分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)地監(jiān)控中心、遠(yuǎn)方監(jiān)控中心兩級監(jiān)控模式，兩級間采用Modbus規(guī)約通過RS485接口進(jìn)行通信；現(xiàn)地監(jiān)控中心，包括PLC智能監(jiān)控單元、觸摸屏、充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元、開關(guān)量采集單元、交流配電單元、復(fù)數(shù)個(gè)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(jiān)控單元。本實(shí)用新型的穩(wěn)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)DCS以RS485方式相連、更加自動(dòng)化、適用環(huán)境廣。
【專利說明】分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本實(shí)用新型涉及發(fā)電廠、水電站以及各類變電站中的二次設(shè)備，具體一涉及一種分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]我國發(fā)電廠、水電站以及各類變電站中正在運(yùn)行的直流操作電源系統(tǒng)有很多仍是較落后的陳舊設(shè)備，存在較多的缺陷，引發(fā)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(yán)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(wěn)壓，穩(wěn)流精度低，紋波系數(shù)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(gè)直流系統(tǒng)癱瘓。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，其穩(wěn)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)DCS以RS485方式相連、更加自動(dòng)化、適用環(huán)境廣。
[0004]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0005]分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)地監(jiān)控中心、遠(yuǎn)方監(jiān)控中心兩級監(jiān)控模式，兩級間采用Modbus規(guī)約通過RS485接口進(jìn)行通信；
[0006]所述現(xiàn)地監(jiān)控中心，包括PLC智能監(jiān)控單元、觸摸屏、充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元、開關(guān)量采集單元、交流配電單元、復(fù)數(shù)個(gè)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(jiān)控單元；
[0008]所述充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元及開關(guān)量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監(jiān)控單元；
[0009]所述充電模塊監(jiān)視單元連接所述復(fù)數(shù)個(gè)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(fù)荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)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(guān)量采集單元連接到合母控母輸出單元。
[0010]進(jìn)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(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:1、分散控制、集中管理；2、靈活性和可擴(kuò)性好；3、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信能力；4、分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)各層分工明確，現(xiàn)地監(jiān)控單元模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)單元模塊都有獨(dú)立的CPU，一個(gè)模塊出現(xiàn)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(hù)；5、分層分布式系統(tǒng)信號就近處理，抗干擾能力強(qiáng)。所設(shè)計(jì)的直流監(jiān)控系統(tǒng)已在多個(gè)中小型水電廠和變電站可靠運(yùn)行。【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0012]下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
[0013]圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型的充放電管理流程示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0015]如圖1所示，分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)地監(jiān)控中心、遠(yuǎn)方監(jiān)控中心兩級監(jiān)控模式，兩級間采用Modbus規(guī)約通過RS485接口進(jìn)行通信；
[0016]所述現(xiàn)地監(jiān)控中心，包括PLC智能監(jiān)控單元、觸摸屏、充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元、開關(guān)量采集單元、交流配電單元、復(fù)數(shù)個(gè)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(jiān)控單元；
[0018]所述充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元及開關(guān)量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監(jiān)控單元；
[0019]所述充電模塊監(jiān)視單元連接所述復(fù)數(shù)個(gè)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(fù)荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)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(guān)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(xiàn)地監(jiān)控中心，就是通過PLC智能監(jiān)控單元對各個(gè)單元進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，通過RS485連接方式，讀取充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元、開關(guān)量采集單元的數(shù)據(jù)，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場控制。通過RS232通訊方式把采集上來的數(shù)據(jù)上傳到觸摸屏上面顯示控制。現(xiàn)地監(jiān)控中心通過PLC智能監(jiān)控單元與各個(gè)單元通訊從而完成現(xiàn)場信息采集和現(xiàn)場控制任務(wù)。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(qiáng)型單片機(jī)P89LPC938為核心，該單片機(jī)具有內(nèi)置的A/D、Watchdog和EEPR0M，簡化了現(xiàn)地監(jiān)控模塊的外圍電路設(shè)計(jì)。不同的現(xiàn)地監(jiān)控模塊根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)不同的外圍接口電路，主要的外圍接口電路有:信號切換調(diào)理電路、隔離電路、RS485通信接口、模塊地址設(shè)置電路、報(bào)警輸出電路及電源電路等。
[0022]遠(yuǎn)方監(jiān)控中心，主要是處理和顯示現(xiàn)地監(jiān)控中心上傳上來的現(xiàn)場信息，并通過現(xiàn)地監(jiān)控中心下達(dá)指令實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制。遠(yuǎn)方監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)地監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換。主要完成各模塊的越限值、報(bào)警信息、開關(guān)量、模擬量等的管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制功能。采用Delphi7.0編寫，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2000。
[0023]正常情況下，由充電模塊向電池組進(jìn)行均/浮充電的同時(shí)，向經(jīng)常性負(fù)荷供電；當(dāng)控制負(fù)荷或動(dòng)力負(fù)荷需要較大沖擊電流(比如斷路器分/合閘)時(shí)，由電池組及充電單元共同供電；當(dāng)廠、所用電中斷的情況下，由電池組單獨(dú)供電。
[0024]PLC智能監(jiān)控單元選擇具有可擴(kuò)展多通信接口、采集各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。負(fù)責(zé)對各單元運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)的采集、顯示及系統(tǒng)單元運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，并控制各單元的正常運(yùn)行。高性價(jià)比的PLC具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡單靈活、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較之于工控機(jī)，無硬盤、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)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(jī)自帶I個(gè)RS232接口 PortO用于同觸摸屏通信。擴(kuò)展4個(gè)RS485通信接口，其中2個(gè)通信口 Portl、Port2采用附加通信模板FBs_CB55，另外2個(gè)通信口 Port3、Port4采用外擴(kuò)通信模塊FBS-CM55。其中Portl用于與各現(xiàn)地監(jiān)控模塊通信，Port2用于與各充電模塊通信，Port3用于與遠(yuǎn)方監(jiān)控中心通信。Port4為預(yù)留通信接口。本PLC程序在完成對PORTO?3串口初始化和時(shí)基10ms的內(nèi)部定時(shí)器開中斷后，循環(huán)執(zhí)行與遠(yuǎn)方監(jiān)控中心通信及充電模塊數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息管理、對現(xiàn)地的控制、對充電模塊的充放電管理、參數(shù)設(shè)置管理、與觸摸屏通信、密碼管理、通信規(guī)約轉(zhuǎn)換等子程序。與現(xiàn)地監(jiān)控中心各個(gè)模塊的通信通過10ms定時(shí)中斷服務(wù)程序來完成，每中斷一次完成與一個(gè)現(xiàn)地模塊的通信。
[0025]觸摸屏通過RS232與PLC智能監(jiān)控單元通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示各單元設(shè)備的各種信息，包括采集數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)，報(bào)警數(shù)據(jù)等，方便隨時(shí)查看整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。采用WEINVIEff公司的MT6056i。與各個(gè)現(xiàn)地監(jiān)控中心各模塊的通信規(guī)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(guī)約為該公司自定義的。因此，為保證通信的可靠性、實(shí)時(shí)性及軟件設(shè)計(jì)的方便性，現(xiàn)地監(jiān)控PLC采用2個(gè)不同的通信接口分別與現(xiàn)地監(jiān)控中心及充電模塊通信?，F(xiàn)地監(jiān)控中心的報(bào)警輸出由PLC的輸出觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)。
[0026]充電模塊由N+1個(gè)充電模塊組成，充電模塊采用世界著名的電源生產(chǎn)廠家一美國艾默生公司生產(chǎn)的高頻開關(guān)電源模塊。充電單元由兩個(gè)以上高頻開關(guān)電源模塊組成，采用(N+1)冗余方式并聯(lián)組合供電。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，充電單元對電池組進(jìn)行充電或浮充電，同時(shí)為經(jīng)常性負(fù)荷提供直流電源。最后通過RS485通訊，把各個(gè)充電模塊的實(shí)時(shí)充電數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行數(shù)監(jiān)控顯示。
[0027]充電模塊監(jiān)視單元。采用智能型高頻開關(guān)充電模塊，考慮安全性和穩(wěn)定性，按N+1原則備份充電模塊。充電模塊采用自動(dòng)的充放電控制方式。通過現(xiàn)地監(jiān)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(jìn)行智能管理。下面以100Ah/DC220V直流系統(tǒng)為例(采用美國艾默生公司生產(chǎn)HD系列智能型高頻開關(guān)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(shí)現(xiàn)。對蓄電池初充電后，現(xiàn)地監(jiān)控中心的PLC首先對充電模塊發(fā)送調(diào)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(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；當(dāng)達(dá)到均充條件:浮充時(shí)間達(dá)到720h或交流輸入中斷超過1min后恢復(fù)供電，PLC先發(fā)送調(diào)節(jié)充電模塊最大輸出電流命令(通過設(shè)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(fā)送調(diào)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(nèi)電勢逐漸升高,當(dāng)電池組內(nèi)電勢升高到一定程度時(shí),充電電流開始逐漸減?。划?dāng)恒壓充電電流小于整定值(0.01C10A)時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)3h后，轉(zhuǎn)入正常浮充電運(yùn)行狀態(tài)；在交流中斷時(shí)間大于Ih時(shí)，發(fā)送控制充電模塊關(guān)機(jī)命令停止充電模塊運(yùn)行，此后，交流恢復(fù)時(shí)發(fā)送控制充電模塊開機(jī)命令啟動(dòng)充電模塊，開始均充過程，均充完畢轉(zhuǎn)為浮充。當(dāng)系統(tǒng)加裝核對性放電裝置或有源逆變放電裝置時(shí)，可通過觸摸屏對電池組設(shè)置核對性放電。自動(dòng)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(dāng)有雷擊發(fā)生時(shí)或當(dāng)交流電源電壓大幅升高時(shí)可使充電裝置免受損壞。同時(shí)把故障信號及實(shí)時(shí)交流電壓值通過RS485通訊發(fā)送給PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行交流電壓檢測。并送往后臺遠(yuǎn)方監(jiān)控中心。
[0029]電池巡檢單元，讀取電池組的實(shí)時(shí)電壓，每節(jié)電池的檢測(取樣)回路均采用進(jìn)口的無觸點(diǎn)光電開關(guān)，既克服了采用機(jī)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(jì)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(jié)果通過RS485通訊發(fā)送給PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行電池狀態(tài)檢測。每個(gè)模塊共能測量18節(jié)單體電池電壓和電池組的總電壓，并能進(jìn)行過壓、欠壓報(bào)警指示。
[0030]蓄電池電流及負(fù)荷電流測量單元串聯(lián)到電池組中，采集負(fù)荷電流，及充電電路。并通過PS485通訊，把數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。負(fù)責(zé)測量蓄電池的充電(或放電)電流和負(fù)荷總電流，并進(jìn)行過流報(bào)警。
[0031]母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)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(diào)整控制母線輸出的電壓。采集輸入合母、控母電壓并進(jìn)行壓值比較判斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(diào)整進(jìn)行調(diào)壓，一般采用多級硅鏈電壓調(diào)整，其具有自動(dòng)/手動(dòng)兩種調(diào)壓方式，正常運(yùn)行時(shí)將轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動(dòng)位置，裝置處于自動(dòng)調(diào)壓狀態(tài)，這時(shí)調(diào)壓裝置實(shí)時(shí)檢測控制母線電壓，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，控制硅鏈的投入級數(shù)，保證控制母線的電壓調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)裝置處于手動(dòng)調(diào)壓狀態(tài)時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)處于不同的位置，使相應(yīng)的執(zhí)行繼電器吸合或分?jǐn)鄟磉_(dá)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(diào)節(jié)范圍。同時(shí)把實(shí)時(shí)電壓值的數(shù)據(jù)以及硅鏈投入等級通過RS485發(fā)送給PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行合母電壓控母電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控及顯示。
[0032]絕緣檢測單元，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測正負(fù)母線的對地電壓，在發(fā)生母線絕緣下降時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，點(diǎn)亮故障燈，并將故障標(biāo)志上送監(jiān)控模塊，同時(shí)啟動(dòng)低頻信號投向各支路。最后把采集上來的數(shù)據(jù)通過RS485發(fā)送給PLC智能監(jiān)控單元，PLC智能監(jiān)控單元進(jìn)行整體的顯示控制，當(dāng)母線絕緣下降時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警。實(shí)現(xiàn)監(jiān)察母線絕緣狀況和支路絕緣狀況，產(chǎn)生告警信息等功能。
[0033]開關(guān)量采集單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測合母控母輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，該單元是合閘母線和控制母線對下級負(fù)荷供電的回路的檢測，并通過RS485把開關(guān)量狀態(tài)發(fā)送到PLC智能監(jiān)控單元。共能采集32路開關(guān)的狀態(tài)，主要檢測合閘母線饋線開關(guān)、控制母線饋線開關(guān)、熔斷器、蓄電池組和母線連接開關(guān)、外接設(shè)備開關(guān)以及兩路交流輸入接觸器的狀態(tài)。
[0034]根據(jù)不同的電壓等級要求(110VDC/220VDC)，蓄電池組由若干個(gè)單體電池串聯(lián)組成，作為直流系統(tǒng)重要的一部分，正常運(yùn)行狀態(tài)下，充電單元對蓄電池組進(jìn)行浮充電，并定期均充，當(dāng)廠、所用電中斷的情況下，直流電源由蓄電池組提供。
[0035]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)可靠性高，主要應(yīng)用在發(fā)電廠、水電站以及各類變電站和用戶變100AH(DC220V系統(tǒng))或200AH(DC110系統(tǒng))中，為斷路器分、合閘及二次回路中的儀器、儀表、繼電保護(hù)和事故照明提供直流電源。本實(shí)用新型是發(fā)電廠、水電站以及各類變電站中不可缺少的二次設(shè)備之一，它的可靠性直接影響發(fā)電廠和變電站設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。
[0036]上述實(shí)施例和圖式并非限定本實(shí)用新型的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員對其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本實(shí)用新型的專利范疇。
【權(quán)利要求】
1.分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:包括現(xiàn)地監(jiān)控中心、遠(yuǎn)方監(jiān)控中心兩級監(jiān)控模式，兩級間采用Modbus規(guī)約通過RS485接口進(jìn)行通信； 所述現(xiàn)地監(jiān)控中心，包括PLC智能監(jiān)控單元、觸摸屏、充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元、開關(guān)量采集單元、交流配電單元、復(fù)數(shù)個(gè)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(jiān)控單元； 所述充電模塊監(jiān)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(fù)荷電流測量單元、母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)整單元、絕緣檢測單元及開關(guān)量采集單元分別通過RS485接口連接所述PLC智能監(jiān)控單元； 所述充電模塊監(jiān)視單元連接所述復(fù)數(shù)個(gè)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(fù)荷電流測量單元分別連接到所述電池組；所述母線電壓監(jiān)視及電壓調(diào)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(guān)量采集單元連接到合母控母輸出單元。
2.如權(quán)利要求1所述的分層分布式水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)，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(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】曾麗燕, 林澤峰, 郭謀發(fā) 申請人:福建億華源能源管理有限公司