電源運(yùn)行狀態(tài)，有告警能夠及時(shí)了解并進(jìn)行處理，以合適的報(bào)表格式為運(yùn)維人員提供統(tǒng)計(jì)報(bào)告，方便工作，提高效率。對(duì)蓄電池、充電裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立性能分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)性能工況進(jìn)行健康度分級(jí)，進(jìn)行趨勢(shì)分析和故障預(yù)警，智能管控直流電源的運(yùn)行。對(duì)變電站直流電源進(jìn)行性能工況健康度分級(jí)，全面分析直流電源工況，為運(yùn)維檢修管理工作提供依據(jù)。所轄變電站直流電源數(shù)據(jù)、狀態(tài)的全面監(jiān)測并以合適的圖表方式展示；主站W(wǎng)EB發(fā)布，通過同一局域網(wǎng)內(nèi)的電腦可隨時(shí)查看現(xiàn)場情況；直流系統(tǒng)圖的展示。斷面數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析。具有短信告警功能，將告警發(fā)送到運(yùn)維人員手機(jī)上。每月自動(dòng)生成分析報(bào)告，按月統(tǒng)計(jì)單體電壓及內(nèi)阻的狀態(tài)和異常蓄電池。

5 結(jié)語

本文介紹了廠站低壓直流電源智能系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化方案，提出了合理的解決方案，目前在現(xiàn)場運(yùn)行性能穩(wěn)定，得到了很好的效果。隨著今后現(xiàn)代化變電站的不斷投入運(yùn)行，對(duì)于廠站直流電源設(shè)備的運(yùn)維管理是不可多得的舉措，其方案具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。