基于智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)研究

牛曉玲

摘 要：?交直流電源智能化運行是通過整合交、直流電源實現(xiàn)的，為供電用電的一體化提供了解決方案，能有效地提高運行的穩(wěn)定安全性，從而提高了變電站電源管理能力。而交直流一體化電源系統(tǒng)具有集成度高、管理簡便等優(yōu)勢，可集中監(jiān)控和管理多套電源系統(tǒng)，提高了多套站用電源系統(tǒng)蓄電池組的共享性，隨著交直流一體化電源系統(tǒng)方案的廣泛應(yīng)用，其所存在的問題急需從根本上進行解決（包括標準化程度不高、各品牌間的兼容性差等）。為確保變電站的可靠運行，提出全模塊化電源系統(tǒng)方案，以期提高維護效率并降低維護成本，為提高交直流一體化電源系統(tǒng)的標準化程度提供參考。

關(guān)鍵詞：?變電站; 交直流一體化; 全模塊化; 標準化通信

中圖分類號： TM 762

文獻標志碼： A

Research on AC/DC Integrated Power System Based on Intelligent Substation

NIU Xiaoling

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xian Railway Vocational and Technical Institute， Xi'an， Shanxi 710026， China）

Abstract：

The intelligent operation of AC and DC power supply is realized by integrating AC and DC power supplies， which provides a solution for the integration of power supply and electricity， effectively improves the stability and safety of operation， and thus improves the power management capability of the substation. The AC/DC integrated power supply system has the advantages of high integration and simple management， which can centrally monitor and manage multiple sets of power supply systems， and improve the sharing of battery packs of multiple sets of power supply systems. With the wide application of the AC/DC integrated power system scheme， its problems urgently need to be fundamentally solved （including the degree of standardization， poor compatibility between brands， etc.）. In order to ensure the reliable operation of the substation， this paper proposes a fully modular power system scheme to improve maintenance efficiency and reduce maintenance costs， and provide reference for improving the standardization degree of AC/DC integrated power system.

Key words：

substations; AC/DC integration; full modularization; standardized communication

0 引言

目前變電站在不斷發(fā)展和完善的新技術(shù)的支撐下，供電穩(wěn)定性得以全面提升，其智能化、自動化水平不斷提高，為用電安全打下牢固的基礎(chǔ)。但隨著用電規(guī)模的不斷擴大為電力運行質(zhì)量的要求逐漸提高，交直流一體進入了新的研究階段，智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)實現(xiàn)了自動切換、啟動設(shè)備，高效的滿足了傳喚供電及安全用電需求，交直流一體化電源系統(tǒng)主要由四類電源構(gòu)成（包括通信電源、交/直流電源、交流不間斷電源），主要負責(zé)將各類穩(wěn)定可靠的電源提供給變電站，各電源子系統(tǒng)的后備電源共用一套蓄電池組，對交流電源進行分配或變換處理（通過使用電源變換器實現(xiàn)），轉(zhuǎn)換成所需電壓等級（AC380V、AC220V、DC220V）。通過配置一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)實時測量、控制功能，以確保系統(tǒng)正常運行。本文在分析交直流一體化電源系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，進一步對電源系統(tǒng)進行設(shè)計和優(yōu)化，提出了全模塊化電源系統(tǒng)方案[1]。

1 常規(guī)一體化電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)由柜體、蓄電池組、高頻開關(guān)電源模塊（充電模塊）、空氣開關(guān)、DC直流變換器ATS、交流接觸器、專用逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)、各類表計及傳感器等構(gòu)成。將電能通過各斷路器完成變換后向各用電設(shè)備分配，主要存在的問題如下。

（1） 各變電站的一體化電源系統(tǒng)配置、監(jiān)控系統(tǒng)受到廠家、電力公司企標、規(guī)模及項目預(yù)算等方面的影響而表現(xiàn)出不同程度的差異，各設(shè)備廠家通常需以各項目需求為依據(jù)進行設(shè)計和生產(chǎn)，導(dǎo)致目前系統(tǒng)產(chǎn)品標準化程度不高、存在較大的差異，提升了整體成本，阻礙了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的實現(xiàn)及產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

（2） 一體化電源對智能化程度要求逐漸提高，系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提升，饋線單元針對各類信息的檢測功能也不斷增加（包括電流、電壓、連接點溫度、故障告警、開關(guān)數(shù)量及狀態(tài)等），顯著增加了二次電纜數(shù)量、元器件數(shù)量和種類及設(shè)備后期維護的難度。各運行單位通常需對部分重要元器件進行購買，以滿足現(xiàn)場維護的快速響應(yīng)需求，一體化電源系統(tǒng)中種類繁多的器件（包括充電模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池等）面臨著廠家和規(guī)格型號不同的問題，以空氣開關(guān)用到的斷路器為例包含框架、塑殼、微型等不同種類，種類繁多設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成器件造成備貨量大、占用資金高等問題，對維護人員能力要求不斷提高[2]。

2 智能變電站電源系統(tǒng)特點

交直流一體化電源系統(tǒng)主要通過綜合重組傳統(tǒng)變電站的各類電源使用裝置（包括交/直流、交流不間斷、通信、逆變、直流交換等類型的電源），使其形成統(tǒng)一的運行模塊，建立直流電源蓄電池組以實現(xiàn)充分共享（通過使用統(tǒng)一監(jiān)視控制信息完成），在保證電源供應(yīng)的同時是電源運行的系統(tǒng)性得以提升。

2.1 實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化

變電站設(shè)備的增加提升了所使用電源的復(fù)雜程度，使用不同線路及電源的各類設(shè)備則增加了維護與保養(yǎng)的難度，而一體化建設(shè)通過重組與設(shè)計線路使電源供應(yīng)的穩(wěn)定與安全性得以提高。交直流一體化電源系統(tǒng)作為智能變電站的重大突破之一，在一體統(tǒng)一外形的同時完善了功能設(shè)計，優(yōu)化了電源系統(tǒng)的整體設(shè)計和安裝過程，節(jié)約了整個電源系統(tǒng)的占地空間，提高了平臺利用效率。一體化設(shè)計使新的供電模式得以有效實現(xiàn)，顯著減少了了組屏數(shù)量，在確保整體集中統(tǒng)一的同時簡化了系統(tǒng)供電運行過程，能夠統(tǒng)一監(jiān)控和分析各電源子系統(tǒng)，便于后期使用和維護。使不同的電源通信兼容問題（由不同供應(yīng)商供應(yīng)）得以充分解決，從而提高了變電站系統(tǒng)的智能化及自動化水平[3]。

2.2 提高了安全性和經(jīng)濟性

信息技術(shù)的運用實現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)備的自動檢測，使系統(tǒng)安全性得以顯著提高，一體化電源系統(tǒng)通過有機結(jié)合設(shè)備和信息技術(shù)形成了整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征（合圍不同子系統(tǒng)），通過關(guān)聯(lián)各系統(tǒng)實現(xiàn)總控制，各子系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化，進而能夠統(tǒng)一調(diào)整和控制各子系統(tǒng)運行狀態(tài)和參數(shù)，特別是科對電源盲點部位進行及時監(jiān)控，進一步提升看系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。除此之外，各模塊間參數(shù)通過全面互換能夠在不影響整機運行工作的基礎(chǔ)上檢測單個開關(guān)或模塊，減少了作業(yè)流程，實現(xiàn)了整體設(shè)備檢修的連續(xù)性，從而簡化了使用和維修的操作環(huán)節(jié)。相比于傳統(tǒng)常規(guī)變電站電源，交直流一體化電源系統(tǒng)運行過程的成本更低，更能滿足電力系統(tǒng)的經(jīng)濟實用的需求，優(yōu)化后的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)使相關(guān)設(shè)備更加集成，有利于人力合理分配的實現(xiàn)，顯著降低設(shè)備投入，節(jié)約了變電站運行成本。使用蓄電池還可在一定程度上降低污染，提升經(jīng)濟和社會效益[4]。

2.3 提升電源管理水平

運行復(fù)雜的傳統(tǒng)變電站電源易引發(fā)安全事故，增加了電源管理的難度，隨著交直流一體化電源系統(tǒng)在智能變電站中的應(yīng)用范圍逐漸增大，實現(xiàn)了統(tǒng)一整體的電源使用維護過程，使變電站電源使用效率得以顯著提升，能夠?qū)Ω鳁l線路進行精準設(shè)計，提高了電源管理的科學(xué)化和智能化，全部電源設(shè)計方案及安裝服務(wù)均由廠家統(tǒng)一提供，使電源管理過程更加準確及時，管理各線路的歷史數(shù)據(jù)，能夠針對事故情況精準判斷位置并做出報警處理（以系統(tǒng)各種設(shè)置數(shù)據(jù)為依據(jù)），同時對結(jié)果進行有效分析，控制操作電池管理輸出確保各項事務(wù)合理處置，以確保電站安全穩(wěn)定的運行[5]。

3 電源系統(tǒng)模塊化設(shè)計

3.1 模塊化特點

（1） 簡化設(shè)計過程，提高出圖效率與質(zhì)量，通過模塊化處理一體化電源系統(tǒng)實現(xiàn)多個器件到多個模塊的轉(zhuǎn)換過程，以現(xiàn)場的實際負載需求為依據(jù)對模塊進行組合設(shè)計，縮短電源設(shè)備的交付周期，從而使相關(guān)的設(shè)計工作量得以顯著減少。

（2） 提高生產(chǎn)及安裝過程的標準化程度，生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)構(gòu)成通過模塊化設(shè)計的運用可流水線生產(chǎn)單個模塊，便于標準化程序的應(yīng)用，進而彌補現(xiàn)有整柜生產(chǎn)的不足，實現(xiàn)流水線生產(chǎn)電源整柜，有效避免了人工生產(chǎn)電源易導(dǎo)致的工藝、任務(wù)方面的錯誤，使電源生產(chǎn)質(zhì)量水平和效率得以有效提高。

（3） 簡化維護過程，一體化電源系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計后，用戶只需對構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)個標準大模塊進行操作和管理，并使定位電源設(shè)備故障更加簡單，可使用備用器件對出現(xiàn)故障或損壞的模塊進行快速更換，從而使設(shè)備現(xiàn)場維護效率得以顯著提高，降低設(shè)備維護周期和成本。標準模塊化設(shè)計降低了替換老舊模塊的難度，提升單位運行效率[6]。

3.2 模塊化設(shè)計

（1） 全模塊化電源系統(tǒng)，為提升電源系統(tǒng)的全模塊化，進行模塊化設(shè)計時需以電源系統(tǒng)各器件各項功能為依據(jù)，為實現(xiàn)功能的模塊化并簡化設(shè)備維護工作量，需整合比較集中的功能，模塊化設(shè)計包括充電模塊、饋線開關(guān)（直流、交流、逆變、通信）、交流進線電源、逆變電源模塊、直流系統(tǒng)交流進線部分、DC/DC-48V模塊、逆變器進線部分。通過設(shè)備標準化實現(xiàn)廠家的流水線生產(chǎn)作業(yè)，以簡化系統(tǒng)設(shè)計并提高系統(tǒng)維護效率。

（2） 饋線模塊化，饋線開關(guān)模塊化原理如圖1所示。

主要由輸出接口及標準通信接口構(gòu)成，該部分對各廠家、各型號開關(guān)規(guī)格參數(shù)主要通過集成設(shè)計技術(shù)的使用完成匯總過程（共用尺寸模塊），適用各品牌開關(guān)的安裝，采用軟銅牌連接部分一次線，以確保開關(guān)與模塊間靈活可靠的連接;使用PCB板走線作為二次電纜。在模塊內(nèi)部集成了電流傳感器、電壓及溫度檢測功能，實現(xiàn)對電流/壓、溫度等參數(shù)的實時采集過程，通過各模塊的智能采集單元完成模擬量數(shù)據(jù)（由傳感器采集）到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程后再將其上傳至總監(jiān)控處理分析（根據(jù)RS485通訊協(xié)議），同時能夠匯總電流、電壓、溫度、功率等數(shù)據(jù)，模塊具有較高的通用性，便于生產(chǎn)和后期維護，為大數(shù)據(jù)計算提供支撐[6]。

（3） 充電及DC/DC組件（即功率模塊）模塊化，技術(shù)的發(fā)展和完善為充電及功率模塊體積的小型化發(fā)展趨勢提供了支撐，受到廠家技術(shù)差異的影響，功率模塊規(guī)格尺寸隨著能量密度的逐漸增大表現(xiàn)出了較大的差異性。通過對四個功率模塊進行集成設(shè)計，具有在線熱插拔功能，以提高使用

過程的規(guī)范性，再將集成后的大模塊均完成標準接口的設(shè)計（包括輸入、輸出、通訊接口），提高在線維護的質(zhì)量和效率。通過更換大模塊（接口與原模塊保持一致）即可完成快速更換或技術(shù)升級，顯著降低了更換成本。

（4） 直流部分交流進線（主要由直流總監(jiān)控、指示燈、端子及交流進線斷路器、接觸器、監(jiān)控器、防雷器構(gòu)成）模塊化，適用于220 kV及以下變電站的交直流一體化電源系統(tǒng)，由于該部分的電源包含兩路交流電源，為確保直流電源交流供電的可靠性，其供電質(zhì)量需通過交流監(jiān)控單元進行檢測，兩路電源通過采用交流接觸器進行自動投切（采用正常交流電源供電）。并且作為個體存在的直流部分交流進線的各組成器件，以導(dǎo)致型號選擇、安裝方案上的差異，通過斷路器、接觸器、交流監(jiān)控、防雷器等（作為一體化電源必備的部分器件）進行模塊化設(shè)計以作為標準化模塊，將其集成于一個模塊內(nèi)，交流進線模塊如圖2所示，以標準的交流輸/輸出端子及通訊接口作為對外預(yù)留接口。全模塊一體化電源采用標準RS485方式作為通信方式及協(xié)議，按照標準協(xié)議規(guī)范各功能模塊通信協(xié)議點位，實現(xiàn)不同廠家模塊的共用[7]。

4 總結(jié)

交直流電源智能化運行為供電用電的一體化提供了解決方案，有效提高了運行的穩(wěn)定安全性，從而使變電站電源管理能力得以提高。而交直流一體化電源系統(tǒng)具有集成度高、管理簡便等優(yōu)勢，可集中監(jiān)控和管理多套電源系統(tǒng)，提高了多套站用電源系統(tǒng)蓄電池組的共享性，隨著交直流一體化電源系統(tǒng)方案的廣泛應(yīng)用，其所存在的問題急需從根本上進行解決（包括標準化程度不高、各品牌間的兼容性差等）。為確保變電站的可靠運行，本文提出全模塊化電源系統(tǒng)方案，實現(xiàn)標準化工業(yè)生產(chǎn)一體化單元的目標，即通過標準化設(shè)計，為提高一體化電源系統(tǒng)的共享程度提供有效途徑，提高常用器件的備用效率以有效降低維護工作量。

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（收稿日期： 2019.06.27）