變電站交直流一體化電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

王寧寧 詹志宏 蔣小莉 劉忠 姚洋 童為為

摘要： 變電站交直流一體化電源系統(tǒng)是現(xiàn)有變電站占用電源設(shè)計(jì)和管理模式的創(chuàng)新和發(fā)展。近幾年隨著數(shù)字化變電站相繼建設(shè)投產(chǎn)及全國智能變電站試點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，交直流一體化電源系統(tǒng)正在逐步替代傳統(tǒng)站用電源系統(tǒng)的建設(shè)和管理模式，其技術(shù)先進(jìn)、維護(hù)方便、運(yùn)行安全可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。不管是現(xiàn)在還是將來，都會(huì)得到廣泛的推廣和應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：變電站;交直流;一體化;電源系統(tǒng)設(shè)計(jì);應(yīng)用2 交直流一體化電源系統(tǒng)的總體概述

1 現(xiàn)狀分析

目前，站用電源系統(tǒng)中，交流站用系統(tǒng)主要是為變電站隔離開關(guān)操作、風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行、加熱照明系統(tǒng)提供可靠供電服務(wù);直流系統(tǒng)則主要是為變電站繼電保護(hù)、綜合自動(dòng)化、斷路器控制等提供不間斷供電服務(wù);通信電源則是為變電站通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等提供電源;UPS電源則主要是為特殊情況下提供事故照明、調(diào)度通信業(yè)務(wù)設(shè)備提供不間斷可靠供電服務(wù)。傳統(tǒng)的站用電源系統(tǒng)主要存在以下不足：

（1）綜合自動(dòng)化水平不足。雖然在把變電站中，所有設(shè)備均要采用IEC61850協(xié)議，能夠解決通信規(guī)范的兼容問題，但由于沒有統(tǒng)一的監(jiān)控設(shè)備對整個(gè)變電站電源進(jìn)行管理，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，無法進(jìn)行變電站用電源協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

（2）運(yùn)行維護(hù)不便。站用電源一旦出現(xiàn)故障需要向多個(gè)廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)，造成溝通困難與效率低下。且站用電源分配不同專業(yè)人員進(jìn)行管理，人力資源不能總體調(diào)配，通信電源、UPS等也沒有納入變電站的巡檢范圍，可靠性得不到保障。

2 系統(tǒng)簡介

交直流一體化電源系統(tǒng)采用分層分布架構(gòu)，將站用交流電源、直流操作電源、電力專用UPS與電力專用逆變電源（INV）、通信用直流變換電源（DC/DC）等設(shè)備按一體化設(shè)計(jì)、一體化配置，通過統(tǒng)一的智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站電源的集中供電和統(tǒng)一監(jiān)控管理。

2.1? 現(xiàn)場安裝配置

交直流一體化電源系統(tǒng)采用優(yōu)化配置，取消通信蓄電池組及充電裝置，使用DC/DC變換器直接掛于直流母線代替;取消UPS蓄電池，使用逆變器直接掛于直流母線代替，對重要負(fù)荷如事故照明等采用逆變電源供電。以220kV變電站和110kV變電站為例，設(shè)備配置可設(shè)計(jì)如下：

2.2? 交直流一體化電源系統(tǒng)需解決問題

近年，對于交直流一體化電源考慮較多的問題主要是：站用交流電源如何可靠地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換問題;高頻開關(guān)電源、直流―直流變換電源模塊自主均流、穩(wěn)流、穩(wěn)壓、整機(jī)效率、徹底消除電網(wǎng)的沖擊、浪涌、抗干擾能力、開機(jī)軟啟動(dòng)問題;電力專用逆變電源的直流輸入、交流輸入及輸出三方完全電氣隔離，動(dòng)態(tài)瞬變、陷落及雜訊干擾等對負(fù)載設(shè)備的不良影響，過載能力，維修旁路控制邏輯，實(shí)現(xiàn)不間斷電源在任意運(yùn)行狀態(tài)下閉合維修旁路開關(guān)，不影響連續(xù)供電問題。

3 一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控范圍

一體化電源系統(tǒng)利用通信方式對各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分散采集和集中管理，可在自動(dòng)化監(jiān)控后臺(tái)或集控中心對本站各電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。

一體化電源系統(tǒng)中除交流電源子系統(tǒng)進(jìn)線開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用框架式開關(guān)外，其它開關(guān)均為塑殼開關(guān)、微型空開和隔離開關(guān)，不具有電氣操作機(jī)構(gòu)。如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，就需要給這些饋線開關(guān)或隔離開關(guān)加裝外部輔助機(jī)械裝置以及微型馬達(dá)來實(shí)現(xiàn);這樣無疑會(huì)大幅增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和投資費(fèi)用，饋線柜的數(shù)量也會(huì)增加許多，因此實(shí)際工程應(yīng)用案例極少。另外各電源子系統(tǒng)全部雙套配置，重要負(fù)荷雙回路供電，因此一旦發(fā)生站用電源饋線跳閘事故，一般需要檢修維護(hù)人到現(xiàn)場查明故障原因，才能進(jìn)一步恢復(fù)供電。因而功能中除對進(jìn)線開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)方控制外饋線開關(guān)以及隔離開關(guān)遠(yuǎn)方控制的必要性不大。

4 站用交流電源切換方式

500kV變電站備用電源自動(dòng)投切有以下實(shí)現(xiàn)方式：

方式三：由進(jìn)線監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)備用電源自動(dòng)投切功能。雖然只能實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖，但取消自動(dòng)備投裝置，將自動(dòng)備投功能嵌入交流進(jìn)線監(jiān)控模塊，由進(jìn)線監(jiān)控模塊對采集的信息進(jìn)行分析處理并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切。本工程推薦采用方案三實(shí)現(xiàn)備自投功能，節(jié)省獨(dú)立的備自投裝置。

5 變電站交直流一體化電源的設(shè)計(jì)方案

交直流一體化電源系統(tǒng)采用分體式架構(gòu)，將站用交流不間斷電源/電力專用逆變電源、直流操作電源、服務(wù)等，通過網(wǎng)絡(luò)通信，設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)變電站站用電源的集中供電和統(tǒng)一監(jiān)控管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測。

1）站用交流電源

站用交流電源主要由交流進(jìn)線、交流饋線、電量測量和交流電監(jiān)控4個(gè)單元組成，配有ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)兩路交流進(jìn)線電源的自動(dòng)切換，從而確保了交流輸出分配和一體化電源長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2）直流操作電源

直流操作電源是一體化電源的核心，主要由整流單元，蓄電池單元，直流饋線單元。

3）交流不間斷電源

交流不間斷電源，主要包括UPS和INV兩類不間斷電源。其中UPS主要為變電站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控、打印機(jī)等對電源質(zhì)量要求很高的重要負(fù)荷供電;而INV逆變電源主要為變電站內(nèi)事故照明等對電源的質(zhì)量要求不高的負(fù)荷供電。

4）DC/DC通信整流電源

與傳統(tǒng)通信電源有所不同，DC/DC通信電源采用DC220/110V直流母線電源作為通信整流模塊的輸入電源，并與直流電源共用一套蓄電池組，整理模塊也采用N+1冗余模式，且采用硬件自主均流技術(shù)，為變電站內(nèi)交換機(jī)等通信設(shè)備提供可靠的直流工作電源。

5）一體化監(jiān)控系統(tǒng)

一體化監(jiān)控模塊存儲(chǔ)整個(gè)站用電源數(shù)據(jù)，通過一個(gè)RJ45口以IEC-61850規(guī)約與后臺(tái)連接，也可通過RS232/485口與后臺(tái)連接，能完成站用電源四遙功能。一體化監(jiān)控模塊故障不影響電源其他智能模塊運(yùn)行。

6 變電站交直流一體化電源實(shí)例應(yīng)用

淮南110KV上窯變電站站用一體化電源經(jīng)調(diào)試正常已投入運(yùn)行，就以此為例簡單論述一體化電源的配置方案。

方案設(shè)計(jì)：站用兩路交流電分別引自不同變壓器下的低壓母線，經(jīng)兩臺(tái)ATS自動(dòng)切換為相應(yīng)交流負(fù)荷供電。通信電源和UPS不間斷電源直流進(jìn)線都取至直流主母線，并與直流共用一組蓄電池。

屏柜配置：本項(xiàng)目總共配置11面屏柜，與常規(guī)屏柜配置方案相比減少了3個(gè)屏柜。組屏方案如下：

監(jiān)控通信：本系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)一體化直流總監(jiān)控和絕緣巡檢、通信電源、交流電源，UPS電源4個(gè)子監(jiān)控。4個(gè)子監(jiān)控各自對自己的單元的功能運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能及時(shí)采集數(shù)據(jù)和反饋電信號給總監(jiān)控。一體化總監(jiān)控也可以對各個(gè)子監(jiān)控做相應(yīng)配置和參數(shù)的修改，并能通過RS485/RS232或者以太網(wǎng)口與后臺(tái)通信，為后臺(tái)值班人員更好地掌握現(xiàn)場一體化電源運(yùn)行情況提供了便利。

7 結(jié)語

智能變電站一體化電源系統(tǒng)，是借鑒電力用直流、交流一體化不間斷電源系統(tǒng)核心思想，針對智能變電站的特點(diǎn)而開發(fā)的一體化電源產(chǎn)品解決方案。現(xiàn)有站用電源系統(tǒng)在資源整合、自動(dòng)化水平、運(yùn)行管理模式等方面都還存在著很大的優(yōu)化提升空間;而交直流一體化電源系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、智能經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢具有廣范的應(yīng)用與蓬勃發(fā)展前景。

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