分层分布式水电站直流电源监控系统的制作方法
【专利摘要】分层分布式水电站直流电源监控系统，包括现地监控中心、远方监控中心两级监控模式，两级间采用Modbus规约通过RS485接口进行通信；现地监控中心，包括PLC智能监控单元、触摸屏、充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元、开关量采集单元、交流配电单元、复数个充电模块、电池组、降压硅链、合母控母输出单元；触摸屏通过RS232接口连接PLC智能监控单元。本实用新型的稳定性高、噪声小、控制精度高、与后台的变电站RTU装置或电厂计算机监控系统DCS以RS485方式相连、更加自动化、适用环境广。
【专利说明】分层分布式水电站直流电源监控系统
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及发电厂、水电站以及各类变电站中的二次设备，具体一涉及一种分层分布式水电站直流电源监控系统。
【【背景技术】】
[0002]我国发电厂、水电站以及各类变电站中正在运行的直流操作电源系统有很多仍是较落后的陈旧设备，存在较多的缺陷，引发了不少事故，而造成重大损失。铅酸蓄电池对温度的反映较灵敏，对充电装置要求严格，不允许过充和欠充。如果仍采用陈旧落后的充电装置，出于其稳压，稳流精度低，纹波系数高，可能造成蓄电池的寿命降低甚至本体涨裂损坏，而使整个直流系统瘫痪。
【
【发明内容】
】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种分层分布式水电站直流电源监控系统，其稳定性高、噪声小、控制精度高、与后台的变电站RTU装置或电厂计算机监控系统DCS以RS485方式相连、更加自动化、适用环境广。
[0004]本实用新型是这样实现的:
[0005]分层分布式水电站直流电源监控系统，包括现地监控中心、远方监控中心两级监控模式，两级间采用Modbus规约通过RS485接口进行通信；
[0006]所述现地监控中心，包括PLC智能监控单元、触摸屏、充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元、开关量采集单元、交流配电单元、复数个充电模块、电池组、降压硅链、合母控母输出单元；
[0007]所述触摸屏通过RS232接口连接所述PLC智能监控单元；
[0008]所述充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元及开关量采集单元分别通过RS485接口连接所述PLC智能监控单元；
[0009]所述充电模块监视单元连接所述复数个充电模块；所述交流电压测量及双电源切换单元连接到所述交流配电单元；所述电池巡检单元和所述蓄电池电流及负荷电流测量单元分别连接到所述电池组；所述母线电压监视及电压调整单元连接到所述降压硅链；所述绝缘检测单元和所述开关量采集单元连接到合母控母输出单元。
[0010]进一步地，所述合母控母输出单元包括合闸分路单元和控制分路单元。
[0011]本实用新型的优点在于:1、分散控制、集中管理；2、灵活性和可扩性好；3、较强的数据通信能力；4、分层分布式监控系统各层分工明确，现地监控单元模块化设计，每个单元模块都有独立的CPU，一个模块出现故障不影响其他模块的正常工作，提高了可靠性，且便于维护；5、分层分布式系统信号就近处理，抗干扰能力强。所设计的直流监控系统已在多个中小型水电厂和变电站可靠运行。【【专利附图】
【附图说明】】
[0012]下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。
[0013]图1是本实用新型的总体结构示意图。
[0014]图2是本实用新型的充放电管理流程示意图。
【【具体实施方式】】
[0015]如图1所示，分层分布式水电站直流电源监控系统，包括现地监控中心、远方监控中心两级监控模式，两级间采用Modbus规约通过RS485接口进行通信；
[0016]所述现地监控中心，包括PLC智能监控单元、触摸屏、充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元、开关量采集单元、交流配电单元、复数个充电模块、电池组、降压硅链、合母控母输出单元；
[0017]所述触摸屏通过RS232接口连接所述PLC智能监控单元；
[0018]所述充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元及开关量采集单元分别通过RS485接口连接所述PLC智能监控单元；
[0019]所述充电模块监视单元连接所述复数个充电模块；所述交流电压测量及双电源切换单元连接到所述交流配电单元；所述电池巡检单元和所述蓄电池电流及负荷电流测量单元分别连接到所述电池组；所述母线电压监视及电压调整单元连接到所述降压硅链；所述绝缘检测单元和所述开关量采集单元连接到合母控母输出单元。
[0020]所述合母控母输出单元包括合闸分路单元和控制分路单元。
[0021]现地监控中心，就是通过PLC智能监控单元对各个单元进行集中监控和管理，通过RS485连接方式，读取充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元、开关量采集单元的数据，采集现场信息并进行数据处理和现场控制。通过RS232通讯方式把采集上来的数据上传到触摸屏上面显示控制。现地监控中心通过PLC智能监控单元与各个单元通讯从而完成现场信息采集和现场控制任务。硬件上按功能划分成多块分布式模块板，各功能模块板均以低成本增强型单片机P89LPC938为核心，该单片机具有内置的A/D、Watchdog和EEPR0M，简化了现地监控模块的外围电路设计。不同的现地监控模块根据功能要求设计不同的外围接口电路，主要的外围接口电路有:信号切换调理电路、隔离电路、RS485通信接口、模块地址设置电路、报警输出电路及电源电路等。
[0022]远方监控中心，主要是处理和显示现地监控中心上传上来的现场信息，并通过现地监控中心下达指令实现直流系统的远方控制。远方监控中心的监控软件实现与现地监控中心的数据交换。主要完成各模块的越限值、报警信息、开关量、模拟量等的管理，实现远方控制功能。采用Delphi7.0编写，数据库为SQL Server 2000。
[0023]正常情况下，由充电模块向电池组进行均/浮充电的同时，向经常性负荷供电；当控制负荷或动力负荷需要较大冲击电流(比如断路器分/合闸)时，由电池组及充电单元共同供电；当厂、所用电中断的情况下，由电池组单独供电。
[0024]PLC智能监控单元选择具有可扩展多通信接口、采集各个模块的数据。负责对各单元运行状态与数据的采集、显示及系统单元运行参数的设定，并控制各单元的正常运行。高性价比的PLC具有可扩展性强、设计简单灵活、抗干扰能力强等优点，较之于工控机，无硬盘、风扇等旋转部件，可靠性大大提高。采用永宏FBs-lOMCTD型PLC作为主控制器，PLC主机自带I个RS232接口 PortO用于同触摸屏通信。扩展4个RS485通信接口，其中2个通信口 Portl、Port2采用附加通信模板FBs_CB55，另外2个通信口 Port3、Port4采用外扩通信模块FBS-CM55。其中Portl用于与各现地监控模块通信，Port2用于与各充电模块通信，Port3用于与远方监控中心通信。Port4为预留通信接口。本PLC程序在完成对PORTO?3串口初始化和时基10ms的内部定时器开中断后，循环执行与远方监控中心通信及充电模块数据处理、报警信息管理、对现地的控制、对充电模块的充放电管理、参数设置管理、与触摸屏通信、密码管理、通信规约转换等子程序。与现地监控中心各个模块的通信通过10ms定时中断服务程序来完成，每中断一次完成与一个现地模块的通信。
[0025]触摸屏通过RS232与PLC智能监控单元通讯，实现实时显示各单元设备的各种信息，包括采集数据、设置参数，报警数据等，方便随时查看整个系统的运行情况。采用WEINVIEff公司的MT6056i。与各个现地监控中心各模块的通信规约均采用Modbus，而采用的美国艾默生HD系列充电模块的通信规约为该公司自定义的。因此，为保证通信的可靠性、实时性及软件设计的方便性，现地监控PLC采用2个不同的通信接口分别与现地监控中心及充电模块通信。现地监控中心的报警输出由PLC的输出触点驱动继电器实现。
[0026]充电模块由N+1个充电模块组成，充电模块采用世界著名的电源生产厂家一美国艾默生公司生产的高频开关电源模块。充电单元由两个以上高频开关电源模块组成，采用(N+1)冗余方式并联组合供电。在正常运行状态下，充电单元对电池组进行充电或浮充电，同时为经常性负荷提供直流电源。最后通过RS485通讯，把各个充电模块的实时充电数据发送到PLC智能监控单元进行数监控显示。
[0027]充电模块监视单元。采用智能型高频开关充电模块，考虑安全性和稳定性，按N+1原则备份充电模块。充电模块采用自动的充放电控制方式。通过现地监控中心上的充放电管理程序，控制充电模块对蓄电池充放电进行智能管理。下面以100Ah/DC220V直流系统为例(采用美国艾默生公司生产HD系列智能型高频开关充电模块和阀控式密封铅酸蓄电池组)，说明其充放电过程及软件的实现。对蓄电池初充电后，现地监控中心的PLC首先对充电模块发送调整模块输出电压命令，使充电模块输出电压为浮充电压234V,对电池组恒压浮充电，必要时进行温度补偿；当达到均充条件:浮充时间达到720h或交流输入中断超过1min后恢复供电，PLC先发送调节充电模块最大输出电流命令(通过设置充电模块限流比)限制充电模块输出电流的最大值为0.1C10A，接着发送调整模块输出电压命令，使得充电模块输出电压为均充电压244V，这样充电模块输出电流恒定维持在0.1C10A，对电池组恒流充电；在此充电过程中电池组内电势逐渐升高,当电池组内电势升高到一定程度时,充电电流开始逐渐减小；当恒压充电电流小于整定值(0.01C10A)时开始计时，计时3h后，转入正常浮充电运行状态；在交流中断时间大于Ih时，发送控制充电模块关机命令停止充电模块运行，此后，交流恢复时发送控制充电模块开机命令启动充电模块，开始均充过程，均充完毕转为浮充。当系统加装核对性放电装置或有源逆变放电装置时，可通过触摸屏对电池组设置核对性放电。自动充放电管理的流程如图2所示。
[0028]交流电压测量及双电源切换单元，交流配电单元为充电供交流输入电源，通常由I路或II路380VAC交流电源向充电单元供电，交流配电单元含有防雷电路和电压匹配电路，当有雷击发生时或当交流电源电压大幅升高时可使充电装置免受损坏。同时把故障信号及实时交流电压值通过RS485通讯发送给PLC智能监控单元进行交流电压检测。并送往后台远方监控中心。
[0029]电池巡检单元，读取电池组的实时电压，每节电池的检测(取样)回路均采用进口的无触点光电开关，既克服了采用机械继电器而存在的寿命问题，又避免了同行厂家采用电阻分压取样造成的积累误差和累计温漂问题，从而确保更高的可靠性和检测精度，并把检测的结果通过RS485通讯发送给PLC智能监控单元进行电池状态检测。每个模块共能测量18节单体电池电压和电池组的总电压，并能进行过压、欠压报警指示。
[0030]蓄电池电流及负荷电流测量单元串联到电池组中，采集负荷电流，及充电电路。并通过PS485通讯，把数据发送给PLC智能监控单元进行实时监控显示。负责测量蓄电池的充电(或放电)电流和负荷总电流，并进行过流报警。
[0031]母线电压监视及电压调整单元测量合闸母线电压、控制母线电压。通过改变串接在合闸母线和控制母线间硅链的通断，调整控制母线输出的电压。采集输入合母、控母电压并进行压值比较判断进行调节，由于蓄电池组的均/浮充电电压通常会高于控制母线电压范围，因而需采用电压调整进行调压，一般采用多级硅链电压调整，其具有自动/手动两种调压方式，正常运行时将转换开关置于自动位置，装置处于自动调压状态，这时调压装置实时检测控制母线电压，并与设定值进行比较，根据比较结果，控制硅链的投入级数，保证控制母线的电压调节范围。当装置处于手动调压状态时，通过转换开关处于不同的位置，使相应的执行继电器吸合或分断来达到投入或切除各级硅链的目的，从而保证了控制母线的电压调节范围。同时把实时电压值的数据以及硅链投入等级通过RS485发送给PLC智能监控单元进行合母电压控母电压的实时监控及显示。
[0032]绝缘检测单元，在系统正常运行时实时监测正负母线的对地电压，在发生母线绝缘下降时发出报警信号，点亮故障灯，并将故障标志上送监控模块，同时启动低频信号投向各支路。最后把采集上来的数据通过RS485发送给PLC智能监控单元，PLC智能监控单元进行整体的显示控制，当母线绝缘下降时，启动蜂鸣报警。实现监察母线绝缘状况和支路绝缘状况，产生告警信息等功能。
[0033]开关量采集单元，实时监测合母控母输出单元的开关状态，该单元是合闸母线和控制母线对下级负荷供电的回路的检测，并通过RS485把开关量状态发送到PLC智能监控单元。共能采集32路开关的状态，主要检测合闸母线馈线开关、控制母线馈线开关、熔断器、蓄电池组和母线连接开关、外接设备开关以及两路交流输入接触器的状态。
[0034]根据不同的电压等级要求(110VDC/220VDC)，蓄电池组由若干个单体电池串联组成，作为直流系统重要的一部分，正常运行状态下，充电单元对蓄电池组进行浮充电，并定期均充，当厂、所用电中断的情况下，直流电源由蓄电池组提供。
[0035]本实用新型设计可靠性高，主要应用在发电厂、水电站以及各类变电站和用户变100AH(DC220V系统)或200AH(DC110系统)中，为断路器分、合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和事故照明提供直流电源。本实用新型是发电厂、水电站以及各类变电站中不可缺少的二次设备之一，它的可靠性直接影响发电厂和变电站设备的安全可靠运行。
[0036]上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属【技术领域】的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
【权利要求】
1.分层分布式水电站直流电源监控系统，其特征在于:包括现地监控中心、远方监控中心两级监控模式，两级间采用Modbus规约通过RS485接口进行通信； 所述现地监控中心，包括PLC智能监控单元、触摸屏、充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元、开关量采集单元、交流配电单元、复数个充电模块、电池组、降压硅链、合母控母输出单元； 所述触摸屏通过RS232接口连接所述PLC智能监控单元； 所述充电模块监视单元、交流电压测量及双电源切换单元、电池巡检单元、蓄电池电流及负荷电流测量单元、母线电压监视及电压调整单元、绝缘检测单元及开关量采集单元分别通过RS485接口连接所述PLC智能监控单元； 所述充电模块监视单元连接所述复数个充电模块；所述交流电压测量及双电源切换单元连接到所述交流配电单元；所述电池巡检单元和所述蓄电池电流及负荷电流测量单元分别连接到所述电池组；所述母线电压监视及电压调整单元连接到所述降压硅链；所述绝缘检测单元和所述开关量采集单元连接到合母控母输出单元。
2.如权利要求1所述的分层分布式水电站直流电源监控系统，其特征在于:所述合母控母输出单元包括合闸分路单元和控制分路单元。
【文档编号】H02J13/00GK204103599SQ201420526941
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】曾丽燕, 林泽峰, 郭谋发 申请人:福建亿华源能源管理有限公司