一種新型直流電源監控系統的設計

0   引言

    隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統逐漸向綜合自動(dòng)化、電站無(wú)人職守的方向發(fā)展，直流電源監控系統，作為控制負荷和動(dòng)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(dòng)化水平，以滿(mǎn)足電力系統發(fā)展的需求變得越來(lái)越重要。

    本文結合現代計算機技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)，設計了一款無(wú)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(shí)現電力系統綜合自動(dòng)化，是傳統直流電源監控系統的新一代替換產(chǎn)品。

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(shí)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(guò)RS485接口與綜合監控模塊聯(lián)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(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。其結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

Fig.1  Overall configuration of system

2  綜合監控模塊

    綜合監控模塊是直流監控系統的神經(jīng)中樞，其采用公司的真正工業(yè)級32位處理器作為主控芯片，能夠大限度地提高系統的可靠性和運行速度。綜合監控模塊經(jīng)RS-485接口對其他模塊進(jìn)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(xiàn)電壓、支路絕緣電阻等信號通過(guò)RS485接口發(fā)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(jìn)行比較產(chǎn)生報警信號并記錄報警的起始與結束時(shí)間。另外綜合監控模塊可根據電池組電流大小自動(dòng)進(jìn)行均、浮充管理，從而大大延長(cháng)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(kāi)關(guān)量狀態(tài)，三相交流輸入電壓、合母/控母的電壓、電流以及母線(xiàn)絕緣狀態(tài)。

3  電池巡檢模塊

    蓄電池作為備用電源與整個(gè)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(gè)直流電源系統的首要任務(wù)[5]。本文通過(guò)電池巡檢模塊對電池組中每節電池的端電壓、電流、溫度進(jìn)行巡檢，并將結果通過(guò)RS485總線(xiàn)傳送給綜合監控模塊。若某一節蓄電池電壓低于或高于值,則由綜合監控模塊發(fā)出報警指示,并自動(dòng)進(jìn)行必要的操作；若電池組電流過(guò)高,則指示充電模塊停止充電；若電流過(guò)低,表明該蓄電池的性能變差或過(guò)度放電，則指示充電模塊進(jìn)行充電。從而能夠對電池進(jìn)行維護，延長(cháng)電池使用壽命，確保系統安全可靠運行。本電池巡檢模塊多可檢測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

Fig.2  Diagram of the module of battery inspection

    在對單體電池電壓進(jìn)行測量時(shí)，因系統中蓄電池多采用串聯(lián)結構,其輸出電壓高達250V,所以輸入通道的多路轉換是一個(gè)難點(diǎn)。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(jiǎn)單，給每個(gè)電池配一個(gè)繼電器，當要檢測某節電池時(shí)，打開(kāi)該繼電器即可?？刂评^電器應使用譯碼器，保證任何時(shí)候只有一個(gè)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(guò)10萬(wàn)次)，遠遠不能滿(mǎn)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(jìn)行隔離,其結構如圖3所示。

圖3 電壓檢測示意圖

Fig.3  Diagram of voltage monitoring

    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(guān)段，正常情況下光繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，當要對電池進(jìn)行巡檢時(shí)，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后再由電池巡檢儀進(jìn)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(jiàn)故障是一點(diǎn)接地，在一般情況下一點(diǎn)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(diǎn)并予以修復，又發(fā)生另一點(diǎn)接地故障就可能會(huì )發(fā)生大事故，所以對直流系統絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，出現接地故障時(shí)及時(shí)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(shí)還能檢測母線(xiàn)（合母、控母和母線(xiàn)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(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)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

Fig.4 Diagram of the module of insulation monitoring

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(lái)判斷絕緣電阻，無(wú)需在支路上注入交流小信號，因而不對直流系統產(chǎn)生任何影響，其原理如圖5所示。

圖5 絕緣監測示意圖

Fig.5  Diagram of insulation monitoring

    圖5中，HL1、HL2、HLn表示接在各個(gè)供電支路上靠近直流電源監控系統開(kāi)關(guān)處的霍爾電流傳感器，若該支路無(wú)漏電流即該支路無(wú)接地時(shí)，流過(guò)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(wú)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(diǎn)接地，則電流從直流電源正極經(jīng)過(guò)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(jīng)的是分布參數，若有N條支路，則流經(jīng)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(xiàn)纜的極性[10]。

5  結束語(yǔ)

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(kāi)放靈活、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)環(huán)節均采用技術(shù)，反映了當前直流電源監控系統的發(fā)展趨勢，具有十分廣闊的應用前景。

文章來(lái)源：《電工電氣》 2014年 第5期 

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