變電站直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)設計

郭靈豐

(內蒙古電力(集團)有限責任公司 包頭市達茂供電分公司，內蒙古 包頭 014500)

在電力系統(tǒng)中，為了給保護裝置、控制設備、自動化裝置、事故照明設備和其他各種直流設備供電，變電站需設置獨立可靠的直流電源系統(tǒng)。直流電源系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，其安全可靠的運行為電網的安全提供了保障。當直流電源系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要及時進行斷電或閉合等操作，通常此類操作需要人工手動完成，不僅占用人力資源，如果操作不及時，還可能造成事故，甚至造成人身傷害。因此，研發(fā)了變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，其具有安裝操作方便、全自動運行、安全性高等優(yōu)點。

1 變電站直流電源系統(tǒng)常見故障

變電站直流電源系統(tǒng)一般包括充電整流模塊、蓄電池組、電池巡檢裝置、直流斷路器和絕緣監(jiān)測裝置等。變電站直流電源系統(tǒng)常見故障如下[1]：①充電整流模塊保護。充電整流模塊交流輸入電壓過高、過低、溫度過高都會導致充電整流模塊保護；②充電整流模塊故障；充電整流模塊故障的原因有輸出電壓過高和IGBT過流等；③蓄電池組故障；蓄電池組故障原因有蓄電池極板腐蝕、蓄電池水損失、蓄電池熱失控和蓄電池過充電等；④絕緣監(jiān)察裝置故障；⑤直流斷路器故障。

2 變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)總體設計思路

為提高電網的安全可靠性，需對變電站直流電源系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現并處理出現的問題，避免事故發(fā)生或防止事故進一步擴大。變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)為適應變電站直流電源系統(tǒng)的多樣性，采用了模塊化設計方案，設計多個不同規(guī)格的底層模塊[2]，根據變電站直流電源系統(tǒng)的不同，可以選用不同規(guī)格型號的各底層模塊。底層模塊主要有綜合測量模塊、電池巡檢模塊、絕緣檢測模塊、開關量模塊和交流測量模塊。變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)主機及各模塊的規(guī)格及功能，如表1所示。

表1 變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)主機及各模塊規(guī)格及功能

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖1所示。主界面可以實時顯示交流進線狀態(tài)、逆變系統(tǒng)狀態(tài)、充電系統(tǒng)狀態(tài)、電池系統(tǒng)狀態(tài)和通信系統(tǒng)狀態(tài)等。主界面中各主開關量數據均為實時動態(tài)顯示。點擊圖片可查看相應設備的詳細信息。主界面下部設有常用快捷菜單，點擊可進入下一級菜單，查看更多信息。

圖1 變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)主界面

3 監(jiān)控主機設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控主機選用PMU07A型號，監(jiān)控主機采用7寸彩色800×480點陣LCD觸摸屏，適用于一體化小系統(tǒng)的監(jiān)控。監(jiān)控主機結構簡單、便于安裝、外形美觀、占用體積小、組配靈活。監(jiān)控系統(tǒng)主界面操作簡便、顯示數據布置合理、人機交互性能良好。主界面不僅顯示變電站直流電源系統(tǒng)的主接線圖，還實時顯示各部分的具體運行狀況和監(jiān)測數據。變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能比較完善，且高度智能化，并有聲光報警功能。實現了對整體直流電源系統(tǒng)本地或遠程全參數監(jiān)控。監(jiān)控主機還提供Modbus通訊規(guī)約供用戶使用。

監(jiān)控主機具有以下功能：①最多可安裝16個電力模塊；②監(jiān)控主機選用7寸彩色觸摸屏，顯示界面圖形化，可以直觀的顯示系統(tǒng)各類信息，可以對系統(tǒng)參數進行設置及校準、顯示系統(tǒng)工作參數和指示系統(tǒng)故障信息；③歷史故障記錄和存儲器剩余空間；④監(jiān)控主機可以對電池組進行自動管理，按充放電曲線對1組電池進行自動充放電；⑤監(jiān)控主機可以與交流測量模塊配合，監(jiān)測交流進線系統(tǒng)的工作狀態(tài)；⑥監(jiān)控主機可以與綜合測量模塊配合，監(jiān)測交流系統(tǒng)及母線的工作狀態(tài)；⑦監(jiān)控主機可以與電池巡檢模塊配合，監(jiān)測最多220節(jié)電池的電壓和工作狀態(tài)；⑧監(jiān)控主機可以與開關量檢測模塊配合，監(jiān)測用戶自定義開關量輸入數據；⑨監(jiān)控主機可以與絕緣檢測模塊配合，監(jiān)測母線和支路的絕緣性能；監(jiān)控主機可以監(jiān)測2路3相交流線路數據；監(jiān)控主機可以監(jiān)測母線和支路的絕緣性能，當發(fā)生母線或支路接地故障時會自動發(fā)出聲光報警信號；監(jiān)控主機可以按用戶自定義進行開關量輸入報警；監(jiān)控主機可以按用戶預置干接點閉合事件進行開關量輸出；監(jiān)控主機具有RS232上位通訊功能，可以與變電站自動化系統(tǒng)進行通訊。

4 底層模塊設計

4.1 綜合測量模塊設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)綜合測量模塊SPU01用于測量直流電源系統(tǒng)中的各種參數，并將測量數據傳輸至監(jiān)控主機。SPU01模塊可以同時測量3路交流電壓、3路直流電壓、2路電流和1組電池的溫度，檢測1段母線的絕緣性能和24路開關量輸入數據，還可以提供8路開關量輸出數據。交流電壓最大測量值為500 V，交流電壓在304 V～456 V時測量精度為1%。直流電壓最大測量值為300 V，直流電壓在90%～130%額定電壓時測量精度為0.5%。交流電流最大測量值為100 A，交流電流在20 A～100 A時測量精度為1%。直流電流最大測量值為±100 A，直流電流在±20 A～±100 A時測量精度為1%。電池組溫度測量范圍為-10 ℃～+100 ℃，測量精度為±3 ℃。

4.2 電池巡檢模塊設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)電池巡檢模塊負責監(jiān)測單體電池的電壓和電池組的溫度，并將監(jiān)測數據傳輸至監(jiān)控主機。電池巡檢模有BMU-19和BMU-55兩種型號。

BMU-19模塊可以同時監(jiān)測19節(jié)12 V單體電池的電壓和1組電池的溫度。單體電池電壓的最大測量值為17 V，當單體電池電壓在10 V～15 V時測量精度為0.5%。

BMU-55模塊可以同時檢測55節(jié)2 V單體電池的電壓和2組電池的溫度。單體電池電壓的最大測量值為4 V，當單體電池電壓在2 V～3 V時測量精度為1%。當電池節(jié)數大于55節(jié)時，可使用多個BMU-55模塊。

4.3 絕緣監(jiān)測模塊設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)絕緣監(jiān)測模塊負責監(jiān)測母線和各支路的絕緣性能，并將監(jiān)測數據傳輸至監(jiān)控主機。絕緣監(jiān)測模塊有IMU-32和IMU-64兩種型號。

IMU-32模塊可以同時監(jiān)測1段母線和32路支路的絕緣性能，巡檢時間為40 s。支路數較少的直流電源系統(tǒng)可選此型號。

IMU-64模塊可以同時監(jiān)測1段母線和64路支路的絕緣性能，巡檢時間為60 s。支路數較多的直流電源系統(tǒng)可選此型號。

IMU-32模塊和IMU-64模塊的母線絕緣電阻的測量精度為±5%，支路絕緣電阻測量誤差精度為±10%。

4.4 開關量模塊設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)開關量模塊DMU-64負責監(jiān)測開關量信號輸入，用戶可以自定義開關量輸入數據，并將監(jiān)測數據傳輸至監(jiān)控主機。DMU-64模塊可以同時監(jiān)測64路輸入開關量數據，有8個開關量輸出節(jié)點，輸出節(jié)點容量為交流250 V/5 A或直流30 V/5 A或直流220 V/50 mA。

4.5 交流測量模塊設計

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)交流測量模塊JLCL-2是為1 000 A以下容量直流電源系統(tǒng)設計的交流測量模塊[3]，可以同時測量A相、B相、C相和零線4路交流電壓、3相交流電流、功率因數、有功功率、無功功率、總功率和頻率等，可以將測量數據傳輸至監(jiān)控主機。JLCL-2模塊中設有開口閉合式霍爾電流傳感器，可以實現不停電改造施工作業(yè)，開口處有減少磁阻設計，測量精度可達±2%。當一次線路所接電流互感器的變比在50/5 A以下時，JLCL-2模塊中電流傳感器的測量精度會降低，所以一次線路所接電流互感器的變比應在50/5 A及以上，此時二次電流較小，但測量精度不會降低。

5 技術優(yōu)勢及創(chuàng)新點

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)主回路采用不平衡電橋法監(jiān)測主回路的絕緣性能，而支路則采用直流互感器監(jiān)測支路的絕緣性能，監(jiān)控主機人機交互界面采用全中文顯示，便于操作和查看，支路用直流互感器選用開口互感器，裝置體積小，便于在原有直流電源系統(tǒng)上安裝和不停電改造。國內大部分直流電源系統(tǒng)設備廠家支路絕緣監(jiān)察功能出廠后不能現場增加或不停電改造困難，大部分直流系統(tǒng)設備廠家之間支路絕緣監(jiān)察功能互相不匹配，無法對非本廠設備改造，開口互感器通用性強，可對110 kV及以下任意直流電源系統(tǒng)廠家設備進行現場不停電升級改造。對直流電源可靠性要求比較高的變電等專業(yè)提供了有力的技術保障。采用開口閉合式霍爾傳感器，實現不停電改造施工作業(yè)，開口處采用減少磁阻設計，測量精度可達2%。

6 監(jiān)控系統(tǒng)工程應用效果

變電站直流電源系統(tǒng)一般未安裝監(jiān)控系統(tǒng)，當直流電源系統(tǒng)發(fā)生故障，需要進行斷電或閉合操作時，需要值班人員手動操作，如果操作不及時，可能造成事故，甚至造成人身傷害?，F在已經在若干35 kV和10 kV開閉所直流電源系統(tǒng)改造中安裝了變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，通過控制開關向支路直流系統(tǒng)投入檢測電阻，用直流電流傳感器監(jiān)測漏電流，通過監(jiān)測絕緣電阻值來判斷系統(tǒng)的絕緣性能。監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時準確的監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣性能，監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏度也較高，具有自動報警和自動隔離功能，保證了人員的安全，防止事故的持續(xù)和擴大。通過一段時間的運行，發(fā)現運行效果良好。適合電廠和變電站的直流電源系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測。建議對直流電源系統(tǒng)設備陳舊、現場直流電源線纜老化及直流電源系統(tǒng)無支路絕緣監(jiān)控功能的直流電源系統(tǒng)設備升級中推廣應用。

7 結束語

變電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)制作簡單，造價低廉，安裝使用方便，有效降低日常維護費用，降低勞動強度，節(jié)約人力成本。監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動報警和自動隔離操作，保證了人員的安全，防止事故的持續(xù)和擴大。今后在粉塵比較大或比較潮濕的環(huán)境中使用時，可以進一步完善裝置結構，提高其防護等級。對直流電源系統(tǒng)保障要求比較高的用戶，還可以根據用戶要求進行功能擴展，如增加直流電源系統(tǒng)的正常操作和故障操作進行區(qū)分記錄、交直流互串報警和蓄電池的環(huán)境檢測等功能。