探究智能變電站交直流一體化電源的設(shè)計

摘 要：本文首先介紹交直流一體化電源系統(tǒng)的應(yīng)用特點，提出對實際直流負荷進行分類統(tǒng)計，并根據(jù)計算結(jié)果合理選擇相應(yīng)設(shè)備參數(shù)的方案。通過對通用設(shè)計方案中直流負荷進行分類統(tǒng)計和計算，得出蓄電池組、UPS電源、高頻充電模塊等主要設(shè)備的額定容量和額定電流值。為智能變電站交直流一體化電源的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；交直流一體化電源系統(tǒng)；電纜截面積；饋線開關(guān)

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0035-02

引 言

交直流電源系統(tǒng)是變電站一、二次設(shè)備可靠運行的重要保障，主要包括ATS、蓄電池組、直流充電機屏、直流饋線屏、通信電源DC/DC模塊、UPS等主要設(shè)備。自2017年開始，國家電網(wǎng)公司在系統(tǒng)內(nèi)全面推廣智能變電站模塊化建設(shè)，相繼制定并頒布了110（66）kV智能變電模塊化建設(shè)（2015年版）、35～10kV智能變電站模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計（2016年版）2份重要的通用設(shè)計方案，要求在基建工程中嚴格執(zhí)行。

1 交直流一體化電源系統(tǒng)的特點

（1）通過科學地應(yīng)用直流電源系統(tǒng)、交流電源系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)、科學的一體化設(shè)計方案，可以對于智能化、無人值守變電站的情況進行一體化配置與一體化監(jiān)控。

（2）智能化與模塊化的應(yīng)用模式可以使智能化、無人值守變電站電源功能分散化，建立起有效的智能電源硬件平臺應(yīng)用模式，不需要模塊進行二次接線，不需要進行跨屏二次電纜的建設(shè)。

（3）一體化監(jiān)控單元展示智能化、無人值守變電站的運行情況以及有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并且可以顯示在遠方控制中心，最終使得智能化、無人值守變電站發(fā)展成為開放性的整體系統(tǒng)。

2 交直流一體化電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 直流系統(tǒng)

（1）應(yīng)用具有并聯(lián)特性的智能電池組件和閥控式鉛酸蓄電池進行直流電源的科學設(shè)計，以最小的投資獲得最大的應(yīng)用效果。

（2）對二次設(shè)備內(nèi)中的部件與設(shè)備進行科學維護。如：設(shè)計兩套獨立直流電源系統(tǒng)，使得220V直流通過隔離后可以變換為48V，最終為通信負荷提供電源上的保障。

（3）采用模塊化構(gòu)造的交流不停電電源系統(tǒng)，雙主機冗余配置，保障其具有2h滿負荷放電時間、8kVA的容量。

2.2 交流系統(tǒng)

應(yīng)用雙電源智能化自動切換開關(guān)，可以有效地對交流電源線路進行控制與監(jiān)測。這種開關(guān)不僅可以對交流電源線路進行電氣閉鎖，還可以進行機械閉鎖，從根本上保障電源的安全切換。另外，應(yīng)用雙電源智能化自動切換開關(guān)還可以對變電站中的集控中心和監(jiān)控系統(tǒng)進行遠端切換。事實表明，這種應(yīng)用方式有利于變電站事故處理與倒閘操作，全面提高了交流電源進線的可靠性，最終提升了交直流一體化電源系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量和水平。

2.3 進行一體化模塊化電源組屏

交直流一體化電源系統(tǒng)外觀如圖1所示。應(yīng)用的主要部件有：并聯(lián)智能電池組件饋線柜、事故照明逆變電源柜、交流站用電源、通信電源、智能化一體化交直流電源監(jiān)控系統(tǒng)等。設(shè)計方案：應(yīng)用智能化一體化交直流電源監(jiān)控系統(tǒng)與通信電源等實現(xiàn)電源整體系統(tǒng)的報警、數(shù)據(jù)信息的遠程遙控操作、運行數(shù)據(jù)和信息的記錄與保存，各子系統(tǒng)與總控制器進行科學的通信連接，最終使電源監(jiān)控系統(tǒng)更好滿足變電站的應(yīng)用要求?？梢詫⒉⒙?lián)智能電池組件柜的每6個面組成一個模塊，把一次交流電源柜組成一個模塊，將事故照明逆變電源柜、交流站用電源柜組成一個模塊。

3 案例分析

某智能變電站根據(jù)國家電網(wǎng)公司模塊化通用設(shè)計方案（2015年版）中110-A3-3方案建設(shè)。具體規(guī)模為：主變壓器本期2臺50MVA，終期3臺；110kV本期2回進線，內(nèi)橋接線，終期3回，擴大內(nèi)橋接線；10kV本期出線24回、電容器組4回、接地變2回，單母三分段接線，終期出線36回、電容器組6回、接地變3回，單母四分段接線。

4 直流負荷統(tǒng)計

根據(jù)通用設(shè)計方案，智能變電站配置交直流一體化電源系統(tǒng)，取消UPS電源、通信電源的獨立蓄電池組，所以直流負荷統(tǒng)計應(yīng)包含全站直流經(jīng)常性負荷、UPS電源負荷和通信用DC/DC負荷。

4.1 UPS電源負荷統(tǒng)計

根據(jù)《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》（DL/T1074-2007）和變電站實際運行要求，該工程UPS負荷統(tǒng)計情況如表1所示。

UPS計算容量：

S =K ×K ×K ×K （1）

式中：Ki為動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，取1.1；Kd為直流電壓下降系數(shù)，取1.1；Kt為溫度補償系數(shù)，取1.05；Ka為設(shè)計預(yù)度系數(shù)，取1.05；P 為全部負載計算功率，kW；cos？準為負載功率因數(shù)，取0.8。

將上述負荷統(tǒng)計結(jié)果，代入式（1）可得出Sc=6.1kW，根據(jù)國家電網(wǎng)公司物資采購標準，UPS容量選取7.5kVA。

4.2 直流電源負荷統(tǒng)計

4.2.1 統(tǒng)計原則

（1）保護測控裝置功耗不超過50W/臺，斷路器分合閘線圈電流不超過2.5A/臺；

（2）交換機滿載時整機功耗應(yīng)不大于（10+1×電口數(shù)量+2×光口數(shù)量）W，本站按照平均40W/臺進行統(tǒng)計；

（3）高壓斷路器跳閘的沖擊負荷考慮低周減載動作時切除低壓側(cè)某一段母線出線的情況；

（4）全站電氣負荷及通信負荷均按2h事故放電時間計算。

4.2.2 統(tǒng)計結(jié)果

與常規(guī)綜自站相比，智能變電站直流經(jīng)常性負荷主要增加了智能終端、合并單元設(shè)備，站控層設(shè)備及全站交換機數(shù)量也有所增加，直流經(jīng)常性負荷共約15A。

5 直流電源系統(tǒng)設(shè)計

5.1 蓄電池組設(shè)計

5.1.1 基本參數(shù)選擇

本站直流系統(tǒng)額定電壓為220V，蓄電池組為閥控式密封鉛酸蓄電池，單體浮充電壓選用2.23V可計算出蓄電池數(shù)量為104只，放電終止電壓為1.85V。

5.1.2 容量選擇

本站直流負荷在事故放電期間，分為初期負荷（1min）和持續(xù)負荷（2h）2個階段。根據(jù)蓄電池容量簡化計算法：

初期沖擊容量：

C =K （2）

第一階段計算容量：

C =K （3）

隨機負荷計算容量：

C =K （4）

式（2）～（4）中：Kk為可靠系數(shù)，取1.4；Ich0為初期沖擊放電電流，I1為持續(xù)放電電流，Ir為隨機負荷電流；Kch0，Kch1，Kcr分別為放電時間1min，119min及5s時對應(yīng)的容量系數(shù)，根據(jù)閥控式密封鉛酸蓄電池（單體2V）的容量換算系數(shù)表，按照放電終止電壓、持續(xù)放電時間查表得Kch0=1.24，Kch1=0.34，Kcr=1.34。代入式（2）～（4）可得Kch0=79.47Ah，Kch1=191.2Ah，Cr=1.87Ah；取Kch0與K 的較大值，因此蓄電池組容量選取200Ah。

6 直流斷路器設(shè)計

該工程交直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形供電，網(wǎng)絡(luò)接線方式如圖2所示。

圖1中F1為蓄電池出口熔斷器；S2為直流饋線柜內(nèi)出線斷路器，選用C型脫扣直流斷路器；S3為保護測控屏、智能匯控柜等終端負荷的電源空開，選用B型脫扣直流斷路器。S3額定電流根據(jù)負荷電流實際大小，可選2A，4A，6A等不同的額定電流，最大不超過10A。S2的額定電流選擇除了應(yīng)滿足額定負荷的需求，同時還應(yīng)滿足上下級選擇性的配合要求。

實際上，直流饋線回路負荷一般很小，因此設(shè)計中主要考慮饋線開關(guān)的選擇性配合問題。根據(jù)3.3節(jié)ΔUP計算值，按照“A.5-1集中輻射型系統(tǒng)保護電器選擇性配合表”的推薦值并結(jié)合國家電網(wǎng)直流電源物資采購標準進行簡要選擇，結(jié)果如表2所示。

F1額定電流按式（5）、（6）計算：

In≥5.5I10（5）

In≥2In，max（6）

上式中：I10=20A為蓄電池組10h放電電流，In，max為饋線屏斷路器S2中額定值最大值。

直流充電機容量計算：蓄電池浮充電流20A+直流經(jīng)常性負荷15A=35A，根據(jù)N+1配置原則，充電機模塊應(yīng)配3臺20A.

7 DC/DC模塊設(shè)計

根據(jù)通信專業(yè)提資：通信設(shè)備負荷2.5kW，DC/DC模塊額定電壓為2500/48V。計算可得模塊輸出電流52A，根據(jù)N+1原則，通信電源模塊額定電流選擇（3+1）×20A。

8 結(jié) 語

本文通過案例對智能變電站內(nèi)直流負荷進行分類統(tǒng)計與計算，該工程直流電源系統(tǒng)配置為：蓄電池組200Ah，2V，104節(jié)；220V充電機3X20A；UPS電源7.5kVA；通信電源DC/DC模塊額定電流選擇4×20A。與國網(wǎng)通用設(shè)計方案模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計（2016）相比，在UPS電源容量等方面進行設(shè)計優(yōu)化，這有利于提高變電站電源系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量與水平。

參考文獻

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收稿日期：2018-3-24

作者簡介：謝牡芳（1981-），女，電氣助理工程師，大專，任珠海泰坦科技股份有限公司設(shè)計主管。