李 剑

（国网太原供电公司，山西 太原 030012）

0 引 言

变电站在电力系统中的作用主要是对电压和电流进行变换和分配，是电网系统的基础设施。在用电负荷不断增加、电网规模进一步扩大的环境下，采用自动化技术提高变电站运行管理水平，向用户提供更优质的服务，是电网智能化发展的核心要素。变电站直流系统主要为设备控制、保护操作以及断路器等设备运行提供直流电源，直流系统运行时间较长、环境复杂，出现故障的概率较大。如果直流系统馈电线路出现故障，需要进行精准定位，及时采取应急措施，降低故障造成的停电影响和经济损失。直流馈线故障处理是变电站智能化控制的重要基础，对直流馈线进行精准、有效的定位不仅可以快速发现故障，而且可以及时采取应对措施。随着电网规模的不断扩大，人们对电网服务的质量要求越来越高，在科学技术的推动下，电网智能化程度不断提升，将会实现直流馈线故障自动化检测，给电网安全、可靠运行提供有力保障。

1 智能变电站直流系统概述

智能变电站主要作用是调整电力系统中的电压及电流，并且重新分配给输电线路。变电站中将所有电气设备划分为一次设备、二次设备。直流系统作为二次设备，对一次设备起到保护和监控等作用。直流系统为变电站提供发送信号、自动保护、故障照明、断路器合闸操作。直流系统单独进行供电，不受变电站及其他电力系统的影响，如果遇到突发状况导致大面积停电，直流系统将充分发挥其独立备用电源的作用，确保快速恢复电力系统的正常运行。通过直流系统对输入/输出过压保护、输出限流保护、输出短路保护以及对直流系统中的各个功能单元、蓄电池组进行实时监控，获取设备的各种参数信息，根据监测数据判断设备的运行状态，实现对电网系统的智能化管理[1]。直流系统具有绝缘监测功能，包括母线绝缘监测和馈线绝缘监测单元，在对电力系统的对地电阻进行实时监测的过程中，当直流系统中出现接地故障时，该模块会进行主动识别，并发送告警信号。电池巡检模块是对蓄电池组的电压情况进行实时监控，通过对蓄电池组电压进行监测，与设定值进行比对判断蓄电池是否存在故障。开关量检测模块是对断路器进行在线监测，如果断路器发生开合闸动作，该模块会检测到断路器熔断的具体位置，现阶段开关量检测模块可以收集多路开关量的告警输出。

2 直流馈电线路主要故障类型

2.1 直流接地故障

直流系统故障对电力系统会造成巨大影响，加之直流线路分布广泛、工作环境恶劣，导致在众多故障类型中由于线路绝缘老化导致与大地相连的故障较为常见。一旦出现直流线路接地的现象，将会造成非常严重的后果。常见的导致接地故障的因素包括材料、施工、环境、人为等因素。其中，材料因素包括线缆本身的机械强度较小，易受到外力影响而破损，如磨损、压断、过流引起的烧伤等都会造成线缆绝缘损坏而出现接地故障。此外，广泛的线缆分布也导致接线处成为直流系统的薄弱环节，由于接线盒密封不严、接线头绝缘受损等都会导致直流系统接地故障。施工因素包括不按照规范进行施工、直流设计不科学、后期检修工作不到位。环境因素包括雨雪天气，会导致线缆敷设区域存在大量积水，如果排水工作不到位会导致接线盒进水、电气设备受潮等，这些问题都会加速电缆线路绝缘老化、接线处生锈等而发生接地故障。人员因素包括工作人员关注度不够、接线不规范，施工时对线缆造成的损伤，接头裸露，未及时给设备增加防排水设施等，都会引发接地故障[2]。

2.2 直流接地故障的危害

如果在直流系统中出现接地故障，原本应起到保护作用的二次设备会产生误动作，无法起到应有的保护作用。通常，继电保护设备的正负极与电源直接相连，在接地情况下，正极与大地相连构成回路，出现误动作，如果出现多点接地的现象，同样会造成继电保护设备的误动作。同时，多点接地会引发开关拒动及保险丝熔断等现象，严重时会烧毁继电器。直流系统馈电网包括环形供电网和辐射供电网2种形式。其中，环形供电网是将电源与符合点连接成环状供电线路；辐射供电网是指以直流柜上的直流母线为中心形成辐射状供电网络。环形供电网虽然可以提高设备运行的稳定性，但是当环形供电网出现接地故障时，由于各个支路环形网与母线并联，出现接地故障的电流会随之分流，增加支路选线的难度。此外，大多数情况下，直流系统的绝缘状态表现极不稳定，发生故障的偶然性较大，给日常检测增加了极大的难度。

3 智能变电站直流馈线监测系统设计

智能变电站直流系统馈线故障监测系统的提出，不仅可以有效提升故障定位的精确度，而且可以极大地降低人工排查的工作强度。借助智能化控制技术对变电站直流系统运行的状态信息进行采集、收集、分析，实现故障精准定位和远程控制。当发现馈线故障时，可以快速锁定故障发生的范围，并快速完成故障隔离，协助电网工作人员快速修复故障区域的同时，还可以有效降低因停电造成的经济损失。智能变电站直流馈线监测系统利用可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），通过编程软件实现智能化控制，提高设备运行的稳定性。在现代技术的推动下，PLC将会拥有更加丰富的控制功能，可以进行大量烦琐的数据计算，满足电网系统智能化控制需求。本文研究的智能变电站直流馈线故障检测系统主要由上位机、通信模块、测控单元组成[3]。

3.1 上位机设计

本文研究的智能变电站直流馈线故障检测系统的上位机以单片机为控制核心，配合电源、继电器、通信线路、检测传感器等设备实现对变电站直流系统的远程监控。本文研究的智能变电站直流馈线故障检测系统主要采用C8051F 040单片机，该单片机配备高速内核处理器且具备极强的兼容性，可广泛应用于标准汇编器和编译器进行软件开发，同时支持在线编程，不占用单片机自身的内存资源，提高工作效率。此外，智能变电站直流馈线故障检测系统的上位机程序根据单片机中各个软件对应的地址发送对应的指令，并等待单片机的返回信息帧，通过整个动作的完成情况来判断单片机是否顺利接受指令并做出相应的动作。

3.2 通信模块设计

智能变电站直流馈线故障检测系统的通信模块是连接上位机和测控单元之间的桥梁，通过（Controller Area Network，CAN）总线完成通连接信。每一个单片机都内嵌有CAN控制器，完成对不同种类信息的处理。CAN通信总线支持一对多的数据传输，对于直流系统有较强的适用性。在CAN通信总线信息传输过程中，最先访问总线的单元可以获得优先权，如果多个单元同时发送信息，发送高优先级信息的单元可获得优先发送权。此外，CAN通信总线具有较高的传输速率、纠错能力及抗干扰能力。CAN通信总线使用通信数据进行编码，有效实现了不同的节点同时接收相同的数据，增强了CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性，极大地提高了智能变电站直流系统的可靠性和灵活性。

3.3 测控单元设计

智能变电站直流馈线监测系统测控单元主要由馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU）组成，FTU具有遥控、遥测、遥信及故障检测功能，测控单元设计如图1所示。借助CAN通信总线完成FTU与上位机之间的通信连接，提供直流系统中各个设备的运行情况以及各种参数即监测控制所需信息，包括变电站直流系统的运行状态参数、接地情况、故障类型、故障发生的位置等信息，并执行控制中心发出的指令，对变电站直流系统进行远程监控和故障处理，实现智能化操作，并且对故障进行快速响应、精准定位以及及时恢复供电等，最大限度地降低故障停电造成的损失[4]。FTU对智能变电站的安全、可靠运行有着直接影响，本文研究的智能变电站直流馈线故障检测系统测控单元主要采用轻量化的小机箱，减少了风扇和硬盘，同时配备了独立电源板、通信板、保护控制主板、遥信板和交流输入板，提高了系统的稳定性。由于FTU需要收集的信息种类众多，对于数据传输速率的要求较高，同时需要进行大量的运算，因此高性能芯片ADSP-BF531处理器成为最佳选择。

图1 测控单元结构

4 结 论

在现代科学技术的推动下，电网智能化程度越来越高，通过远程监控方式，实时检测智能变电站直流系统的运行状况，可以有效降低人工检测的劳动强度。在智能变电站直流馈线故障检测系统中，采用智能化控制技术使系统运行更加高效，借助模拟滤波器等抗干扰技术使信息采集更加精准、可靠，通过自动化技术和无线通信技术实现对故障点的精准定位，提高故障检测效率。相信在智能化技术不断优化升级的过程中，变电站直流馈线故障检测技术也将日趋完善，从而有效提升电网运行的可靠性。