基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

宋海龍，史磊，柴斌，趙曉健

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.山東泰開自動(dòng)化有限公司，山東 泰安 271000)

低壓直流電源系統(tǒng)是變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著變電站二次綜自設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，站用低壓直流電源系統(tǒng)的整體運(yùn)行管理水平顯得至關(guān)重要[1-3]。作為變電站控保系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)的“心臟”，低壓直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性將直接影響變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。特別是直流換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)通常采用“兩電三充”接線方式[6]，即2組蓄電池和3組充電機(jī)，由于僅提供兩段獨(dú)立直流饋電母線，無法向換流站三套直流保護(hù)及接口裝置提供完全獨(dú)立的電源配置[7]，極大降低了換流站直流保護(hù)系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確動(dòng)作率[8-10]，在換流站生產(chǎn)運(yùn)維中存在較大安全隱患。

1 現(xiàn)狀及問題分析

1.1 現(xiàn)狀分析

換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)通常采用“兩電三充”接線方式，按2組蓄電池和3組充電機(jī)配置，每組充電機(jī)均由2路交流電源經(jīng)雙電源切換裝置可靠供電[11]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，M1為A段充電機(jī)組，M2為B段充電機(jī)組，M3為備用充電機(jī)組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。正常運(yùn)行時(shí)，M3充電機(jī)組處于退出狀態(tài)，其他元器件處于以下狀態(tài)：

圖1 “兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)1QS1 2號(hào)隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)投入，M1充電機(jī)組對(duì)1DM進(jìn)行維護(hù)，A段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

2)2QS1 5號(hào)隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)投入，M2充電機(jī)組對(duì)2DM進(jìn)行維護(hù)，B段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

3)JQS J1隔離開關(guān)投入，由A段饋電母線帶C段饋電母線，C段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

4)3QS1隔離開關(guān)退出，M3充電機(jī)組作為A1、B1充電母線備用；

5)MQS隔離開關(guān)退出，A段和B段饋電母線互為備用。

對(duì)于三重化配置的換流站直流保護(hù)系統(tǒng)，其動(dòng)作出口采取“三取二”邏輯：當(dāng)三套保護(hù)裝置均正常時(shí)，按“三取二”邏輯出口，即三套保護(hù)至少有兩套動(dòng)作才出口；當(dāng)一套保護(hù)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，按“二取一”邏輯出口，即剩余兩套保護(hù)至少有一套動(dòng)作才出口；當(dāng)兩套保護(hù)裝置均故障時(shí)，按“一取一”邏輯出口，即剩余一套保護(hù)動(dòng)作才出口。

由上可知，基于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的閥組用低壓直流電源系統(tǒng)C段直流饋電母線，一般由A段或B段饋電母線間接供電，C段沒有配置單獨(dú)的蓄電池組和充電機(jī)組，因此，基于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在供電電源丟失導(dǎo)致保護(hù)裝置故障問題，包括以下幾種情況：

1)當(dāng)A段、B段饋電母線均正常運(yùn)行時(shí)，C段饋電母線能夠可靠運(yùn)行，A套、B套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)能夠正確實(shí)現(xiàn)“三取二”邏輯出口；

2)當(dāng)A段饋電母線發(fā)生故障時(shí)，A套直流保護(hù)系統(tǒng)將失電退出，B段、C段饋電母線可分別供B套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

3)當(dāng)B段饋電母線發(fā)生故障時(shí)，B套直流保護(hù)系統(tǒng)將失電退出，A段、C段饋電母線可分別供A套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

4)當(dāng)C段饋電母線發(fā)生故障時(shí)，C套直流保護(hù)系統(tǒng)將失電退出，A段、B段饋電母線可分別供A套、B套直流保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

5)當(dāng)A段、C段饋電母線均發(fā)生故障時(shí)，A套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)均會(huì)失電退出，B段饋電母線可供B套直流保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“一取一”邏輯正確出口；

6)當(dāng)B段、C段饋電母線均發(fā)生故障時(shí)，B套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)均會(huì)失電退出，A段饋電母線可供A套直流保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“一取一”邏輯正確出口；

7)當(dāng)A段、B段饋電母線均發(fā)生故障時(shí)，由于C段由A段或B段間接供電，此時(shí)A套、B套、C套直流保護(hù)系統(tǒng)均會(huì)失電退出，從而無法實(shí)現(xiàn)直流保護(hù)“一取一”邏輯的正確出口，致使直流系統(tǒng)因同時(shí)失去三套保護(hù)而導(dǎo)致直流誤閉鎖，存在較大安全隱患。

1.2 存在的問題

基于“兩電三充”接線方式的閥組用低壓直流電源系統(tǒng)，當(dāng)A段、B段直流饋電母線均故障時(shí)，將直接導(dǎo)致閥組用低壓直流電源系統(tǒng)全部失電，一方面無法實(shí)現(xiàn)直流換流站三重化保護(hù)“一取一”邏輯的正確出口，另一方面將使直流系統(tǒng)因同時(shí)失去三套保護(hù)而導(dǎo)致直流誤閉鎖，極大降低了高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決“兩電三充”低壓直流電源系統(tǒng)工作方式在閥組自動(dòng)化系統(tǒng)電源方案中存在的隱患問題，使換流站直流保護(hù)及接口裝置的低壓直流電源配置完全獨(dú)立，提高直流保護(hù)系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確動(dòng)作率，急需提出一種新結(jié)構(gòu)、新方法解決以上問題。本文提出了一種基于“三電五充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低壓直流電源系統(tǒng)，相較于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行可靠性、靈活性和實(shí)用性等方面均有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加1組蓄電池、2組充電機(jī)和1段直流饋電母線，將低壓直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3組蓄電池和5組充電機(jī)結(jié)構(gòu)，將直流饋電母線分為獨(dú)立的A段、B段和C段[12]?！叭娢宄洹毕到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 “三電五充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖2可知，M1為A段充電機(jī)組，M2為B段充電機(jī)組，M3為C段充電機(jī)組，M4、M5為兩組備用充電機(jī)組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組，3DM為C母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線，C1為C段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。

2.1.2 運(yùn)行模式

結(jié)合圖2，“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)主要包括三種運(yùn)行模式。

2.1.2.1 正常運(yùn)行模式

1)1QS1 2號(hào)隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)投入，M1充電機(jī)組對(duì)1DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，A段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

2)2QS1 9號(hào)隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)投入，M2充電機(jī)組對(duì)2DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，B段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

3)3QS1 5號(hào)隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)投入，M3充電機(jī)組對(duì)3DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，C段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

4)4QS1隔離開關(guān)退出，M4充電機(jī)組作為A1、C1充電母線備用；5QS1隔離開關(guān)退出，M5充電機(jī)組作為B1、C1充電母線備用；

5)MQS1隔離開關(guān)退出，A段和C段饋電母線互為備用；MQS2隔離開關(guān)退出，B段和C段饋電母線互為備用。

2.1.2.2 充電機(jī)組檢修模式

當(dāng)M1、M2或M3充電機(jī)組因檢修需要退出時(shí)，需將M4或M5備用充電機(jī)組投入。

1)當(dāng)M1充電機(jī)組退出時(shí)，先將4QS1 3號(hào)隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將1QS1 2號(hào)隔離開關(guān)退出，則M1充電機(jī)組完全退出，M4備用充電機(jī)組對(duì)1DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，A段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

2)當(dāng)M2充電機(jī)組退出時(shí)，先將5QS1 8號(hào)隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將2QS1 9號(hào)隔離開關(guān)退出，則M2充電機(jī)組完全退出，M5備用充電機(jī)組對(duì)2DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，B段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

3)當(dāng)M3充電機(jī)組退出時(shí)，先將4QS1 4號(hào)隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將3QS1 5號(hào)隔離開關(guān)退出，則M3充電機(jī)組完全退出，M4備用充電機(jī)組對(duì)3DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，C段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)；

4)當(dāng)M3充電機(jī)組退出時(shí)，先將5QS1 7號(hào)隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將3QS1 5號(hào)隔離開關(guān)退出，則M3充電機(jī)組完全退出，M5備用充電機(jī)組對(duì)3DM蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，C段饋電母線處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.2.3 蓄電池組維護(hù)模式

任何情況下，均需保證直流饋電母線至少帶一組蓄電池作為后備直流電源，同時(shí)，需保證兩段直流饋電母線切換過程中不能中斷供電。當(dāng)1DM、2DM或3DM蓄電池組因維護(hù)需要退出時(shí)，直流饋電母線切換過程中允許兩組蓄電池組短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行。

1)當(dāng)1DM蓄電池組退出時(shí)，先將1QS1 1號(hào)隔離開關(guān)投入，再將MQS1隔離開關(guān)投入，此時(shí)1DM、3DM蓄電池組短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，后將1QS2隔離開關(guān)退出，由M3充電機(jī)組、3DM蓄電池組和M1充電機(jī)組帶A段、C段饋電母線并列運(yùn)行，此時(shí)可根據(jù)負(fù)載情況確定是否將M1充電機(jī)組退出。

2)當(dāng)2DM蓄電池組退出時(shí)，先將2QS1 10號(hào)隔離開關(guān)投入，再將MQS2隔離開關(guān)投入，此時(shí)2DM、3DM蓄電池組短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，后將2QS2隔離開關(guān)退出，由M3充電機(jī)組、3DM蓄電池組和M2充電機(jī)組帶B段、C段饋電母線并列運(yùn)行，此時(shí)可根據(jù)負(fù)載情況確定是否將M2充電機(jī)組退出。

3)當(dāng)3DM蓄電池組退出時(shí)，先將3QS1 6號(hào)隔離開關(guān)投入，再將MQS1隔離開關(guān)投入，此時(shí)1DM、3DM蓄電池組短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，后將3QS2隔離開關(guān)退出，由M1充電機(jī)組、1DM蓄電池組和M3充電機(jī)組帶A段、C段饋電母線并列運(yùn)行，此時(shí)可根據(jù)負(fù)載情況確定是否將M3充電機(jī)組退出。

4)當(dāng)3DM蓄電池組退出時(shí)，先將3QS1 6號(hào)隔離開關(guān)投入，再將MQS2隔離開關(guān)投入，此時(shí)2DM、3DM蓄電池組短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，后將3QS2隔離開關(guān)退出，由M2充電機(jī)組、2DM蓄電池組和M3充電機(jī)組帶B段、C段饋電母線并列運(yùn)行，此時(shí)可根據(jù)負(fù)載情況確定是否將M3充電機(jī)組退出。

針對(duì)以上“三電五充”接線方式需根據(jù)負(fù)載情況確定是否將該組蓄電池對(duì)應(yīng)的充電機(jī)組退出的問題，主要取決于帶兩段饋電母線并列運(yùn)行時(shí)，一組充電機(jī)功率是否能夠同時(shí)滿足兩段饋電母線負(fù)載功率的需求。若能滿足要求，則可將待維護(hù)蓄電池組對(duì)應(yīng)的充電機(jī)組退出，僅用一組充電機(jī)帶兩段饋電母線負(fù)載運(yùn)行，未退出的蓄電池組做后備電源；若不能滿足要求，為了避免蓄電池組長(zhǎng)時(shí)間放電，則將待維護(hù)蓄電池組對(duì)應(yīng)的充電機(jī)組保持投入，仍由兩組充電機(jī)帶兩段饋電母線負(fù)載運(yùn)行，未退出的蓄電池組做后備電源。

2.2 應(yīng)用案例

在工程應(yīng)用中，“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3可知，以“靈州換流站”為例，基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)包括3段獨(dú)立的直流饋電母線，每段直流饋電母線均由1組蓄電池、1組充電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立供電，另外2組充電機(jī)作為備用直流電源[13]。

圖3 “三電五充”工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)采取集中組屏方式，共10面屏，包括1面電源監(jiān)控屏、1面電源聯(lián)絡(luò)屏、5面充電機(jī)屏和3面直流饋電屏，集中布置于繼電器室，3組蓄電池布置于專用蓄電池室。相關(guān)組屏及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4、圖5所示。

圖4 “三電五充”組屏方式

圖5 蓄電池組

基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)通過1套直流監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)3組蓄電池、5組充電機(jī)和3段直流饋電負(fù)載的整體運(yùn)行狀態(tài)[14]。其中，直流監(jiān)控系統(tǒng)由1臺(tái)直流總監(jiān)控裝置和5臺(tái)直流分監(jiān)控裝置組成。直流總監(jiān)控裝置采集模擬量信息并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。每1套充電裝置均配置1臺(tái)直流分監(jiān)控裝置，根據(jù)采集模擬量信息對(duì)充電機(jī)及蓄電池進(jìn)行維護(hù)，并將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋至直流總監(jiān)控裝置。

3 效果評(píng)價(jià)

1)基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠滿足3段直流饋電母線的獨(dú)立供電需求，各段負(fù)載容量配置合理，提高了低壓直流系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2)“三電五充”接線方式下，在充電機(jī)組檢修或蓄電池組維護(hù)時(shí)，運(yùn)維人員可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行多種典型運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換，其操作便捷，具有較強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和靈活性。

3)“三電五充”接線方式能夠更好地匹配換流站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，保障了換流站直流保護(hù)系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確性，消除了低壓直流電源故障導(dǎo)致直流誤閉鎖的重大隱患。

4)“三電五充”采取集中組屏方式，占地面積小，屏間聯(lián)系緊密，通過1套直流監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部蓄電池、充電機(jī)和饋電負(fù)載的狀態(tài)監(jiān)視功能，具有較強(qiáng)的集成度和自動(dòng)化水平。

4 結(jié) 論

1)“三電五充”接線方式能夠?qū)崿F(xiàn)低壓直流電源系統(tǒng)與換流站直流保護(hù)系統(tǒng)多電源配置需求的完美契合，真正消除了低壓直流電源故障導(dǎo)致直流誤閉鎖的重大隱患，具有一定的先進(jìn)性和突破性。

2)采取集中組屏方式和統(tǒng)一監(jiān)控管理。當(dāng)?shù)蛪褐绷麟娫窗l(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警，極大地提升了運(yùn)維人員應(yīng)急處置效率，保障了設(shè)備安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3)與傳統(tǒng)“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，“三電五充”結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的可靠性及實(shí)用性，其應(yīng)用推廣范圍更大。

4)“三電五充”工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用，可為全國(guó)各直流換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)提供有力參考，具有較高的指導(dǎo)意義。