变电站直流电源故障分析系统的研究与应用

魏伟 杜松峰 南东亮 王廷旺 周杰

摘要：针对直流电源系统存在的蓄电池组定期维护工作量大、不规范绝缘装置依然在电网中运行、蓄电池运行寿命无法有效估计与预测等问题，对直流电源故障分析系统进行研究。系统通过自采的方式及利用数据采集终端从集中监控等运行设备中获取有关数据，以TCP/IP方式及时发送到主站，从而对蓄电池、绝缘装置、冲压机等设备的工作状态以及系统是否及时消缺、参数整定是否正确进行判断，旨在逐步实现状态检修，减少直流电源设备的维护工作量，进而提高直流电源系统的供电可靠性。

关键词：直流电源;监测运行;故障分析系统;数据采集终端

0    引言

近年来，在电力系统内因变电站直流电源系统出现异常而引起保护装置误动、拒动的事故呈上升趋势，而目前直流系统安装的设备在事故状态下却无法捕捉到准确和详细的异常情况信息，缺乏事故数据支撑，给事故原因分析增添了许多不确定因素，导致采取的后续措施缺乏有效的技术依据。

另一方面，直流电源系统维护工作量庞大、维护效果不佳、维护人员不足，主要体现在：日常维护量大，由直流电源故障引起的电网事故频发;产品质量参差不齐，造成直流电源供电可靠性不满足电网安全运行要求;缺乏有效监督手段，不合格产品依旧进入电网。

由此研究直流电源系统在线监测相关技术，实施直流电源系统在线监测，弥补随着无人值班站的推广，直流电源系统在新的运维模式中存在的缺点，查找蓄电池寿命缩短的原因，实时掌握直流电源系统运行状态，实现故障预警，提升设备健康度，延长蓄电池使用寿命，对于解放劳动力，提高直流电源系统的供电可靠性，保障变电站的安全可靠运行具有重要意义。

基于此，本文搭建了直流电源故障分析系统，能够实现对直流电源系统运行状态准确、详细的监测，掌握直流电源系统静态及动态的信息，能够及时发现直流系统的异常或缺陷，将设备历史信息与实时运行状态信息相结合，对直流系统故障进行趋势分析，实现设备故障预警。

1    国内研究现状分析

目前，国内外相关系统尚未对整个直流系统设备进行系统性监测管理[1-2]，对于直流系统的监测也不全面，现有的离线监测运维手段，容易受到人为因素的影响，并且数据的连续性差，不容易进行数据分析，无法确切掌握整体系统的运行状况。

现阶段研究分别从直流系统环网故障[3]、继电器线圈接地故障、交直流混路造成保护误动[4]等方面分析了不同故障带来的各种危害并相应提出了解决措施。同时针对直流系统绝缘监测[5]、直流系统对地电容测量方法、直流系统绝缘监测装置[6]、蓄电池容量的半荷内阻测量等方法进行了探讨和研究，对解决目前由于绝缘监测装置缺陷导致的直流系统故障，提高系统运行的安全性具有重要意义，同时也对在蓄电池安全检测、性能分析、寿命准确估计与预测方面开辟一条新的学术思路有所助益。

但目前的研究依然存在如下技术瓶颈：

（1）直流电源系统的研究内容主要集中于系统绝缘故障监测、蓄电池的远程在线监测与充放电等方面，但都是针对直流系统某一方面的独立研究，对于直流电源系统全方位整体状态的监测和评估尚未涉及。

（2）蓄電池组状态监测存在很多不足。目前绝大部分变电站仅安装了蓄电池巡检仪，仅实现了单体电压和蓄电池组电压监测，但电压测量偏差较大，无法对蓄电池的状态进行准确监测。

（3）接地告警功能不完善，存在重大安全隐患的绝缘装置还在继续使用，并且有类似问题的设备依然不断流入电网[7]。

总的来讲，目前直流电源故障检测技术的研究主要面向单个设备，而未从直流电源系统的角度开展。本文通过直接采样及从现有设备中获取等方式，将直流电源主要参数的稳态与瞬态数据集中上传至故障分析系统主站，对各参数的纵、横两个方向进行对比，并分析各参数之间的相互作用和影响，以全面、及时、准确判断直流电源发生的故障及设备性能的变化趋势。

2    直流电源故障分析系统

考虑到该系统用户的分布面广，使用人员的地理位置分散，因此，系统软件采用B/S（浏览器/服务器）结构，数据库、应用程序和服务器都集中放置在总站，方便系统维护、升级及功能的扩展。该系统可作为子系统接入地区电网状态中心，可容纳500个变电站站点接入。系统架构图如图1所示。

直流电源故障分析系统通过监测和分析蓄电池、充电机、绝缘装置及蓄电池监测装置的运行参数变化趋势，深入了解上述设备的运行状态，及时发现蓄电池组、充电机的故障及不满足有关规程、反措要求的绝缘监测装置。根据装置、设备的性能劣化程度，提出检修建议与方案，逐步实现状态检修，以大大减少直流电源设备的日常维护工作量;确保蓄电池组具有事故跳闸和2 h事故放电能力，防止直流电源消失引起保护拒动事故;消除充电机不稳定输出对蓄电池造成的不利影响，从而提高直流电源系统的供电可靠性;交流窜入、直流环网、电压偏差及电压波动等各种直流接地故障能及时告警并得到排除，以预防直流系统一点接地引起保护误动。

3    系统设计

直流电源故障分析系统在研究设计时分为以下三部分：数据采集终端研制、通信规约制定、分析辅助决策系统开发。

3.1    研制数据采集终端

数据采集终端以通信方式从集中监控、绝缘装置、蓄电池巡检仪获取有关数据，并将绝缘装置、蓄电池巡检仪的数据转发给集中监控，获取的数据包括各类参数整定值、测量值和告警信息以及单体电池电压、内阻、温度等。系统通过实时采样获取数据，数据采集终端可通过自采的方式采集蓄电池组浮充电流、均充电流、核容放电电流、事故跳闸放电电流，母线电压、对地电压与对地交流电压等。系统具有B码对时功能，以保证数据采集时与其他设备一致，便于事故分析与各种数据统计等。