一种新型直流电源监控系统的设计

0 引言

随着现代科学技术的发展，电力系统逐渐向综合自动化、电站无人职守的方向发展，直流电源监控系统，作为控制负荷和动力负荷以及直流事故照明负荷等的电源，是电力系统控制、保护的基础，其可靠与否直接影响到供配电系统的安全运行[1-2]。因此提高直流电源监控系统的可靠性及自动化水平，以满足电力系统发展的需求变得越来越重要。

本文结合现代计算机技术以及自动化技术，设计了一款无人职守的直流电源监控系统。该系统采用集中管理、独立控制的模块化设计，具有遥测、遥信、遥控、遥调功能，易于实现电力系统综合自动化，是传统直流电源监控系统的新一代替换产品[3]。

1 直流电源监控系统

本直流电源监控系统采用集中管理，独立控制，主要适用于20～200AH单电单充系统，可实现24节电池巡检和30路支路绝缘监测。系统由综合监控模块、电池巡检模块、绝缘监测模块、充电模块以及上位机显示控制模块组成，其中电池巡检、绝缘检测通过RS485接口与综合监控模块联机。该直流电源监控系统采用集中一体式加扩展单元的组合结构，接线简单，安装方便。其结构如图1所示。

图1 系统结构框图

Fig.1 Overall configuration of system

2 综合监控模块

综合监控模块是直流监控系统的神经中枢，其采用知名公司的真正工业级32位处理器作为主控芯片，能够最大限度地提高系统的可靠性和运行速度。综合监控模块经RS-485接口对其他模块进行集中管理控制[4]。其中电池巡检模块、绝缘监测模块分别将监测到的单体电池电压、温度及母线电压、支路绝缘电阻等信号通过RS485接口发送给综合监控模块。综合监控模块根据内部预先设定的报警值进行比较产生报警信号并记录报警的起始与结束时间。另外综合监控模块可根据电池组电流大小自动进行均、浮充管理，从而大大延长了蓄电池组的使用寿命。

此外综合监控模块本身可监测8路系统开关量状态，三相交流输入电压、合母/控母的电压、电流以及母线绝缘状态。

3 电池巡检模块

蓄电池作为备用电源与整个直流供电系统的可靠性密不可分，因此保证蓄电池的正常运行是整个直流电源系统的首要任务[5]。本文通过电池巡检模块对电池组中每节电池的端电压、电流、温度进行巡检，并将结果通过RS485总线传送给综合监控模块。若某一节蓄电池电压低于或高于指定值,则由综合监控模块发出报警指示,并自动进行必要的操作；若电池组电流过高,则指示充电模块停止充电；若电流过低,表明该蓄电池的性能变差或过度放电，则指示充电模块进行充电。从而能够对电池进行维护，延长电池使用寿命，确保系统安全可靠运行。本电池巡检模块最多可检测24节单体电池电压，可分别检测2、6、12V单体电池，测量精度为0.2%,其原理如图2所示。

图2 电池巡检模块原理框图

Fig.2 Diagram of the module of battery inspection

在对单体电池电压进行测量时，因系统中蓄电池多采用串联结构,其输出电压高达250V,所以输入通道的多路转换是一个难点。目前常用的多路转换方法:电阻分压法和继电器隔离法。继电器隔离法操作简单，给每个电池配一个继电器，当要检测某节电池时，打开该继电器即可。控制继电器应使用译码器，保证任何时候只有一个继电器导通[6]。由于普通机械继电器的使用寿命有限(不超过10万次)，远远不能满足蓄电池巡检装置的要求。所以选用了光继电器对每节电池进行隔离,其结构如图3所示。

图3 电压检测示意图

Fig.3 Diagram of voltage monitoring

在电池巡检模块中，对每一节蓄电池配置一光继电器，由CPU控制其关段，正常情况下光继电器处于断开状态，当要对电池进行巡检时，每次只将一节电池接入采样电阻，然后将采样信号送入运算放大器最后再由电池巡检仪进行运算处理，从而得到蓄电池电压。

4 绝缘监测模块

直流电源系统的常见故障是一点接地，在一般情况下一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障就可能会发生最大事故，所以对直流系统绝缘状况进行实时监测，出现接地故障时及时排除是非常必要的[7-9]。

本绝缘监测模块具有检测30路支路绝缘电阻的功能，测量精度为0.3K，同时还能检测母线（合母、控母和母线负）对地电压，测量误差为0.4V。绝缘监测模块将监测到的对地电压值和对地电阻值通过RS485总线发送给综合监控模块，并由综合监控模块作出相应处理。其原理如图4所示。

图4 绝缘监测模块原理框图

Fig.4 Diagram of the module of insulation monitoring

对于检测绝缘电阻，国内外主要有电桥平衡法、低频探测法、检测支路漏电流法等几种方法。本文采用检测支流漏电流的方式来判断绝缘电阻，无需在支路上注入交流小信号，因而不对直流系统产生任何影响，其原理如图5所示。

图5 绝缘监测示意图

Fig.5 Diagram of insulation monitoring

图5中，HL1、HL2、HLn表示接在各个供电支路上靠近直流电源监控系统开关处的霍尔电流传感器，若该支路无漏电流即该支路无接地时，流过传感器正负支路上的电流大小相等，方向相反，则对应支路上的霍尔电流传感器无输出。当某一段支路出现故障，如图中n号支路正极上某一点接地，则电流从直流电源正极经过接地电阻RL到地，再由地到电源负极，形成一漏电流IL,IL从地到直流负极流经的是分布参数，若有N条支路，则流经每一条支路的电流近似为IL,因而从位于N号支路的霍尔电流传感器可检测到电流的大小约为IL的，这样根据U+，U-和IL的数值，就可得到接地电阻的大小，再根据霍尔传感器输出电压的正负，就可以判断接地故障所在线缆的极性[10]。

5 结语

本文介绍的这种直流电源监控系统，在总体上具有功能强、结构开放灵活、实时性好、可靠性高等优点，每个环节均采用最先进技术，反映了当前直流电源监控系统的发展趋势，具有十分广阔的应用前景。

文章来源：《电工电气》 2014年 第5期