變電站交直流一體化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一、交直流控制電源設(shè)備的現(xiàn)狀

　　電力系統(tǒng)控制必須具備安全可靠的控制電源。在電力工程中，控制電源分為兩類，一類是直流電源，一類是交流電源。變電站中為控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置及某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)等供電的直流電源系統(tǒng)，通常稱為直流操作電源。為計(jì)算機(jī)監(jiān)控等設(shè)備供電的交流不間斷電源系統(tǒng)，通常稱為交流控制電源;為交換機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)等通信設(shè)備供電的直流電源系統(tǒng)，則稱為通信電源。

　　1.維護(hù)困難

　　目前運(yùn)行的變電站，上述這幾種控制電源設(shè)備一般采用相互獨(dú)立分散設(shè)置的方式，設(shè)備由不同的供應(yīng)商提供，且分屬不同的部門專業(yè)管理：繼電保護(hù)專業(yè)負(fù)責(zé)直流操作電源的維護(hù)，自動(dòng)化專業(yè)負(fù)責(zé)交流控制電源的維護(hù)，遠(yuǎn)動(dòng)通信專業(yè)負(fù)責(zé)通信電源的維護(hù)。這樣不但造成功能重復(fù)配置，增加設(shè)備一次投資;而且各專業(yè)不同的維護(hù)工作界面，使電源設(shè)備的運(yùn)行管理費(fèi)用居高不下。另外，由不同供應(yīng)商提供的交直流控制電源產(chǎn)品，沒有統(tǒng)一的接口規(guī)范和監(jiān)控設(shè)備，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能共享，難以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)交直流控制電源設(shè)備的系統(tǒng)分析維護(hù)和一體化信息管理。由于各電源系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家不同，當(dāng)電源出現(xiàn)故障，或進(jìn)行電源系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，需要多家供應(yīng)商的服務(wù)人員到現(xiàn)場查看，服務(wù)人員快則幾小時(shí)，慢則數(shù)天才能到達(dá)，如此以來延長了的工作時(shí)間，影響設(shè)備的供電，對于巡檢人員，同樣存在此類問題。

　　2.性價(jià)比差

　　若考慮采用傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)，會(huì)造成直流電源，UPS不間斷電源、通訊電源分別配置獨(dú)立的蓄電池，并由不同廠家供貨，交流電源通常是另外一個(gè)廠家的產(chǎn)品，且交流系統(tǒng)配置電源自動(dòng)切換設(shè)備，充電模塊又重復(fù)配置，既浪費(fèi)又使設(shè)備之間難于協(xié)調(diào)運(yùn)行，并考慮設(shè)備的備品備件數(shù)量及廠家都有所增加，浪費(fèi)嚴(yán)重。

　　3.缺乏系統(tǒng)管理

　　雖然在變電站中，所有設(shè)備均要采用IEC61850協(xié)議，能夠解決通信規(guī)約的兼容問題，但由于沒有統(tǒng)一的監(jiān)控設(shè)備對整個(gè)站用電源進(jìn)行管理，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，無法進(jìn)行站用電源協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、狀態(tài)檢修等深層次開發(fā)應(yīng)用。

　　二、交直流控制電源一體化

　　隨著數(shù)字化變電站、智能變電站的不斷推廣，對電源系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性等也提出了更高的要求。站用交直流一體化電源系統(tǒng)恰恰順應(yīng)了以上要求，結(jié)合了站內(nèi)各電源系統(tǒng)并進(jìn)行了全面整合。

　　1.交直流控制電源一體化的定義

　　交直流控制電源一體化的定義是：把直流操作電源、電力用交流不間斷電源(電力專用UPS和INV)、通信用直流變換電源(DC-DC)組合為一體，共享直流操作電源的蓄電池組和監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)集中供電并統(tǒng)一監(jiān)控的成套電源設(shè)備。一體化電源設(shè)備是以直流操作電源為核心，直流操作電源與電力專用UPS、INV和通信DC-DC其中任一種及一種以上電源所構(gòu)成的組合體，均稱為一體化電源設(shè)備。對于變電站通過集中監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對站用電進(jìn)出線和母線的全參數(shù)監(jiān)控，滿足全站交直流控制電源的一體化監(jiān)控管理。

　　2.三個(gè)統(tǒng)一特征：

　　1、統(tǒng)一集中供電：一體化電源設(shè)備通過系統(tǒng)優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)集中組屏給全站電力控制系統(tǒng)供電，滿足電力設(shè)備集成交鑰匙工程需要。

　　2、統(tǒng)一信息管理：一體化電源設(shè)備通過集中監(jiān)控裝置，提供完整的交直流監(jiān)控管理方案，實(shí)現(xiàn)對變電站交直流控制電源的全參數(shù)監(jiān)控管理。

　　3、統(tǒng)一設(shè)備維護(hù)：一體化電源設(shè)備通過整合維護(hù)工作界面，實(shí)現(xiàn)專家維護(hù)，大大降低設(shè)備運(yùn)行的故障率和維護(hù)管理費(fèi)用。

　　三、系統(tǒng)構(gòu)成原理

　　1.直流操作電源系統(tǒng)由交流配電單元、高頻整流模塊、蓄電池組、硅堆降壓單元、絕緣監(jiān)測裝置、電池巡檢裝置、配電監(jiān)測單元和集中監(jiān)控模塊等部分組成，系統(tǒng)構(gòu)成原理接線如圖2所示。

　　交流輸入電源正常時(shí)，通過交流配電單元給各整流模塊供電。整流模塊將交流電變換為直流電，經(jīng)保護(hù)電器(熔斷器或斷路器)輸出，一方面給蓄電池組充電，另一方面經(jīng)直流饋電單元給直流負(fù)荷提供正常的工作電源。當(dāng)交流輸入電源故障停電時(shí)，整流模塊停止工作，由蓄電池組不間斷給直流負(fù)荷供電。

　　交流配電單元實(shí)現(xiàn)由站用電交流輸出到整流器模塊的電源分配和保護(hù)，對于單母線接線的交流站用電源，整流器的交流電源進(jìn)線按一路配置;對于兩段單母線接線的交流站用電源，整流器的交流電源進(jìn)線按兩路配置：兩路交流電源分別取自交流站用電源的兩段母線，采用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備(PC級(jí)ATSE)實(shí)現(xiàn)兩路電源進(jìn)線的備用切換控制。

　　2.交流站用電源配置

　　(1)兩臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備，兩路交流站用電源進(jìn)線，兩段單母線接線。

　　(2)操作運(yùn)行方式：交流站用電源具備以下三種操作運(yùn)行方式：

　　a)手動(dòng)操作運(yùn)行方式：就地通過控制開關(guān)人工控制ATS開關(guān)狀態(tài)。

　　b)自動(dòng)操作運(yùn)行方式：就地通過邏輯電路或控制器自動(dòng)控制ATS開關(guān)狀態(tài)。

　　c)遙控操作運(yùn)行方式：遠(yuǎn)方通過計(jì)算機(jī)通信控制ATS開關(guān)狀態(tài)。站用電的遙控操作包括”電源一供電“、”電源二供電“、”分列供電“和”備自投供電“共四種模式，其中”分列供電“只適用于兩段單母線的接線方案。

　　d)智能電力參數(shù)測控

　?、倌妇€電壓、電流、頻率，精度0.5%;

　?、谟泄β?、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，精度1%;

　?、塾泄﹄姸取o功電度，精度1%。

　?、芷洳捎肐EC61850協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對站用電的遙測、遙信和遙控。

　?、荻喾N參數(shù)越限報(bào)警;

　?、薷咔逦鶯CD，顯示形象直觀;

　?、逜TS開關(guān)轉(zhuǎn)換控制;

　　3.高頻整流模塊

　　高頻整流模塊采用N+1并聯(lián)冗余方式供電，即在N個(gè)充電模塊滿足電池組的充電電流(0.1C10)和經(jīng)常性負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上，增加1個(gè)熱備用充電模塊。

　　4.絕緣監(jiān)測裝置

　　絕緣監(jiān)測裝置用于在線監(jiān)測直流控制母線和饋電支路的絕緣狀況，當(dāng)某一點(diǎn)出現(xiàn)接地故障時(shí)，裝置立即發(fā)出告警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員查找并排除接地故障，從而杜絕直流系統(tǒng)接地故障可能引發(fā)的電力事故。

　　5.電池巡檢裝置

　　電池巡檢裝置用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電池組各單節(jié)電池的電壓和內(nèi)阻，并通過一體化監(jiān)控裝置記錄分析不同工況下各單節(jié)電池的電壓和內(nèi)阻，及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后或異常電池，給蓄電池維護(hù)提供重要的參考依據(jù)，確保蓄電池組安全運(yùn)行。

　　6.交流不間斷電源

　　電力專用交流不間斷電源包括電力專用UPS和INV兩類，其中的電力專用INV適用于”后備“運(yùn)行模式，因此主要為變電站的事故照明等對電源的質(zhì)量要求不高的負(fù)荷供電;而電力專用UPS適用于”在線“運(yùn)行模式，主要為變電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控等對電源質(zhì)量要求很高的重要負(fù)荷供電。

　　7.DC-DC通信電源

　　DC-DC通信電源采用與高頻開關(guān)整流器一樣的控制技術(shù)和相同的模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作為N+1并聯(lián)冗余模式，并且采用硬件自主均流技術(shù)，為電站的交換機(jī)等通信設(shè)備提供可靠的直流工作電源。

　　四、對一體化電源的設(shè)計(jì)選型

　　1.直流操作電源是變電站的核心控制電源，其配置的蓄電池組作為一體化電源系統(tǒng)總的后備電源，在選擇計(jì)算其容量時(shí)除統(tǒng)計(jì)直流控制負(fù)荷外，還應(yīng)統(tǒng)計(jì)電力專用UPS和INV及通信用DC-DC的負(fù)荷容量，滿足一體化電源系統(tǒng)的全部事故放電容量要求。

　　2.由于通信用DC-DC由直流母線供電，因此DC-DC的直流容量應(yīng)疊加到直流操作電源系統(tǒng)的經(jīng)常負(fù)荷中，其充電裝置的容量選擇計(jì)算應(yīng)滿足一體化電源系統(tǒng)的全部經(jīng)常負(fù)荷和蓄電池充電要求。

　　3.直流操作電源的監(jiān)控裝置可作為一體化電源系統(tǒng)的總監(jiān)控單元，要求與電力專用UPS、INV和DC-DC通過現(xiàn)場總線連接為一體，通過完善總監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)記錄、分析、判斷和管理功能，實(shí)現(xiàn)對一體化電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理。

　　五、交直流一體化電源優(yōu)勢特點(diǎn)

　　1.二次設(shè)計(jì)、施工更加簡潔

　　一體化電源解決了傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中類似交流屏需通過電纜向直流屏上的逆變提供電源等問題，電源屏間連接由廠家負(fù)責(zé)，解決了站用電源二次設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題，同時(shí)減少了現(xiàn)場施工單位的工作量。

　　2.有利于工程施工

　　交直流一體化電源系統(tǒng)中各種元器件統(tǒng)一(生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、運(yùn)輸)，大大縮短了供貨時(shí)間，且不存在因?yàn)榻涣鳌⒅绷鹘回浧诓煌娱L電源系統(tǒng)施工工期的問題，縮短了變電站的建設(shè)施工周期，減少了電源系統(tǒng)聯(lián)調(diào)涉及諸多廠家問題。

　　3.經(jīng)濟(jì)性

　　本站只在交流系統(tǒng)配置電源自動(dòng)切換設(shè)備，而充電模塊前的切換設(shè)備則無需重復(fù)配置，降低了投資成本;檢修維護(hù)人員也由傳統(tǒng)的直流電源、交流電源、逆變電源、通信電源四組維護(hù)人員由一組人員來替代，減少了人力成本支出;減少了不同廠家間的協(xié)調(diào)成本。

　　六、綜述

　　智能交直流一體化電源系統(tǒng)將交流電源、直流電源、交流不間斷電源和通信電源統(tǒng)一設(shè)計(jì)組合為一體，通過統(tǒng)一的智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站交流、直流控制電源的集中供電和一體化監(jiān)控管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線的狀態(tài)檢測。共享直流操作電源的蓄電池組，取消傳統(tǒng)UPS和通信電源的蓄電池組和充電單元，減少維護(hù)工作量。共享監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)對交直流控制電源全參數(shù)透明化管理。建立專家智能管理系統(tǒng)，降低設(shè)備造價(jià)，提高運(yùn)行可靠性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]2011版《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)110~750kV智能變電站部分》

　　[2]《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》DL/T1074