CN101316050A - 一种变电所直流系统运行状态的监视方法及监视装置 - Google Patents

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Abstract

一种变电所直流系统运行状态的监视方法，属测量领域。包括对直流系统母线电压的检测、比较和输出超/欠压报警信号，其在对母线电压的直流分量检测的同时，经过隔直元件对母线电压的交流分量U交进行检测，将U交′的绝对值与设定值U交″进行比较，若|U交′|＞U交″，则控制单元输出纹波电压超限报警信号。本发明还提供了一种直流系统运行状态监视装置。本发明实现了对直流系统双重化的监测功能，起到了一机双用的效果，为直流系统的安全稳定运行，提供了更加有效的保障，减少了监测装置的数量，有利于节约购置、运行成本和系统维护/维修工作量。可广泛用于变配电系统直流系统运行状态的测量、监控和安全运行领域。

Description

一种变电所直流系统运行状态的监视方法及监视装置
技术领域
本发明属于电测量领域，尤其涉及一种用于变电所直流系统运行状态的测量、监控方法及其装置。
背景技术
发电厂及变电站(所)中各种电气设备的操作、控制、保护、信号及自动装置，都需要有可靠的供电电源，由于这种电源特别重要，所以一般都专门设置，通常又称其为操作电源。
大中型发电厂及变电站(所)主要采用直流操作电源(亦简称直流系统)。
直流系统是发电厂、变电站(所)的重要设备系统，在正常运行和事故情况下都必须保证不间断地供电，并满足电压质量和供电能力的要求。
直流系统事故，特别是直流电源中断，必将对厂、站(所)主设备造成严重损坏，对电力系统造成极其严重的事故和巨大经济损失。
由于过去直流系统的工作质量仅仅只能从“母线电压”一个参数来判别，在特殊情况下若监控装置发生故障，往往使得直流系统失去监控，实际运行中直流系统的电源质量往往由于充电装置发生供电质量问题导致蓄电池提前失效、直流系统重要负载设备发生误动等，由于缺乏技术手段监视从而造成直流系统瘫痪，因而只能等事故发生了再去处理，但已经造成不良或严重后果。
在实际工作中发现，直流母线电压中交变分量(即纹波电压)的大小，对其供电质量的好坏至关重要，很多情况下，纹波电压的突然性或趋势性增加，往往意味着直流系统部件出现了损坏，是直流系统发生供电质量故障的先兆。
现有对直流系统供电质量的监测手段，通常只能监测母线电压的大小或高低，不能测量或监视母线电压中的纹波电压及其变化范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变电所直流系统运行状态的监视方法及监视装置，其在对直流系统母线纹波电压进行测量和显示的同时，兼顾了对直流系统母线电压的监测，实现了对直流系统双重化的监测功能，起到了一机双用的效果，为直流系统的安全稳定运行，提供了更加有效的保障，减少了监测装置的数量，有利于节约购置、运行成本和系统维护/维修工作量。
本发明的技术方案是：提供一种变电所直流系统运行状态的监视方法，包括对直流系统母线电压的检测、比较和输出超/欠压报警信号，其特征是：
(1)在对直流系统母线电压的直流分量U直检测的同时，经过隔直元件对母线电压的交流分量U交进行检测；
(2)将U直和U交分别进行模/数转换，得到对应的U直′和U交′，使检测到的模拟信号转化为数字信号；
(3)将U直′和U交′送入控制单元；
(4)预先设定好母线电压上限值U上、母线电压下限值U下和纹波电压最大值U交″并存储在控制单元的存储器中；
(5)控制单元将U直′与设定值U上和/或设定值U下进行比较；
(6)若U直′＞U上，则控制单元输出超压报警信号，同时对超压次数加1并将结果存入存储器中；若U直′＜U下，则控制单元输出欠压报警信号，同时对欠压次数加1并将结果存入存储器中；
(7)控制单元将U交′的绝对值与设定值U交″进行比较；
(8)若|U交′|＞U交″，则控制单元输出纹波电压超限报警信号；
(9)设置一时间间隔段T，在该时间间隔段内，根据不同输入按钮的指令，控制装置可分别显示超压设定值、欠压设定值、超压次数或欠压次数；
(10)当时间超过时间间隔段T后或在复位按钮的指令下，控制单元将U交′送入显示装置，对其数值进行显示。
进一步的，将上述的U交信号进行放大后，再进行模/数转换。
所述的模/数转换为电压/脉冲转换和A/D转换。
所述的控制单元通过两个继电器分别对应输出超/欠压报警信号和纹波电压超限报警信号。
所述的控制单元将U交′的峰值、有效值或平均值送入显示装置，对其数值进行动态显示。
所述的控制单元经其通讯端口将上述各测量值和/或测量值与设定值的差值传送给上位仪表或上位机，起到电压测量变送器的功能。
本发明还提供了一种变电所直流系统运行状态的监视继电器，包括依次连接的母线电压取样电路、第一V/F变换电路、A/D变换电路、设定/选择电路、CPU电路和显示电路，其特征是：在母线电压取样电路和A/D变换电路之间设置依次连接的隔直电路、第二V/F变换电路和切换电路，母线电压取样电路经隔直电路与第二V/F变换电路连接，第一和第二V/F变换电路的输出端经过切换电路择一地与A/D变换电路连接。
进一步地，在所述的母线电压取样电路和第一V/F变换电路之间，设置第一放大/整型电路；在所述的隔直电路和第二V/F变换电路之间，设置第二放大/整型电路。
所述的CPU电路经其通讯端口与上位仪表或上位机连接。
其隔直电路为电容隔直电路。
第一、第二放大/整型电路为线性放大电路。
第一、第二V/F变换电路为电压/脉冲转换电路。
A/D变换电路为模拟/数字变换电路。
CPU电路为单片机、可编程逻辑控制器或嵌入式PC机。
显示电路为数码管式或液晶式显示装置。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.同时对直流系统的纹波电压和母线电压进行监测，其在对直流系统母线纹波电压进行测量和显示的同时，兼顾了对直流系统母线电压的监测，通过监视纹波电压，可提前发现直流系统潜在的问题，实现了对直流系统双重化的监测功能，为直流系统的安全稳定运行，提供了更加有效的保障；
2.一机双用，减少了监测装置的数量，有利于节约购置、运行成本和系统维护/维修工作量；
3.对于电压的超、欠压可以独立进行告警，弥补了直流电源系统监控器发生故障时监控方面的空白，提高了直流系统的安全性。
附图说明
图1是本发明方法的信号处理流程示意图；
图2是本发明装置的系统构成方框图；
图3是装置实施例的线路图；
图4～图17为各实施例中纹波电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1中，本发明的方法可以简述为：
(1)在对直流系统母线电压的直流分量U直检测的同时，经过隔直元件对母线电压的交流分量U交进行检测；
(2)将U直和U交进行分别模/数转换，得到对应的U直′和U交′，使检测到的模拟信号转化为数字信号；
(3)将U直′和U交′送入控制单元；
(4)控制单元将U直′与设定值U上和/或设定值U下进行比较；
(5)若U直′＞U上，则控制单元输出超压报警信号，同时对超压次数加1并将结果存入存储器中；若U直′＜U下，则控制单元输出欠压报警信号，同时对欠压次数加1并将结果存入存储器中；
(6)控制单元将U交′的绝对值与设定值U交″进行比较；
(7)若|U交′|＞U交″，则控制单元输出纹波电压超限报警信号。
更进一步的，预先设定好母线电压上限值U上、母线电压下限值U下和纹波电压最大值U交″并存储在控制单元的存储器中。
设置一时间间隔段T，在该时间间隔段内，根据不同输入按钮的指令，控制装置可分别显示超压设定值、欠压设定值、超压次数或欠压次数；
当时间超过时间间隔段T后或在复位按钮的指令下，控制单元将U交′送入显示装置，对其数值进行显示。
具体的，为了保证转换效果或精度，可先将所述的U交信号进行放大后，再进行模/数转换。
上述的模/数转换为电压/脉冲转换和A/D转换。
前述的控制单元通过两个继电器分别对应输出超/欠压报警信号和纹波电压超限报警信号。
前述的控制单元可以根据需要或设定，将U交′的峰值、有效值或平均值送入显示装置，对其数值进行动态显示。
在实际工作中发现，对于需要直流供电的电力系统中大量的二次设备，对纹波电压的敏感性是不一样的。
对于电磁继电器，对纹波电压抵抗能力较强，较少的纹波电压含量，只是导致继电器线圈发热，损耗升高，随着纹波电压含量的增加，将导致继电器节点抖动、烧毁继电器线圈甚至误动作。
对于以电子元器件、集成电路为主组成的静态继电器、微机保护，则对纹波电压比较敏感。首先静态继电器、微机保护需要直流电源作为工作电源，以稳定工作的环境，不受直流电压中的纹波电压含量影响；其次，静态继电器、微机保护的大量元器件都是密集布置在印刷电路板上的；印刷电路板的密集布线和高度精密性决定了它的抗纹波电压干扰能力、耐压能力极弱；当直流电源中纹波电压含量超标时，一方面，不同频率的纹波交变电压含量极易导致电子元器件之间的干扰，导致继电器接点抖动；另一方面，纹波电压极大地降低了电路板和电子元器件的耐压能力，大大增加了元器件的泄漏电流，随着纹波电压的升高，电子元器件及电路板布线之间极易形成交流短路、电子逻辑混乱，从而导致继电器误动作或烧毁。
所以，通过监视纹波电压，可提前发现直流系统潜在的问题，同时监测直流系统的母线电压和纹波电压，实现了对直流系统双重化的监测功能，为直流系统的安全稳定运行，提供了更加有效的保障。
图2中，本发明还提供了一种变电所直流系统运行状态的监视继电器，包括依次连接的母线电压取样电路、第一V/F变换电路、A/D变换电路、设定/选择电路、CPU电路和显示电路，其发明点在于在母线电压取样电路和A/D变换电路之间设置依次连接的隔直电路、第二V/F变换电路和切换电路，母线电压取样电路经隔直电路与第二V/F变换电路连接，第一和第二V/F变换电路的输出端经过切换电路择一地与A/D变换电路连接。
进一步地，在母线电压取样电路和第一V/F变换电路之间，设置第一放大/整型电路；在隔直电路和第二V/F变换电路之间，设置第二放大/整型电路。
其CPU电路经其通讯端口与上位仪表或上位机连接。
其隔直电路为电容隔直电路。
其第一、第二放大/整型电路为线性放大电路。
其第一、第二V/F变换电路为电压/脉冲转换电路。
其A/D变换电路为模拟/数字变换电路。
其CPU电路为单片机、可编程逻辑控制器或嵌入式PC机。
其显示电路为数码管式或液晶式显示装置。
采用上述纹波/母线电压监视继电器后，通过大量使用、数据积累及现场测试统计，我们可知道在正常情况下纹波一般在什么范围，超过多少说明是有问题了，而且这个问题大概发生在什么地方，总之可以提前预告事故的发生。
如曾经发现A站的纹波非常大，经过停机检查后发现原来是充电装置的8个电解电容器全部损坏，没有一点滤波作用，幸亏及时发现，不然在这种情况下将造成蓄电池的完全报废。
又如，在新建B变电站投运前发现其纹波电压比一般变电站的平均电压要高，达到270mV电压，由于该变电站还没有投运，因此有条件进行全站检查，采用排除法对可疑设备一台一台进行停机检查终于发现原来是一台事故照明逆变产生的干扰，该机的EMI滤波器性能欠佳所致。
通过同时检测纹波电压/直流母线电压，可提前发现直流系统许多潜在的问题，保证了直流系统的安全性，从而保障了电网安全。
由于该装置隐含着电压监测的功能，所以在省掉一个表计的同时，监测功能大大加强，对于电压的超/欠压可以独立进行告警，弥补了直流电源系统监控器发生故障时监控方面的空白，提高了直流系统的安全性。
该继电器的面板上有告警试验按纽，使得运行值班人员在巡视时可以通过按纽进行信号通道的检测，保证信号通道的完好性。
实践证明，该继电器提供的功能，大大提高了直流系统的安全性，在功能的设计开发和使用方面，符合现场实际的需要，方便了运行人员的检查，人机界面友好。
图3中，U+为直流母线电压输入端，经过保护熔断器B后，再经过二极管D7，分别与电源电路、超压/欠压试验电路和第一V/F变换电路连接，同时U+经过隔直电容C11与第二V/F变换电路连接；
其中，电源电路由DC/DC集成电路P1、稳压电路P2和电源输出集成电路P3及其外围电路元件构成；超压/欠压试验电路由实验按钮R1R2可调电阻R39～R41和电阻R10～R12构成；第一V/F变换电路由V/F变换集成电路V/F1构成；第二V/F变换电路由V/F变换集成电路V/F2构成。
第一和第二V/F变换电路的输出端分别与单片机U3的PO4和PO7端对应连接；U3的PI2～PI4端分别与集成电路U2的SCL、SDA和INT端对应连接。
在集成电路U2的Dig0～Dig4端和SegA端之间，分别依次设置过压限值设定、欠压限值设定、过压次数显示、欠压次数显示和放电按钮电路，其分别对应由按钮S1～S5和电阻R5～R9依次串接构成。
在集成电路U2的Dig0～Dig4端分别与数码显示电路U3的6、8、9和12管脚对应连接，其SegB～SegH端端分别与数码显示电路U3的7、4、2、1、10、5和3管脚对应连接，其SegA端还与数码显示电路U3的11管脚对应连接。
单片机U3的PO0～PO2端，分别经过电阻R42、R3和R4与发光二极管BX、MV和LV对应连接，构成信号显示电路；其PO6和PO7端，分别经过电阻R1、R2和三极管TR1、TR2，与信号继电器J1、J2对应连接，构成信号输出电路。
在实际制作时，保护熔断器B根据实际运行状况按电力系统常规的负荷功率与过流倍数的对应关系选择，V/F变换集成电路芯片可选用HA150～58系列、TC940X系列、LMX31系列或VFQ-XC系列的V/F转换器芯片；DC/DC集成电路P1、稳压电路P2和电源输出集成电路P3、A/D转换集成电路U2、液晶数码显示电路U3、直流继电器J1、J2均为常规产品，无特殊要求。
由于上述各电路、元件均为现有技术，其具体连接关系和工作原理在此不再叙述。
在理解和领会了本发明的方法、思路之后，本领域的普通技术人员，在参考相关集成电路芯片之生产厂家的公开产品资料后，无需经过创造性劳动，完全可以再现本技术方案。
实施例：
C变电站通讯蓄电池在07年3月6日放电时发生蓄电池容量普遍不足，测试数据如下表所示：
Figure A20071017320400101
从测试数据看，放电半小时9瓶蓄电池容量已经放完，其他蓄电池电压均已低于1.97V，所以蓄电池容量低于80％，需更进行更换整组蓄电池。
为了提高运行管理水平，积累运行经验，根据技术规范，对直流系统的纹波数值进行有效管理，组织运行部门对C站通讯电源进行了纹波测量，并在同样测试条件下比对同样蓄电池的D站纹波情况，二个变电站的情况如下：
蓄电池均为双登牌免维护蓄电池，单个电池容量200Ah。
C、D两站负荷、充电设备情况列表如下：
Figure A20071017320400112
一、测量交流电压及其波形对比：
用F179万用表测量直流母线的交流电压，C站为105mV，D站为2.5mV。
用示波器测试两站直流母线的交流电压波形，只投入左边第一个模块时，C站波形如图4所示，D站波形如图5所示。
只投入左边第二个模块时，C站波形如图6所示，D站波形如图7所示。
在3个模块均投入的情况下，C站波形如图8所示，D站波形如图9所示。
二、测量蓄电池高频电流：
C站因为没有分流器，测量的是熔丝压降；D站测量的是200A/75mV分流器上的压降。
采用2uS时基单位进行测量，C站波形如图10所示，D站波形如图11所示。
采用50uS时基单位进行测量，C站波形如图12所示，D站波形如图13所示。
三、110V直流系统充电机输出直流电压中纹波电压对比：
C站是E厂产品，D站是F厂产品。
采用50uS时基单位进行测量，C站波形如图14所示，D站波形如图15所示。
采用5uS时基单位进行测量，C站波形如图16所示，D站波形如图17所示。
四、分析：
从上述对比中发现，在各模块分别投入或全部投入的情况下，C站的纹波电压明显巨大，这从电压波形可以明显反映出来，从对蓄电池的高频电流监视中也明显的佐证了这一结论。
由于C站没有分流器，现场只能利用蓄电池熔丝内阻进行测量，从中看出C站确实存在对蓄电池的高频电流，D站基本没有，是否高频电流影响蓄电池寿命目前还很难下结论。
结合过去G站纹波电压波动大而造成蓄电池失水(平均每周加一次水)，最后蓄电池整组失效的情况来看，纹波电流对蓄电池应该是有影响的，进行测量纹波是有意义的，但是用何种方法存在探讨的空间，从试验结果看用峰-峰值监测没有意义，反映不出实际纹波状况。
用有效值还是用平均值反映还要做进一步的工作，同时还要请生产C站充电机的E厂家对模块进行检查，重点是输出滤波电容衰退的程度和滤波性能的提高。
以上是现场测量纹波和分析，所以我们采用的是平均测量法，可以及时发现由于充电装置高频电流充入蓄电池，而造成蓄电池损伤。
应该指出，上述实施方式的列举，仅仅是为了有助于更好地理解本发明的技术方案，而不应看作是对本技术方案的限定。
本领域的普通技术人员，在领会和掌握了本发明的创新意图和设计思路后，无需经过创造性劳动，完全可以在本发明上述技术方案的基础上，派生出各种等同的或具有相同功能的变形方案，而这些变形方案亦应属于本发明请求保护的范围。
本发明可广泛用于变配电系统直流系统运行状态的测量、监控和安全运行领域。

Claims (10)

1.一种变电所直流系统运行状态的监视方法，包括对直流系统母线电压的检测、比较和输出超/欠压报警信号，其特征是：
(1)在对直流系统母线电压的直流分量U直检测的同时，经过隔直元件对母线电压的交流分量U交进行检测；
(2)将U直和U交分别进行模/数转换，得到对应的U直′和U交′，使检测到的模拟信号转化为数字信号；
(3)将U直′和U交′送入控制单元；
(4)预先设定好母线电压上限值U上、母线电压下限值U下和纹波电压最大值U交″并存储在控制单元的存储器中；
(5)控制单元将U直′与设定值U上和/或设定值U下进行比较；
(6)若U直′＞U上，则控制单元输出超压报警信号，同时对超压次数加1并将结果存入存储器中；若U直′＜U下，则控制单元输出欠压报警信号，同时对欠压次数加1并将结果存入存储器中；
(7)控制单元将U交′的绝对值与设定值U交″进行比较；
(8)若| U交′|＞U交″，则控制单元输出纹波电压超限报警信号；
(9)设置一时间间隔段T，在该时间间隔段内，根据不同输入按钮的指令，控制装置可分别显示超压设定值、欠压设定值、超压次数或欠压次数；
(10)当时间超过时间间隔段T后或在复位按钮的指令下，控制单元将U交′送入显示装置，对其数值进行显示。
2.按照权利要求1所述的变电所直流系统运行状态的监视方法，其特征是将所述的U交信号进行放大后，再进行模/数转换。
3.按照权利要求1所述的变电所直流系统运行状态的监视方法，其特征是所述的模/数转换为电压/脉冲转换和/或A/D转换。
4.按照权利要求1所述的变电所直流系统运行状态的监视方法，其特征是所述的控制单元通过两个继电器分别对应输出超/欠压报警信号和纹波电压超限报警信号。
5.按照权利要求1所述的变电所直流系统运行状态的监视方法，其特征是所述的控制单元将U交′的峰值、有效值或平均值送入显示装置，对其数值进行动态显示。
6.按照权利要求1所述的变电所直流系统运行状态的监视方法，其特征是所述的控制单元经其通讯端口将上述各测量值和/或测量值与设定值的差值传送给上位仪表或上位机，起到电压测量变送器的功能。
7.一种变电所直流系统运行状态的监视继电器，包括依次连接的母线电压取样电路、第一V/F变换电路、A/D变换电路、设定/选择电路、CPU电路和显示电路，其特征是：
在母线电压取样电路和A/D变换电路之间设置依次连接的隔直电路、第二V/F变换电路和切换电路，母线电压取样电路经隔直电路与第二V/F变换电路连接，第一和第二V/F变换电路的输出端经过切换电路择一地与A/D变换电路连接。
8.按照权利要求7所述的变电所直流系统运行状态的监视继电器，其特征是在所述的母线电压取样电路和第一V/F变换电路之间，设置第一放大/整型电路；在所述的隔直电路和第二V/F变换电路之间，设置第二放大/整型电路。
9.按照权利要求7所述的变电所直流系统运行状态的监视继电器，其特征是所述的CPU电路经其通讯端口与上位仪表或上位机连接。
10.按照权利要求7所述的变电所直流系统运行状态的监视继电器，其特征是所述的隔直电路为电容隔直电路，所述的第一、第二放大/整型电路为线性放大电路；所述的第一、第二V/F变换电路为电压/脉冲转换电路；所述的A/D变换电路为模拟/数字变换电路；所述的CPU电路为单片机、可编程逻辑控制器或嵌入式PC机；所述的显示电路为数码管式或液晶式显示装置。
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