（电气工程专业论文）直流屏网络在线监测系统.pdf

直流屏网络在线监测系统 摘要 变电站直流电源是变电站非常重要的一种二次设备，其性能和质量的好坏 直接关系到电网的稳定运行和设备安全。 本文研究了应用计算机统计分析技术建立一个面向供电公司直流屏的综合 管理数据采集系统，实时准确地采集来自现场的各项生产数据和设备运行状态 数据，经过统计分析，为生产指挥调度、现场管理和维修提供全面、及时、准 确的现场工况。降低了设备管理及维护成本，提高工作效率，具有较高的稳定 性和可靠性以及完善的智能化全自动运行功能和远方监控手段，满足电网集中 调度和变电所无人值守的全部运行要求，实现生产管理与生产调度信息化、网 络化。 关键词：直流屏，网络在线，监测系统，调度信息化 d c p a n e ln e t w o r ko n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t d cp o w e ri sav e r y i m p o r t a n ts e c o n d a r ye q u i p m e n ti ns u b s t a t i o n ，i t s p e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yw i l lh a v ead i r e c tb e a r i n go nt h es t a b l eo p e r a t i o no fp o w e r g r i d sa n ds a f e t ye q u i p m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s ha s t a t i s t i c a la n a l y s i so fd c p a n e lf o rt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mf o r t h ep o w e rs u p p l yc o m p a n y , r e a l - t i m ea n da c c u r a t e l yc o l l e c t e df r o mt h e s c e n eo ft h ep r o d u c t i o nd a t aa n de q u i p m e n tr u n n i n gd a t at h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i s ， f o rt h ep r o d u c t i o no fc o m m a n ds c h e d u l i n g ，o n - s i t em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e t op r o v i d ec o m p r e h e n s i v e ，t i m e l ya n da c c u r a t eo n s i t ec o n d i t i o n s r e d u c et h e e q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ec o s t s ，i m p r o v ee f f i c i e n c y , h a v eah i g h s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n di m p r o v et h ef u n c t i o na n do p e r a t i o no fa u t o m a t i c i n t e l l i g e n tr e m o t em o n i t o r i n gm e a n st o m e e tt h ep o w e rg r i ds u b s t a t i o no n s c h e d u l i n ga n du n a t t e n d e da l lt h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s i ta c h i e v e dp r o d u c t i o n s c h e d u l i n gi n f o r m a t i o n i z a t i o n ，a n dn e t w o r k i n g o fp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：d c p a n e l ，o n - l i n en e t w o r k ，m o n i t o r i n gs y s t e m s ，s c h e d u l i n g i n f o r m a t i o n 插图清单 图2 1 直流系统构成图3 图3 一l 系统网络结构图8 图3 2 监控系统结构图1 0 图3 3 程序流程图1 1 图4 1 蓄电池放电曲线图1 3 图4 2 电池采样模块结构图1 4 图4 3 内阻测量原理图：。1 7 图4 4 电池放电电压变化图。1 7 图4 52 v 铅酸电池安时数与内阻( 微欧) 对照1 8 图5 1 系统架构2 1 图5 2 用户管理2 2 图5 3 组管理2 2 图5 4 添加用户2 3 图5 5 马鞍山供电公司综合信息。2 4 图5 6 采石变综合信息2 4 图5 7 配置节点信息2 5 图5 8 采石变基本信息2 5 图5 9 直流屏信息2 6 图5 1 0 绝缘监测设备信息2 6 图5 1 1 电池组信息。2 7 图5 12 运行监测2 7 图5 1 3 运行监测的数据表格信息2 8 图5 1 4 实时报警。2 8 图5 15 历史报警2 9 图5 16 月报表。31 图5 17 直流屏的实时数据信息3 1 图5 1 8 直流屏的实时报警信息3 2 图5 1 9 直流屏的报警记录查询3 2 图5 2 0 绝缘监测的实时数据信息3 3 图5 2 1 绝缘监测的实时报警信息3 3 图5 2 2 绝缘监测的历史报警记录3 4 图5 2 3 滚动报警3 4 图5 2 4 用户日志。3 4 图5 2 5 在线动态放电控制界面3 5 表格清单 表1 电池测试结果表3 6 表2 直流屏测试结果表3 7 表3 绝缘测试结果表。3 7 表4 与国内外同类技术比较3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 黜一虢r 啼唆一肌孑年川焰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金目墨王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名) 和( i 久 i 签字日期：d 岔年6 月i 净 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 杈矽扒 签字日期：口盆年月必日 电话： 邮编： 致谢 在本人攻读工程硕士学位两年多的时间里，自始至终得到了导师杜少武教 授的悉心指导和无微不至鲶关怀。从课题的选题到课题的研究都倾注了老耀酶 大量心血。在杜老师的指导下，我拓宽了自己的知识面，顺利地完成了工程硕 士学位论文。杜老师渊搏的知识、务实的作风、创新的治学精神和诲人不倦的 指导作风，使我获益匪浅，无微不至的关怀更令人感动，这对我以后的工作和 学习都有极大的帮助。在此，谨向给予我巨大帮助的杜老师致以最诚挚的谢意 和祝福! 感谢各级领导对我的工作和学习的认可。 感谢马文涛和郑孛胜给我的关心和帮助。 感谢我的父母家人和我的爱人在生活上的关心和事业上的支持。 感谢所有关心支持我的同学和朋友! 作者：江和顺 2 0 0 8 年4 月l5 日 第一章绪论 1 1 直流系统维护管理的现状 变电站直流电源是变电站非常重要的一种二次设备，它的主要任务就是给 继电保护、开关合分及控制提供不间断连续可靠的操作电源，其性能和质量的 好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。近几年来，无人值班变电站的建 设在全国迅速发展和普及，与之相适应的，要求直流电源的可靠性及自动化程 度更高、功能更完善。加强远方对直流电源的日常维护和监测管理更显得非常 必要。 有关资料表明，大多数“免维护”电池使用寿命比预计的要短很多。很多 情况下是在市电停电后才发现蓄电池放电容量达不到设计要求。 蓄电池维护管理的现状： 1 、大部分电池监测系统只采集电池的电压，但电压尤其是浮充电压很难反 映出蓄电池的性能问题。 2 、很多场合不具备定期放电检查的条件，而且，对电池放电测试的风险很 高。 3 、电池监测系统并没有检测到单节电池。 4 、无人值守站的日常检查费用很高。 1 2 选题意义 蓄电池组是一种独立的电源，不受交流电源的影响，在充电机交流失电或 发生故障时，蓄电池继续给控制、信号、继电保护和自动装置供电，同时还可 以保证事故照明用电。由于蓄电池电压平稳、容量大，既适合于各种较复杂的 继电保护和自动装置，也适合于对各类型断路器的传动。 作为后备电源，蓄电池是确保设备正常运行的最后一道防线，具有特殊的 作用和意义。目前，广泛应用的阀控铅酸蓄电池( v r l a b ) 采用了阴极吸收技 术，因而在运行中无需加水维护，被称为“免维护电池，这一名称在很大程 度上导致了使用者的误解。由于蓄电池平时处于浮充状态，时间一长，就会出 现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、极板腐蚀及硫化等现象，从而导致 容量降低甚至失效，一旦市电中断，有可能酿成重大事故。为了充分发挥蓄电 池作为后备电源的作用，延长蓄电池的使用寿命，以保证电力系统的正常运行， 蓄电池的维护管理占据非常重要的位置。 1 3 直流系统维护管理的发展趋势 随着电网的快速发展，现在每年新增的变电站是以往3 5 年的总和，而电 网企业每年新增人员比例远远达不到变电站增长的比例，有的单位甚至还出现 负增长，按照传统的运行维护和检修方式，现有的人员远不能满足快速增长的 变电站直流系统运行维护和检修的需要，因此加强远方对直流电源的日常维护 和监测管理更显得极其必要。而国外对直流系统远程监控设备价格昂贵，还不 能全部满足国内变电站对技术上的需要，而目前国内市场上的测试设备大多功 能单一、测量范围窄、不同内容的测试和数据上传要通过不同的设备完成，兼 痞性差，不利于系统的维护、扩展和升级，难以满足用户要求。从长远看，直 流系统维护管理的发展趋势是：需要对变电站直流设备运行情况进行在线监测。 监测项目包括配电单元、充电机、用户负荷、电池、馈线回路绝缘等设备的运 行状态，并能实现网络共享，能利用变电站现有的局域网将监测信息传给需要 的人，另外系统还应该有通用性和维护简单的特点。 1 4 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容是应用计算机统计分析技术建立一个面向全合肥供电 公司直流屏的综合管理数据采集系统，实时准确地采集来自现场的各项生产数 据和设备运行状态数据，经过统计分析，为生产指挥调度、现场管理和维修提 供全面、及时、准确的现场工况。降低设备管理及维护成本，提高工作效率， 具有较高的稳定性和可靠性以及完善的智能化全自动运行功能和远方监控手 段，满足电网集中调度和变电所无人值守的全部运行要求。实现生产管理与生 产调度信息化、网络化。 优势特点： 1 、通过专家系统的统计分析，及时发现设备缺陷，使其得到尽早处理，将 故障排除在萌芽状态。 2 、是无人值守变电站、数字化变电站进行网络化管理并实现系统全参数在 线检测功能的最佳解决方案。 3 、可以随时监控电源设备运行状态和各项技术参数，可对随时监控电源设 备运行状态和各项技术参数系统中状态量和控制量进行监控，可定时开关交流 或备用电源的远程开关机功能。还可对各类电源进行全自动管理；可以直接利 用i n t e r n e t 传输控制数据，使维护人员通过i n t e r n e t 进行数据查询、控制等维护 工作。 4 、便于集中监控和网络化管理，多套系统一体化维护更加方便。降低成本， 总维护费用降低。 目前全国范围内用电情况日趋紧张，预计到2 0 10 年，国内市电供电状况才 能得到逐步改善，因此，今后几年内变电站的供电保障状况将更令人担忧，蓄 电池使用环境将更恶劣，如何确保直流系统的正常运行，提高设备运行的可靠 性，及时掌握电池的真实运行状态和性能状态，降低直流设备现场维护管理费 用，同时又能加强对直流系统的集中监控和网络化管理是各供电公司面临的一 个课题，在这方面，直流网络在线监测系统为各供电公司提供了一个较为完 善的解决方案。 第二章直流系统构成及原理 2 1 直流系统构成 直流系统主要由交流配电单元、充电机、蓄电池组、降压单元、监控单元、 绝缘检测单元、以及直流输出单元等部分组成，如图2 一l 所示。 一路交流二路交流 5 输出母线 图2 1 直流系统构成图 交流配电单元：二路三相交流输入电源在监控单元的监控下互为备用，为 充电机提供可靠的交流输入电源。 充电机：主要作用是对控制母线提供稳定可靠的直流电源，同时对蓄电池 缉进行浮充电。在蓄电池组因种种原因容量不足时，或在蓄电池组做活化时， 对蓄电池组进行补充电或强充电。 蓄电池组：蓄电池组作为储能设备，主要作用是向合闸母线提供系统合闸 时的需要的足够大的电流，并在直流电源发生故障或交流失电时，保证控制母 线不失电。是直流系统中不可缺少的重要组成部分。 监控单元：主要作用是数据采集、系统运行控制及系统显示、远方通讯 绝缘检测单元：用以监测母线对地的绝缘状态。 蓄电池检测单元：用以监测单节电池的电压、内阻。 2 2 直流系统功能原理 直流系统利用二路互为备用的交流输入电源及作为停电时备用的蓄电池 组，为电力系统的安全生产和运行提供辅助的不间断的直流工作和操作电源。 1 、监控中心监控设备各部分的运行状态并负责远距离通讯工作。 2 、充电机在有正常交流输入时，在监控中心的精密监控下，为控制母线提 供稳定可靠的工作电源，同时为蓄电池组提供精密的、符合充电特性曲线的充 电电源。 。 ， 3 、蓄电池组在有正常交流输入时，通过充电机进行充电或浮充电以保持容 量。在交流输入间断或系统故障时，为控制母线提供一定时间稳定可靠的工作 电源。另外无论在上述的何种情况下，随时准备为合闸母线提供瞬时达数百安 培的合闸电流。 4 、二路三相交流输入电源在监控中心的监控下互为备用，为充电机提供可 靠的交流输入电源。 5 、直流输出包括控制母线和合闸母线两部分，通过硅链调压装置、绝缘监 察装置、开关辅助接点、熔断器辅助接点、接触器等中间装置在监控中心的监 控下，共同为变电所提供辅助的不间断的工作和操作电源。 2 3 主要装置 2 3 1 开关电源 采用开关电源的模块化设计，n + i 热备份。 充电模块可以带电热插拔，平均维护时间大幅度减少。 硬件低差自主均流技术，模块间输出电流最大不平衡度优于5 。 2 3 2 监控模块 监控模块采用大屏幕液晶汉字显示，声光告警。 可通过监控模块进行系统各个部分的参数设置。 模块具有平滑调节输出电压和电流的功能，具备电池充电温度补偿功 能。 提供对电源系统的“遥测、遥控、遥信、遥调 的支持，实现无人值守。 蓄电池自动管理及保护，实时自动监测蓄电池的端电压、充电放电电流， 并对蓄电池的均浮充电进行智能控制，设有电池过欠压等声光告警。并可根据 用户要求提供电池巡检功能。 2 3 3 绝缘监测装置 1 采用最新总线内嵌的c p u 芯片，集成度高，抗干扰能力强，功耗低： 2 采用大屏幕全汉字显示，直观、明了、操作方便： 3 采用自动跟踪、软件锁相工作原理，使硬件设计规范化，装置工作部分 无需硬件调节，现场安装时，只需检查接线及根据说明书设定运行参数，对c t 极性无一致性要求。无接地故障时，不注入低频信号，对系统正常工作无影响。 4 电阻定值越限启动。工作稳定，并可分辨出两条线路同时接地的故障； 4 5 可与站内原有的绝缘监察装置并列使用； 6 装置接地报警、欠压报警、过压报警有两组独立的常开接点，可适应不 同的现场需要； 7 本装置可由软件选择r s 4 2 2 ( 4 8 5 ) 或r s 2 3 2 通讯接口，波特率、通讯参 数可软件设定，并随机带1 0 种通讯规约，可由软件选择。 8 分别记忆3 2 次接地故障，绝缘下降( 平衡电阻接地) 故障，过欠压( 失电) 报警记录，装置失电后信息不丢失； 9 装置的工作电源交、直流两用； 1 0 完善的自检、自调试功能； 1 1 可区分母线接地、线路接地。可分辨接地电阻2 5 k 。线路电容较小时， 可达3 0 k 4 0 k 左右。 1 2 简便易用的多机连接功能：可适用于复杂直流系统出线回路多的场合。 1 3 技术指标： 1 1 电压等级：d c 5 0 0 v 以下； 2 ) 母线段数：1 - - 2 段； 3 ) 选线回路：1 9 6 路； 4 ) 继电器接点容量：d c 3 0 v 2 a ia c l 2 5 v 0 6 a 5 1 通讯接口：r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 ； 6 ) 工作电源：a c 2 2 0 v 1 0 5 0 h z ： 或d c 2 2 0 v 1 0 1 ( 可制定d c l l 0 v 电源) 2 3 4 单体电池电压内阻监测装置 2 3 4 1 系统特点 本系统是集电池测量技术、电子技术、计算机控制技术等多项技术的综合 成果。具有如下特点： 一 1 ) 系统组成：监控主机、电池电压采集模块、放电模块、通讯接口板、服 务器( 网络版) 。 2 ) 在线自动监测单体电池电压、电池组组端电压、充放电电流和温度，数 据采集快速准确，可记录电池充放电过程每一瞬间的变化，保证对电池 的准确判别。 3 ) 动态放电瞬间测量每一单体电池内阻及负载能力，快速判别电池性能。 4 ) 静态放电( 核对性放电) 测量电池组容量，放电过程各项参数、曲线全 程显示。 5 ) 放电保护：出现单体电池电压低于设定值，放电时间、容量到达设定值， 交流失电等情况之一，设备自动停止放电。 6 ) 多种故障报警功能：电压超限、温度超限、电压均差值超限等，报警阀 值自由设定。 7 ) 自动存储报警信息及动态放电、静态放电数据。 8 ) 多个可扩展的i o 口，可用于报警输出，供直流屏等其它设备的采集和 控制。 9 ) 系统具有自检功能，当系统出现故障时，除给出故障信号报警提示外， 绝不影响直流系统的正常运行，保证系统的可靠性。 1 0 ) 模块化构架，组合模式灵活，可满足对任意数量电池监控的要求。 11 ) 设备安装、调试、维护简便，各采集模块前后采用隔离技术，安全性、 可靠性程度高。 1 2 ) 具有多种通讯方式：局域网、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 等，以适合不 同系统的通讯要求。 1 3 ) 配备完善的计算机管理分析监控软件，具有强大的数据处理功能，采用 先进的数学模型，对电池的多项测量结果进行综合计算分析，准确判别 电池性能，并可查询电池的实时运行状态及历史数据，包括各项参数、 曲线，并生成报表。 2 3 4 2 主要技术性能及参数 工作电源d c 2 2 0 v ( 2 2 0 v 直流屏) d c i1 0 v ( 1 1 0 v 直流屏) d c 4 8 v ( 4 8 v 直流屏) 动态放电电流大于1 0 0 a ( 2 2 0 v 直流屏) 大于2 0 0 a ( 1 1 0 v 直流屏) 静态放电电流5 a 1 5 a ( 2 2 0 v 直流屏) 5 a 3 0 a ( 11 0 v 直流屏) 另外：可根据要求整定或扩展 电压检测精度 o 5 电流检测精度 1 温度检测精度 o 5 模块间绝缘电阻5 0 0 m q 1 0 0 0 v 模块间绝缘强度1 5 0 0 v a c5 0 h z 数据记录间隔 15 s( 在线运行监测静态放电检测状态) i 0 0m s ( 动态放电检测状态) 查询方式现场面板查询方式、远端计算机查询方式 控制方式微机自动控制，也可手动控制或远端计算机控制 报警方式现场：声光报警，并显示报警内容，故障输出节点闭合；远端计 算机：报警并显示报警内容 可检测电池数最大2 4 0 节12 0 节2 组 通讯方式局域网、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 6 通讯规约 软件操作系统 c d t 、p o l l i n g 或m o d b u s 等 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t x p 7 第三章直流在线监测系统的构成及设计 3 1 直流在线监测系统组成 系统包括一个主站和多个子站，主要由直流屏、通讯规约转换器、绝缘巡 检仪、电池检测仪、服务器、s q l 数据库、局域网、客户机、直流屏网络在线 峪控软件等组成。子站内的协议转换器将绝缘检测仪、电池检测仪及直流屏上 传的数据转换成t c p 协议后打包上传给主站的数据服务器。主站的数据服务器 对收到数据进行分析处理保存后进行w e b 颁布，任何网络内的p c 机通过i e 浏览器即可查看任一站点的直流屏运行情况，无须安装专门的软件。 本系统完全基于网络的概念，是一种真正的客户一服务器模式，支持分布 式历史数据库和分布式报警系统。完全满足变电所无人值守的全部运行要求。 主要应用于发电厂、水电站、变电站。 系统网络结构图如图3 1 所示。 悫!睦- ：鎏卤 瓣韶洌充蛳 葛噬血删 变i 鼬1 充电机 蓄屯池盆潮 变蝴 图3 1 系统网络结构图 3 2 系统的设计思路 1 系统的技术和结构，选择国际围内主流和先进成熟的技术和产品。 2 采用标准化、规范化的没计方案和设计标准，使计算机监控系统的体系结 构、网络、数据库、生产调度管理等更加有利于企业建设更高一级的信息 管理网络( 全厂计算机管理信息系统) ，能与全厂计算机管理信息系统方 便联网，实现资源共享。 3 选用的技术和产品具有很强的可增长性和扩展性。满足现有的资源和系统 投资的长期效应以及系统功能不断扩展的需要，所采用的软硬件平台具有 丌放性。 一 糖糍 聋 ，幽叼缘 叮畸一 碱 仆 未 4 在强调系统的先进性、安全性、可靠性和稳定性的同时，更强调其开放性、 快速性、准确性和高效性。 5 系统具有良好的可管理性和可操作性，界面友好，易学易用，具有良好的 中文处理信息能力，能适应不同素质的人员。 6 采用先进、成熟、通用性强的技术，硬件设备的选用国际国内主流产品， 保证系统的可靠性，便于维护。使系统长时间工作在无故障状态。 7 系统设计遵循国家颁布的相关方面的规范和文件。 3 3 监控系统设计 系统采用面向对象的分布式一体化结构，遵循开放系统的原则，采用分层 分布结构，该项目整个系统可分为三部分：主控层、现场管理层、设备层、采 样层。主控层为电气设备监视、测量、控制、管理的中心，布置在信息中心， 通过局域网与通讯管理机相连。通讯管理机通过r s 4 8 5 和交流电源、直流电源、 电池监测装置、绝缘监测装置等智能设备相连。在主控层及网络失效的情况下， 现场管理层仍能独立完成监测和控制功能。该系统组态灵活，具有较好的可维 修性和可扩展性。 主控层：由监控管理服务器等设备组成，负责整个系统的监控和维护并将 各种信息进行分类储存管理，并通过通讯管理层对现场控制层的设备进行管理 和通讯，接收并下发各种控制指令，可以同时向一个或多个调度所集控站发送 报文。 现场管理层：由通讯管理机和现场的电源监控器等设备组成，通讯管理机 和电源监控器之间采用r s 4 8 5 进行通信。 设备层：由交流电源、直流电源、电池监测装置、绝缘监测装置等智能设 备组成。 采样层：由设备中的各种电压、电流传感器组成。 监控系统结构图如图3 2 所示 监控系统程序流程图如图3 3 所示 9 办嘲射壤抒赫渤 鬈，一艇糍黪匿 嘲一阿t c p i i p i i 智庭协溯单元i 。 磁舻带；搿荆獬燃。 ，、勰臻嘟 溯嬲暂卿 r s 4 8 i 0 l 。曲u s 通讯曼约j i “一 基娩，絮曼一糯一黝墩聪釜籍广= = i 嘲曛 “函妇。茹i溺豫黼强缀碍鼢戮l 籀酒【竺竺兰三j 苴 绝l 端洌 薷电池益溺 p l c 他 匝圃 变 电 站 ( 采样测量 圈阌名 直 流 网 翻( 、繇磊显磊善蓠) l ) t t ! i ! 、 设 备 触撞屏 篓啊= = ； 直i e 屏 图3 2 监控系统结构图 l o 图3 3 程序流程图 3 4 系统实现的主要目标 1 、实时监测配电单元、充电机、用户负荷的运行状态。 2 、掌握电池的真实运行状态和性能状态。 3 、改善电池的使用条件，延长电池的使用寿命。 3 、掌握馈线回路绝缘情况。 4 、及时处理故障，保证安全生产。 5 、降低直流系统的维护费用。 6 、便于集中监控和网络化管理。 3 5 系统功能实现 1 、实时监测充电机电压、充电机电流、控母电压、控母电流等。 2 、具有监测单体电池电压、单体电池内阻的功能。 3 、实时监测蓄电池组端电压、电池充放电流电流。 4 、支持核对性放电。测算电池的实际性能指标，尤其是容量指标。 5 、具有数据专家分析功能。自动分析并列出失效电池编号。 6 、实时检测馈线回路绝缘情况，确定接地支路。 7 、支持历史数据查询。 8 、图纸档案管理功能 9 、远程在线集中监测，w e b 颁布功能，网络内的p c 机通过i e 浏览器直 接访问各变电站直流屏数据。 1 0 、具有短消息报警功能，用户能及时掌握现场的异常情况。 1 2 第四章直流在线监测系统监测原理及方法分析 4 1 系统工作原理 4 1 1 蓄电池测量原理 由于蓄电池电化学反应的复杂性，以及各种材料、结构、制造工艺及使用 环境的不同，致使蓄电池的特性相互间存在较大差异，迄今为止，世界上尚没 有一种简单的方法能够对电池性能进行快速准确的判定。蓄电池性能的检测和 失效预测，仍是一个很复杂的电化学测量难题。 曾在电力、通信、金融、交通等行业中大量使用的开口式防酸隔爆铅酸蓄 电池，可通过测量端电压、查看电解液密度、液位、温度等了解电池状态。然 而，阀控式铅酸蓄电池的密封、贫液式设计，使得我们很难掌握其健康状况， 防酸隔爆铅酸蓄电池的检测维护手段已不再适用于阀控式铅酸蓄电池，这正是 当前蓄电池运行管理的缺点和难点。 目前，常用的检测方法为测量电池的端电压、内阻和核对性放电容量测试。 而蓄电池的端电压与容量无对应关系。平时处于浮充状态下的端电压是难以真 实反映蓄电池性能的，即使性能很差的蓄电池在浮充状态下也可能测得合格的 电压。而一旦停电，需电池放电时，该电池就可能无法保证事故状态下放电要 求，从而扩大事故范围。 经过分析，蓄电池放电曲线如图4 - 1 所示。 图4 1 蓄电池放电曲线图 由此放电曲线，可以得出以下结论： 1 ) 相同的放电曲线反映了相同的电池性能。 2 ) 用较大电流进行放电冲击，可在短时间得到明显的下跌曲线，进而测得 电池内阻，对同一厂家、同规格的电池测得的内阻值将反映出电池性能 的差异。 3 ) 对同一电池，随着循环次数和使用时间的增加，放电曲线也将明显发生 变化，可作为电池性能及使用寿命的评估依据。 采用先进的数学模型，对蓄电池浮充电压、放电曲线和内阻值等多项测量 结果进行综合计算分析，即可对蓄电池的性能作出判断。 针对电力系统的使用要求，直流系统中的蓄电池必须能够提供足够大的瞬 时电流和长时间的小电流放电，即要求有较小的内阻和较大的容量。结合我们 对放电曲线的分析，本系统采用以下多项检测方法： 1 、实时检测每节电池电压、电池组充放电电流、温度。 2 、动态大电流( 1 0 0 a ) 冲击负载放电，在短时间内得到电池瞬间的放电曲 线，测得内阻： 南亿日 蓄电池电动势一蓄电池电压 一 放电电流 在线测量蓄电池内阻时，蓄电池带有负载电流，冲击负载接入后，测量电压变 化率和电流变化率，两个数值的比值就是蓄电池内阻 3 、静态小电流恒流放电，测得电池容量： 蓄电池容量= 放电电流时间 4 、运用先进的数学模型对以上诸参数通过计算机进行综合计算分析，即可 得出对电池性能好坏的准确评估。 显然，我们的测量方法不但得到了电池的内阻、容量等相关参数，而且符 合电力系统对电池负荷的实际要求，真实反映了电池的负荷承受能力和使用性 能。 在直流屏中，蓄电池长期处于浮充电状态。对镉镍电池，长期浮充电会产 生记忆效应，导致容量下降；对阀控式铅酸蓄电池，长期浮充电将造成极板硫 化，导致性能下降。因而，静态放电功能可用于蓄电池组的日常活化维护，有 利于电池容量的恢复和保持，延长电池使用寿命。 4 1 2 系统各部分工作原理 系统由电池电压采集模块、放电模块、监控主机等组成，如图4 - 2 所示。 t h 啊 挪捷开失 瓜燕拔块 y 般电梭块 显示喵作晒板 _ 1 皂干开冀i - l 嚣pi r a mi h 户先佃雷l 晡作 噼； 目 - 1 钷抽i i ic p ul _ 1 盈正发口l 显示 l 舳i 1 c l 高i匕 糕i lc p ul 掣： 1 写d r s l r s 4 8 5 l j l 翻e sl _ l 朗l l _ _ - _ - 一 ln 介 图4 2 电池采样模块结构图 1 4 1 、电池电压采集模块( 以下简称采集模块) ： 采集模块的功能是将单节电池电压、电池组充放电电流、温度等任何变化 快速准确地检测出来。当电池电压信号传送到采集模块后，高速电子开关将对 每节电池电压进行读取，并送到一1 2 位高速a d 转换芯片( 转换精度达 1 2 m v ) ，将电压模拟信号转换为数字信号供c p u 采集。c p u 将处理后的数字 信号经r s 4 8 5 总线送至监控主机或其它监控设备，供计算机进行数据分析和判 断。 采集模块前端的电池检测部分串接保险丝，并与系统之间完全隔离，绝缘 强度可达2 5 0 0 v ，保证了系统的安全可靠。 2 、放电模块 放电模块采用了大功率的电子负载技术，能瞬间承受高达1 0 0 a ( 或2 0 0 a ) 的冲击电流，以实现对电池负荷能力的检测。放电模块也可作为长时间放电负 载，实现对电池容量的核对性测试及电池的活化维护。 当接到来自主控设备的放电指令时，放电负载接通，电池通过负载放电， 同时采集模块将快速采集每节电池电压的每一变化量，在计算机中得到每节电 池的特性曲线。 除主控设备对放电模块的放电启动停止指令外，放电模块内部也设有计时 器，如放电超时，将自动切断放电回路，即使电子开关损坏，放电回路也将被 切断，从而大大提高了放电模块工作的可靠性。 放电模块还设有过流、超温等异常保护。同时放电模块工作时还受控于交 流市电，在放电时如发生交流市电失电，放电模块将自动终止放电，保证直流 系统向负载供电。 3 、监控主机 本系统采用了高性能单片机及大容量4 mf l a s h ，不但保证了对大量数据 进行高速分析和处理，而且实现了对数据的掉电保存。 当采集模块将电池电压数字信号传送到监控主机后，该信号被送入c p u 进 行分析处理，判读结果并显示。 在运行监测状态下，系统计算机将运行监测程序，对每节电池电压、电池 组充电电流、温度进行采集和判断，对超出设定的电压阎值的电池予以报警和 显示。 在放电状态下，系统计算机将运行放电监测程序，检测每节电池的放电特 性，通过与设定模式的比较，对电池的好坏进行判读，将结果输出显示，并对 失效电池予以提示报警，自动终止放电。 系统计算机内设有“看门狗”，以监测程序的正常运行并自动复位。如系统 计算机发生故障，将自动给出报警提示。 本系统可提供多层次的通信接口，如局域网、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m ， 。以便系统向现场及远端计算机传输数据、接收指令和调整参数。系统还设有干 接点给远动接1 2 1 接点闭合时给出故障信号。 4 2 蓄电池维护检测技术及效果分析 4 2 1 蓄电池检测方法 蓄电池检测方法有三种：1 、蓄电池电压的测量法；2 、核对性放电法；2 、 内阻测量法 1 、蓄电池电压的测量法 蓄电池的性能状态最终体现在电池的容量与落后程度上，电池的电压可以 在一定程度上反映出电池性能的好坏，当电池放电到二定程度后，其电压值便 开始明显降低，通过测量电池端电压只能在一定程度上反映电池的落后情况。 实际操作中，我们经常会发现，在浮充状态下，坏电池或者落后电池与正常电 池的电压没有太明显区别，也没有太好的规律性可言，大量研究实践证明，即 便是浅度放电状态，单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。 2 、核对放电法 核对放电法具有容量测试准确可靠的优点，因此，仍然是目前世界上检测 电池性能的最可靠方法，同时由于核对放电本身可以对电池起到一定的维护作 用，所以，核对放电是其他设备暂时还不能替代的。目前，国内外普遍采用了 新型的智能核对放电技术，该技术利用p w m 控制原理，根据放电过程中电池组 放电电压的变化，对放电负载可以进行实时调整，以保证电池组恒流放电。 不过它的局限性也很突出，主要表现为： 1 ) 核对放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，蓄电池组所存储的化学 能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，并且增加了系统断电风 险； 2 ) 进行核对性放电试验，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，必 须有备用电池组，所以，更适于g z d w 4 2 、g z d w 4 3 型。 3 ) 频繁地对蓄电池进行深放电，会产生硫酸铅沉淀，导致极板硫酸化，容 量下降，电池落后，因此，不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。 国家有关电源维护规程中的核对放电试验目前仍是唯一被公认的测试蓄电 池剩余容量最有效、最准确的方法，它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用， 确保电力系统正常运行的重要手段。但由于风险大，时间过长，工作量过大， 只宜作为电池组以一年一度或者三年一度的核对放电测试。无法满足日常维护 的需要。 3 、内阻测量法 内阻测量有交流测试法、直流测试法。 交流测试法是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量 1 6 出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的 电导。电导是频率的函数，不同的测试频率下有不同的电导值，在低频率下， 电池电导与电池容量相关性很好，一般测量频率在3 0 h z 左右，根据不同容量 的电池其测量频率一般会作相应调整。 采用直流测试法检测单体电池内阻。内阻测试时由内阻负载对电池进行分 段瞬间恒流放电，采集单元高速捕捉特征点来测得内阻。 图4 3 内阻测量原理图 测试采用多回路放电法如图4 - 3 所示，其中e 为充电机，b l - b 3 为采集单 元，c 为内阻负载，每1 0 节电池引出一根放电线到内阻负载。内阻测试时内阻 负载先接通h l 回路对第1 个1 0 节进行单独瞬间放电，结束后再依次接通h 2 、 h 3 、h 4 等回路，这样避免了放电对充电机的影响，实现在线测试。 图4 4 电池放电电压变化图 捕捉特征点电压采用了高速捕捉技术。图4 4 为单电池接通负载后几秒钟 内所发生的变化，1 点为浮充电压，2 为瞬间放电时电压，3 为断开瞬间电池恢 复的电压，4 为充电机充电时电压，3 点与2 点的压差是放电时在电池内阻上的 压降。由于放电时间极短，如何捕捉2 点与3 点成为关键。 在设计中我们采用了高速采集电路，速度高达每2 0 m s 采集一个点，采集到 的数据送c p u 处理后取得2 点与3 点的电压。 国内外的科研人员通过大量的实验发现，蓄电池的内阻与容量有着密切的 关系，电池的容量越小，电池电阻越大。内阻测量法能准确查出完全失效的电 池，根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量降低到5 0 以后，内阻 会有较大变化，降低到4 0 以后，会有明显变化，所以，根据电池内阻值，可 以在一定程度上确定电池的性能，但却不足以准确地测算出电池的实际性能指 标，尤其是容量指标，铅酸蓄电池容量与内阻对照关系如图4 5 所示。 r e 铆s t a - c ev sa p - h r 甩rg e n e r a lp u r p o s e 删b 翻哟c 岫 1 0 0 啊5 o m 晰 眦翱计 雌v a p 帅 嘲1 朝槲蝣鲰 k p u 糖嘲l 岛毫伯1 4 j 馏c 丑l i 呻 格 啊 图4 52 v 铅酸电池安时数与内阻( 微欧) 对照 综上所述，用核对放电法加内阻检测法判定蓄电池性能，实现阀控铅酸蓄 电池的在线维护，是目前大家公认的蓄电池维护最佳方案。 4 2 2 直流绝缘监测 变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统，其常见的故障是一点 接地故障。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速 找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障时，就可能造成继电器或 保护装置的误动作，酿成重大事故。 过去，变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置，它是 利用电桥平衡的原理，主要存在以下问题：1 、当直流系统正负极绝缘电阻同等 下降时，电桥未失去平衡，绝缘监测装置不能发出报警信号；2 、绝缘监测 装置发出报警信号后，运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路，费时费力 且存在安全隐患。 在无人值班条件下，要求直流系统配置微机型直流系统故障监视装置。其 基本功能是在线监测直流系统的母线电压和对地绝缘电阻，显示母线电压值和 正负母线对地绝缘电阻值。当母线电压过高过低或对地绝缘电阻过低时发出相 应的告警信号，告警门限参数可手工设置。另外，监测装置具有支路巡检功能， 可以在线检测各馈线支路的绝缘电阻，通过r s 4 8 5 或r s 4 2 2 串口，监测装置可 以将直流系统正负母线对地的绝缘电阻值上送至系统监控单元。 1 9 第五章直流在线监测系统的实现 5 1 系统配置 系统由软件和硬件两部分组成，因此包括软件和硬件配置。 ( 1 ) 硬件配置： e l l ( 设备信息采集仪) ：转发e l b 连接桥向采集板、直流屏、绝缘监测发 送的采集和控制命令，并向e l b 连接桥转发采集板、直流屏、绝缘监测回送的 数据。 采集板：采集变电站直流蓄电池组的电压、电流、温度。 ( 2 ) 软件配置： e l b 连接桥软件：包括e l b e x e 、e l b i n i 两个文件，负责转发u p s 设备采 集软件、变电站直流蓄电池组采集软件和直流屏、绝缘监测设备采集软件发送 的采集和控制命令，变电站直流蓄电池组采集软件、直流屏、绝缘监测采集软 件转发e l i 设备回送的数据。 变电站直流蓄电池组采集软件：包括d j x n e t e x e 、s e r v e r i n i 两个文件，实 现对电池组电压、电流、温度的数据采集。 直流屏、绝缘监测设备采集软件：包括g d b d e v i c e e x e 、 g d b d e v i c e t a g t x t 、g d b _ j y j c i n i 、g d b z i p i n i ，z l x t d e v i c e i n i 四个文件。 w e b 管理软件：w e b 程序是整个系统的用户界面，用户通过w e b 页面实 现数据的查询、管理功能；日报表生成程序为w e b 程序每日生成报表提供服 务。 5 2 系统运行环境 ( 1 ) 硬件：内存5 12 m 以上，c p u 奔腾1 v2 g 以上 ( 2 ) 软件：操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 3s e r v e r + s e r v i c e p a c k4 ； 数据库：m ss q ls e r v e r2 0 0 0 企业版+