一、成果简介：  

发电厂、变电站的控制及保护设备均采用直流电源供电，典型接线方式为双充双蓄直流系统，目前存在问题有1、供电可靠性低，当变电站站用交流380V电源失电时，若该组电池的供电回路或该组蓄电池内部出现开路故障均将引起该段直流母线失电，从而导致各种保护装置失效，扩大变电站的故障范围；2、蓄电池的状态监测方法、运维技术落后且核容工作量大，无法及时发现电池故障；3、蓄电池状态评估以定期维护数据为准，状态监测数据不全面，蓄电池性能趋势分析数据薄弱、不连贯，且对历史维护数据未进行有效利用。因此，有必要研究一种新型的直流电源系统框架，通过大数据分析手段和互联网控制技术实现蓄电池远程在线核容放电和实时在线监测管理，提高直流母线的连续供电可靠性。

本项目通过对直流电源系统框架、蓄电池全状态多变量监测方法及在线核容放电方法进行研究分析，首次提出新型直流电源系统中两段直流母线互为备用策略、蓄电池远程在线核容放电的控制策略和关键技术，形成一套远程在线核容放电的变电站智能直流系统，由蓄电池全状态智能监测、在线核容成套设备、DC-DC直流智能母联和智能高频开关充电模块及站用电源监控系统组成，可实现功能：1以DC-DC智能母联搭建出两段直流系统的在线热备用框架，当发生直流母线失压或欠压时，能自动保持直流母线的连续供电特性，保证直流系统供电可靠性；2.不脱离直流系统下蓄电池远程在线核容放电（所放电的电能回馈电网）和蓄电池全状态多变量数据的远程实时监测、维护，替代原有静态、离线、人工的蓄电池运维模式，及时发现蓄电池隐患，提高运维效率；3.实现直流充电机对交流输入低电压和缺相的适应性的措施，进一步保证电网故障初期直流系统的运行稳定性；4.搭建一套完整的蓄电池远程后台维护系统，可管理500个变电站的蓄电池系统，可实现站用电源系统的实时监测、蓄电池自动在线养护、历史数据保存及分析、蓄电池性能综合评估、蓄电池劣化的提前预警等，提高蓄电池维护效率、节约人工成本。

项目成果已形成产品（含软件、硬件模块），具备直接生产的条件。目前已申请专利13项，其中发明8项（授权3项）、实用新型5项（授权5项），软件著作权4项，发表期刊论文7篇。

        图1  智能监测放电整体屏柜

图2  蓄电池在线放电控制显示器

图3 站用电源监控系统主界面

图4 站用电源监控系统功能界面—系统总览

二、技术优势及性能指标：

本项目的新型直流系统构架主要由1）蓄电池全状态监测、在线核容成套设备；2）智能型母线联络装置；3）宽输入充电模块；4）站用电源后台监控系统组4个核心组成部分。

核心部分一—蓄电池全状态监测、在线核容成套设备：实时收集蓄电池全状态（均充、浮充、放电）下的多变量（电压、内阻、电流、温度等）监测蓄电池运行状态，利用动态参数分析蓄电池状态，记录蓄电池全生命周期大数据，形成智能分析策略，并作为在线核容的依据；采用有源逆变作为放电装置，通过智能母联装置与放电装置的配合，安全、便捷的实现蓄电池不脱离直流母线自动核容，并将所放的电能通过逆变装置回馈到电网上，避免能量的浪费，同时节省大量的人力物力。

目前市面上蓄电池的在线监测主要以电压巡检为主，并没有普及蓄电池内阻的在线监测；人工测量内阻方法误差大、技术落后、效率低下，且蓄电池放电、充电时的数据没有记录，不利于判断蓄电池状况、及时发现蓄电池的劣化。另外，传统人工核容方法耗时长、效率低，需要外接放电负载，该方式存在热安全隐患且对蓄电池电能造成浪费。

本项目成果首先从精度上解决问题，收集蓄电池全状态下的变量，实时形成核容策略，作为在线核容的依据；回馈式在线核容，依靠正直流母线与蓄电池组正极串接反向二级管用于实现，核容过程中无发热现象，无需运维人员到现场把控，节省人力，该核容方式可提高核容频率，同时也可以改变蓄电池的核容深度，增加浅放电次数，便于发现蓄电池汇流排开路等问题；站用直流监控系统记录每一次放电的数据曲线，用于分析蓄电池的状况，利用大数据可实现以浅放电来推算蓄电池的容量。

核心部件二—智能型母线联络装置：具有完备的控制切换策略以及国内首创的四端口输入输出接线方式，保证失压的直流母线段连续供电，且不影响正常母线段的安全运行，同时为蓄电池组远程放电提供后备保障，提高直流母线的供电可靠性。

目前市场上直流系统母联开关是采用人工手动操作，之所以未采用自动操作，是担心若故障段母线是由于严重故障或短路引起的，一旦母联自动闭合，将导致正常段母线发生同样的故障；另外，即使母联开关为自动操作的，那么故障段母线也有短时失压的过程，母线短时失压将导致继电保护设备重启，一般从上电重启到完全恢复保护功能，需要1min以上，有可能失去保护动作的最佳时机，如：主变故障跳闸等；

智能性母线联络装置安装于两端母线连接处，具体示意图如下图，可实现：

1）两段直流母线均正常时，双向DC/DC无输出、处于待机状态、待机功耗不超过双向DC/DC额定功率的0.1%，不影响直流母线的运行 ；

2）任意一段直流母线电压低于设定值（包括单独蓄电池供电时发生开路故障）时，双向DC/DC立即转换为输出状态，保证直流母线电压始终不低于标称电压的90%；

3）蓄电池在线放电维护过程中发生电网故障时，若对应的母线电压低于双向DC/DC的设定值，则双向DC/DC自动启动，协助被放电的蓄电池组供电；

4）在蓄电池组单独供电情况下，若其中一组蓄电池容量不足，双向DC/DC自动启动，协助该组蓄电池供电；

5）双向DC/DC的输出限流保护特性，可以确保故障段母线发生任何故障，均不会影响正常段母线的安全运行；

6）双向DC/DC的运行参数设定后，其运行状态的转换是自动的，无需外部控制。满足输出条件时，自动转为输出状态；满足限流条件时，自动进入限流状态；满足待机条件时，自动转为待机状态；

核心部件三—宽输入范围智能高频充电模块：国内首创能实现单相及两相缺相后的稳定短期内的电压输出，保证充电机输出正常，拓宽充电机对交流输入的适应性，使其在电网故障初期，充电机交流输入电压低于正常波动范围时也能输出稳定的直流电压，从而保障直流母线正常工作，继电保护可靠动作。目前的充电机当输入欠压和缺相时，采取关机保护措施（欠压保护动作值，一般是在额定电压的80%～85%之间），110kV和10kV近端各种故障均会使380V侧线电压不同程度的将低，其中最严重降低到额定电压的40%，甚至某相或某两相电压减为0，充电机实行关机保护，直流电源系统的供电可靠性完全依赖于蓄电池组。

宽输入范围智能高频充电模块技术指标：

三相输入电压在额定值的85%～120%范围内时，模块正常工作，技术指标满足现行的电力行业标准要求；

在发生以下情况时，模块在输出额定电压和额定电流的条件下，输出特性如下：

a）缺相：（1）一相缺相，另外两相正常，可正常输出；（2）两相电压为0，另一相电压正常，额定电压和额定电流的条件下，不间断的输出30s，30s后关机。

b）两相对地短路相电压分别为：Ua=110V∠0°；Ub=55V∠180°；Uc=55V∠-180°；模块在输出额定电压和额定电流的条件下，不间断的输出30s，30s后关机

核心部件四—站用电源远程后台监控系统：利用站用电源监控系统亦可实现远程核容功能，降低核容对人员数量的需求，更重要的是对蓄电池多变量、全状态的数据采集，可利用大数据分析蓄电池的状况，实现蓄电池组的动态、在线、全面监测维护，蓄电池的健康状况分析变得更加科学可靠，使直流系统变得更加安全稳定。该监控系统可集中管理500个变电站的蓄电池系统，运维人员远程监测变电站直流状况，及时发现缺陷，提高班组运维效率。

监控系统结构图如上所示，系统可实现以下三种功能：

1）运行监控：与现场运行相关的数据、告警、调控操作、状态等状态监测。

2）运维管理：缺陷流程记录、站点设置、台账、定检、日志等管理相关的业务。

3）数据分析：历史数据、设备测试记录、装置运行记录、报告分析等数据统计功能。

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源网络技术

智慧能源方向：大数据

四、成熟度：

生产阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

本项目成果为东莞供电局研发，并在东莞供电局变电管理一所实验室进行试点应用，并经过多次试验及升级，具备现场使用的条件。产品在广东东莞110kV洋坑塘、110kV泉塘变电站进行现场不停电施工，经现场验证，产品效果良好。目前本项目已确定与东莞开关厂进行推广转化，后续将会在市场上进行大规模宣传。项目团队为成果专利权人，经营模式是从供应商购买重要部件，由东莞开关厂进行加工组装、现场施工，团队通过产品销售额扣除材料及加工施工成本实现盈利。

现阶段市场上已出现与本项目成果类似的产品，但因功能单一、稳定性差等问题无法与本产品媲美，且本成果产品可单独部件或成套设备进行销售，功能齐全。项目成果销售的对象为电网企业内地市及供电局，110kV及以上变电站普遍拥有双电双充直流系统，每个双电双充变电站可配置1套新型直流系统，因此市场需求巨大。且蓄电池可在线核容系统与双DC/DC智能母联装置将纳入南方电网直流系统技术规范中，作为其公司科技成果产品，，初期将依托电网企业资本方在政策上的倾斜形成政策支持，从而使本项目产品进行推广转化，在市场上站稳脚跟。未来三年本产品推广计划按照广东电网—南方电网—国家电网三步走节奏来开展，2021年以广东电网为主要推广市场，向深圳局辐射；2022年广东电网市场稳定后，将逐步拓展贵州电网公司和海南电网公司；2023年将市场推广中心转移到国家电网。