變電站一體化電源系統(tǒng)

馬濤+杜時光

[摘 要]本文對變電站一體化電源的特點及優(yōu)勢進(jìn)行了分析，對一體化電源的設(shè)計方案進(jìn)行了闡述，對IEC61850監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了概述。

[關(guān)鍵詞]一體化電源；IEC61850監(jiān)控系統(tǒng)；變電站

1 引言

站用電源是變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著變電站綜自動化程度的越來越高以及大量無人值班站的投運(yùn)，相應(yīng)提高站用電源整體的運(yùn)行管理水平具有非常重要的意義。筆者認(rèn)為，站用電源始終需要立足于系統(tǒng)技術(shù)來研究和發(fā)展，根據(jù)實際問題、發(fā)展現(xiàn)狀提出發(fā)展思路。現(xiàn)有站用電源在資源整合、自動化水平、管理模式等方面都還存在很大的優(yōu)化空間，結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)可靠的變電站交直流一體化電源模式具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 傳統(tǒng)站用電源現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)變電站站用電源分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS、通信電源系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)采用分散設(shè)計，獨(dú)立組屏，設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進(jìn)行管理。這種模式存在的主要問題：

2.1站用電源自動化程度不高。由不同供應(yīng)商提供的各子系統(tǒng)通信規(guī)約一般不兼容，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，系統(tǒng)缺乏綜合的分析平臺，制約了管理的提升。

2.2經(jīng)濟(jì)性較差。站用電源資源不能綜合考慮，使一次投資顯著增加。

2.3安裝、服務(wù)協(xié)議較難。各個供應(yīng)商由于利益的差異使安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)困難，遠(yuǎn)不如站用交直流電源一體化的“交鑰匙工程”模式順暢。

2.3運(yùn)行維護(hù)不方便。站用電源分配不同專業(yè)人員進(jìn)行管理：交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)由變電人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，UPS由自動化人員進(jìn)行維護(hù)，通信電源由通信人員維護(hù)，人力資源不能總體調(diào)配，通信電源、UPS等也沒有納入變電嚴(yán)格的巡檢范圍，可靠性得不到保障。

3 變電站交直流一體化電源

變電站站用交直流一體化電源系統(tǒng)是使用系統(tǒng)技術(shù)，針對變電站站用交流、直流、逆變、通信電源整體，根據(jù)實際問題、發(fā)展現(xiàn)狀提出解決方案的站用電源系統(tǒng)。

根據(jù)國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》（DL/T 1074-2007 ）的描述，電力用一體化操作電源的準(zhǔn)確定義應(yīng)為：將直流電源、電力用交流不間斷電源（UPS）和電力用逆變電源（INV）、通信用直流變換電源（DC/DC）等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組，并統(tǒng)一監(jiān)控的成套設(shè)備。

3.1系統(tǒng)組成

根據(jù)一體化電源的定義可以知道，站用一體化電源系統(tǒng)由交流電源子系統(tǒng)、直流電源子系統(tǒng)、通訊電源子系統(tǒng)、交流不間斷電源子系統(tǒng)（電力用UPS、逆變器）和總監(jiān)控器組成。每個電源系統(tǒng)互相間提供工作電源，自上而下實現(xiàn)級差配合，形成整體的站用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每種電源獨(dú)立為子系統(tǒng)，獨(dú)立監(jiān)控，子系統(tǒng)通過總監(jiān)控器集中管理，分散控制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間無常規(guī)二次接線?？偙O(jiān)控器觸摸屏動態(tài)顯示各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并實現(xiàn)信息數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3.1.1交流電源子系統(tǒng)

交流電源系統(tǒng)的兩路交流進(jìn)線由兩臺站用變引入，兩路交流進(jìn)線通過兩組ATS開關(guān)給交流母線供電，交流母線采用單母分段接線，即1#所用變電源帶Ⅰ段交流母線、2#所用變電源帶Ⅱ段交流母線，當(dāng)某一電源故障時ATS開關(guān)動作，故障電源所帶的某段交流母線由正常電源來供電。

3.1.2 直流電源子系統(tǒng)

直流電源系統(tǒng)的兩路交流進(jìn)線引自交流電源兩段母線，直流母線采用單母線分段接線，每段母線帶一組蓄電池和一組充電機(jī)，兩段母線間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)；

3.1.3 通訊電源子系統(tǒng)

通訊電源系統(tǒng)采用DC/DC變換器模塊，變換器模塊直流電源分別取自直流電源系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ段母線，每組通訊電源各帶一段母線，DC/DC變換器模塊采用熱插拔組件連接，可實現(xiàn)在線熱插拔，實行N+1冗余備份，通信電源與直流電源共用蓄電池；

3.1.4 交流不間斷電源子系統(tǒng)：

交流不間斷電源系統(tǒng)（電力用UPS、逆變器），直流進(jìn)線電源分別取自Ⅰ、Ⅱ段直流母線，交流進(jìn)線電源、旁路電源及維修電源分別取自交流電源Ⅰ、Ⅱ段母線，交流不間斷電源系統(tǒng)由多臺電力用UPS模塊直接并機(jī)組成，電力用UPS模塊采用熱插拔組件連接，可實現(xiàn)在線熱插拔，實行N+1冗余備份，交流不間斷電源系統(tǒng)與直流電源共用蓄電池。

3.1.5 總監(jiān)控單元：

總監(jiān)控單元是一體化電源系統(tǒng)的監(jiān)控、測量、信號、和管理系統(tǒng)的核心部分?？刹杉總€電源子系統(tǒng)的運(yùn)行信息，并對采集的信息進(jìn)行綜合分析，實現(xiàn)對一體化站用電源系統(tǒng)的實時監(jiān)控和管理，同時把這些信息通過IEC61850規(guī)約上傳至站用站后臺監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)變電站的電壓等級不同，一體化電源系統(tǒng)組成也不相同，為此一體化電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不相同，由一體化電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成的監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架也有區(qū)別。

根據(jù)一體化電源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)情況，將各個功能單元模塊化，每種電源作為一個子系統(tǒng)，分別設(shè)置監(jiān)控器（35KV/66KV變電站各電源子系統(tǒng)共用一套監(jiān)控器），每個子系統(tǒng)中分別設(shè)置多個功能模塊，如交流進(jìn)線模塊、電能計量及電能質(zhì)量檢測模塊、饋線狀態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、充電模塊、絕緣監(jiān)測模塊、蓄電池巡檢模塊、通信電源模塊、UPS模塊等；這些功能模塊與系統(tǒng)的監(jiān)控器進(jìn)行信息交換與傳遞，并受其監(jiān)控。子系統(tǒng)的監(jiān)控器又與總監(jiān)控器進(jìn)行通訊，使整個系統(tǒng)匯成一體網(wǎng)絡(luò)，由總監(jiān)控器匯總信息通過IEC61850規(guī)約傳輸至后臺，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管：

3.1.5.1對站用電源的各個子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測；

3.1.5.2對站用電源自動完成性能的月檢、季度檢、年檢工作；對各個電源子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)按要求形月報表、年報表和柱狀圖；對關(guān)鍵功能單元的檢測數(shù)據(jù)形成曲線圖；

3.1.5.3對站用電源實現(xiàn)程序化控制；

3.1.5.4采用以太網(wǎng)傳輸，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)上送，存儲到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中，通過管理分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和WEB發(fā)布；

3.1.5.5運(yùn)行維護(hù)人員根據(jù)需要和各自權(quán)限通過IE瀏覽器登錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器查看站內(nèi)各電源系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對站內(nèi)各電源系統(tǒng)的在線集中監(jiān)測，各地電源專家可通過密碼在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽站內(nèi)各電源系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)報表，以此為依據(jù)來會診本電源系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的問題。

3.1.6 一體化電源監(jiān)控模塊

一體化電源監(jiān)控電源模塊作為總監(jiān)控單元，是一體化電源監(jiān)控、測量、信號和管理系統(tǒng)的核心部分，它能根據(jù)各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，綜合分析各種數(shù)據(jù)和信息，對整個系統(tǒng)實施控制和管理，存儲整個站用電源數(shù)據(jù)，按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通過以太網(wǎng)接入變電站綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)與調(diào)度自動化終端的通信及一體化電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)管理。一體化電源監(jiān)控模塊即使故障，也不會影響各子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其特點如下：

3.1.6.1總監(jiān)控模塊可對各子電源系統(tǒng)集中管理、分散控制；

3.1.6.2總監(jiān)控模塊采用分級控制，即設(shè)置不同的權(quán)限，防止對電源系統(tǒng)的誤操作；

3.1.6.3總監(jiān)控模塊采用兩種通訊方式：1.保留傳統(tǒng)的通訊方式，以保證系統(tǒng)的可靠性；2.增加數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)接口，通過IEC61850規(guī)約與數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器相連，滿足數(shù)字化變電站的要求；

3.1.6.4總監(jiān)控模塊主畫面顯示一體化系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

3.1.6.5總監(jiān)控模塊主畫面動態(tài)顯示系統(tǒng)主開關(guān)的狀態(tài)（分/合閘、脫扣）；

3.1.6.6總監(jiān)控模塊主畫面動態(tài)顯示各功能單元的運(yùn)行狀態(tài)（正常/故障）；

3.1.6.7在總監(jiān)控模塊主畫面觸摸要查看的功能單元，即可進(jìn)入該功能單元的子畫面，查看各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.7監(jiān)控系統(tǒng)概述

當(dāng)前電力系統(tǒng)中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來實現(xiàn)。應(yīng)運(yùn)而生的IEC61850提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。下面就一體化變電站中幾種常用的通信方案進(jìn)行一下簡單的概述。

①方案一

該方案特點是只加裝一臺總監(jiān)控，與后臺連接只有一根電纜。

不改變現(xiàn)有監(jiān)控（子監(jiān)控），實現(xiàn)起來比較容易。

由于中間環(huán)節(jié)（子監(jiān)控）的存在，所以增加了發(fā)生故障的幾率。

數(shù)據(jù)的完整性、實效性差。

與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求（互操作性）差距較大。

如果總監(jiān)控出現(xiàn)故障，那么整個電源系統(tǒng)的信息都無法上傳。

各子系統(tǒng)的信息共享是依靠總監(jiān)控完成。

系統(tǒng)內(nèi)總線無仲裁、節(jié)點故障自動退出等功能，某個單元故障有可能造成總線癱瘓。

②方案二

該方案最接近IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求。

取消所有的子監(jiān)控，可靠性高。

數(shù)據(jù)的完整性、實效性好。

任何一個子監(jiān)控故障，不影響其他監(jiān)控上傳信息。

各子系統(tǒng)的信息共享是依靠站控層完成。

與后臺的連接電纜多。

投資成本高，實現(xiàn)起來比較困難。

③方案三

該方案是綜合了方案一、方案二的特點。

充分利用目前計算機(jī)發(fā)展的技術(shù)，硬件功能軟件化。

使用動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的完整性、實效性、一致性。

由于取消了子監(jiān)控這個中間環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

監(jiān)控機(jī)故障，將使得與其管理的那部分設(shè)備信息無法上傳。

各子系統(tǒng)的信息共享是依靠站控層完成。

基于目前變電站的建設(shè)情況，對于本站我們采取第一種監(jiān)控方案，實現(xiàn)簡單、連接方便。但以上各方案都存在著不足和缺陷，我們針對這些不足和缺陷提出改進(jìn)方案，具體如下（以方案一為基礎(chǔ)）。

④方案四

如果將電源系統(tǒng)內(nèi)的R485總線網(wǎng)絡(luò)改為CAN總線網(wǎng)絡(luò)，增加一臺總監(jiān)控與原有的監(jiān)控互為備用。提高總監(jiān)控的冗余。

該方案有以下特點：

利用CAN總線多主系統(tǒng)的特點，總監(jiān)控雙機(jī)互備。

利用CAN總線的仲裁、故障節(jié)點自動退出等功能，解決了系統(tǒng)內(nèi)總線癱瘓的問題。

通信速度快，效率高，數(shù)據(jù)的實效性較好。

各子系統(tǒng)的信息共享是在CAN總線這個層面上完成。

同樣由于中間環(huán)節(jié)（子監(jiān)控）的存在，所以增加了發(fā)生故障的幾率。

4 結(jié)論

一體化電源的設(shè)計使用，避免了直流蓄電池及充電裝置的重復(fù)配置，節(jié)約了占地，節(jié)省了投資，交流電源系統(tǒng)與直流電源系統(tǒng)一體監(jiān)控，實現(xiàn)站用電源安全化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化，適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，將在數(shù)字化變電站中得到進(jìn)一步推廣、使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》DL/T 1074-2007 （中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會） 2008年.

[2]《一體化電源系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》 （國家電網(wǎng)公司） 2009年.

[3]《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》 DL/T 5044-2004 （中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會）2004年。