陈 就，陈伟郴，刘文平，李新海，杨 婷，何欣欣
（1.南方电网广东中山供电局，广东 中山 528400；2.广东信通通信有限公司，广东 中山 528411）
0 引 言
直流系统为发电厂、变电站、换流站、开关站以及配电站等自动化装置提供可靠的直流电源，直流系统的安全稳定运行显得尤为重要。随着配网自动化和保护技术广泛应用，配套的环网配电柜直流系统设备数量也在大幅增加。直流系统是一个复杂的多分支供电网络，需要大量人力进行巡视维护，急需整合环网配电柜直流系统中的蓄电池监控、直流屏、空气开关状态等信息以及相关智能化监控[1-2]。
国外对直流系统在线监测的研究主要集中于蓄电池容量预测方法、电池内阻测量方法、蓄电池性能参数监测技术等内容。国内研究主要集中于蓄电池多点监测技术、故障诊断及监测预警技术、直流系统接地故障多点监测定位技术等内容[3-5]。目前，直流屏、蓄电池数据和站端其他设备数据只能在本地进行测量，甚至有些设备不配备检测设备，不具备就地汇总检测查看和远程监测查看功能[6-7]。受制于网络安全、网络资源、厂家规约不一等原因，长期处于本地化工作状态，各类信息均需要现场采集，一些设备无法远程控制[8]。同时，站端很多设备信息离散，没有统一的汇总展示接口，不方便现场运维。
文章针对现有配网自动化设备终端直流系统无检测设备、无远程监控、设备信息离散的缺点，提出了一种配电网直流监测系统。该系统集成应用蓄电池智能诊断技术、监测预警技术、并联直流电源技术，汇总并统一监测管理就地蓄电池、直流屏等信息，同时可以通过标准网络接口将所有信息上传至监控后台，为调度监控人员提供监控信息提高调度监控效率，为环网配电柜直流系统运维决策提供重要依据，保障配网安全稳定运行。
1 配电网直流监测系统结构与功能设计
1.1 系统结构设计
配电网直流监测系统由监控装置、双电源自动切换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）、电源模块、蓄电池以及绝缘监测模块组成，系统结构设计如图1 所示。
图1 配电网直流系统监测系统结构
监控装置由处理器模块、告警模块、显示屏、RS-485 总线、通信模块以及存储器等组成。监控装置采集直流系统电压与电流、交流输入、绝缘监测、蓄电池的电压、电流、内阻以及度等数据，并分析处理数据，得出蓄电池容量、放电时间、使用寿命等参数，评估蓄电池健康状态。通过多种方式采集电源模块、绝缘监测模块和其他模块的数据，并通过多种通信方式与上位机对接，实现基于电力物联网的信息传递与控制。RS-485 总线负责接收终端的数据，经过处理器整理后再通过显示屏显示；存储器负责记录蓄电池充放电信息、异常预警信息、内阻测试记录等关键信息；通信模块负责将数据传输至监控中心，实现配电网直流系统远程数据监测功能；告警模块负责对参数异常或电池故障输出告警信号，并通知检修人员消缺。
双电源自动切换开关用于实现不同电源之间的自动切换，以保证电力供应的连续性和稳定性[9]。其主要包括电源选择器、控制器和电动执行器，在一路交流电源异常停电时，会自动切换至另一路备用交流电源，确保电力供应不间断。
电源模块智能管理蓄电池，包括状态监测、自动维护、在线核容等功能。
蓄电池采用阀控式铅酸蓄电池，具备运行安全、内阻小、放电电压稳定、容量大、放电效果良好、温度适应性强、效率高、寿命长（3 ～6 年）以及隔爆性能稳定等优点。
直流系统绝缘监测可实现实时监测直流母线电压、母线对地电阻、故障支路寻线、支路对地电阻、交流串直流以及故障告警等功能。其中，母线参数反映了整个系统的综合状况，因此在发现故障时进行故障支路寻线，需要满足对其监测的实时性和快速性。
1.2 功能设计
配电网直流监测系统功能包括绝缘监测、蓄电池电压监测、内阻监测、温度监测、母线电压监测、母线电流监测、开关状态监测、实时数据、异常告警信息显示、历史数据查询、数据交互、数据导入导出以及诊断与预警等功能，具体实现功能如下。一是整合环网配电柜直流系统中的蓄电池监控、直流屏、绝缘监测等信息，实现设备的智能网络化集中监测与管理。二是实时分析比较蓄电池电压、电流、内阻、温度、交流输入、绝缘监测以及各种开关状态等数据量，同时可以采用多种检测判定蓄电池组异常的方式监测蓄电池组异常状态。三是将蓄电池的异常告警信息自动上报至生产系统缺陷管理子系统，关联设备台账，以便检修人员准备所需的备品备件，实时监控系统运行情况。当接入设备出现故障或者报警时，可以通过显示、声音等多种方式进行展示，让现场运维人员快速接受信息进行有效运维。四是运行维护人员能够在中心站服务器端通过网页浏览的方式实时掌握所管辖环网配电柜的直流系统状态的运行情况、设备运行状况、异常告警状况及其性能变化趋势，保障配电网直流系统的安全可靠运行。
2 配电网直流监测系统关键技术
2.1 蓄电池智能诊断技术
蓄电池智能诊断技术利用传感器采集蓄电池电流、电压、内阻及温度等相关参数，与相关专家数据库比较，及时发现蓄电池的故障。蓄电池智能诊断技术由数据库采集技术和专家数据库组成。数据库采集技术采用多传感器采集技术，降低维护成本，全面自动监控蓄电池的运行状况，并将数据发送至终端服务器。配电网直流监测系统采用蓄电池智能诊断算法，可以实时检测蓄电池运行参数，对异常电池进行识别。具体是每个电源模块对48 V 蓄电池模块进行智能管理，实时对蓄电池进行充放电管理、温度管理、容量与内阻计算等，数据并与专家数据库进行对比分析，确认蓄电池的健康程度。
2.2 监测预警技术
直流监测系统监视接入设备的运行状态，并通过阈值判断、变位识别等方式预警设备。直流系统监测预警技术将所采集的预警信息通过监测系统显示，采集数据包括直流系统的多个技术参数，并在界面上显示直流系统故障告警信息，将告警信息发送至配网自动化运维人员的终端设备，以便及时消缺。直流监测系统包括监测设备和后台服务器，两者通过网络进行连接，将监测到的预警信息发送至远程服务器中并发送给运维人员。
直流电源在线监测预警系统软件架构如图2所示，包括数据采集层、数据分析层、数据维护层。
图2 直流系统监测预警结构
数据采集层包括传感器和监测单元。传感器包括电压、电流、温度等传感器，各类传感器将温度信息、电压信息和电流信息转换成数字或模拟信号，监测装置将传感器信号转换成数字信号并将预警信息发送至数据分析层。
数据分析层通过接收采集层的电压、电流、温度以及绝缘监测等数据，将数据和信息整理后，上传至数据维护层的终端服务器进行远方维护或与调度自动化系统通信，实现数据和信息共享。
数据维护层由终端服务器和数据维护系统组成，负责评估蓄电池运行状态，作为系统检修依据。数据维护系统主要收集直流监测系统的各种数据和信息，评估配网直流系统运行状态，当诊断出设备有隐患或缺陷时，立即对异常数据进行决策，并采取相应措施。
2.3 并联直流电源技术
配电网直流监测系统采用并联型直流电源设计，与传统串联型直流系统相比，资产全生命周期经济性优势如表1 所示。其中，蓄电池采用阀控铅酸蓄电池（12 V/200 Ah），全生命周期按12 年计算。并联电源模块由并联电源变换模块和48 V/24 V 蓄电池（4只12 V 蓄电池串联或2 只12 V 蓄电池串联）组成，其中并联电源变换模块由交直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）整流电路、蓄电池充放电直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电路等组成。正常运行方式下，交流220 V 通过并联电源变换模块的AC/DC 电路整流成直流48 V/24 V 输出至直流母线，为环网配电柜直流48 V/24 V 负载供电，输出电压采用均流控制器对局域网络线路实现负载的平均分配，同时并联电源变换模块通过充电DC/DC模块实现蓄电池电流充电控制。当交流电源系统发生异常时，蓄电池可作为环网配电柜直流系统的备用电源，并联型直流电源系统结构如图3 所示。
表1 并联型与串联型直流系统经济性对比
图3 并联直流电源系统结构
3 应用实例
文章设计的配电网直流监测系统在调试稳定后，在中山供电局某供电分局环网配电柜直流系统进行试运行，并联型直流屏柜设计如图4 所示。该直流监测系统包括4 个并联电源变换模块、2 组4 节12 V/100 Ah蓄电池、2 个屏柜。经过2 个月正常运行，跟踪蓄电池运行数据，验证了配电网直流监测系统可以检测直流系统异常、缺陷的能力，监控装置界面如图5 所示。
图4 并联型直流屏柜设计
图5 监控装置监测界面
4 结 论
文章设计的配电网直流监测系统可以实时监测蓄电池电压、内阻、温度、直流屏、绝缘检测以及电流等信息参数，以了解蓄电池的运行状态，通过电力专网将数据实时传输至后台服务器进行存储、分析处理、发布显示和故障报警，满足实时在线监控、安全性、可针对多组蓄电池等要求，配网专业人员仅需排除该系统所告警的相关故障，大大减少了环网配电柜的直流系统运维工作量，提高了直流系统的可靠性和安全性。
