分層分布式水電站直流電源監控系統的制作方法
【專利摘要】分層分布式水電站直流電源監控系統，包括現地監控中心、遠方監控中心兩級監控模式，兩級間采用Modbus規約通過RS485接口進行通信；現地監控中心，包括PLC智能監控單元、觸摸屏、充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元、開關量采集單元、交流配電單元、復數個充電模塊、電池組、降壓硅鏈、合母控母輸出單元；觸摸屏通過RS232接口連接PLC智能監控單元。本實用新型的穩定性高、噪聲小、控制精度高、與后臺的變電站RTU裝置或電廠計算機監控系統DCS以RS485方式相連、更加自動化、適用環境廣。
【專利說明】分層分布式水電站直流電源監控系統
【【技術領域】】
[0001]本實用新型涉及發電廠、水電站以及各類變電站中的二次設備，具體一涉及一種分層分布式水電站直流電源監控系統。
【【背景技術】】
[0002]我國發電廠、水電站以及各類變電站中正在運行的直流操作電源系統有很多仍是較落后的陳舊設備，存在較多的缺陷，引發了不少事故，而造成重大損失。鉛酸蓄電池對溫度的反映較靈敏，對充電裝置要求嚴格，不允許過充和欠充。如果仍采用陳舊落后的充電裝置，出于其穩壓，穩流精度低，紋波系數高，可能造成蓄電池的壽命降低甚至本體漲裂損壞，而使整個直流系統癱瘓。
【
【發明內容】
】
[0003]本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種分層分布式水電站直流電源監控系統，其穩定性高、噪聲小、控制精度高、與后臺的變電站RTU裝置或電廠計算機監控系統DCS以RS485方式相連、更加自動化、適用環境廣。
[0004]本實用新型是這樣實現的:
[0005]分層分布式水電站直流電源監控系統，包括現地監控中心、遠方監控中心兩級監控模式，兩級間采用Modbus規約通過RS485接口進行通信；
[0006]所述現地監控中心，包括PLC智能監控單元、觸摸屏、充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元、開關量采集單元、交流配電單元、復數個充電模塊、電池組、降壓硅鏈、合母控母輸出單元；
[0007]所述觸摸屏通過RS232接口連接所述PLC智能監控單元；
[0008]所述充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元及開關量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監控單元；
[0009]所述充電模塊監視單元連接所述復數個充電模塊；所述交流電壓測量及雙電源切換單元連接到所述交流配電單元；所述電池巡檢單元和所述蓄電池電流及負荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監視及電壓調整單元連接到所述降壓硅鏈；所述絕緣檢測單元和所述開關量采集單元連接到合母控母輸出單元。
[0010]進一步地，所述合母控母輸出單元包括合閘分路單元和控制分路單元。
[0011]本實用新型的優點在于:1、分散控制、集中管理；2、靈活性和可擴性好；3、較強的數據通信能力；4、分層分布式監控系統各層分工明確，現地監控單元模塊化設計，每個單元模塊都有獨立的CPU，一個模塊出現故障不影響其他模塊的正常工作，提高了可靠性，且便于維護；5、分層分布式系統信號就近處理，抗干擾能力強。所設計的直流監控系統已在多個中小型水電廠和變電站可靠運行。【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0012]下面參照附圖結合實施例對本實用新型作進一步的描述。
[0013]圖1是本實用新型的總體結構示意圖。
[0014]圖2是本實用新型的充放電管理流程示意圖。
【【具體實施方式】】
[0015]如圖1所示，分層分布式水電站直流電源監控系統，包括現地監控中心、遠方監控中心兩級監控模式，兩級間采用Modbus規約通過RS485接口進行通信；
[0016]所述現地監控中心，包括PLC智能監控單元、觸摸屏、充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元、開關量采集單元、交流配電單元、復數個充電模塊、電池組、降壓硅鏈、合母控母輸出單元；
[0017]所述觸摸屏通過RS232接口連接所述PLC智能監控單元；
[0018]所述充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元及開關量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監控單元；
[0019]所述充電模塊監視單元連接所述復數個充電模塊；所述交流電壓測量及雙電源切換單元連接到所述交流配電單元；所述電池巡檢單元和所述蓄電池電流及負荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監視及電壓調整單元連接到所述降壓硅鏈；所述絕緣檢測單元和所述開關量采集單元連接到合母控母輸出單元。
[0020]所述合母控母輸出單元包括合閘分路單元和控制分路單元。
[0021]現地監控中心，就是通過PLC智能監控單元對各個單元進行集中監控和管理，通過RS485連接方式，讀取充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元、開關量采集單元的數據，采集現場信息并進行數據處理和現場控制。通過RS232通訊方式把采集上來的數據上傳到觸摸屏上面顯示控制。現地監控中心通過PLC智能監控單元與各個單元通訊從而完成現場信息采集和現場控制任務。硬件上按功能劃分成多塊分布式模塊板，各功能模塊板均以低成本增強型單片機P89LPC938為核心，該單片機具有內置的A/D、Watchdog和EEPR0M，簡化了現地監控模塊的外圍電路設計。不同的現地監控模塊根據功能要求設計不同的外圍接口電路，主要的外圍接口電路有:信號切換調理電路、隔離電路、RS485通信接口、模塊地址設置電路、報警輸出電路及電源電路等。
[0022]遠方監控中心，主要是處理和顯示現地監控中心上傳上來的現場信息，并通過現地監控中心下達指令實現直流系統的遠方控制。遠方監控中心的監控軟件實現與現地監控中心的數據交換。主要完成各模塊的越限值、報警信息、開關量、模擬量等的管理，實現遠方控制功能。采用Delphi7.0編寫，數據庫為SQL Server 2000。
[0023]正常情況下，由充電模塊向電池組進行均/浮充電的同時，向經常性負荷供電；當控制負荷或動力負荷需要較大沖擊電流(比如斷路器分/合閘)時，由電池組及充電單元共同供電；當廠、所用電中斷的情況下，由電池組單獨供電。
[0024]PLC智能監控單元選擇具有可擴展多通信接口、采集各個模塊的數據。負責對各單元運行狀態與數據的采集、顯示及系統單元運行參數的設定，并控制各單元的正常運行。高性價比的PLC具有可擴展性強、設計簡單靈活、抗干擾能力強等優點，較之于工控機，無硬盤、風扇等旋轉部件，可靠性大大提高。采用永宏FBs-lOMCTD型PLC作為主控制器，PLC主機自帶I個RS232接口 PortO用于同觸摸屏通信。擴展4個RS485通信接口，其中2個通信口 Portl、Port2采用附加通信模板FBs_CB55，另外2個通信口 Port3、Port4采用外擴通信模塊FBS-CM55。其中Portl用于與各現地監控模塊通信，Port2用于與各充電模塊通信，Port3用于與遠方監控中心通信。Port4為預留通信接口。本PLC程序在完成對PORTO?3串口初始化和時基10ms的內部定時器開中斷后，循環執行與遠方監控中心通信及充電模塊數據處理、報警信息管理、對現地的控制、對充電模塊的充放電管理、參數設置管理、與觸摸屏通信、密碼管理、通信規約轉換等子程序。與現地監控中心各個模塊的通信通過10ms定時中斷服務程序來完成，每中斷一次完成與一個現地模塊的通信。
[0025]觸摸屏通過RS232與PLC智能監控單元通訊，實現實時顯示各單元設備的各種信息，包括采集數據、設置參數，報警數據等，方便隨時查看整個系統的運行情況。采用WEINVIEff公司的MT6056i。與各個現地監控中心各模塊的通信規約均采用Modbus，而采用的美國艾默生HD系列充電模塊的通信規約為該公司自定義的。因此，為保證通信的可靠性、實時性及軟件設計的方便性，現地監控PLC采用2個不同的通信接口分別與現地監控中心及充電模塊通信。現地監控中心的報警輸出由PLC的輸出觸點驅動繼電器實現。
[0026]充電模塊由N+1個充電模塊組成，充電模塊采用世界著名的電源生產廠家一美國艾默生公司生產的高頻開關電源模塊。充電單元由兩個以上高頻開關電源模塊組成，采用(N+1)冗余方式并聯組合供電。在正常運行狀態下，充電單元對電池組進行充電或浮充電，同時為經常性負荷提供直流電源。最后通過RS485通訊，把各個充電模塊的實時充電數據發送到PLC智能監控單元進行數監控顯示。
[0027]充電模塊監視單元。采用智能型高頻開關充電模塊，考慮安全性和穩定性，按N+1原則備份充電模塊。充電模塊采用自動的充放電控制方式。通過現地監控中心上的充放電管理程序，控制充電模塊對蓄電池充放電進行智能管理。下面以100Ah/DC220V直流系統為例(采用美國艾默生公司生產HD系列智能型高頻開關充電模塊和閥控式密封鉛酸蓄電池組)，說明其充放電過程及軟件的實現。對蓄電池初充電后，現地監控中心的PLC首先對充電模塊發送調整模塊輸出電壓命令，使充電模塊輸出電壓為浮充電壓234V,對電池組恒壓浮充電，必要時進行溫度補償；當達到均充條件:浮充時間達到720h或交流輸入中斷超過1min后恢復供電，PLC先發送調節充電模塊最大輸出電流命令(通過設置充電模塊限流比)限制充電模塊輸出電流的最大值為0.1C10A，接著發送調整模塊輸出電壓命令，使得充電模塊輸出電壓為均充電壓244V，這樣充電模塊輸出電流恒定維持在0.1C10A，對電池組恒流充電；在此充電過程中電池組內電勢逐漸升高,當電池組內電勢升高到一定程度時,充電電流開始逐漸減小；當恒壓充電電流小于整定值(0.01C10A)時開始計時，計時3h后，轉入正常浮充電運行狀態；在交流中斷時間大于Ih時，發送控制充電模塊關機命令停止充電模塊運行，此后，交流恢復時發送控制充電模塊開機命令啟動充電模塊，開始均充過程，均充完畢轉為浮充。當系統加裝核對性放電裝置或有源逆變放電裝置時，可通過觸摸屏對電池組設置核對性放電。自動充放電管理的流程如圖2所示。
[0028]交流電壓測量及雙電源切換單元，交流配電單元為充電供交流輸入電源，通常由I路或II路380VAC交流電源向充電單元供電，交流配電單元含有防雷電路和電壓匹配電路，當有雷擊發生時或當交流電源電壓大幅升高時可使充電裝置免受損壞。同時把故障信號及實時交流電壓值通過RS485通訊發送給PLC智能監控單元進行交流電壓檢測。并送往后臺遠方監控中心。
[0029]電池巡檢單元，讀取電池組的實時電壓，每節電池的檢測(取樣)回路均采用進口的無觸點光電開關，既克服了采用機械繼電器而存在的壽命問題，又避免了同行廠家采用電阻分壓取樣造成的積累誤差和累計溫漂問題，從而確保更高的可靠性和檢測精度，并把檢測的結果通過RS485通訊發送給PLC智能監控單元進行電池狀態檢測。每個模塊共能測量18節單體電池電壓和電池組的總電壓，并能進行過壓、欠壓報警指示。
[0030]蓄電池電流及負荷電流測量單元串聯到電池組中，采集負荷電流，及充電電路。并通過PS485通訊，把數據發送給PLC智能監控單元進行實時監控顯示。負責測量蓄電池的充電(或放電)電流和負荷總電流，并進行過流報警。
[0031]母線電壓監視及電壓調整單元測量合閘母線電壓、控制母線電壓。通過改變串接在合閘母線和控制母線間硅鏈的通斷，調整控制母線輸出的電壓。采集輸入合母、控母電壓并進行壓值比較判斷進行調節，由于蓄電池組的均/浮充電電壓通常會高于控制母線電壓范圍，因而需采用電壓調整進行調壓，一般采用多級硅鏈電壓調整，其具有自動/手動兩種調壓方式，正常運行時將轉換開關置于自動位置，裝置處于自動調壓狀態，這時調壓裝置實時檢測控制母線電壓，并與設定值進行比較，根據比較結果，控制硅鏈的投入級數，保證控制母線的電壓調節范圍。當裝置處于手動調壓狀態時，通過轉換開關處于不同的位置，使相應的執行繼電器吸合或分斷來達到投入或切除各級硅鏈的目的，從而保證了控制母線的電壓調節范圍。同時把實時電壓值的數據以及硅鏈投入等級通過RS485發送給PLC智能監控單元進行合母電壓控母電壓的實時監控及顯示。
[0032]絕緣檢測單元，在系統正常運行時實時監測正負母線的對地電壓，在發生母線絕緣下降時發出報警信號，點亮故障燈，并將故障標志上送監控模塊，同時啟動低頻信號投向各支路。最后把采集上來的數據通過RS485發送給PLC智能監控單元，PLC智能監控單元進行整體的顯示控制，當母線絕緣下降時，啟動蜂鳴報警。實現監察母線絕緣狀況和支路絕緣狀況，產生告警信息等功能。
[0033]開關量采集單元，實時監測合母控母輸出單元的開關狀態，該單元是合閘母線和控制母線對下級負荷供電的回路的檢測，并通過RS485把開關量狀態發送到PLC智能監控單元。共能采集32路開關的狀態，主要檢測合閘母線饋線開關、控制母線饋線開關、熔斷器、蓄電池組和母線連接開關、外接設備開關以及兩路交流輸入接觸器的狀態。
[0034]根據不同的電壓等級要求(110VDC/220VDC)，蓄電池組由若干個單體電池串聯組成，作為直流系統重要的一部分，正常運行狀態下，充電單元對蓄電池組進行浮充電，并定期均充，當廠、所用電中斷的情況下，直流電源由蓄電池組提供。
[0035]本實用新型設計可靠性高，主要應用在發電廠、水電站以及各類變電站和用戶變100AH(DC220V系統)或200AH(DC110系統)中，為斷路器分、合閘及二次回路中的儀器、儀表、繼電保護和事故照明提供直流電源。本實用新型是發電廠、水電站以及各類變電站中不可缺少的二次設備之一，它的可靠性直接影響發電廠和變電站設備的安全可靠運行。
[0036]上述實施例和圖式并非限定本實用新型的產品形態和式樣，任何所屬【技術領域】的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本實用新型的專利范疇。
【權利要求】
1.分層分布式水電站直流電源監控系統，其特征在于:包括現地監控中心、遠方監控中心兩級監控模式，兩級間采用Modbus規約通過RS485接口進行通信； 所述現地監控中心，包括PLC智能監控單元、觸摸屏、充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元、開關量采集單元、交流配電單元、復數個充電模塊、電池組、降壓硅鏈、合母控母輸出單元； 所述觸摸屏通過RS232接口連接所述PLC智能監控單元； 所述充電模塊監視單元、交流電壓測量及雙電源切換單元、電池巡檢單元、蓄電池電流及負荷電流測量單元、母線電壓監視及電壓調整單元、絕緣檢測單元及開關量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監控單元； 所述充電模塊監視單元連接所述復數個充電模塊；所述交流電壓測量及雙電源切換單元連接到所述交流配電單元；所述電池巡檢單元和所述蓄電池電流及負荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監視及電壓調整單元連接到所述降壓硅鏈；所述絕緣檢測單元和所述開關量采集單元連接到合母控母輸出單元。
2.如權利要求1所述的分層分布式水電站直流電源監控系統，其特征在于:所述合母控母輸出單元包括合閘分路單元和控制分路單元。
【文檔編號】H02J13/00GK204103599SQ201420526941
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】曾麗燕, 林澤峰, 郭謀發 申請人:福建億華源能源管理有限公司