电力自动化系统中直流供电电源的分布式监控技术研究

【摘要】在采用直流电源的发电厂、变电所等电力设施中，存在因直流电源发生一点接地时因找不出接地线路与接地点，从而造成直流电源二点接地酿成事故的现象。而电力自动化系统中直流供电电源分布式监控系统，则是一种用于监测多支路直流供电系统中接地、过压、欠压等故障的技术。通过这种装置技术，可以有效的对电力设施中的相关装置进行检测，从而避免电力事故发生。

【关键词】电力自动化系统；直流供电电源；监控技术

为了保证电力系统的安全可靠性，发电厂、变电所、开闭站（所）内的保护装置、继电器、跳合闸开关等的工作电源均采用有蓄电池贮能的直流电源。该直流电源发生一点接地时，电力行业规程规定必须尽快找出接地线路与接地点；否则，若发生第二点接地，可能造成继电器或保护装置误动作或拒动作，酿成重大事故。因此，直流系统绝缘在线监测，对直流系统及整个电力系统的正常运行，起着至关重要的作用。由于直流系统接线复杂、分支多，给接地选线造成一定困难。在中国，电力行业有关研究人员做了大量工作，已研制出一些自动监控装置。直流供电系统故障在线监测装置工作原理，主要分为两种方法。第一种方法是用欧姆定理直接计算，这种方法比较理想化，不需向直流系统注入信号，且不受线路对地电容的影响，但易发生剩磁变化，导致监测装置零点漂移。第二种方法采用直流母线上注入低频交流信号的方法，这种方法受线路对地电容的影响较大，而很多厂家在电源与大地间接抗干扰电容，使得支路电容增大，造成这种方法监测不准。电力自动化系统中直流供电电源的分布式监控技术的工作原理为第一种方法。

1.直流供电电源的分布式监控的作用

在电厂及变电站等电力设施的的二次系统中，为了给控制、保护、自动装置、事故照明等设备用电，必须有可靠的直流电源。直流电源的作用是：正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源；故障时，当厂、站用电中断的情况下，为继电保护、断路器跳合闸、载波通讯提供直流电源，其稳定运行直接影响着电力系统的安全可靠运行。电力设施直流电源通常主要由以下四个部分组成：蓄电池系统、充电模块部分（分为交流整流及稳压整流）、微机监控部分、调压模块部分。目前，现代直流电源的发展正以高频开关技术为基础，并兼备高频化、高效率、大功率、无污染和模块化等特点。在管理方式上，结合计算机网络技术的发展，形成多级计算机网络的集中监控管理系统。电力自动化系统中直流供电电源的分布式监控系统是整个电力设施监控系统的核心部分，它主要通过选用智能传感器，用于多支路接地故障选线，而软件交流磁调制检测法则可灵活地避免剩磁引起零点漂移的问题。

2.装置的工作原理

目前通信程控机房及无人值守中继站、电站控制操作机构的直流备用电源等都采用蓄电池组作为直流备用电源。而避免采用直流电源的相关装置发生意外，产生事故就是分布式监控技术监控的主要项目。该技术采用软件磁调制工作原理，软件自动跟踪传感器输出电流的变化，进行及时校正。首先，通过检测正、负母线电压值，判断系统工作状态。若系统母线电压出现异常，装置内平衡电阻桥失去平衡，装置自动启动，开始巡检各智能传感器输出的数字信号。智能传感器用于检测各支路不平衡负载电流，采用软件磁调制技术，传感器输出直流信号，经内部放大电路对直流信号进行放大。设有双重振荡电路，对传感器一侧受电流冲击后的剩磁进行消磁。通过DSP数字传输技术把模拟信号转化为数字信号后与主机进行传输。传感器套穿在各路主流回路的正负母线上。当回路绝缘水平正常时，穿过传感器的直流电流大小相等，方向相反。此时传感器中的合成直流磁场为零，其输出也就为零，当回路中出现合成直流电流时，输出就不为零。因此，主机通过巡回检测各回路传感器的输出是否为零，来判定直流系统接地故障回路。通过传感器检测数据进行故障识别后，完成故障信息处理与报警。

3.基于TMS320F240的系统硬件设计

3.1　系统组成

直流系统自动化监控装置的结构采用TMS320F240、PSD813F组成主控电路，程序RAM和数据RAM均选用CY7C199（32K）。采用霍尔效应传感器检测两段母线的四路母线电压，由256个智能传感器检测256路支路负载的工作状态，主机与各智能传感器通过RS485总线网相连接。在通信模块，主控电路通过M（）DEM与公共交换线PSEN连接，实现远程通信。同时，主控电路还通过485总线与监控中心主机交换数据。此外，该技术还扩展一个触摸式3×3阵列按键、汉字液晶显示控制接口芯片、实时时钟芯片、报警电路、检测控制电路、显示灯电路、手动复位电路等。触摸式按键用于菜单选择和手工输入设置参数。汉字液晶显示控制接口芯片选用T6963C，可显示240×128点阵。实时时钟芯片选用DSl302串行时钟芯片，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数。报警电路用于对直流供电系统出现的一段母线或二段母线过压、欠压、接地等6种情况进行及时报警。检测控制电路用于选择两段母线4路A/D信号中的两路A/D信号。显示灯电路共有12个显示灯，分别显示一、二段母线过压、欠压、接地、装置运行正常、装置有故障、装置处于通信状态、系统接地、装置内电源正常、传感器电源正常等12种状态。手动复位电路使用户可通过触摸式薄膜按键方便地对装置进行复位操作。

3.2　DSP与RAM的接口

TMS320F240是TI公司专为数字电机控制应用而推出的高性能16位定点运算数字信号处理（DSP）芯片[，包含看门狗定时器、实时中断定时器和串行通信接口（SCI），并集成了两组8路10位的A/D转换器和事件管理模块等设备。该技术利用DSP的双通道模数转换器同时进行两段母线电压的检测，并设有双通道测试口，以提高装置的可靠性。DSP外接程序RAM和数据RAM芯片CY7C199。DSP的SCI通信口用作与RS485、RS242通信。DSP的定时器不仅对装置进行不同的定时，也为串并转换通信接口电路提供了不同的时钟。另外，DSP芯片还直接控制汉字液晶显示芯片和实时时钟芯片。

3.3　PSD控制器

WSI公司的可编程单片机通用接口芯片（PSD）将单片机所需的多个器件集成在一个芯片中，与单片机实现所谓无缝连接，显著提高了系统的可靠性。作为PSD系列中的新成员，PSD813的闪速存储器和可编程逻辑具有在线可编程特性，集成了优化的“微控制器宏单元”逻辑结构，并允许系统地址/数据总线与PSD内部寄存器直接相连，简化了MCU和其外部器件之间的通信。

PSD813用于实现DSP电路功能，选用PSD813进行I/O重建、扩展控制器地址空间、外部芯片选择、逻辑组合实现DSP中断等以往较为复杂的电路设计。PSD813芯片通过Abel语言进行编程设计。该技术在PSD813硬件的基础上，采用专用的开发软件PSDsoft进行系统开发。PSDsoft是一套在Windows环境下运行的软件工具，运用可视化技术进行编程，具有方便的人机交互功能。在PSDsoft软件环境下，PSD813器件的开发主要包括Abel文件的编写、硬件特性的配置以及目标文件的写入等。结合Abel文件，其Abel语言实现功能如下：PSD的PA口作为数据口；通过PSD的PB　El，该技术扩展了一个触摸式功能按键．可使用户方便地进行菜单选择和参数设置，按键处理采用中断方式；8251发送和接收数据也采用中断方式；PSD还提供了数据RAM、8251、LCD的片选信号以及I/O口。

3.4　通讯电路

3.4.1　智能传感器总线网

智能传感器与绝缘监测装置通过485总线网相连接。485总线的串行数据线接DSP的SCI串行通讯口，由DSP的I/O口控制收发。1个收发芯片的A1、B1可连接32个智能传感器，4个收发芯片至多连接256个智能传感器。

3.4.2　与监控中心主机的通讯

监控中心主机与绝缘监测装置通过422总线网相连接。在DSP主控板电路中，用8251串并转换芯片实现DSP并口1数据与1482串行数据的交换，由MAXl482实现422总线收发驱动。

4.系统软件设计

4.1　系统软件流程

系统软件工作流程如下：开机时，对整个监控装置进行全面自检。在运行过程中，定时插入自检子程序，自动判别硬软启动工作状态。该系统软件流程技术设计中，按键处理采用中断方式。当出现母线电压异常时，启动智能传感器工作，由主机采用分时查询方式读取各智能传感器所检测的各分支供电线路的状态信息。

4.2　有关计算公式

绝缘电阻计算公式如下：R+=U+/I+；R—=U一/I—。其中R+为母线正极对地绝缘电阻，R—为母线负极对地绝缘电阻；U+为母线正极对地电压，U—为母线负极对地电压；I+为测得母线正极对地电流，I—为测得母线负极对地电流。

5.技术设计优点

该技术设计的优点为：选用PSD芯片，具有很高的集成度和很强的在线编程功能；无需在直流系统中注入任何信号，因此对直流系统无任何影响；抗直流供电系统对地大电容的干扰；直流传感器抗电流冲击后的剩磁影响，保证了传感器长期的稳定性；传感器与主机采用数字信号传输，使传感器与主机的接线少，并且抗干扰能力强，连接使用方便；采用汉字液晶显示，操作采用图形菜单；可记忆接地故障及报警信息，装置掉电后信息不丢失，故障信息可远程传送，能实现远程监控，如图1所示。

6.小结

总之，电力自动化系统中直流供电电源分布式监控系统，是一种用于监测多支路直流供电系统中接地、过压、欠压等故障的技术。装设直流供电电源分布式监控系统后，可实时监控直流电源设备的运行情况，及时发现事故隐患，实现前瞻式管理，确保后备电源系统可靠、安全、高效运行，并且可以减少人工检测因误操作可能引起的设备损害。电力自动化系统中直流供电电源分布式监控系统的应用将大幅度提高直流电源设备的管理和维护。通过对该技术设备的研究设计，笔者希望对保证我国电力系统的安全可靠性，加强对直流系统绝缘在线监测，确保直流系统及整个电力系统的正常运行，避免酿成重大事故，切实确保广大人民群众的生命财产安全，促进我国经济社会的安全稳定发展做出有益贡献。

参考文献

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[5]徐建伟，徐国，康劲松.基于Labview的分布式电源监控系统研究[J].机电一体化，2008年第2期.

作者简介：

何宏华（1962—），男，广西河池人，讲师，高级技师，广西电力职业技术学院副院长，研究方向：电气自动化及继电保护技术方向。

陈国庆（1964—），男，广东兴宁人，大学本科，工学学士，副教授，高级技师，广西电力职业技术学院电子与信息工程系副主任，主要研究方向：电气自动化及节能技术。