110 kV變電站直流蓄電池容量計算算法優(yōu)化

張尚云

（國電龍源節(jié)能技術(shù)有限公司上海分公司，上海 200333）

0 引 言

變電站中，直流系統(tǒng)是非常重要的一部分。直流電源主要為控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、直流應(yīng)急照明、斷路器開合閘、DC/DC變換裝置以及直流電機(jī)等提供不間斷電源。直流系統(tǒng)的核心是蓄電池，因此合理選擇蓄電池容量是保證事故情況下各用電設(shè)備能可靠動作、運行的關(guān)鍵。目前，選擇蓄電池容量的計算方法有兩種——電壓控制法和階梯計算。本文以直流負(fù)荷性質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合實際案例數(shù)據(jù)分析兩種計算方法，并在原有計算過程基礎(chǔ)上提出優(yōu)化的計算方法[1]。

1 直流負(fù)荷統(tǒng)計

以某無人值守110 kV變電站典型設(shè)計為例，該站直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓110 V，采用直流控制與動力負(fù)荷合并的一組蓄電池供電。蓄電池擬選用閥控式密封鉛酸蓄電池、貧夜單體2 V、放電終止電壓為1.85 V。無人值守變電站，全站交流電源事故停電時間按2 h計算[2]。變電站直流負(fù)荷包括信號、控制與保護(hù)裝置2 kW，監(jiān)控系統(tǒng)1 kW，智能裝置0.5 kW，斷路器跳閘3 kW，斷路器自投5 kW，恢復(fù)供電斷路器合閘5 kW，交流不停電電源2 kW，應(yīng)急照明1 kW，氫密封油泵20 kW，DC/DC變換裝置1.3 kW。為簡化計算過程，略去部分負(fù)荷，僅對部分負(fù)荷容量進(jìn)行統(tǒng)計調(diào)整，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

按直流負(fù)荷統(tǒng)計表有：經(jīng)常負(fù)荷電流Ijc=31.26 A；初期1 min沖擊電流I1min=404.1 A；事故放電時間持續(xù)負(fù)荷電流I0.5h=I1.0h=I1.5h=I2h=196.8 A；隨機(jī)5 s負(fù)荷電流I5s=45.5 A。

表1 直流負(fù)荷統(tǒng)計

2 蓄電池容量選擇

蓄電池容量選擇應(yīng)符合以下規(guī)定：滿足變電站（或發(fā)電廠）事故全停電時間內(nèi)的放電容量要求；滿足變電站事故放電初期直流電動機(jī)的啟動和其他設(shè)備沖擊負(fù)荷的放電容量要；滿足蓄電池組的持續(xù)放電時間內(nèi)的隨機(jī)5 s沖擊負(fù)荷電流的放電容量要求。

蓄電池容量選擇計算應(yīng)滿足下列規(guī)定：按相應(yīng)事故放電時間分別計算事故放電電流，確定其負(fù)荷曲線；根據(jù)蓄電池的型式、蓄電池放電時間、放電終止電壓等，確定相應(yīng)的蓄電池容量換算系數(shù)；按事故放電階段，根據(jù)事故電流分階段進(jìn)行容量計算，如果有隨機(jī)負(fù)荷，應(yīng)相應(yīng)地疊加到各階段計算容量中最大的放電階段；選取最大值作為蓄電池的選擇容量[3]。目前，計算方法有兩種——階梯計算法（HOX-IE）和電壓控制法（簡化法）。

階梯計算法（HOX-IE）是將全部負(fù)荷視為不同大小的階梯，按階梯計算所需容量，然后取較大值；電壓控制法（簡化法）是將負(fù)荷分為初期沖擊負(fù)荷和持續(xù)負(fù)荷，分別計算所需容量，然后比較取較大值。相比階梯計算法，電壓控制法（簡化法）計算時間只有1 min、30 min、60 min、120 min等整數(shù)，計算過程相對簡化，比階梯計算法少算一個階梯。

簡化計算算法是根據(jù)容量換算，用初期1 min沖擊負(fù)荷電流計算其實際最低母線電壓和校驗后的計算容量；階梯計算法是用電流值換算，事先設(shè)定好母線電壓值，之后不再校核，因為最后選擇的蓄電池容量總是大于計算容量，所以實際得到的最終母線電壓一定會高于要求。這兩種方法所用的換算系數(shù)蓄電池容量換算系數(shù)可以相互替換，本質(zhì)一樣。

（1）事故放電初期1 min沖擊放電電流容量為：

（2）第n階段的計算容量為：

（3）隨機(jī)負(fù)荷計算容量為：

式中，Kk=1.4為可靠系數(shù)；Cc1～Ccn為電池10 h或5 h放電率各階段的計算容量，單位Ah）；Kc1～Kcn為各計算階段中相對應(yīng)放電時間的容量換算系數(shù)；I1～I(xiàn)n為各階段的負(fù)荷電流，單位A。

2.1 階梯計算法（HOX-IE）

（1）第一階段計算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系數(shù)），I1=404.1（初期1 min電流），于是有：

（2）第二階段計算容量

t=30 min，Kc1=0.78（30 min系數(shù)），Kc2=0.8（29 min），I2=196.8（30 min電流），于是有：

（3）第三階段計算容量

t=60 min，Kc1=0.54（60 min系數(shù)），Kc2=0.558（59 min），Kc3=0.78（30min），I3=196.8（60 min），于是有：

（4）第四階段計算容量

t=120 min，Kc1=0.33（120 min），Kc2=0.347（119 min），Kc3=0.428（90 min），Kc4=0.54（90 min），I4=196.8（120 min），于是有：

（5）隨機(jī)負(fù)荷計算容量

Ir=45.5為可靠系數(shù)，Kcr=1.34為隨機(jī)5 s負(fù)荷系數(shù)，于是有：

根據(jù)比較以上各階段計算結(jié)果，有：

故本110 kV變電站蓄電池容量為791 Ah。

2.2 電壓控制法（簡化計算法）

簡化計算法，計算時間僅有1 min、30 min、60 min、120 min等整數(shù)，且將階梯計算法第一個階段提出作為初期1 min沖擊放電容量，比階梯計算法少用一個階梯，詳細(xì)計算過程此處不贅述。

3 蓄電池容量計算方法優(yōu)化

事故停電時間有人值守變電站，分析變電站直流負(fù)荷性質(zhì)。一般除去初期1 min沖擊負(fù)荷電流、隨機(jī)5 s負(fù)荷電流，事故放電持續(xù)時間內(nèi)各用電設(shè)備事故停電持續(xù)時間基本相同，這樣負(fù)荷統(tǒng)計過程中計算電流會有幾個階段計算電流相同?？紤]可以將變電站負(fù)荷統(tǒng)計過程中計算電流相同階段視為同一階段優(yōu)化階梯法和電壓控制法計算過程。例如，階梯法計算過程1～30 min、30～60 min、60～120 min計算電流相同（電壓控制法類似）。將這3個階段簡化為一個階段1～120 min，簡化計算過程如下。

（1）第一階段計算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系數(shù)），I1=404.1（初期1 min電流），于是有：

（2）第二階段計算容量

t=120 min，Kc1=0.344（120 min），Kc2=0.347（119 min），I2=196.8（120 min），于是有：

（3）隨機(jī)負(fù)荷計算容量

Ir=45.5（隨機(jī)5 s），Kcr=1.34（隨機(jī)5 s），于是有：

故本110 kV變電站蓄電池容量為791 Ah。

對比可見，優(yōu)化后不影響計算結(jié)果，計算過程大大簡化，原階梯計算法有4個階段（階梯），優(yōu)化后僅剩2個階段。需要說明的是，本優(yōu)化計算法同樣適用于電壓控制法（簡化法）。

4 結(jié) 論

本文僅對直流系統(tǒng)蓄電池容量計算方法階梯計算法和電壓控制法計算過程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并未對蓄電池選擇中其他方面做贅述。比較發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的計算方法在不影響計算結(jié)果的基礎(chǔ)上大大簡化了計算過程，為變電站設(shè)計中蓄電池容量計算提供了參考。