直流系統自動化要求及應用研究

　　1、概述

　　隨著計算機及其網絡技術的不斷發展和日趨成熟，計算機監控已在發電廠和變電所中廣泛應用，使發電廠和變電所的控制、保護、測量、信號系統從產品結構到系統設計都發生了根本的改變，這些系統引入了一種全新的、高度集成、高度智能化的模式，也對發電廠和變電所的輔助系統的自動化水平提出了新的要求。

　　直流系統，作為發電廠、變電所的重要電源，直接影響發電廠和變電所的系統和設備的安全、可靠運行及整體自動化水平。隨著發電廠、變電所自動化水平的不斷提高，直流系統自動化水平的提高也提到議事日程。新產品、新技術逐步在直流系統中廣泛應用，使新型直流系統較傳統直流系統從設備配置到系統構成上均發生了很大的變化：

　　(1)閥控式鉛酸蓄電池的廣泛采用，逐步取代固定式鉛酸蓄電池和鎳鎘電池;

　　(2)直流系統充電裝置逐步由高頻開關電源取代硅整流裝置;

　　(3)智能式直流斷路器大量采用，優化了傳統刀熔開關的保護和控制性能，使直流系。統的遠方控制成為可能;

　　(4)蓄電池管理裝置的使用;將蓄電池與充電裝置特性密切配合，并實現了蓄電池的遠程在線監視;

　　(5)直流監控系統的引入，將直流系統各裝置和元件從控制和監視的角度集成化、智能化，使直流系統遠程控制和監視成為可能。

　　本文結合現行直流系統自動化水平概況，針對變電所采用計算機監控和發電廠電氣納入DCS監控時對直流系統自動化水平的要求，對直流系統自動化水平及其實施進行探討。

　　2、直流系統成套裝置自動化水平

　　目前，應用于發電廠、變電所的直流系統均可配備蓄電池管理、絕緣監察、充電器監控三種微機自動監控裝置，由其構成以充電器監控裝置為核心的直流監控系統，采用分層集散式結構，共同完成對直流系統及其設備的遠方和就地監控。

　　2.1直流監控系統功能

　　2.1.I蓄電池管理裝置：

　　(1)在線蓄電池的運行工況，檢測蓄電池狀態參數，計算蓄電池充、放電容量和內阻;

　　(2)根據蓄電池的端電壓、電池電流和環境溫度的變化，自動選擇均充、浮充、恒壓、恒流充電方式，并對浮充電進行溫度補償，防止電池出現欠充或過充，保持電池始終處于滿容量狀態;

　　(3)裝置自檢、自調試功能;

　　(4)信號遠傳、遠端計算機遙控接口。

　　蓄電池管理功能可采用獨立裝置實現，也可由直流監控系統完成。

　　2.1.2絕緣監察裝置：

　　(1)長期監測直流系統電壓和絕緣水平;

　　(2)顯示正、負母線對地電壓;

　　(3)顯示直流母線電壓，高低值越限報警;

　　(4)顯示正、負母線對地電阻，低值越限報警;

　　(5)循環檢測各直流支路絕緣，顯示各支路絕緣電阻，低值越限報警;

　　(6)裝置自檢、自調試功能;

　　(7)信號遠傳、遠端計算機遙控接口。

　　2.1.3充電器監控裝置：

　　充電器監控裝置又稱微機監控單元或微機控制單元，是直流系統監控的核心，包括充電裝置監控和直流系統監控兩部分功能。

　　(1)監視功能：

　　(a)監視三相交流輸入值及其是否缺相;

　　(b)監視直流母線的電壓值;

　　(c)監視蓄電池進線、充電進線和浮充電的電流;

　　(d)監視直流系統斷路器的狀態。

　　(2)控制功能：

　　(a)自動充電功能：

　　微機監控單元能控制充電裝置自動進行恒流限壓充電→恒壓充電→浮充電→進入正常運行狀態;

　　(b)定期充電功能：

　　根據整定時間，控制充電裝置定期自動地對蓄電池進行均衡充電，確保蓄電池組隨時具有額定容量。

　　(3)自診斷和顯示功能：

　　(a)診斷裝置內部故障和不正常的運行狀態，發出聲光報警;

　　(b)顯示各種運行參數，通過整定輸入鍵，可以整定或修改各種運行參數。

　　(4)遠傳功能：

　　監控器通過通信接口對充電模塊、充電柜、饋電柜、蓄電池管理裝置、絕緣監測裝置等下級智能設備實施數據采集，加以顯示;同時通過RS--232、RS--485/RS--422或MODEM接口與上位機通信，遠傳以下信息，實現直流系統的“四遙”功能：

　　(a)遙測：系統母線電壓、負載總電流;電池電壓、電池充放電電流;交流輸入電壓;充電裝置(各充電模塊)輸出電壓、輸出電流;母線對地絕緣電阻等。

　　(b)遙信：直流系統各回路斷路器狀態;蓄電池充電電流過大;蓄電池欠壓、過壓;交流失壓、缺相;交流電壓異常;直流母線電壓異常;直流母線對地電阻;充電裝置故障;絕緣監測裝置故障;蓄電池管理裝置故障等等。

　　(c)遙控：充電模塊開啟、關停控制;充電模塊均/浮充轉換控制。

　　(d)遙調：充電模塊輸出電流無級限流控制(根據監控器的命令，在10%一100%范圍內調節充電模塊輸出電流限流點);充電模塊輸出電壓調節控制(根據監控器的命令，調節充電模塊輸出電壓的大小)。

　　由上可見，充電器監控裝置是直流監控系統的核心，由其監控模塊匯集直流系統各裝置和元件的各種數據、工作狀態，通過整理、分析，實現對直流系統以及蓄電池充放電的全自動監控，并將相關信息遠傳。目前，充電器監控裝置大都配有人機接口設備，運行人員可通過其顯示屏、下拉式菜單提示，將直流系統的運行參數、運行狀態、故障信號顯示，通過鍵盤對系統相關參數及直流系統遠方/就地控制方式進行設置，通過其通信接口將所需信息上傳下送。

　　2.2直流監控系統產品結構

　　隨著直流系統自動化水平的提高，直流系統設備間的聯系愈加緊密，直流系統設備的選擇與供貨已向成套設備發展。特別是高頻開關電源充電模塊和閥控式鉛酸蓄電池的廣泛應用，以及直流監控系統的引入，使直流系統的成套供貨成為必然趨勢。直流系統生產廠家也順應市場需求，從原來提供單個直流系統設備的廠家，逐步發展成為直流電源成套廠家，如原來只生產充電裝置的廠家，現在能提供成套直流設備(也可包括蓄電池)。

　　直流監控系統主要由蓄電池管理、絕緣監察、充電器監控三部分構成，由充電器廠家成套供貨。監控系統可具備常規蓄電池管理和母線絕緣監察功能，專用的絕緣監察裝置和蓄電池管理裝置也可為外購產品，經通信接口與充電器監控器相連，實現直流系統的協調監控。充電器監控裝置為監控系統的核心，具備完整的人機接口和通信接口，完成直流系統的就地和遠方監控功能。其基本原理框圖見圖1所示。

　　2.3直流監控系統產品自動化水平

　　各直流系統設備成套廠家充分利用微機技術和網絡技術，研究開發了滿足發電廠、變電所各種自動化水平需求的產品。目前，常用的直流監控系統設備及其自動化水平見表1。

　　由上表可見，直流系統的監控似乎是隨高頻開關電源充電模塊的應用和發展而發展的，而且其供電系統的自動化水平已趨于完善和成熟。

　　3、直流系統自動水平應用現狀

　　目前，絕大部分新設計變電所均采用了計算機監控系統，取消了硬接線及其常規控制屏;大型火力發電廠的電氣系統納入DCS控制，部分老廠(所)也在逐步進行控制系統改造。我院近期設計的所有變電所，不論是110kV及以下的無人值班變電所，還是220kV和500kV樞紐變電所，都采用了計算機監控系統，取消了硬接線(操動機構部分仍采用硬接線)。我院正在設計的單機容量為300MW和600MW的燃煤火力發電廠，也采用了DCS控制模式，除保留了安全停機必須的少量電氣硬接線外，所有集控室電氣設備和系統均納入DCS控制。獨立設置的電氣保護和自動裝置也經通信接口與計算機監控系統或DCS相連。對于采用計算機監控系統的變電所和電氣納入DCS控制的發電廠，其直流系統均采用了智能型監控裝置，具有完善的就地微機集中監控功能和遠程監控接口，能經通信接口與計算機監控系統或DCS相連。

　　3.1發電廠直流系統自動化水平

　　考慮到發電廠均采用有人值班方式，而發電廠的直流系統大都布置在單元控制樓內，所以，無論發電廠的電氣系統采用何種控制方式，其直流系統的監控主要在于其接地監控功能的強化和直流系統本身控制水平的提高，而未對其遠方監控(即DCS監控)提出要求。直流系統與DCS之間無論是通過硬接線還是通過通信接口連接，均只單向由直流系統向DGS傳輸重要測量和報警信號，如：直流母線電壓、充電電流、蓄電池電壓、饋線斷路器斷開(熔斷器熔斷)、充電裝置故障、主回路故障等等。

　　3.2變電所直流系統自動化水平

　　由于變電所計算機監控系統的監控對象就是電氣系統，而直流系統又是變電所很重要的組成部分，故變電所直流系統作為一個完整和獨立的智能系統與計算機監控系統經通信接口可靠連接，在變電所計算機監控系統操作員站或遠方控制終端上，可完成直流系統就地監控模塊所能完成的全部監控功能。

　　目前，我院正在設計或已經投運的變電所的計算機監控系統對直流系統采用如下監控模式：

　　(1)直流系統經通信接口(通常為RS232或RS485)直接接入計算機監控系統的公用接口單元，通過公用接口單元直接與計算機監控系統站控層網絡相連;

　　(2)計算機監控系統顯示直流系統主回路畫面，通過人機接口監視直流系統參數和運行狀態;

　　(3)運行人員通過人機接口可對充電裝置參數進行遙調;

　　(4)直流系統重要設備和裝置的故障狀態監視;

　　(5)對于無人值班變電所，直流系統信息可通過計算機監控系統的RTU接口或監控終端送至中心控制室或調度端，實現直流系統的遙測、遙信。

　　4、直流系統遠程監控自動化要求

　　如前所述，采用高頻開關電源或相控式充電裝置的直流系統成套設備的自動化水平已發展到較高程度，不論發電廠、變電所采用何種控制模式，其直流系統供電設備和系統的就地監控功能均已軟件化、集成化、自動化，并具備了遠程控制條件。目前，直流供電系統及及其設備的就地微機監控已大量應用，使用良好;遠程監控在變電所也逐步推廣，已成趨勢，然而，對直流系統的遠程監控自動化還需提出如下的具體要求。

　　4.1饋電系統自動化

　　直流系統的供電方式大都采用全輻射方式或輻射加局域環網供電方式，對小規模的變電所，一般從直流饋電屏直接向負荷供電;對發電廠或大型變電所，大都采用直流主屏—分屏供電方式。考慮到直流電源對用電設備的重要性，直流分屏或重要直流負荷均采用雙路供電方式，兩路電源取自不同母線段。

　　4.1.1饋電系統自動化的必要性

　　饋電系統是直流系統必不可少的重要組成部分，是直流系統向直流負荷供電的通道，是直流供電系統連接直流負荷的橋梁，因此，饋電系統自動化水平的高低，直接影響直流系統整體自動化水平與發電廠、變電所運行的可靠性。饋電系統的自動化主要為雙回饋電電源的自動切換、饋電回路狀態監視和事故告警三個方面。饋電回路分為直流主屏與分屏間的聯絡回路和至負荷的饋電回路。

　　對于發電廠和220kV及以上變電所，由于其采用有人或少人值班方式，加之其直流系統規模較大，饋線回路眾多，故DCS或計算機監控系統沒必要對整個直流系統進行動態畫面顯示和事故告警，但應有主回路動態畫面顯示和主回路故障告警(主回路應包括至直流分屏饋線回路、直流油泵供電回路、蓄電池及充電裝置回路)，至直流分屏的雙電源自動切換及饋線回路總告警信號。對無人值班的變電所，其直流系統規模較小，值班人員離現場較遠，可考慮計算機監控系統對整個直流系統遠程監控的可能性。

　　4.1.2饋電系統自動化的可行性隨著直流斷路器的國產化，它已大量在直流系統中應用，使直流系統的保護特性相對于熔斷器更穩定、完善和可靠，同時，隨著直流斷路器電動操作結構的誕生，使直流系統的遠程控制成為可能。

　　(1)主屏與分屏間的聯絡線的自動切換

　　在主屏和分屏側分別裝設配備電動操作結構的斷路器，主屏側斷路器配失壓脫扣器，分屏側斷路器不配失壓脫扣，則先跳本回路分屏側斷路器，自投另一回路主屏側和分屏側斷路器。此控制功能可通過直流系統的監控模塊實現。

　　當分屏直流母線故障時，分屏側斷路器動作，主屏側斷路器不動作，此時不進行電源切換，避免了分屏母線故障的自投可能引起的故障擴大;當只有主屏側斷路器動作時，則有可能是主屏母線失電，或聯絡饋線故障，則先跳故障回路分屏側斷路器，切開故障饋線，再通過自投自動恢復分屏母線供電。

　　主分屏聯絡饋線的上述自動切換方式，既簡單又安全可靠，特別是對直流分屏分散設置的發電廠和變電所，可減輕運行人員的勞動強度，提高直流供電的可靠性。

　　(2)直流系統斷路器的遠方控制和動態畫面顯示

　　由于各直流用電回路都有完善的電源監視手段，故對有人值班的變電所和發電廠，考慮到其直流饋線較多，全部進入將影響直流微機監控模塊、計算機監控系統或DCS系統的容量配置，因此，直接至負荷的直流饋線無必要進行遠方控制和動態畫面顯示。而對無人值班變電所，一般直流系統的規模較小，不會對監控系統容量配置造成大的影響，而且控制地點離變電所現場較遠，就地控制需要較長時間。因此，對無人值班變電所，可視系統規模、控制地點遠近，對重要或全部饋線進行遠方控制，對整個直流系統進行動態畫面顯示，以提高直流系統的運行水平。

　　當然，對于直流主回路，由于直流系統的監控模塊已考慮了其監控容量，而主回路的監控點數不會影響監控系統或DCS的容量，故直流主回路應在監控系統或DCS進行監控，其畫面顯示方式可與廠用電系統相類似。

　　(3)事故報警

　　饋線事故報警的內容主要包括饋線絕緣降低和饋線開關跳閘。由于直流斷路器大都采用熱磁式保護脫扣器，無保護動作信號輸出。事故報警信號應用與遠方監控對象一一對應，對于遠方一對一監控的饋線，其報警信號應一對一發出，以利于運行人員對監控對象進行事故判斷。

　　對于饋線絕緣降低信號，可經直流監控模塊絕緣監察裝置間的通信接口輸出，各饋線斷路器跳閘信號，也即斷路器跳閘位置信號，可經斷路器輔助觸點送出。

　　4.2直流系統與計算機監控系統或DCS的接口方式

　　直流系統的監控模塊均配有RS232、RS485或MODEM接口，完成直流系統的上下級通信。對變電所，直流系統通過公用接口單元直接與監控系統站控層網絡相連;對發電廠，直流系統僅通過硬接線向DCS傳送幾個重要的報警信號。直流系統到底采用何種方式與計算機監控系統或DCS相連比較合適呢?

　　4.2.1有人值班變電所接口方式

　　有人值班變電所大都為220kV及以上樞紐變電所，其規模較大，一般采用分層分布式計算機監控系統，間隔層設備及直流分屏分散放置于就地繼電小室內，直流主屏可根據具體情況放置于主控制樓或就地繼電小室。對于這類變電所，計算機監控系統只對直流主回路及至分屏的聯絡線進行監控，直流監控系統與計算機監控系統間的信息傳輸量至多在134點左右，其中報警量約14點，斷路器位置信號約64點，模擬信號約6點，控制調節信號約50點。

　　變電所計算機監控系統的站控層采用以太網，與直流監控模塊的RS232或RS485接口間不能直接通信，目前，計算機監控系統對這類獨立設置的智能裝置設置有公用接口單元，直流監控系統通過公用接口單元與站控層網絡相連。

　　考慮到RS232接口傳輸距離(一般為100m)和傳輸方式(電子傳輸)的缺陷，直流監控系統應采用RS485或RS422接口。

　　當然，若直流監控系統自行配置通信管理裝置，完成與以太網的通信功能，則直流系統可直接與站控層網絡相連。

　　4.2.2無人值班變電所接口方式

　　這類變電所大都為110kV及以下城網變電所，其計算機監控方式分為兩類;第一類為目前新建變電所，其計算機監控系統采用綜合自動化系統;第二類為老所改造項目，其計算機監控大都在原RTU裝置上擴展控制功能。

　　無人值班變電所的顯著特點為運行人員遠離設備現場，對現場設備采用遠程監控方式。這類變電所的規模普遍較小，現場設備多采用集中放置方式。如前所述，這類變電所的直流系統規模也較小，宜采用全部遠程監控方式。

　　對于新建的采用綜合自動化系統的變電所，其直流系統與計算機監控系統的接口方式與有人值班變電所一致。對采用原RTU改造的監控系統，若RTU系統的遙測、遙信、遙控接口裝置有足夠的容量，其主機有與直流監控系統連接的通信接口，則直流監控系統可直接與RTU主機通信;若RTU主機無接口，或連接困難，則直流系統可采用MODEM方式，通過電話線路實現“四遙”功能。

　　4.2.3發電廠接口方式

　　對于采用DCS控制的發電廠，其直流系統按機組設置，直流系統應與單元機組DCS連接。如前所述，發電廠直流系統的主回路應納入DCS監控，因此，直流系統應通過通信接口與DCS相連，而不是硬接線。

　　電氣納入DCS控制后，控制回路用直流電源由UPS電源取代，直流系統的供電范圍主要為電氣繼電器室內的保護和自動裝置、高低壓配電裝置室內的操作回路、直流油泵、事故照明、以及其它零星電源。

　　蓄電池及直流系統主屏大都放置在單元控制樓零米或中二層，高壓廠用配電裝置一般放置在汽機房，低壓廠用配電裝置視具體情況放置在汽機房或單元控制樓內。直流系統一般采用主屏—分屏供電方式，在電氣繼電器室、高壓廠用配電裝置室設有直流分屏，對低壓廠用配電裝置，視其布置地點和直流用電情況設或不設直流分屏。

　　從直流系統供電范圍、直流及電氣設備布置位置、以及直流分屏的設置可知，發電機和主變壓器或發電機一變壓器組控制單元和單元廠用電控制單元內設備是直流系統的主要供電對象，也即直流系統與發電機和主變壓器或發電機一變壓器組控制單元和單元廠用電控制單元有密切聯系。因此，直流系統與DCS之間可采用如下連接方式：

　　(1)方式一：通過單元廠用電控制單元的配網綜合自動化系統與單元機組DCS網絡相連;

　　(2)方式二：通過直流監控系統的通信接口管理機直接與單元機組DCS網絡相連;

　　方式二是直流系統納入DCS監控最直接、最可靠的一種方式。但需要直流系統成套設備廠家提供通信接口管理機，完成直流監控系統與DCS之間的通信規約轉換，同時會增加DCS網絡上接口數量。

　　對方式一，由于配網綜合自動化系統可以配置有通信接口管理機，用于對廠用配電系統進行就地集中監控、完成配電系統綜合測控裝置的RS232或RS485接口與上位機連接的通信規約轉換，故直流監控系統可直接與其通信管理機相連。再者，廠用配電系統對電廠的重要性高于直流系統，直流系統通過單元廠用電控制單元與DCS相連并不降低其監控可靠性。因此，就目前電氣納入DCS控制模式看，直流系統通過單元廠用電控制單元進入DCS監控是簡單而行之有效的方式。

　　上述直流系統納入DCS控制的上述模式是在現有設備及控制水平前提下的方式。隨著控制系統和設備技術的發展，直流系統納入DCS的控制方式也將隨之發生變化。

　　5、結束語

　　直流系統，作為發電廠、變電所的控制電源系統，對發電廠、變電所安全可靠運行、以及控制水平的提高的重要性不容質疑。直流系統應納入變電所計算機或發電廠DCS監控，并推薦采用如下方式：

　　(1)對無人值班變電氣，宜將整個直流系統納入計算機監控系統進行遠程監控;

　　(2)對有人或少人值班變電所和發電廠，應將直流主回路納入計算機監控系統或DCS監控;

　　(3)變電所直流系統應直接與站控層網絡相連，發電廠直流系統宜通過單元廠用配電裝置配網綜合自動化系統與單元機組DCS網絡相連，也可直接與單元機組DCS網絡相連。

　　為適應直流系統的計算機或DCS監控，直流系統應完善其監控模塊性能和數據處理能力、直流斷路器的遙控性能和保護性能，直流監控模塊應具有可靠的與計算機監控系統和DCS網絡連接的通信規約轉換能力。