一種新型直流電源監控系統的設計
楊小琴1 王 波2 包林杰2 朱大衛2
（1.華東建筑設計研究院有限公司  上海市  200002）
（2.江蘇安科瑞電器制造有限公司  無錫  214400）

摘要：介紹了一款無人職守的智能直流電源監控系統，闡述了綜合監控模塊、電池巡檢模塊和絕緣監測模塊。該系統采用分散控制、集中管理的模塊化方式，能自動檢測直流電源系統的各種數據，并對系統故障進行實時監測及報警，實現蓄電池的智能管理，較好地滿足無人值守變電站及配網自動化的需求。
關鍵字：直流電源系統；實時監測；模塊化
中圖分類號：TM933    文獻標識碼：A       文章編號：1007-3175（2014）05-0026-03

0   引言
　　隨著現代科學技術的發展，電力系統逐漸向綜合自動化、電站無人職守的方向發展，直流電源監控系統，作為控制負荷和動力負荷以及直流事故照明負荷等的電源，是電力系統控制、保護的基礎，其可靠與否直接影響到供配電系統的安全運行[1-2]。因此提高直流電源監控系統的可靠性及自動化水平，以滿足電力系統發展的需求變得越來越重要。
　　本文結合現代計算機技術以及自動化技術，設計了一款無人職守的直流電源監控系統。該系統采用集中管理、獨立控制的模塊化設計，具有“遙測、遙信、遙控、遙調”功能，易于實現電力系統綜合自動化，是傳統直流電源監控系統的新一代替換產品[3]。                   
　　作者簡介：王波（1987），男，工學碩士，主要從事工業自動化的研究；包林杰（1982），男，工學學士，主要從事工業自動化的研究；朱大衛（1984），男，工學學士，主要從事工業自動化的研究。
1  直流電源監控系統
　　本直流電源監控系統采用集中管理，獨立控制，主要適用于20～200AH單電單充系統，可實現24節電池巡檢和30路支路絕緣監測。系統由綜合監控模塊、電池巡檢模塊、絕緣監測模塊、充電模塊以及上位機顯示控制模塊組成，其中電池巡檢、絕緣檢測通過RS485接口與綜合監控模塊聯機。該直流電源監控系統采用集中一體式加擴展單元的組合結構，接線簡單，安裝方便。其結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2  綜合監控模塊
　　綜合監控模塊是直流監控系統的神經中樞，其采用知名公司的真正工業級32位處理器作為主控芯片，能夠最大限度地提高系統的可靠性和運行速度。綜合監控模塊經RS-485接口對其他模塊進行集中管理控制[4]。其中電池巡檢模塊、絕緣監測模塊分別將監測到的單體電池電壓、溫度及母線電壓、支路絕緣電阻等信號通過RS485接口發送給綜合監控模塊。綜合監控模塊根據內部預先設定的報警值進行比較產生報警信號并記錄報警的起始與結束時間。另外綜合監控模塊可根據電池組電流大小自動進行均、浮充管理，從而大大延長了蓄電池組的使用壽命。
　　此外綜合監控模塊本身可監測8路系統開關量狀態，三相交流輸入電壓、合母/控母的電壓、電流以及母線絕緣狀態。
3  電池巡檢模塊
　　蓄電池作為備用電源與整個直流供電系統的可靠性密不可分，因此保證蓄電池的正常運行是整個直流電源系統的首要任務[5]。本文通過電池巡檢模塊對電池組中每節電池的端電壓、電流、溫度進行巡檢，并將結果通過RS485總線傳送給綜合監控模塊。若某一節蓄電池電壓低于或高于指定值,則由綜合監控模塊發出報警指示,并自動進行必要的操作；若電池組電流過高,則指示充電模塊停止充電；若電流過低,表明該蓄電池的性能變差或過度放電，則指示充電模塊進行充電。從而能夠對電池進行維護，延長電池使用壽命，確保系統安全可靠運行。本電池巡檢模塊最多可檢測24節單體電池電壓，可分別檢測2、6、12V單體電池，測量精度為0.2%,其原理如圖2所示。

圖2 電池巡檢模塊原理框圖

　　在對單體電池電壓進行測量時，因系統中蓄電池多采用串聯結構,其輸出電壓高達250V,所以輸入通道的多路轉換是一個難點。目前常用的多路轉換方法:電阻分壓法和繼電器隔離法。繼電器隔離法操作簡單，給每個電池配一個繼電器，當要檢測某節電池時，打開該繼電器即可。控制繼電器應使用譯碼器，保證任何時候只有一個繼電器導通[6]。由于普通機械繼電器的使用壽命有限(不超過10萬次)，遠遠不能滿足蓄電池巡檢裝置的要求。所以選用了光繼電器對每節電池進行隔離,其結構如圖3所示。

圖3 電壓檢測示意圖

　　在電池巡檢模塊中，對每一節蓄電池配置一光繼電器，由CPU控制其關段，正常情況下光繼電器處于斷開狀態，當要對電池進行巡檢時，每次只將一節電池接入采樣電阻，然后將采樣信號送入運算放大器最后再由電池巡檢儀進行運算處理，從而得到蓄電池電壓。　　
4  絕緣監測模塊
　　直流電源系統的常見故障是一點接地，在一般情況下一點接地并不影響直流系統的運行，但如果不能迅速找到接地故障點并予以修復，又發生另一點接地故障就可能會發生最大事故，所以對直流系統絕緣狀況進行實時監測，出現接地故障時及時排除是非常必要的[7-9]。
　　本絕緣監測模塊具有檢測30路支路絕緣電阻的功能，測量精度為±0.3KΩ，同時還能檢測母線（合母、控母和母線負）對地電壓，測量誤差為±0.4V。絕緣監測模塊將監測到的對地電壓值和對地電阻值通過RS485總線發送給綜合監控模塊，并由綜合監控模塊作出相應處理。其原理如圖4所示。

圖4 絕緣監測模塊原理框圖

　　對于檢測絕緣電阻，國內外主要有“電橋平衡法”、“低頻探測法”、“檢測支路漏電流法”等幾種方法。本文采用檢測支流漏電流的方式來判斷絕緣電阻，無需在支路上注入交流小信號，因而不對直流系統產生任何影響，其原理如圖5所示。

圖5 絕緣監測示意圖

　　圖5中，HL1、HL2、HLn表示接在各個供電支路上靠近直流電源監控系統開關處的霍爾電流傳感器，若該支路無漏電流即該支路無接地時，流過傳感器正負支路上的電流大小相等，方向相反，則對應支路上的霍爾電流傳感器無輸出。當某一段支路出現故障，如圖中n號支路正極上某一點接地，則電流從直流電源正極經過接地電阻RL到地，再由地到電源負極，形成一漏電流IL,IL從地到直流負極流經的是分布參數，若有N條支路，則流經每一條支路的電流近似為IL,因而從位于N號支路的霍爾電流傳感器可檢測到電流的大小約為IL的，這樣根據U+，U-和IL的數值，就可得到接地電阻的大小，再根據霍爾傳感器輸出電壓的正負，就可以判斷接地故障所在線纜的極性[10]。
5  結語
　　本文介紹的這種直流電源監控系統，在總體上具有功能強、結構開放靈活、實時性好、可靠性高等優點，每個環節均采用最先進技術，反映了當前直流電源監控系統的發展趨勢，具有十分廣闊的應用前景。

參考文獻：
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文章來源：《電工電氣》2014年第5期