智能變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換遠(yuǎn)方操作解決方案

刁光宇，張書曉，樊 宇，慈建斌

（國網(wǎng)遼寧電力有限公司 大連供電公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

對具有雙套直流電源裝置的變電站，若其中一臺或一套電源發(fā)生故障，則需切換直流母線運(yùn)行方式，在該母線上負(fù)荷供電設(shè)備的位置更換為另一套沒有故障的直流供電設(shè)備，向電源供電后，退出有故障的直流電源設(shè)備進(jìn)行維修?！秶译娋W(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中明確規(guī)定，需要定期檢查直流充電設(shè)備的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度以及波紋系數(shù)，并定期對電池組進(jìn)行放電測試。對于具有雙組直流電源設(shè)備的變電所，定期測試時(shí)需要在系統(tǒng)中進(jìn)行直流電源運(yùn)行模式切換，即取一組待測直流電源設(shè)備運(yùn)行，另一組直流電源裝置備用。當(dāng)直流電源裝置發(fā)生故障時(shí)，必須切換直流電源的工作方式來保障電源的持續(xù)供應(yīng)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速進(jìn)步和智能化變電站的迅速發(fā)展，變電站一次設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行方式、二次保護(hù)、測控裝置等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能“一鍵式”順序控制操作。但是，變電所直流供電系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換操作還沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運(yùn)行，無法滿足變電站智能化發(fā)展的需要。

1 智能型變電所直流供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

智能化變電站投運(yùn)后，全站都會(huì)配備有直流電源、交流電源、反變電源、UPS電源、通信電源等綜合設(shè)計(jì)以及集成配置和集成監(jiān)控等系統(tǒng)，消除獨(dú)立通信電源供電電池組和充電設(shè)備等，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器直接連接DC總線[1]。在UPS中將單獨(dú)的面板分組，改為DC/AC逆變器直接與直流母線相連，從而減少了投資和板組的數(shù)目，節(jié)約了空間，簡化了電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2,3]。采用自動(dòng)切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)交流電源開關(guān)的遙控與監(jiān)視，通過使用常規(guī)的直流斷路器和隔離開關(guān)，直流供電系統(tǒng)仍然不能進(jìn)行有效的遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制[4,5]。當(dāng)前直流電源系統(tǒng)中存在的主要問題如圖1所示。

圖1 直流電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，直流電源的工作方式轉(zhuǎn)換還需要手工操作才能完成。集中式監(jiān)測模塊對全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源以及通信電源等進(jìn)行全面監(jiān)測，主要是完成對各功能部件及各監(jiān)測單元的控制工作[6-9]。通過監(jiān)測獲得系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)操作參數(shù)及狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)管理各功能部件并發(fā)出異常報(bào)警，但是不能實(shí)現(xiàn)直流供電系統(tǒng)運(yùn)行方式的遠(yuǎn)程切換操作[10]。

2 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)方案

下面分別從設(shè)計(jì)原則、功能框架以及該技術(shù)方案解決的問題3個(gè)方面闡述直流系統(tǒng)絕緣檢測技術(shù)方案。

2.1 設(shè)計(jì)原則

本方案提出的絕緣監(jiān)測裝置優(yōu)化了功能結(jié)構(gòu)，以集成化、可視化以及標(biāo)準(zhǔn)化為設(shè)計(jì)原則，加強(qiáng)了絕緣監(jiān)測裝置的監(jiān)測功能。

2.1.1 一體化原則

搭建一體化監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、分析以及控制一體化。突出模塊化設(shè)計(jì)思想，將分散測控與集中管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的全面監(jiān)控。

2.1.2 可視化原則

設(shè)備可以實(shí)時(shí)顯示母線電壓、正負(fù)對地電壓、交流侵入電壓、正極對地電阻、負(fù)極對地電阻以及系統(tǒng)對地電容等，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評估和分析能力。

2.1.3 通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化原則

通信系統(tǒng)具有良好的開放性。設(shè)備支持接入各種標(biāo)準(zhǔn)接口類型以及即插即用的后端軟件，同時(shí)可以通過協(xié)議分析接入非標(biāo)準(zhǔn)接口的后端軟件，為模塊化設(shè)計(jì)提供互聯(lián)互通的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 功能框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能框架包括系統(tǒng)電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測、絕緣電阻監(jiān)測及選線、交流入侵監(jiān)測及選線、直流互通道監(jiān)測及選線、電池接地監(jiān)測、正負(fù)極接地電壓偏差監(jiān)測及補(bǔ)償?shù)?。上述一系列?nèi)容可以使得直流電源智能管理運(yùn)維系統(tǒng)具備完善的功能，滿足當(dāng)前直流電源運(yùn)維過程中的各種需求。

實(shí)時(shí)監(jiān)測母線電壓和對地正負(fù)電壓，并能在母線電壓超過過壓和欠壓閾值后發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)系統(tǒng)對地絕緣電阻小于設(shè)定閾值時(shí)，設(shè)備能發(fā)出正確的絕緣預(yù)警或警告信息，并能正確選擇絕緣降低支路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生交流入侵時(shí)，設(shè)備可以發(fā)出交流入侵直流報(bào)警信息，并選擇正確的交流入侵支路。當(dāng)電池在系統(tǒng)中接地時(shí)，設(shè)備可以發(fā)出電池接地的警告信息，并且可以選擇接地的具體電芯數(shù)量，并可以計(jì)算出電池接地電阻的大小。此外，當(dāng)系統(tǒng)對地正負(fù)電壓偏差達(dá)到1.22 V時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出電壓偏差報(bào)警信息，當(dāng)偏差補(bǔ)償功能啟動(dòng)時(shí)，兩極電壓將得到補(bǔ)償平衡。

2.3 解決的問題

一是解決正負(fù)極母線絕緣降低，電阻值相同時(shí)，無法監(jiān)測報(bào)警的問題。舊的絕緣監(jiān)測設(shè)備往往只采用平衡橋法來確定接地電阻。

二是解決了絕緣監(jiān)測裝置選線時(shí)向直流系統(tǒng)注入交流信號的問題。原有的絕緣監(jiān)測設(shè)備在選擇支線時(shí)常采用交流注入法。目前不推薦這種方法，因?yàn)榻涣髯⑷敕绞綍?huì)造成地電壓不斷波動(dòng)，而選線方式向系統(tǒng)注入信號，會(huì)對系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成隱患，而且只能判斷支路絕緣劣化失效，不能區(qū)分是正極還是負(fù)極發(fā)生絕緣劣化?？紤]到保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，在線監(jiān)測裝置基本不允許采用交流注入方式。

目前，絕緣監(jiān)測設(shè)備很難區(qū)分上述兩種情況。通常情況下電流絕緣監(jiān)測裝置只能對電池的直接接地故障做出準(zhǔn)確判斷。電池電阻接地時(shí)，絕緣監(jiān)測裝置可能誤報(bào)直流系統(tǒng)接地故障，或者當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣接地故障時(shí)，絕緣監(jiān)測設(shè)備可能會(huì)誤報(bào)電池接地故障。ZHY367絕緣監(jiān)測設(shè)備在電池出口處安裝漏電流傳感器，實(shí)時(shí)采集漏感數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷電池是否接地或系統(tǒng)絕緣降低，可計(jì)算出電池阻性接地的任意電阻值。

三是解決了直流系統(tǒng)兩段發(fā)生直流互竄故障時(shí)無法報(bào)警和選線的問題。當(dāng)兩段總線之間存在環(huán)網(wǎng)時(shí)，保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。例如，有兩段直流母線的單段點(diǎn)接地故障，如果母線的兩段之間存在電氣連接，就會(huì)引起整個(gè)直流系統(tǒng)的兩個(gè)接地故障，導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作。如果Ⅰ段直流母線接地，Ⅱ段直流系統(tǒng)正極發(fā)生接地故障，此時(shí)Ⅰ段負(fù)極與II段的正極接觸會(huì)導(dǎo)致線圈失效，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)裝置拒絕動(dòng)作。當(dāng)線圈的動(dòng)作需要改變時(shí)，線圈的控制節(jié)點(diǎn)閉合，會(huì)造成直流系統(tǒng)短路故障，造成嚴(yán)重后果。通常情況下，I段母線和II段母線會(huì)分別設(shè)絕緣監(jiān)測裝置，如果Ⅰ段母線和Ⅱ段母線相互獨(dú)立，則兩者之間除接地線外沒有其他連接。此外，如果兩段之間存在電氣連接，則當(dāng)其中一個(gè)母線上的絕緣監(jiān)測裝置通斷電橋時(shí)，必然會(huì)改變另一母線的正負(fù)接地電壓，據(jù)此可以判斷系統(tǒng)是否存在直流互竄故障。

四是采用開放式漏電流傳感器，解決了電流封閉式傳感器無法更換的問題。ZHY007直流漏電流傳感器是專門研制的開放式直流漏電流傳感器，安裝簡單方便，完美解決了閉口漏感更換困難的問題。

五是使用手持式接地故障檢測儀，解決系統(tǒng)發(fā)生絕緣降低故障時(shí)系統(tǒng)無法定位特定點(diǎn)的問題。ZHY367-T03手持式絕緣監(jiān)測故障定位儀是以定位接地點(diǎn)為主要目的的手持式儀器。與ZHY367絕緣監(jiān)測儀配合使用，在絕緣監(jiān)測儀檢測到接地故障并選擇故障支路后，使用儀器對故障支路進(jìn)行分段排查，可快速找到接地點(diǎn)的實(shí)際位置。該設(shè)備用于發(fā)電廠和變電站直流系統(tǒng)的接地故障檢測和故障點(diǎn)確定。采用隔離式可編程恒流源向系統(tǒng)注入小電流信號，安全可靠，快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，測量精度高。采用波形分析法，實(shí)時(shí)計(jì)算顯示阻性電流的大小和方向，可直接查看地電流波形，克服了系統(tǒng)分布電容的影響，大大提高了判斷的準(zhǔn)確性，可有效解決高阻接地、交直流接地、低阻接地、脈沖干擾、回路接地、單點(diǎn)接地以及多點(diǎn)接地等問題。

3 智能型變電所直流供電系統(tǒng)運(yùn)行方式遠(yuǎn)動(dòng)解決方案

智能化變電所已經(jīng)全面投入使用，系統(tǒng)一般從直流、交逆變、UPS、整體設(shè)計(jì)以及組態(tài)等方面進(jìn)行集成。集成式監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)和信息數(shù)據(jù)可由綜合監(jiān)測單元顯示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模式數(shù)據(jù)，將標(biāo)準(zhǔn)模式與本地自動(dòng)化系統(tǒng)相連，上載至遠(yuǎn)端控制中心。開關(guān)直流電源系統(tǒng)的工作方式需要從硬件和軟件兩方面加以解決。

3.1 硬件解決方案

電路設(shè)計(jì)上，采用5臺電動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)(雙穩(wěn)開關(guān))組成具有電動(dòng)工作條件的直流供電系統(tǒng)。雙穩(wěn)開關(guān)的工作狀態(tài)有閉式和斷式，兩套控制回路分別實(shí)現(xiàn)合閘和分閘控制以及機(jī)械的合閘、分閘運(yùn)行。

在正常工作方式下，18個(gè)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)在斷開位置，4雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)在關(guān)閉位置，變電所直流母線分段串聯(lián)運(yùn)行。在進(jìn)行常規(guī)測試或直流電源設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，5個(gè)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的通斷狀態(tài)由邏輯軟件控制。遠(yuǎn)程切換操作在開關(guān)不正?；蚴r(shí)報(bào)警和阻止。因?yàn)檫@種雙穩(wěn)開關(guān)分合閘采用電操縱和機(jī)械檢修的原理，在控制電源失靈、系統(tǒng)復(fù)位或故障時(shí)，主回路雙穩(wěn)開關(guān)沒有動(dòng)作，控制器中斷，避免了嚴(yán)重的直流母線斷電事故。

3.2 軟件解決方案

直流供電系統(tǒng)采用雙穩(wěn)開關(guān)技術(shù)，使其具有一定的電氣性能。然而，要使工作狀態(tài)切換真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，還需要集中監(jiān)測模塊的邏輯控制功能。在控制理論中，閉環(huán)控制是基礎(chǔ)。從控制理論來看，通常閉環(huán)控制是由輸出端的“側(cè)鏈”反饋至輸入端，參與輸出方的再控制。本方案將直流供電系統(tǒng)運(yùn)行方式改為遠(yuǎn)距離運(yùn)行，使用閉環(huán)邏輯順序控制。在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格按照電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)控制程序，每一步都有反饋信息，這些信息是閉環(huán)的，通過綜合邏輯來判斷直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，然后根據(jù)判斷結(jié)果決定下一步如何執(zhí)行。整個(gè)執(zhí)行過程是由無數(shù)個(gè)執(zhí)行、反饋、邏輯判斷以及反復(fù)執(zhí)行步驟構(gòu)成的小循環(huán)。

此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)有常規(guī)的直流電源設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，必須停止工作，使測試有故障的直流電源設(shè)備停運(yùn)，用另一直流電源裝置來承載整個(gè)站的直流負(fù)荷。在正常試驗(yàn)結(jié)束或直流電源設(shè)備故障處理完畢后，檢測出的（故障）直流電源設(shè)備必須重新開始工作。兩套直流電源裝置為全站直流負(fù)荷提供電力，此方法在執(zhí)行整個(gè)操作序列時(shí)，在前一操作步驟已正確完成并且收到反饋信息后再執(zhí)行下一步。如果有步驟執(zhí)行異常，則執(zhí)行故障恢復(fù)順序，并發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié) 論

變電所直流電源系統(tǒng)工作方式的切換實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離一鍵式順序控制操作，可以從根本上防止運(yùn)行模式切換期間由于人為因素引起的直流母線掉電等不正常事件。關(guān)于智能型變電所直流電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本解決方案是在硬件上采用電氣運(yùn)行和機(jī)械維持雙穩(wěn)開關(guān)，或者斷開控制器，以免失去直流母線。在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)重大故障時(shí)，軟件采用閉環(huán)順序控制邏輯，這符合智能變電站技術(shù)的發(fā)展方向。