110 kV智能變電站直流電源系統(tǒng)配置優(yōu)化研究

張新來，艾 飛

(1.邯鄲慧龍電力設(shè)計研究有限公司，河北 邯鄲 056000；2.國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

110 kV智能變電站直流電源系統(tǒng)配置優(yōu)化研究

張新來1，艾 飛2

(1.邯鄲慧龍電力設(shè)計研究有限公司，河北 邯鄲 056000；2.國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

針對如何合理選擇110 kV智能變電站直流電源系統(tǒng)設(shè)備的問題，提出對實際直流負(fù)荷進(jìn)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(fù)荷進(jìn)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。詳細(xì)分析了直流饋線屏饋線電纜截面積和饋線開關(guān)的選擇原則，并計算得出合理參數(shù)值，為其它同等規(guī)模變電站的建設(shè)提供參考。

110 kV智能變電站；直流電源系統(tǒng)；電纜截面積；饋線開關(guān)

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，主要包括蓄電池組、直流充電機屏、直流饋線屏、通信電源DC/DC模塊等主要設(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)、35～110 kV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(yán)格執(zhí)行。

在通用設(shè)計方案中，保護(hù)、控制、自動化設(shè)備等直流負(fù)荷的構(gòu)成和分布與常規(guī)變電站有很大不同，但是通用設(shè)計方案對直流系統(tǒng)配置的描述不夠詳細(xì)，實際工程設(shè)計中需要對實際直流負(fù)荷進(jìn)行分類統(tǒng)計，根據(jù)計算結(jié)果合理選擇相應(yīng)設(shè)備參數(shù)。

1 變電工程概況

1.1 工程規(guī)模

邯鄲地區(qū)某110 kV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50 MVA，終期3臺；110 kV本期2回進(jìn)線，內(nèi)橋接線，終期3回，擴大內(nèi)橋接線；10 kV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。

1.2 二次設(shè)備配置原則

全站二次設(shè)備根據(jù)國家電網(wǎng)公司2016版通用設(shè)計方案中有關(guān)二次系統(tǒng)技術(shù)要求配置，主要原則為：

a. 站控層設(shè)備、間隔層主變壓器保護(hù)測控裝置、交直流一體化電源設(shè)備及通信設(shè)備在保護(hù)控制室內(nèi)集中組屏；

b. 10 kV保護(hù)測控裝置集成裝置在開關(guān)柜上就地安裝，110 kV線路、內(nèi)橋間隔保護(hù)測控裝置及電度表就地布置在智能匯控柜內(nèi)；

c. 110 kV線路、內(nèi)橋、主變壓器中性點及主變低壓側(cè)開關(guān)間隔合并單元雙套配置，主變壓器高壓側(cè)間隔合并單元單套配置，主變壓器各側(cè)智能終端單套配置；

d. 過程層網(wǎng)絡(luò)中心交換機布置在內(nèi)橋間隔智能匯控柜內(nèi)，站控層網(wǎng)絡(luò)中心交換機布置在保護(hù)控制室內(nèi)；

e. 低周減載、主變壓器過負(fù)荷聯(lián)切裝置獨立配置，組2面屏，布置在保護(hù)控制室內(nèi)。

2 直流負(fù)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(fù)荷統(tǒng)計應(yīng)包含全站直流經(jīng)常性負(fù)荷、UPS電源負(fù)荷和通信用DC/DC負(fù)荷。

2.1 UPS電源負(fù)荷統(tǒng)計

根據(jù)DL/T 1074-2007《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》和變電站實際運行要求，該工程UPS負(fù)荷統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 UPS負(fù)荷統(tǒng)計

設(shè)備名稱功率/W監(jiān)控主機及數(shù)據(jù)服務(wù)器1500調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)300電能采集50綜合應(yīng)用服務(wù)器800智能輔助控制及安防系統(tǒng)1000合計3650

UPS計算容量：

(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(fù)載計算功率，kW；cosφ為負(fù)載功率因數(shù)，取0.8。

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

2.2 直流電源負(fù)荷統(tǒng)計

2.2.1 統(tǒng)計原則

a. 保護(hù)測控裝置功耗不超過50 W/臺[2]，斷路器分合閘線圈電流不超過2.5 A/臺[3]；

b. 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[4]，本站按照平均40 W/臺進(jìn)行統(tǒng)計；

c. 高壓斷路器跳閘的沖擊負(fù)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；

d. 全站電氣負(fù)荷及通信負(fù)荷均按2 h事故放電時間計算[5]。

2.2.2 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(fù)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。全站二次設(shè)備按終期規(guī)模進(jìn)行分類負(fù)荷統(tǒng)計的結(jié)果見表2。

表2 直流負(fù)荷統(tǒng)計

負(fù)荷名稱裝置容量/kW負(fù)荷系數(shù)計算容量/kW負(fù)荷電流/A經(jīng)常負(fù)荷事故放電時間/min初期0～1持續(xù)1～120隨機0.08微機監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)5.040.62.96413.4713.47√√智能組件裝置1.50.81.25.455.45√√DC/DC裝置2.50.829.19.1√√UPS裝置6.10.63.6616.64√√事故照明0.610.62.73√√斷路器自投1.11.01.15√斷路器跳閘6.60.63.9618√恢復(fù)供電斷路器合閘0.551.00.552.5√電流統(tǒng)計/A28.0270.3947.392.5

3 直流電源系統(tǒng)配置

3.1 蓄電池組配置

3.1.1 基本參數(shù)選擇

本站直流系統(tǒng)額定電壓為220 V，蓄電池組為閥控式密封鉛酸蓄電池，單體浮充電壓選用2.23 V，可計算出蓄電池數(shù)量為104只，放電終止電壓為1.85 V[6]。

3.1.2 容量選擇

根據(jù)表2中直流負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行計算蓄電池容量，本站直流負(fù)荷在事故放電期間，分為初期負(fù)荷(1 min)和持續(xù)負(fù)荷(2 h)2個階段。根據(jù)蓄電池容量簡化計算法[7]：

初期沖擊容量，

(2)

第一階段計算容量，

(3)

隨機負(fù)荷計算容量，

(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(fù)荷電流；Kch0，Kc1，Kcr分別為放電時間1 min，119 min及5 s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2 V)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，Kc1=0.34，Kcr=1.34。代入式(2)～(4)可得Kch0=79.47 Ah，Kch1=191.2 Ah，Cr=1.87 Ah；取Kch0與(Kch+Cr)的較大值，因此蓄電池組容量選取200 Ah。

3.2 充電裝置配置

3.2.1 額定充電電流選擇

充電裝置額定電流按下列公式計算：

滿足浮充電要求，

Ir≥0.01I10+Ijc

(5)

滿足初充電要求，

Ir=1.0I10

(6)

滿足均衡充電要求，

Ir=1.0I10+Ijc

(7)

式(5)～(7)中:I10=20 A為蓄電池組10 h放電電流，取上述3個公式計算結(jié)果最大值得Ir=48.02 A，故選擇充電裝置額定充電電流Ir=50 A。根據(jù)直流設(shè)計規(guī)程要求，充電裝置隔離開關(guān)及熔斷器額定電流選為63 A，充電裝置輸出斷路器額定電流為63 A。

3.2.2 高頻電源開關(guān)模塊選擇

單個高頻電源開關(guān)模塊額定電流選取Ime=10 A，模塊數(shù)量根據(jù)下式計算：

In=n1+n2

(8)

式中：n1為充電電流與單個模塊額定電流之比，n2為備用模塊數(shù)量。當(dāng)n1≤6時，n2=1;當(dāng)n1>6時，n2=2。經(jīng)計算可得，高頻電源開關(guān)模塊容量為(5+1)×10 A。

3.3 饋線電纜截面選擇

電纜截面應(yīng)按電纜長期允許載流量和回路允許電壓降2個條件選擇，并按下列公式計算：

Ipc≥Ica1

(9)

(10)

式中：Ipc為電纜允許載流量,A；Ica1為回路長期工作計算電流，A；Scac為電纜計算截面，mm2；L為電阻系數(shù)，取0.018 4 Ω，mm2/m；L為電纜長度；Ica為允許壓降計算電流，A；ΔUp為回路允許電壓降，V，取3%～6.5%Un。

本工程直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形供電，保護(hù)室內(nèi)各間隔層設(shè)備、110 kV GIS及主變壓器本體智能匯控柜內(nèi)設(shè)備等分散負(fù)荷終端以屏柜為單位直接從直流饋線屏分別引出1回保護(hù)、控制電源；10 kV保護(hù)測控裝置按照10 kV母線段設(shè)置直流小母線，每段小母線從饋線屏分別引出1回保護(hù)、控制電源。因此直流饋線電纜截面應(yīng)按這2種情況校驗。

a. 分散負(fù)荷終端

選取最遠(yuǎn)處變壓器本體智能匯控柜負(fù)荷終端，L=60 m；因智能匯控柜內(nèi)二次設(shè)備工作電流遠(yuǎn)小于斷路器線圈合閘電流，故取Ica1=2.5 A(合閘線圈控制電流)。代入式(9)可得Ipc≥2.5 A，根據(jù)低壓電線電纜載流量索引表[8]可查得電纜截面積選取Scac≥0.5 mm2。

根據(jù)直流電源系統(tǒng)不同回路允許電壓降計算公式(表E.2-2)[7]，取Ica=10 A，代入式(10)計算可得1.6 mm2≤Scac≤3.4 mm2。根據(jù)兩式計算結(jié)果取較大值并結(jié)合常用電纜規(guī)格，至分散負(fù)荷終端的控纜截面積選取Scac=2.5 mm2，此時ΔUp=4%，滿足規(guī)程要求。

b. 10 kV直流小母線

取最遠(yuǎn)處一段小母線，L=50 m；考慮低周減載保護(hù)動作一段母線上10 kV出線回路同時跳閘的極端情況，Ica1=2.5*12=30 A。代入式(9)可得Ipc≥30 A，查低壓電線電纜載流量索引表得Scac≥6 mm2。

此時,取Ica=Ica1=30 A, 代入式(10)可得3.9 mm2≤Icac≤8.4 mm2。結(jié)合常用電纜規(guī)格，至10 kV直流小母線的控纜截面積可選取Icac=8 mm2，此時ΔUp=3.1%，滿足規(guī)程要求。

3.4 直流斷路器配置

該工程直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形供電，網(wǎng)絡(luò)接線方式如圖1所示。

圖1 集中輻射形供電接線

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(hù)測控屏、智能匯控柜等終端負(fù)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(fù)荷電流實際大小，可選擇2 A，4 A，6 A等不同的額定電流，最大不超過10 A。S2的額定電流選擇除了應(yīng)滿足額定負(fù)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(fù)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(hù)電器選擇性配合表”[8]的推薦值并結(jié)合國家電網(wǎng)直流電源物資采購標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要選擇，結(jié)果如表3所示。

表3 直流饋線開關(guān)額定電流

饋線開關(guān)額定電流/AS324610S225324063

F1額定電流按式(11)、(12)計算：

In≥5.5I10

(11)

In≥2In.max

(12)

上式中，I10=20 A為蓄電池組10 h放電電流，In.max為饋線屏斷路器S2中額定值最大值，取63 A。代入式(11)、(12) 取最大值，得In≥126 A。

3.5 DC/DC模塊配置

根據(jù)通信專業(yè)提資：通信設(shè)備負(fù)荷2.5 kW,DC/DC模塊額定電壓為220/48 V。計算可得模塊輸出電流50 A,根據(jù)N+1原則，通信電源模塊額定電流選擇(3+1)×20 A。

4 結(jié)束語

通過對站內(nèi)直流負(fù)荷進(jìn)行分類統(tǒng)計與計算，本工程直流電源系統(tǒng)配置為：蓄電池組200 Ah，2 V，104節(jié)；UPS電源7.5 kVA；充電機高頻模塊6×10 A；直流網(wǎng)絡(luò)采用集中輻射型供電，饋線開關(guān)選擇25 A、32 A、40 A及63 A規(guī)格；饋線屏至各個分散負(fù)荷終端的電纜截面選用2.5 mm2，至10 kV配電室直流小母線電纜截面選用8 mm2；通信電源DC/DC模塊額定電流選擇4×20 A。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、充電機高頻模塊的配置方面進(jìn)行了優(yōu)化，對直流饋線開關(guān)配置，電纜截面選擇進(jìn)行了細(xì)化研究，可以為其它方案的智能變電站直流電源設(shè)計提供參考。

[1] 國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準(zhǔn) 電源系統(tǒng)卷 智能變電站電源系統(tǒng)卷[M].北京:中國電力出版社，2014.

[2] 國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準(zhǔn) 智能變電站繼電保護(hù)及自動裝置卷[M].北京:中國電力出版社，2014.

[3] 國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準(zhǔn) 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備卷[M].北京：中國電力出版社，2014.

[4] Q/GDW 1429-2012,智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計-35～110 kV智能變電站模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計(2016年版)[M].北京:中國電力出版社，2017.

[6] 曹程杰.智能變電站交直流一體化電源計算與選擇[J].電工技術(shù),2013(11)：16-18，28.

[7] DL/T 5044-2014,電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[8] 馬國棟.電線電纜載流量[M].北京:中國電力出版社，2013.

Research on 110 kV Smart Substation DC Power System Configuration Optimization

Zhang Xinlai1,Ai Fei2

(1.Handan Huilong Electric Power Design&Research Co.,Ltd,Handan 056000,China;2.State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310000,China)

In order to select the proper device of 110 kV smart substation DC power system,the DC load is classified and counted,the design scheme are selected by calculation result,battery group,UPS power supply,high frequency charge etc are ascertained through classifying and calculating DC load of the design scheme.The selecting principles of cable section and feed breaker are fully analyzed,the proper parameters are calculated.This DC power system optimized design will be a reference for the other same scale substation building.

110 kV smart grid;DC power system;cable section;feed breaker

2017-07-03

張新來(1984-)，男，工程師，主要從事變電工程電氣設(shè)計工作。

TM64

B

1001-9898(2017)06-0025-04

本文責(zé)任編輯：楊秀敏