自动化设备直流双电源智能监控电源系统的构建

自动化设备直流双电源智能监控电源系统的构建

凌霖，何贵坚

（广东电网有限责任公司梅州平远供电局，广东 梅州  514600）

基金项目：广东电网有限责任公司职工创新项目，项目名称：自动化设备直流双电源智能监控电源系统；项目编号：031400KZ23070010

摘要：受环境因素、技术因素、操作因素等影响，自动化终端电源在使用过程中可能出现失压、过压、缺相等情况，致使供电异常，造成自愈保护瘫痪和通信业务中断。针对上述问题，本项目研发自动化设备直流双电源智能监控电源系统，采用新型双交流输入-稳压系统-双直流回路切换-双直流输出-双后备电源切换供电模式，利用“串口通信+微机监测”精准评估电源运行状态，值得深入研究和推广。

关键词：直流双电源；串口通信；微机监测；自动切换

进入21世纪以来，我国配电网由自动化终端异常引起的操作拒动、保护误动等故障率逐年上涨，严重威胁了配电系统的安全性、可靠性和稳定性。尤其是在直流电源供电环节，其设备老化情况严重、充放电不稳定、积尘积潮问题明显，均加大了后备供电风险。如何转变自动化设备直流供电模式，形成双后备、全监测、自切换的直流供电系统已经成为新时期人们关注的焦点。

1 故障现状

柱上自动化终端设备部件属精密元器件，但因配网运行环境限制，自动化装置大多在室外设置，不能实现跟变电二次设备一样，有良好的运行环境。而且厂家供应的设备良莠不齐，品牌不一，适用环境和使用条件存在较大差异，若规划设计不合理很容易造成终端故障，进而导致大面积断电，影响用户侧安全用电。以自动化终端电源为例，当直流电源发生故障时自动化终端根本无法正常投切，此时二次保护“失效”，一旦配网短路、接地或断线，将引起严重电力事故，给配网带来严重经济损失。

调查数据显示：2022年本单位自动化终端电源模块故障累计97套，造成辖区内自动化终端连续不在线，对开关保护存在极大隐患。如2022年6月6日10kV支线Ⅰ段柱上自动化终端电源受雷击损坏，自动化终端掉电，10kV支线过负荷运行时开关保护缺失，致使全线瘫痪6h，部分配电设施击穿损毁，直接经济损失超过10万元；2022年12月17日10kV支线Ⅱ段丘陵地区支线部分断电，经拉手排查为自动化终端误动导致，现场拆检确认该区域气候较为恶劣，沿线自动化终端电源积潮覆冰情况严重，电源电压异常波动致使开关误动，最终造成本次事故。

鉴于2022年度本单位自动化终端电源故障频发，由电源异常引起的保护误动作、拒动、和自愈保护策略误判断等事故约占全部配电事故的1/7，属于紧急缺陷需立即改造优化和防控处治。

2 技术方案

2.1 系统架构

自动化终端部件故障在当前配电系统中较为常见。尤其是电源系统，保障着整个终端运行的电源供应，一旦出现问题，装置就失去保护及通信功能，有造成保护误动作、拒动、和自愈保护策略误判断等多重风险，在技改过程中应在直流电源基础上设置后备电源，形成自动化设备直流双电源智能监控电源系统，如图1所示。

图1 自动化设备直流双电源智能监控电源系统架构

上述系统由市电输入为直流双电源充电，其中主后备电源采用铅蓄电池或锂电池，辅助后备电源采用超级电容或锂电池。根据安全供电需求，使用锂电池时电源典型值不可超过主后备电源的1/3，使用超级电容时可与主后备电源一致。主后备电源和辅助后备电源进出线均配置防反接保护回路。

2.2 主回路设计

本次设计的自动化设备直流双电源智能监控电源系统采用新型双交流输入-稳压系统-双直流回路切换-双直流输出-双后备电源切换供电模式，可形成稳定自投切终端供电结构。该辅助后备电源可根据主后备电源电气参数及运行状态，在双重Boost转换中合理充电，同时根据监测评估结果配合自动开关，在主后备电源供电异常时转为临时主供，从而避免由主供异常引起的监控掉电、通信掉电、开关断电等多重问题，全面提升直流电源系统的安全系数和可靠性能。

上述自动化设备直流双电源智能监控电源系统以MOS管、继电器为主设置开关回路，配合监测仪、控制器和反馈回路，形成自动投切系统。该回路中废除繁琐的二次接线，多余的部件，实现接线回路清晰、简洁，减少中间故障点，方便故障查找、消缺。

2.3 通信设计

本次设计的自动化设备直流双电源智能监控电源系统采用串口通信方式，删除传统采用硬接点方式进行信息判断，增加微机监控功能，通过串口技术展开新型电源实时监控模式，使电源系统和终端保持实时通讯。

上述通信环节主要通过RS485和RS232接口进行通信配置，不仅支持IEC103、PTU、MODBUS、CDT等多种通信方式，还能够帮助用户在现场进行参数校准，从根本上提升了数据双向传输的可靠性、准确性和有效性。为进一步保障通信质量，通信时还采用隔离技术进行安全防护，在通信口、模拟量通道、开关量通道中均设置隔离保护，提高了整体信号通道的抗干扰效果。

2.4 监控设计

本次设计的自动化设备直流双电源智能监控电源系统配置监控装置、显示屏和触摸屏，分别进行综合单元检测和支路电流检测，对电源系统上送信号对故障类型进行智能判断。与此同时，监测系统还通过RS485总线与配电终端连接，对存在比较重大缺陷，终端经过判断给主站系统上送电源系统异常告警，以便于人员根据异常信号直接快速展开现场检查。

以10kV支线Ⅱ段为例，自动化终端电源的整体使用年限较长，电源装置存在不同程度的老化现象，在监控系统设置时应严格把控参数指标，有针对性地展开风险评估和装置管控，以便于减轻运维人员运维压力和确保终端实现供电可靠性和电压质量稳定性，如表1所示。

表1 自动化设备直流双电源的监测指标

3 效益评估

本次设计的自动化设备直流双电源智能监控电源系统使用双直流自动切换，保障了终端电源正常运行；使用双后备电源保证电源供电，确保自动化终端安全可靠；采用串口通讯，废除硬接点；采用智能控制，实时监控电源系统状态，安全效益和经济效益显著。

在自动化设备直流双电源智能监控电源系统投入使用后，共监测出252起自动化终端电源断电故障，监测准确率达到100%；有效解决重大线路灾害事故4起，全线配电可靠率从原来的98.5%提升到99.6%，环比平均故障停电时间缩短1.4h，在自动化终端管理过程中起到了非常好的防护效果。

综上所述，该直流双电源智能监控系统整体设计美观、安全、经济，功能设计全面、高效、可靠，适用于多种复杂配电场景，具有广阔的市场空间和发展潜力，值得深入研究和推广应用。

4 注意事项

4.1 加强在线监测，做好自动调控

在自动化设备直流双电源智能监控电源系统运行过程中应深入细化监控指标和风险评估判据。

如可在当前自动化直流双电源智能监控电源系统中引入PT、CT电压和电流的测量及小电流二次放电法测量等，快速监测自动化终端电源的运行参数，确定状态量采集情况、模拟量线性动态范围、系统数据更新周期、越限告警情况等是否正常，分析自动化终端电源是否存在失压、缺相、过流等问题。

同时，设置相应报警判据进行智能监测。设置过程中自动化直流双电源智能监控电源系统的监控单元对两路馈出分路和直流输入的状态进行实时监控，在主后备电源欠压时告警。一般主后备电源欠压报警判据为其电源电压既小于欠压门槛，又小于标准持续时间。此时，应向监控终端发送欠压信号，生成自动调控指令进行辅助备用电源供电，从而实现双回路的直流主备供电保护。

4.2加强日常管理，做好运行维护

自动化终端运行环境较为恶劣，大多存在大风扬尘、降雨积水、寒冷暴雪等天气，很容易影响自动化设备直流双电源智能监控电源系统的使用寿命，造成绝缘损坏、电源击穿等。因此，在日常工作中必须：

（1）建立完善的工作制度，对自动化终端电源检修维护内容、检修维护责任等进行明确，保证人员在工作中能够有章可循、有据可依。

（2）建立细化的点检标准，对自动化终端电源的充电压、电池温度、大电流充电/过放电及连接部分等性能指标等进行全面测试，按照配网技术指标逐一进行点检，确定电源是否存在损坏、断触等缺陷。

（3）安装有效的保护装置，如防护网、防尘罩、隔离网等，定期进行清理除尘，保证自动化终端电源干净整洁。必要时还要进行线路更换、元件更新等，不断提升自动化设备直流双电源智能监控电源系统的整体性能，最大限度延长其使用寿命。

5 总结

自动化设备直流双电源智能监控电源系统以“双回路切换+双直流供电”形式进行主备供电保护，在串口通信和隔离技术基础上，保障了数据传输质量，利用在线监测装置和反馈回路自动调控，从根本上提高自动化终端的保护动作正确率和自动化在线率。也为自愈保护策略投入后，线路保护动作正确性提供了可靠保证。也很大程度减轻供电所、配网综合班运维压力，是新时期配电自动化终端建设的重中之重。

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