1 序 言
发电厂和变电站中的电力操作电源又简称直流屏，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。现代科学技术，尤其是计算机技术和通信技术的发展，使电力系统向着综合自动化、电站无人值守和网络化集中管理的方向发展，作为电力系统重要组成部分的电力操作电源系统也因此出现了更新和更高的要求, 从电源质量、可靠性到自动化程度都有待进一步提高。
本文结合高频开关技术、计算机技术和自动化技术，设计了一种无人值守或少人值守的直流屏。其监控系统采用集中管理、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，是传统相控电源新一代的替换产品。
2 直流屏监控系统
本直流屏采用分散控制、集中管理的监控模式，系统由主监控模块单元、n+1冗余式的高频开关整流模块单元、蓄电池管理单元、绝缘监测单元和dc/dc降压模块单元构成，各模块都有自己独立的监控程序，共同组成直流屏的监控系统，其结构框图如图1所示。模块间具有rs-485串行通信通道，主监控单元为系统的主模块，其余模块均为从模块，接受主监控单元的管理，主监控单元可经rs-232串口与上位机通信，或由rs-232通过modem与远方计算机通信。
2.1 主监控模块
主监控单元是监控系统的神经中枢，由80c196kc作主控芯片，经rs-485通道对所有的模块进行集中管理：接收串口对充电模块、电池管理模块及绝缘监测模块进行管理，接受它们上传的数据和报警，向电池管理模块发送设定的电压、电流及温度的报警限值；向绝缘监测模块发送绝缘报警设定值，根据蓄电池工作情况或人为操作指令向充电模块发送均、浮充命令以及均、浮充电压、电流的设定值。主监控单元具有良好的现地人机接口，可接收键盘输入，对各模块的报警参数、充电参数进行设定，根据输入指令在数码管上显示指定的监测值。直流屏通过主监控单元还可接受上位机或远方的控制，实现“四遥”功能。
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此外，主监控单元本身具有监测三相交流输入电压、合闸/控制母线的电压、电流、电压纹波及母线绝缘状况的功能。
2.2 高频开关整流模块及降压调节模块
电力电子技术的发展，高频开关技术的成熟，使得以n+1冗余的igbt高频开关整流模块并联运行方式供电代替传统的相控整流方式成为必然。高频开关整流具有体积小、重量轻、效率高、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出等优点；n+1冗余的模块并联运行供电方式，任一整流模块故障不影响系统运行，并可实现不停电更换，使系统运行可靠性大大提高，代表了直流电源系统的发展方向。作为监控系统的重要组成部分，每一整流模块内置单片微处理器，具备独立监控的能力，可对充电电压、电流实现数字化的控制，并经rs485与主监控单元通信。
传统的合闸母线与控制母线间的降压环节多采用硅链或硅堆降压来调节控母的电压，为有级调节，精度不高。本直流屏采用内置微处理器的igbt高频开关降压型dc/dc变换器来调节合母和控母间的电压，实现了对控制母线电压自动、连续的调节，在合闸母线电压大范围波动时也能保证控制母线电压的稳定，体积小，精度高，性能好。该降压环节同样通过内置微处理器的串口接受主监控单元的管理。
2.3 蓄电池管理单元
为了保证蓄电池组的正常工作，延长其寿命，需要实时监测电池组电压、电流和电池室温度，对蓄电池单体电压、温度进行巡检，以及时发现异常电池，确保直流系统的运行安全。
蓄电池的监测量中，单体电压是一重要参数，是判断单体电池故障的重要依据。单体电池电压的检测方法有构造电阻网络提取电压、v/f转换无触点采样和继电器切换提取电压等等。前两种方法存在误差积累、电路参数匹配和温度影响等问题。采用继电器切换提取电压的方法电路简单、精度高。其原理如图2所示，每一电池配备一双刀继电器，由单片机控制切换，每次只将一个电池正负极同时接入传感器，该传感器带隔离作用，传感器输入经过a/d转换和数据处理即可得单体电池电压。该测量方案由于对电池端电压为直接采样，不需要大量的分压电阻，没有误差积累的情况，也没有压频转换中受温度影响的问题，只要传感器精度足够高，所测电压就较准确。
2.4 绝缘监测单元
发电厂、变电站的直流系统比较复杂，而且通过电缆线与室外配电装置的端子箱、操作机构相连，发生接地的机会较多。直流系统发生一点接点时，由于没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。但是，这种接地故障必须及早发现，否则发生另一点接地时，有可能引起信号回路、控制回路、继电保护回路和自动装置回路的误动作。所以，对直流系统进行绝缘监测是十分必要的。
目前，国内外主要有“电桥法”、低频探测法、高频探测法和“差流检测法”几种绝缘监测方法。我们采用的“差流检测法”具有其他方法所不及的优点：直接定位接地支路号及其正、负极，可计算得接地电阻阻值；易于实现支路巡检；不受直流系统分布电容的影响；不对直流系统注入信号，因而不对直流系统产生任何不良影响。其工作原理如图3所示。
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图中，hl1、hl2和hl3表示接在各供电支路上靠近直流屏支路开关处的霍尔电流传感器，当该支路无漏电流（即该支路无接地情况）时，经过传感器正负支路上的电流大小相等，方向相反，对应支路霍尔电流传感器无输出。当某一支路出现故障，如3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rr到地，再经过地到负极的固有电阻rg，形成一漏电流ir，ir从地到直流负极流经的是分布参数，若有n条支路，则流过每一支路的电流近似为ir/n。因而从位于3号支路的霍尔电流传感器可检测到的电流大小约为ir的
。这样，根据u+、u-和ir的数值，就可求得接地电阻的数值，根据霍尔传感器输出电压的正负，可以判断出接地故障所在线缆的极性。
3 结束语
本文介绍的这种直流屏监控系统，在总体上具有高频化、模块化、智能化的特点，在各环节的具体工作方式上采用了最新的技术，扩大了系统的监测范围，提高了系统的自动化程度和可靠性，反映了当前直流屏监控系统发展的趋势。
参考文献：
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[3] 李晓明，梁军，张沛云，苏文博. 直流系统接地点探测新原理. 电力系统自动化，2000(10),55~56.
[4] 王爵，黄山，黄念慈. 新型直流屏蓄电池检测装置. 电测与仪表，2001(2),17~ 19.
[5] 黄念慈，黄山.电站直流电源系统的新技术电工术技术2000(12).
作者简介：
朱 莉 女，1975年6月生，研究生，研究方向为电力电子设备的计算机控制；
赵莉华 女，1968年生，副教授，研究方向为电力电子设备的计算机控制；
黄念慈 男，1945年生，教授，研究方向为电力电子技术。
