變電站直流電源故障分析系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊帥

摘要：近年來(lái)，在電力系統(tǒng)內(nèi)因變電站直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常而引起保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)的事故呈上升趨勢(shì)，而目前直流系統(tǒng)安裝的設(shè)備在事故狀態(tài)下卻無(wú)法捕捉到準(zhǔn)確和詳細(xì)的異常情況信息，缺乏事故數(shù)據(jù)支撐，給事故原因分析增添了許多不確定因素，導(dǎo)致采取的后續(xù)措施缺乏有效的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變電站;直流電源;故障分析

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)尚未對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)管理，對(duì)于直流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)也不全面，現(xiàn)有的離線監(jiān)測(cè)運(yùn)維手段，容易受到人為因素的影響，并且數(shù)據(jù)的連續(xù)性差，不容易進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，無(wú)法確切掌握整體系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

現(xiàn)階段研究分別從直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障、繼電器線圈接地故障、交直流混路造成保護(hù)誤動(dòng)等方面分析了不同故障帶來(lái)的各種危害并相應(yīng)提出了解決措施。同時(shí)針對(duì)直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)、直流系統(tǒng)對(duì)地電容測(cè)量方法、直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置、蓄電池容量的半荷內(nèi)阻測(cè)量等方法進(jìn)行了探討和研究，對(duì)解決目前由于絕緣監(jiān)測(cè)裝置缺陷導(dǎo)致的直流系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性具有重要意義，同時(shí)也對(duì)在蓄電池安全檢測(cè)、性能分析、壽命準(zhǔn)確估計(jì)與預(yù)測(cè)方面開(kāi)辟一條新的學(xué)術(shù)思路有所助益。

但目前的研究依然存在如下技術(shù)瓶頸：

（1）直流電源系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要集中于系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測(cè)、蓄電池的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與充放電等方面，但都是針對(duì)直流系統(tǒng)某一方面的獨(dú)立研究，對(duì)于直流電源系統(tǒng)全方位整體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估尚未涉及。

（2）蓄電池組狀態(tài)監(jiān)測(cè)存在很多不足。目前絕大部分變電站僅安裝了蓄電池巡檢儀，僅實(shí)現(xiàn)了單體電壓和蓄電池組電壓監(jiān)測(cè)，但電壓測(cè)量偏差較大，無(wú)法對(duì)蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

（3）接地告警功能不完善，存在重大安全隱患的絕緣裝置還在繼續(xù)使用，并且有類似問(wèn)題的設(shè)備依然不斷流入電網(wǎng)。

總的來(lái)講，目前直流電源故障檢測(cè)技術(shù)的研究主要面向單個(gè)設(shè)備，而未從直流電源系統(tǒng)的角度開(kāi)展。本文通過(guò)直接采樣及從現(xiàn)有設(shè)備中獲取等方式，將直流電源主要參數(shù)的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)數(shù)據(jù)集中上傳至故障分析系統(tǒng)主站，對(duì)各參數(shù)的縱、橫兩個(gè)方向進(jìn)行對(duì)比，并分析各參數(shù)之間的相互作用和影響，以全面、及時(shí)、準(zhǔn)確判斷直流電源發(fā)生的故障及設(shè)備性能的變化趨勢(shì)。

2 直流電源故障分析系統(tǒng)

考慮到該系統(tǒng)用戶的分布面廣，使用人員的地理位置分散，因此，系統(tǒng)軟件采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用程序和服務(wù)器都集中放置在總站，方便系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)及功能的擴(kuò)展。該系統(tǒng)可作為子系統(tǒng)接入地區(qū)電網(wǎng)狀態(tài)中心，可容納500個(gè)變電站站點(diǎn)接入。

直流電源故障分析系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析蓄電池、充電機(jī)、絕緣裝置及蓄電池監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行參數(shù)變化趨勢(shì)，深入了解上述設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組、充電機(jī)的故障及不滿足有關(guān)規(guī)程、反措要求的絕緣監(jiān)測(cè)裝置。根據(jù)裝置、設(shè)備的性能劣化程度，提出檢修建議與方案，逐步實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，以大大減少直流電源設(shè)備的日常維護(hù)工作量;確保蓄電池組具有事故跳閘和2 h事故放電能力，防止直流電源消失引起保護(hù)拒動(dòng)事故;消除充電機(jī)不穩(wěn)定輸出對(duì)蓄電池造成的不利影響，從而提高直流電源系統(tǒng)的供電可靠性;交流竄入、直流環(huán)網(wǎng)、電壓偏差及電壓波動(dòng)等各種直流接地故障能及時(shí)告警并得到排除，以預(yù)防直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地引起保護(hù)誤動(dòng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流電源故障分析系統(tǒng)在研究設(shè)計(jì)時(shí)分為以下三部分：數(shù)據(jù)采集終端研制、通信規(guī)約制定、分析輔助決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3.1 研制數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端以通信方式從集中監(jiān)控、絕緣裝置、蓄電池巡檢儀獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，并將絕緣裝置、蓄電池巡檢儀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給集中監(jiān)控，獲取的數(shù)據(jù)包括各類參數(shù)整定值、測(cè)量值和告警信息以及單體電池電壓、內(nèi)阻、溫度等。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采樣獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集終端可通過(guò)自采的方式采集蓄電池組浮充電流、均充電流、核容放電電流、事故跳閘放電電流，母線電壓、對(duì)地電壓與對(duì)地交流電壓等。系統(tǒng)具有B碼對(duì)時(shí)功能，以保證數(shù)據(jù)采集時(shí)與其他設(shè)備一致，便于事故分析與各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

儲(chǔ)能電感L1及電解電容C1可保證在直流電源失壓的條件下，本裝置還可工作一段時(shí)間，以便采集系統(tǒng)事故后的數(shù)據(jù);超級(jí)電容C2則保證本裝置的CPU等主要部件最后失去電源，以便保存采集數(shù)據(jù)。

3.2 制定通信規(guī)約

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端與絕緣監(jiān)測(cè)裝置之間通信采用RS485通信規(guī)約，與蓄電池巡檢儀之間通信采用RS485通信規(guī)約，與集中監(jiān)控裝置之間通信采用RS485通信規(guī)約，與主站之間通信采用TCP/IP通信規(guī)約。

3.3 開(kāi)發(fā)直流電源故障智能分析輔助決策系統(tǒng)

直流電源故障智能分析輔助決策系統(tǒng)需要在采集故障信息的基礎(chǔ)上對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行故障建模及分析，要能準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)直流電源系統(tǒng)的異常及故障情況做出分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出告警或警示，分析結(jié)果以圖形、文本等方式展示出來(lái)，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析，可判斷出直流斬波器、硅鏈等穩(wěn)壓、調(diào)壓設(shè)備的特性是否滿足直流系統(tǒng)的運(yùn)行要求;可以監(jiān)測(cè)在蓄電池轉(zhuǎn)供期間，特別是在出現(xiàn)保護(hù)裝置動(dòng)作等大負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，各蓄電池所表現(xiàn)出的容量情況及母線電壓的波動(dòng)情況，以判斷蓄電池容量是否滿足運(yùn)行要求，在容量不滿足運(yùn)行要求時(shí)能及時(shí)發(fā)出告警信息;直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置在進(jìn)行接地檢測(cè)時(shí)，由于平衡回路的切換，將會(huì)造成直流系統(tǒng)對(duì)地電阻和對(duì)地電容的變化，通過(guò)在直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作時(shí)同步檢測(cè)對(duì)直流系統(tǒng)的擾動(dòng)情況，可以鑒別出直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的原理及特性是否滿足直流系統(tǒng)的運(yùn)行要求。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)擬采用四層構(gòu)架，劃分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、故障斷診斷層、Web展示層。

其中，數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)的功能是使用TCP/IP通信收集前端數(shù)據(jù)采集裝置上傳的數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)的控制指令發(fā)送給前端采集裝置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與前端裝置之間的數(shù)據(jù)交互。采集層監(jiān)控每臺(tái)采集裝置的工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)情況，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)管理層。數(shù)據(jù)管理層主要功能有數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)校驗(yàn)及糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。數(shù)據(jù)管理層將采集層的數(shù)據(jù)全部整理完成，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)為故障診斷層提供有效的數(shù)據(jù)。故障診斷層是軟件的核心部分，涉及直流系統(tǒng)的故障診斷方法。故障診斷層根據(jù)數(shù)據(jù)管理層提供的數(shù)據(jù)及設(shè)定的參數(shù)分析出各個(gè)直流系統(tǒng)目前的工作狀態(tài)是否良好，從而判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入高速采集模式;同時(shí)，故障診斷層將根據(jù)采集數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)對(duì)直流系統(tǒng)故障狀態(tài)提前預(yù)警。展示層為操作展示層，系統(tǒng)利用Web進(jìn)行信息展示及操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文搭建的直流電源故障分析系統(tǒng)可通過(guò)采集運(yùn)行中充電機(jī)、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、蓄電池巡檢裝置數(shù)據(jù)，分析裝置是否出現(xiàn)故障;可實(shí)現(xiàn)蓄電池開(kāi)路、短路、容量下降等故障的判斷與告警;可實(shí)現(xiàn)絕緣裝置接地故障報(bào)警與隱患的分析監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)接地引起保護(hù)誤動(dòng)分析，十分適用于直流電源設(shè)備全生命周期的管理。

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