變電站交直流一體化電源系統(tǒng)全模塊化應(yīng)用研究

張海平　柴宜　王琳琳　周賢培　劉忠祥

摘 要：變電站交直流一體化電源系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了多套站用電源系統(tǒng)蓄電池組的共用，多套電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控、集中管理，一套設(shè)備多種電源輸出。因交直流一體化電源系統(tǒng)方案具有集成度高、管理簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，該方案已在國(guó)家電網(wǎng)公司全國(guó)各電壓等級(jí)變電站得到廣泛應(yīng)用，南方電網(wǎng)公司也在逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。但多年以來交直流一體化電源系統(tǒng)所存在的標(biāo)準(zhǔn)化低、不同品牌器件兼容性差、維護(hù)成本高等問題一直未從根本上得到解決。交直流一體化電源系統(tǒng)一方面維護(hù)效率低、維護(hù)成本高，同時(shí)嚴(yán)重影響到了變電站的可靠運(yùn)行。文章針交直流一體化電源系統(tǒng)所存在標(biāo)準(zhǔn)化程度低的問題，提出全模塊化電源系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞：變電站；交直流一體化；全模塊化；標(biāo)準(zhǔn)化通信

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0180-03

Abstract： The scheme of integrated AC/DC power supply system for substation realizes the sharing of batteries in several sets of station power supply system， the centralized monitoring and centralized management of multiple sets of power supply systems， and the output of multiple power sources for one set of equipment. Because the integrated AC/DC power system has many advantages such as high integration and simple management， this scheme has been widely used in various voltage grade substations of the State Grid Corporation， and the Southern Power Grid Corporation is gradually expanding the scope of application. But for many years， the problems of low standardization， poor compatibility of different brand components and high maintenance cost have not been fundamentally solved in the integrated AC/DC power supply system. On the one hand， the integrated AC/DC power supply system has low maintenance efficiency and high maintenance cost； on the other hand， it seriously affects the reliable operation of the substation. In this paper， the problem of low standardization exists in the integrated AC/DC power supply system， and the scheme of fully modular power supply system is put forward.

Keywords： substation； integration of AC and DC； full modularization； standardized communication

引言

交直流一體化電源系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱：一體化電源）由站用交流電源、直流電源、通信電源、交流不間斷電源構(gòu)成，主要功能是為變電站提供各類穩(wěn)定、可靠的電源。各個(gè)電源子系統(tǒng)共用一套蓄電池組作為后備電源，通過各類電源變換器將交流電源分配或變換為AC380V、AC220V、DC220V/110V、DC-48V這四種電壓等級(jí)。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，配置一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、控制。

1 常規(guī)一體化電源系統(tǒng)

一體化電源系統(tǒng)由空氣開關(guān)、ATS（雙電源自動(dòng)切換裝置）、交流接觸器、高頻開關(guān)電源模塊（下文簡(jiǎn)稱：充電模塊）、調(diào)壓硅鏈（選配）、蓄電池組、電力專用逆變器、DC/DC直流變換器、各類表計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)、各類傳感器、柜體等部分構(gòu)成。市電通過各斷路器將電能變換并分配至各用電設(shè)備，目前面臨的問題如下。

（1）項(xiàng)目定制化

每個(gè)變電站因規(guī)模、省電力公司企標(biāo)、廠家、項(xiàng)目預(yù)算的差異使得每套一體化電源系統(tǒng)配置、器件品牌、監(jiān)控系統(tǒng)均各不相同。設(shè)備廠家需根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目需求重新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。這也就造成目前產(chǎn)品差異大，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，整體成本較高，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也難以保障。

（2）智能化程度要求提升

隨著一體化電源智能化程度的提高，饋線單元增加了各種檢測(cè)功能，饋線支路電流、電壓、開關(guān)量、開關(guān)狀態(tài)、故障告警、連接點(diǎn)溫度等各類信息。雖然提升配電系統(tǒng)智能化程度，但也增加大量元器件數(shù)量和種類、以及二次電纜數(shù)量，使得設(shè)備后期維護(hù)難度增大。

（3）器件多，系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)難

在整個(gè)一體化電源系統(tǒng)中，充電模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池等眾多器件，有眾多器件廠家和不同規(guī)格型號(hào)。如空氣開關(guān)可能用到框架斷路器、塑殼斷路器、微型斷路器，微型斷路器也有多種規(guī)格型號(hào)。一套功能完善的110kV變電站一體化電源系統(tǒng)由多達(dá)三十余種、七十余種規(guī)格器件構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成器件種類多、設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)維護(hù)難度大，對(duì)維護(hù)人員的專業(yè)能力要求高。

為了快速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)需求，每個(gè)運(yùn)行單位均需購(gòu)置部分重要元器件，器件種類過多也造成備貨量大，占用資金高、備件管理難的問題，給設(shè)備維護(hù)單位的管理工作帶來諸多困難。

2 模塊化設(shè)計(jì)

2.1 全模塊化電源系統(tǒng)

全模塊化一體化電源系統(tǒng)根據(jù)一體化電源系統(tǒng)各器件的各功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將集中的功能進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)功能的模塊化，進(jìn)而提升一體化電源系統(tǒng)的全模塊化。交流進(jìn)線電源關(guān)、直流系統(tǒng)交流進(jìn)線部分、充電模塊、逆變器進(jìn)線部分、逆變電源模塊、DC/DC-48V模塊，以及直流、交流、逆變、通信的饋線開關(guān)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。以達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備廠家標(biāo)準(zhǔn)化、流水線生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)工作量，提高系統(tǒng)維護(hù)工作效率。

2.2 饋線模塊化

饋線模塊化方案是采用集成設(shè)計(jì)技術(shù)，匯總各廠家、各型號(hào)開關(guān)規(guī)格參數(shù)，設(shè)計(jì)開模以共用尺寸模塊。其一次線部分采用軟銅牌連接，開關(guān)與模塊直接的連接靈活可靠，實(shí)現(xiàn)各品牌開關(guān)均可適用安裝；二次電纜均采用PCB板走線，徹底消滅二次電纜。電流傳感器、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)全部集成于模塊內(nèi)部，實(shí)時(shí)采集各回路電流、電壓、關(guān)鍵器件溫度等參數(shù)。傳感器所采集模擬量數(shù)據(jù)通過每個(gè)模塊的智能采集單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過RS485通訊協(xié)議上傳至總監(jiān)控處理分析。

圖1 饋線開關(guān)模塊化原理圖

圖2 饋線開關(guān)模塊化

模塊適用于主流國(guó)內(nèi)、合資品牌開關(guān)，通用性強(qiáng)；僅有輸出接口、RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，無二次電纜，生產(chǎn)、維護(hù)簡(jiǎn)單；電流、電壓、溫度、功率因數(shù)、功率等參數(shù)的大數(shù)據(jù)匯總，為后續(xù)大數(shù)據(jù)計(jì)算提供硬件支持。

2.3 直流部分交流進(jìn)線模塊化

一體化電源系統(tǒng)直流部分交流進(jìn)線電源有兩路交流電源，交流監(jiān)控單元檢測(cè)兩路交流電源供電質(zhì)量，通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)兩路電源的自動(dòng)投切，選擇正常交流電源供電，以保證直流電源交流供電的可靠性。

直流系統(tǒng)交流進(jìn)線部分主要構(gòu)成器件：交流進(jìn)線斷路器、交流防雷器、交流監(jiān)控器、直流總監(jiān)控、交流接觸器、指示燈、端子。各個(gè)器件作為一個(gè)個(gè)體存在，型號(hào)選擇、安裝方案因人而異千差萬別，但是部分器件也是一體化電源必備器件，可作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)為成模塊。將斷路器、接觸器、防雷器、交流監(jiān)控等器件集成為一個(gè)模塊，作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的模塊。如圖3。

圖3 交流進(jìn)線模塊

對(duì)外預(yù)留接口為標(biāo)準(zhǔn)的交流輸入、輸出端子以及標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊接口，后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)單便捷。本模塊適用于220kV及以下變電站的一體化、直流電源系統(tǒng)。

2.4 充電模塊、DC/DC模塊組件模塊化

隨著技術(shù)發(fā)展，充電模塊、DC/DC電源（本段簡(jiǎn)稱為：功率模塊）體積往小型化發(fā)展，能量密度越做越大，因各廠家技術(shù)差異，功率模塊規(guī)格尺寸千差萬別。為了規(guī)范使用，將4個(gè)功率模塊集成設(shè)計(jì)為單個(gè)大模塊，該大模塊輸入、輸出、通訊接口均設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口，單個(gè)功率模塊具有在線熱插拔功能，可在線更好維護(hù)。如需模塊全部更換或技術(shù)升級(jí)，可將整個(gè)大模塊進(jìn)行更換，其采用的接口與原模塊保持一直，可實(shí)現(xiàn)快速更換，更換成本低。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)化通訊

智能化的實(shí)現(xiàn)需要有各器件的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這就需要各器件與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，供后臺(tái)監(jiān)控、計(jì)算使用。傳統(tǒng)一體化電源系統(tǒng)中，各廠家均有各自通信規(guī)約，通信協(xié)議也是千差萬別。這就造成在改造項(xiàng)目中或維護(hù)中，單個(gè)監(jiān)控模塊或電源模塊故障，只能尋找原廠家更換，否則整套系統(tǒng)無法繼續(xù)使用，設(shè)備維護(hù)成本高，周期長(zhǎng)。

全模塊一體化電源中對(duì)通信方式、通信協(xié)議，均采用標(biāo)準(zhǔn)RS485方式，對(duì)其中各功能模塊通信協(xié)議點(diǎn)位進(jìn)行規(guī)范。按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求編寫通訊協(xié)議，任意一廠家設(shè)備即可與原設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)不同廠家模塊的共用。

3 模塊化特點(diǎn)

3.1 簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一體化電源系統(tǒng)模塊化將多個(gè)器件變?yōu)槎鄠€(gè)模塊，設(shè)計(jì)只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載需求，組合設(shè)計(jì)模塊?？蓽p少技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量、提高出圖效率與質(zhì)量，縮短一體化電源設(shè)備的交付周期。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、安裝對(duì)生產(chǎn)而言，模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)構(gòu)成更趨于標(biāo)準(zhǔn)化，單個(gè)模塊可流水線生產(chǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一體化電源整柜的流水線生產(chǎn)。改變現(xiàn)有整柜生產(chǎn)落后生產(chǎn)模塊，避免一體化電源人工生產(chǎn)存在的工藝、任務(wù)錯(cuò)誤帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高一體化電源生產(chǎn)的質(zhì)量水平及生產(chǎn)效率。使得未來一體化電源智能機(jī)器人生產(chǎn)變得可能。

3.3 維護(hù)簡(jiǎn)單

采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)用戶而言一體化電源系統(tǒng)僅僅由數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大模塊構(gòu)成，這使得一體化電源設(shè)備故障定位變得更加容易。當(dāng)模塊故障或損壞，可使用備用器件快速更換，提高設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)效率。

標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)后，目前的老舊模塊替換將不再是難題，可采用其他廠家標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行快速替換，提升運(yùn)行單位運(yùn)行效率，降低設(shè)備維護(hù)周期和成本。

4 結(jié)束語

模塊化設(shè)計(jì)是通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，是解決目前一體化電源系統(tǒng)差異化大、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)難度大的有效途徑，全模塊化也是未來產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化單元的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)，提高維護(hù)單位常用器件的備用效率，減少一體化電源系統(tǒng)的維護(hù)工作量。這在目前各供電局提效減員政策下，直接減輕各維護(hù)單位的工作量，提高電力系統(tǒng)供電安全。

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