直流监控系统在火力发电厂中的应用
一、引言
发电厂中的继电保护 、自动装置 、信号装置、事故照明和电气设备的远距离操作，一般采取直流电源，而直流电源部分由蓄电池组.充电设备.直流屏等设备组成，所以直流电源的输出质量及可靠性直接关系到发电厂的**运行和可靠的发电。因此，发电厂的直流系统被人们称为企业的“心脏”，可见它在发电厂中地位是多么的重要。随着电力工业的迅速发展，为提高电厂的发电质量，使设备**、稳定. 经济的运行，并实现电力系统的自动化，为满足这些高标准的要求，需特别注意设备的选型。
二．设备选型
1．要求
1）微机型整流器的基本要求∶全自动兼容手动功能，从开机到主充、均充、浮充，全自动化切换。整机按编制好的主充电、均充电、浮充电、正常运行、电网解列、恢复送电等程序，实行自控制、自诊断、自报警、自存贮和自打印，无需人员干预。带有遥信、遥测、遥控、遥调接口，与调度中心联网，及时准确的与调度中心联系并得到反馈信息，**实现了直流电源的智能化。按键和显示面板直观显示，可设定电压、电流值，可随时修改充电装置工作参数。
2）高频开关电源的基本要求：充电方式采用高频开关电源模块，体积小,重量轻,容量大，采用N+1备份,经济性好,可靠性高，模块本体能自动均流,充电电流连续可调,充电方式全部按程序进行，模块可任意并联,并可在线操作，隔离性好,设有完善的自我保护系统，功率因数高,效率高
3）由于直流系统是一个不间断的直流电源，要求配置蓄电池系统。蓄电池组是一种独立的电源，不受交流电源的影响，因而整流系统交流失电或发生故障时，蓄电池继续给控制、信号、继电保护和自动装置供电，同时还可以保证事故照明用电。因此要求蓄电池具有容量大、寿命长、易浮充电等特点，既适合长时间小电流放电使用，又适合大电流瞬时放电使用，性能可靠、维护方便。
2．选型
针对以上对直流控制系统的要求，综合考虑设备的成本及其性能和他们能够实现的功能，特对设备选择如下：采用GZDW-M－100/220型智能高频开关电源系统，其特点是体积小，重量轻，技术指标优越，采用模块化设计，N＋1热备份方式，便于实现“四遥”等，充分满足了设计时对设备所提的要求。蓄电池全部采用阀控式密封铅酸免维护蓄电池，阀控式密封铅酸免维护蓄电池是近年来发展起来的新型蓄电池。该类蓄电池多采用紧装配密集极板，超细玻璃纤维作隔膜，贫电液结构或采用管式正极板，专用隔板胶体电解液的富电液结构，其基本原理都使气体在极板间转移，促进了再化合反应，同时利用减压阀保持电池内部有一定压力。这类蓄电池具有防酸式铅酸蓄电池的优点，而且基本上属于免维护，同时由于没有酸雾和氢体排出，可以与成套直流电源柜一起安装在主控室，所以是目前广泛被采用的优选蓄电池。监控装置采用WZCK-11型微机直流监控装置，它具有多级存储.单片机智能化扫描.分级控制管理等性能优点，并且有240 X128点阵液晶显示，便于监控显示运行情况，并且能全部实现自动控制、诊断等智能化管理。
三．设备的性能及原理
一）智能高频开关电源
1．我们采用的GZDW-M型智能开关电源是专为电力系统研制开发的新型“四遥”高频开关电源，采取高频软开关技术，模块化设计，输出标称电压为220V，配有标准RS232接口，易于与自动化系统对接，适用于各类变电站、发电厂和水电站使用。此设备有下列性能特点：
1）高可靠性整机，模块化设计,电源模块采用N＋2热备,可平滑扩容。工作采用二组模块电源独立工作，一组通过电子降压装置和硅链调压向控制母线供电，另一组向电池充电，智能化管理二组模块，互为独立，每组模块都采用N+1模式，即N+2模式。关键部分双套保护向控制母线输出供电。
2）监控功能完善，高智能化，采取大屏幕液晶汉字触摸屏显示，并有声光告警，易于实现人机对话。
3）监控系统配有标准RS232和RS485串行接口，方便地与中央控制单元连网，实现办公自动化，实行远距离通讯，实施“四遥”及无人值守。
4）对蓄电池自动管理及自动维护保养，实时监测蓄电池组的端电压，充、放电电流，自动控制均、浮充以及定期维护性均充。
5）具有电池温度补偿功能。
6）模块可带电插拔，更换**方便。
7）降压方式采取新型高频软开关无级双向调压，摒弃传统硅堆降压方式，输出电压精度高，动态响应速度快。
8）采用*新软开关电源技术，采用进口器件。
2．智能高频开关电源系统的组成及各部分作用
智能高频开关电源系统由交流配电，绝缘检测，监控模块、整流模块、调压模块，直流馈电等组成。系统工作原理框图如图1所示。
图1智能高频开关电源系统原理图
交流配电为系统提供三相交流电源，监测三相电压、电流及接触器状态；判断交流输入是否满足系统要求，在交流输入出现过压、欠压、不平衡时自动切断有故障的一路，并切换到另一路供电，系统发出声光告警。装有每相通流量40kA、响应速度为25μs的三相避雷器，能有效地防止雷击对设备造成的损坏。
绝缘监测采用进口非接触式直流微电流传感器，利用正负母线对地的接地电阻产生的漏电流，来测量母线对地的接地电阻大小，从而判断母线的接地故障。这一技术无需在母线上叠加任何信号，对直流母线供电不会有任何**影响，彻底根除由直流母线对地电容所引起的误判和漏判，对于微机接地监测技术是一重要突破。
监控模块是整个直流系统的控制、管理核心，其主要任务是对系统中各功能单元和蓄电池进行长期自动监测，获取系统中的各种运行参数和状态，根据测量数据及运行状态实时进行处理，并以此为依据对系统进行控制，实现电源系统的全自动**管理，从而提高电源系统的可靠性，保证其工作的连续性、**性和可靠性。具有“遥测、遥信、遥控、遥调”四遥功能，配有标准RS232接口，方便纳入电站自动化系统。
整流模块为合闸母线、控制母线提供正常的负荷电流，本身具有LCD汉字显示、操作键盘，模块工作状态和工作参数一目了然，可以带电插拔，具有软件较准，自主均流、ZVS软开关技术。
调压模块无论合闸母线电压如何变化，输出电压都被稳定控制在220（1±0.5％）V，具有带电插拔技术、软开关技术和双向调压特性。直流馈电设有控制输出、合闸输出、电池输入、闪光、事故照明、48V电源输出等。
控制母线有三种途径供电，确保控制母线供电**可靠，其控制母线电压稳定度≤±0.5%，控制母线电压纹波系数≤±0.5%，配有智能直流监控单元，可测量母线电压、电流及开关状态等。电池巡检仪对电池电压进行实时监测，将信息及时反馈到监控模块。
蓄电池全密闭、免维护、无污染、无腐蚀，任何方向可放置使用，使用温度范围宽（－40℃～60℃）；深放电至零伏，24h内充电可恢复；可大电流放电，起动电流大，自放电率极低，具有**防爆排气系统，是理想的操作、控制不间断电源。
二）监控装置
监控装置采用带CCFL背光液晶显示的WZCK-11型微机直流监控装置，它具有多级存储器，能有效及时的存储运行数据，防止数据丢失，其性能及工作原理如下：
1．装置原理框图：（图二）
图二
2．各部分作用及工作原理：
1)综合自动监控系统具备以下功能：
a)电池管理功能，即选择*佳的充电方式或充电规律，以提高蓄电池的实际蓄电容量和使用寿命；
b)交流电源中断时的自动处理功能，即保证在交流电源停电期间蓄电池不过度放电，以及交流电源恢复供电后对蓄电池组补充充电；
c)对电池(分组)进行实时检测，对电池电压越限能够进行及时的故障报警；
d)监视充电机的工作情况，一旦出现故障能立即将故障组切除并自动投入备用组且发出声光及远程报警信号，通知维修人员对故障进行及时处理；
e)对母线和主要支路的熔断器进行监视，若出现熔断器熔断现象能及时发出声光及远程报警信号，以保证故障及时排除和熔芯的及时更换；
f)监视动力母线和控制母线的对地绝缘电阻，当其小于某一设定值时，能及时准确的发出声光及远程报警信号；
g)对检测到的故障数据，如控母电压过高、控母电压过低、控母电压纹波超限、交流失电、缺相等及时存储；
h)具有远方通讯接口，以保证调度中心对操作电源工作状态的了解及远程控制，即具有遥控、遥信、遥调、遥测功能。
2)模拟量测量：采用带数字显示及通信接口的智能变送器完成模拟量测量。
a)PCL-813B(模拟量输入)：模拟量输入模块为32路单端隔离，12位分辨率，可编程输入范围设定，完成对系统中主要物理量(如两台充电机的输出电压、电流，两段控制母线的电压、电流，两套电池组的充电电压和充电电流，三相交流输入电压、电流，环境温度等)的检测、两段直流母线对地绝缘电阻的检测和对蓄电池组的分组巡回检测等。
b)PCL-728(模拟量输出)：模拟量输出模块有2路12位分辨率光电隔离模拟量输出卡2块，用于对两台充电机输出电压、输出电流的调节。第三台备用机采用本机自控工作方式，只在两台主充电机中有故障退出而需要备用机投入时，接受监控系统发出的开机命令投入运行，在故障机修复投入运行后便自动退出。
3)整流器控制单元：进行整流器的输出电压调整、电池充电电流限流的执行单元，以模拟量输出的形式连到“整流器外控端口”
4)开入量采集：采集直流系统的报警量、状态量、馈线开关位置。
PCL-722(数字量输入)：144路数字量输入／输出卡，模拟8255状态0，用以实现对主要回路熔断器的监视。
5)继电器干节点输出：以无源节点的形式扩展监控的报警指示、整流器开关机等功能。12路继电器输出，用于对各充电机交流电源开关及蓄电池总开关的控制，及电池巡回检测的选组及直流母线绝缘电阻的选线控制。
6)绝缘监测：分别检测直流正、负母线对地电阻，两段母线共有两套检测电路。检测电路原理如（图三）所示。
图三
图中，Rd1和Rd2分别表示直流正负母线对地电阻。CB为来自工控机工作站的控制信号，给CB以高电平，VT1导通，继电器K1带电，常开触点闭合，则由直流正母线＋KM1、限流电阻R2、光耦O1、K1的常开触点、地、直流负母线对地电阻Rd2到直流负母线－KM1，形成一电流通路。该电流经光耦隔离、转换、阻容滤波后，输入计算机，根据该电流的数值和直流母线电压值及限流电阻值，可计算出Rd2的数值。给CB以低电平，VT1关断，K1失电，常闭触点闭合，则由直流正母线+KM1、直流正母线对地电阻Rd1到地、K1的常闭触点、光耦O2、限流电阻R1、直流负母线－KM1，形成一电流通路。该电流经O2隔离、转换、阻容滤波后，输入计算机，同样的方法，可以求出Rd1的数值。(5)数字量输出电路。本系统采用继电器输出来控制一些主要电气开关的闭合与断开，由于继电器触点容量有限，必须考虑用中间继电器等来加大触点容量。
7)交流量监测：三相交流电压值和三相交流电流值的检测部分，用交流互感器进行检测，各充电机输出电压、输出电流值和各直流母线电压、电流值的检测部分，用霍尔模块作检测元件，同时实现信号变换和隔离功能。
8)电池巡检：电池巡回检测电路，包括电池组的切换和电池组电压的输入两部分。电池组切换时，须同时切换电池组的正负两极，电池电压的输入部分应和工控机的工作电源实现电气上的隔离，后者对于保证直流操作电源监控系统的正常工作非常重要。
3．装置系统性能
带CCFL背光的240 X128点阵液晶显示，对比度可调整
51单片机扫描键码智能化处理，实现按键输入“零“等待
扩展10路光电隔离串口，RS232、RS485／RS422任选
采用多级存储，即将DOS系统文件、主控运行程序、基本配置数据文件等固化于EPROM芯片内将运行时需要实时保存的信息存放于另行扩展的一片NVRAM内，这样就保证了数据的存储可靠，不易丢失，增加了系统的可靠性和稳定运行
智能变送器采集模拟量
智能开关量采集
智能开关量输出控制
分级控制原理，在主监控装置下级针对整流器的控制设一智能控制单元，可设定**运行值。当主监控因故丧失功能时，可由该控制器保证整流器的浮充运行，确保系统电压正常
4．工作流程
装置的工作过程为：微机测控装置通过RS485通信总线，从下级各设备采集数据，包括开入量、模入量、电池单只电压、母线绝缘电阻、交流输入电压，获得系统的运行状态并在液晶屏上显示。根据系统的运行状态和程序预先设定的控制策略，对整个直流电源系统进行管理，作出控制决策，通过RS485通信总线把控制信息下发给“整流器控制单元”或“继电器干节点输出单元”，直流系统异常时除在人机接口上显示相应信息外还可通过“继电器干节点输出单元”发出报警信号并将要保存的信息保存在扩展存储器里。在整个过程中，监控装置可把系统运行状态及相关各量通过通信端口上传至“综自监控系统”，同时还可通过另一通信口将信息传送到“远方维护工作站”。整个过程的实现通过软件Visual C++，人机界面友好，全图形操作，支持无级放大、缩小、漫游、开窗等多种功能，使操作人员在观察细节和全局数据时得心应手，采用开放式操作系统Windows2000/NT,使系统的配置更加灵活方便。其软件功能实现如（图四）所示：
软件功能模块框图（图四）
四、软件设计
监控系统采用VASUALC++ 进行编程，分三部分：其一是现场工作站的检测与控制程序，其二是上位机(中调计算机)的四遥(遥控、遥测、遥信、遥调)接口界面程序，其三是工作站和上位机之间的串行通讯程序。
1.现场工作站的检测与控制程序,该部分程序分主窗口菜单程序、正常屏显和自动程序等三部分。
a)主窗口菜单程序:主窗口菜单程序由口令保护、调节与控制、物理量检测、电池巡检、故障检测与诊断等构成。口令保护用于限制非授权人员的操作；调节与控制菜单设有开关机控制、充电方式切换、主要参量调节、核对性放电等四个子菜单，分别实现人为的开关机操作和充电方式切换及对主要给定量的在线调节等功能。为易于进行人机对话，充电方式切换、主要参量调节和核对性放电等三个子菜单分别启动实现对应功能的三个子窗口。主要参量调节设置了每个参数的上下限，以保证系统主要参量的调节在允许的范围内进行。核对性放电监视电池电压当电池电压下降到其下限值时或电池电压不到下限值但放出的电池容量已达到电池的额定容量时停止核对性放电。在放电子窗口中，显示放电过程中电池电压和放电电流的实际值及上次放电终了时的电池电压以及上次实际放出的电池容量，供电池维护人员参考。物理量检测给用户提供了了解系统中任意物理量的实际数值的用户界面。为保证主要物理量的检测精度，对每一个主要检测支路和A/D输入都采用10段3点二次插值法进行数值处理。电池巡检给用户提供了自动巡检、手动抽检、查看故障电池等三个检测方式，并显示出当前电池的编号和电压值及所有故障电池的编号。故障监视及诊断设有交流失电、缺相，控制母线过压、欠压、纹波越限，充电机过流，直流母线对地绝缘电阻越限和主要回路熔断器熔断等故障监视和声光及语音报警功能。
b)正常屏显:正常屏显主要显示两段控制母线的电压、电流值和三台充电机的工作状态等信息。
c)自动程序:自动程序用主窗口定时器控件来实现。主要完成以下任务：
(1)采集系统主要参量，并判断其数值是否越限；
(2)控制两台充电机的充电过程，保证蓄电池组处于 *佳的充电状态；
(3)分析并执行来自上位机的遥控、遥调命令；
(4)刷新显示；
(5)监视主要熔断器状态；
(6)蓄电池巡回检测；
(7)向上位机发送运行信息。
2.上位机程序:上位机程序的目的是为操作管理人员提供一个了解操作电源运行信息和对操作电源进行遥控、遥调的远程交互接口。程序主要由界面程序和通信程序两部分组成，界面设计完全仿照工控机工作站的程序界面,该系统的人机界面具有Windows界面的风格，提供工具条、状态条、工具提示以及对话框等，方便用户与计算机系统进行交互操作的手段，使熟悉Windows操作的用户能很快掌握使用。弹出菜单的使用使得用户在画面的任意位置上点击鼠标都会弹出与该图元有关设备的选择操作信息，无须烦琐的选择。操作界面主窗口采用了多文档形式，可使多个界面窗口同时显示于主窗口中，同时支持子窗口的上下、左右平铺或层叠、劈分显示，并且可以全部选中打开或全部关闭，方便运行监控人员对各个部分实时信息的监视.
3. 串行通信程序:串行通信程序的任务是实现直流操作电源的四遥功能，采用一对一的对等通信方式，通过MScomm控件实现。该系统采用发送和接收定长数据段的通信方法。对操作电源的运行信息，进行定时发送；对来自上位机的遥控、遥调命令，采用中断接收、定时处理的编程方法。上位机中的通信程序采用中断接收、定时处理、随时发送遥控及遥调命令的编程方式。为可靠起见，对每一个数据信息包都连续发送三次。接收程序则要取连续接收的三个数据进行比较，只有当这三个数据中有两个以上相同时，才认为是有效数据。
五、通信功能
装置共有10路光电隔离的串口，接口类型为RS232、RS485/RS422任选，波特率从1200～115200可设定。对后台通信有多种通信规约可选，监控本身已实现的有：
*自定规约
* MODBUS规约
* CDT规约
* 101规约
* 103规约
六、优点
这套直流监控系统，设备经过三年来的运行，技术指标合理，各项参数显示正确，操作方便、直观，自动化程度高，维护工作量大幅度减少，设备保护功能齐全，能可靠动作。反映故障及时且准确无误，对电池能自动管理无须专人维护，设备运行稳定可靠，从未发生影响设备正常运行的现象。其优势主要体现在以下几个方面：
1.智能高频开关电源纹波系数小，输出稳定。
2.高频开关电源采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200μs内调整完成，过冲小于5％。
3.智能高频开关电源噪音小，模块采用上等风机降温，保证了模块元器件正常工作，使值班人员的工作环境大大改善。
4.采用阀控式密封铅酸免维护蓄电池，既减少了对环境的污染，又减轻了维护人员的工作量，起到了一次性投资，终身受益的效果。
5.监控装置的全部自动化，大大提高了设备的运行效率，上位机操作界面简单，**可靠，避免了运行人员的误操作，减少事故的发生。
6.庞大的数据管理单元，可以储存大量的实时数据和历史数据，利于查询和访问。
七、结论
该套系统性能稳定，精度高，**、可靠性强，自动化程度高，为电厂的稳定运行及高效发电提供了可靠的技术保障，带来了丰硕的经济效益。