智能變電站一體化電源的運(yùn)用與安全可靠性探究

張 弘，石 崢，彭 寅，馬曉路

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化技術(shù)也應(yīng)用在電網(wǎng)建設(shè)中，為國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出較大貢獻(xiàn)。變電站由傳統(tǒng)變電站、數(shù)字化變電站進(jìn)化到了新一代的智能變電站，變電站交直流系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的低壓屏、直流電源屏、通信電源屏等逐漸更新為了智能化的一體化電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)各項(xiàng)電源的一體化的監(jiān)控和管理。站用交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)以及不間斷電源系統(tǒng)等之間實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享。共享意味著各部分電源信息都能在一體化電源系統(tǒng)中進(jìn)行綜合分析，對(duì)事故可以及時(shí)預(yù)警。

1 智能變電站的發(fā)展傳統(tǒng)變電站電源系統(tǒng)存在的問題

1.1 智能變電站的發(fā)展現(xiàn)狀

智能變電站是在信息化時(shí)代提出的變電站最新發(fā)展趨勢(shì)，它是利用智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化以及信息共享化，通過信息共享與智能計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)信息進(jìn)行自動(dòng)采集、計(jì)算、監(jiān)控等。智能變電站擁有更加精細(xì)和標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得高壓斷路器、變壓器的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化，在原有變電站復(fù)雜功能和設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化相關(guān)流程，實(shí)現(xiàn)智能化的管理，解放人力，增加效益，更好地為國家電力發(fā)展提供服務(wù)。

1.2 傳統(tǒng)變電站電源系統(tǒng)存在的問題

1.2.1 難以系統(tǒng)化管理

傳統(tǒng)的變電站無法對(duì)站用交直流系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化管理，對(duì)復(fù)雜的交流電源、直流電源參數(shù)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，難以對(duì)其進(jìn)行全方位的檢修。對(duì)于站用交直流系統(tǒng)存在的問題無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，靜態(tài)參數(shù)也不能及時(shí)有效進(jìn)行記錄，僅靠人力來定期維護(hù)，增加了維護(hù)的成本，也使得管理效率降低。

不同廠家生產(chǎn)的電源系統(tǒng)間容易產(chǎn)生不兼容的情況，難以對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)共享，一旦出現(xiàn)事故，需要依靠有資深經(jīng)驗(yàn)的廠家進(jìn)行檢修，并且需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，檢修效率較低，只能通過周期性檢修的方式來減少電源設(shè)備損壞造成的損失。

1.2.2 可靠性較低

傳統(tǒng)的變電站缺少智能化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析以及監(jiān)控，無法對(duì)安裝位置、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，無法將各個(gè)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一處理，對(duì)于逆變電源等反灌電流法統(tǒng)一治理，造成一定的安全隱患[1]。

1.2.3 經(jīng)濟(jì)效益較差

沒有智能化系統(tǒng)對(duì)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，各地的電源子系統(tǒng)資源設(shè)備重復(fù)配置，造成較大程度的浪費(fèi)，各個(gè)設(shè)備之間缺少系統(tǒng)化配置，也難以協(xié)調(diào)運(yùn)作。

1.2.4 不利于長(zhǎng)期運(yùn)行

各供貨廠商提供的電源設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)需要聯(lián)系多家廠商進(jìn)行解決，而電源設(shè)備的安裝協(xié)調(diào)較為困難，要耗費(fèi)大量的人員進(jìn)行管理，維護(hù)成本較高且人員調(diào)配較為困難。

1.3 智能變電站使用一體化電源系統(tǒng)的可行性

（1）一體化電源使用成熟的交直流電源技術(shù)，不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）一體化電源系統(tǒng)的后臺(tái)監(jiān)控部分能夠?qū)﹄[患及時(shí)排查，監(jiān)控故障也不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，提高了故障的監(jiān)測(cè)以及控制系效率。

2 智能變電站交直流一體化電源的運(yùn)用

2.1 智能性設(shè)計(jì)

2.1.1 交直流饋線智能監(jiān)控

交直流饋線信息采集可以通過在各個(gè)饋線柜內(nèi)配置智能監(jiān)控系統(tǒng)，采集每一個(gè)饋線開關(guān)的報(bào)警點(diǎn)、回路電流等，各個(gè)接口能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳至處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)的智能管理軟件，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)加以分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)饋線實(shí)施遠(yuǎn)程的智能監(jiān)控。

2.1.2 交流進(jìn)線智能監(jiān)控

智能化系統(tǒng)加裝進(jìn)線智能監(jiān)控模塊，通過模塊采集信息，將數(shù)據(jù)傳至總監(jiān)控裝置。對(duì)采集到的信息加以分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)交流進(jìn)線的遠(yuǎn)程智能控制。

2.2 變電站電源數(shù)字化

2.2.1 站用物理設(shè)備

各個(gè)電源之間采用了一體化的電源系統(tǒng)，可以實(shí)施一體化的監(jiān)控。包括交流電源、直流電源、站用通信電源等多個(gè)部分。子系統(tǒng)的信息通過一體化進(jìn)行采集，并通過以太網(wǎng)與站控層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，通過接口與外界進(jìn)行聯(lián)系，整個(gè)電源物理設(shè)備可以看做是一個(gè)整體與外部網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行信息交換。

2.2.2 站用電源的邏輯節(jié)點(diǎn)和設(shè)備劃分

在進(jìn)行邏輯設(shè)備的劃分時(shí)，可以將各個(gè)子系統(tǒng)劃分為多個(gè)邏輯設(shè)備，也可以將整體視為一個(gè)邏輯設(shè)備，在對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建模時(shí)，開關(guān)、電池等邏輯節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行重點(diǎn)建立，可以按照相關(guān)規(guī)定中對(duì)擴(kuò)充邏輯節(jié)點(diǎn)的規(guī)定來定義智能變電站一體化電源邏輯節(jié)點(diǎn)[2]。

2.2.3 特定通信服務(wù)映射

在對(duì)電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型建立完成后，需要建立抽象服務(wù)通信接口來實(shí)現(xiàn)與模型的對(duì)接，將模型數(shù)據(jù)映射到站控層網(wǎng)絡(luò)的MMS。

2.3 統(tǒng)一監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

（1）通信功能。監(jiān)控系統(tǒng)使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)和對(duì)交流、直流等通信電源智能設(shè)備之間的對(duì)接。

（2）報(bào)警功能。系統(tǒng)可以針對(duì)檢測(cè)到的異常數(shù)據(jù)啟動(dòng)報(bào)警功能。

（3）邏輯處理。對(duì)電路進(jìn)行邏輯分析，結(jié)合個(gè)節(jié)點(diǎn)情況判斷電路異常狀況。

（4）監(jiān)控平臺(tái)。電源和外部設(shè)備使用統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控，設(shè)備之間可通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。

2.4 節(jié)能功能設(shè)計(jì)

在對(duì)電網(wǎng)電能進(jìn)行利用時(shí)，要考慮其來自于不可再生能源，因此在進(jìn)行變電站電源的相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在一定程度上考慮節(jié)能環(huán)保的效益。一體化蓄電池在一定程度上可以減少蓄電池對(duì)環(huán)境的污染，在進(jìn)行通信電源的設(shè)計(jì)時(shí)，取消了通信電源獨(dú)立蓄電池組對(duì)其進(jìn)行供電，而是直接使用直流系統(tǒng)饋線來供給電能。

2.5 事故照明電源

在進(jìn)行一體化電池設(shè)計(jì)時(shí)，同樣需要考慮意外造成的全面停電，需要設(shè)計(jì)后備電源與故障照明燈進(jìn)行整合。

3 智能變電站一體化電源優(yōu)勢(shì)

3.1 測(cè)量數(shù)字化

測(cè)量數(shù)字化的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以往的模擬測(cè)量方式被現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化測(cè)量所取代，在測(cè)量一些關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，用連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)代替節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)增加額外的測(cè)量點(diǎn)，這一系列測(cè)量不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備本身的有效監(jiān)控，而且提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)化

控制網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)有控制要求的設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。智能設(shè)備的智能組件包含更多信息，可能會(huì)由智能組件進(jìn)行主控。對(duì)于系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，可以采用基于IEC 61850的網(wǎng)絡(luò)控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制技術(shù)。

3.3 狀態(tài)可視化

狀態(tài)可視化主要體現(xiàn)在基于自檢信息等設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)自診斷，可以具體分析智能設(shè)備的運(yùn)行控制狀態(tài)，從而為生產(chǎn)、監(jiān)控和調(diào)度提供充足的信息和數(shù)據(jù)。

3.4 信息交互信息

交互主要體現(xiàn)在：一是智能設(shè)備中保護(hù)IED裝置、控制裝置、測(cè)量裝置、測(cè)量裝置以及監(jiān)控裝置的信息交換和共享；二是智能裝備和車站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與共享；三是智能設(shè)備與調(diào)度系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與傳輸，將自檢信息上傳至調(diào)度系統(tǒng)，并據(jù)此設(shè)計(jì)調(diào)度決策和設(shè)備故障預(yù)案；四是智能裝備和信息監(jiān)測(cè)分站的數(shù)據(jù)交換與共享。

3.5 功能整合功能

一體化電源最突出的特點(diǎn)表現(xiàn)在將變電站380 V/220 V交流電源、220 V直流電源、48V直流通信電源、不間斷電源、蓄電池組等集成在了一套系統(tǒng)中，為全站各項(xiàng)設(shè)備提供安全、可靠的工作電源，實(shí)現(xiàn)電源一體化。

4 智能變電站一體化電源的運(yùn)用與安全可靠性

4.1 提高了電源整體模塊效應(yīng)

采用一體化的電源模式使電源的設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化，減少了電源之間由于型號(hào)和生產(chǎn)廠家等不同而出現(xiàn)不適配的實(shí)況。一體化電源更加方便管理，減少了維修成本。對(duì)電源進(jìn)行整體模塊化監(jiān)控和管理能夠解決二次電纜多的問題，各個(gè)模塊之間的參數(shù)可以共同加入分析，降低檢修的成本，更加精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)故障問題。對(duì)于監(jiān)測(cè)中的盲點(diǎn)，一體化電池運(yùn)用開關(guān)智能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)開關(guān)位置進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于電流的負(fù)荷加大、漏電等情況能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)盲點(diǎn)，提高缺陷及故障的處理效率。

4.2 信息共享與管理

在智能變電站中，各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸至處理系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存與分析，技術(shù)人員可在用戶界面隨時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)查。節(jié)點(diǎn)模塊之間數(shù)據(jù)也可實(shí)現(xiàn)共享，使故障問題發(fā)現(xiàn)更加及時(shí)，并對(duì)故障問題實(shí)施全方面分析[4]。

4.3 對(duì)一體化電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行一體化電源的設(shè)計(jì)時(shí)，需要實(shí)施對(duì)饋線回路的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，減少測(cè)量單元，提高智能控制效率。優(yōu)化管理系統(tǒng)，減少人為操作，通過系統(tǒng)更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化電源的智能管理。實(shí)行在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)記錄，通過參數(shù)記錄與問題解決不斷調(diào)整系統(tǒng)的識(shí)別精度和準(zhǔn)確度，逐漸提高其監(jiān)控異常和處理事故的能力。

配置一體化的監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)電源中各個(gè)子系統(tǒng)一體化監(jiān)測(cè)與控制，提高數(shù)據(jù)采集的效率和綜合分析的準(zhǔn)確度。一體化監(jiān)控裝置中的交流饋線監(jiān)控、開關(guān)電源、電池在線監(jiān)控等模塊通過智能設(shè)備使各部分系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與總設(shè)備進(jìn)行連接，利用遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)進(jìn)行分析、監(jiān)控、維護(hù)以及管理。

4.4 直流系統(tǒng)電壓

全站進(jìn)行統(tǒng)一的蓄電池配置，實(shí)行一體化的監(jiān)測(cè)和維護(hù)系統(tǒng)，更有利于對(duì)蓄電池進(jìn)行管理，由同一家廠商生產(chǎn)的電池產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，能夠極大降低維修成本。此外，一體化管理也能提高電池之間的使用效率，對(duì)各個(gè)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控，避免廢舊電池污染環(huán)境。

在出現(xiàn)事故時(shí)，交流電源中的不間斷電源裝置會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)荷，短時(shí)期內(nèi)施加較大負(fù)荷電流。因此在進(jìn)行蓄電池的組數(shù)和容量設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮電池可能遇到的負(fù)荷，對(duì)未來可能遇到的情況進(jìn)行預(yù)判，選取合適的充電設(shè)備和蓄電池組，并且留有一定的冗余。

4.5 降低了施工所帶來的危險(xiǎn)性

采用一體化電源能夠極大地減輕施工負(fù)擔(dān)，對(duì)電源進(jìn)行一體化管理，降低安裝、調(diào)試成本，簡(jiǎn)化采購流程和施工步驟，能夠有效縮短施工工期。相較于傳統(tǒng)用電站電源較為復(fù)雜的情況，一體化電源由于采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了在安裝過程中的重復(fù)施工，降低了調(diào)試和配置的工程量，對(duì)電源實(shí)現(xiàn)更加智能化、一體化的管理，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。減輕了技術(shù)人員日常的維護(hù)工作和定期的巡視工作，相關(guān)的監(jiān)控和管理可以直接利用智能化設(shè)備，對(duì)信息進(jìn)行全面掌握和實(shí)時(shí)監(jiān)控。管理團(tuán)隊(duì)依靠智能化發(fā)展，使管理技能更加專業(yè)，極大地提高了維護(hù)效率，減少了人力成本[5]。

4.6 一體化電源的保護(hù)與安全性

4.6.1 保護(hù)裝置

一體化電源在熔斷器處安裝有報(bào)警節(jié)點(diǎn)，并可通過直流饋線進(jìn)行電路保護(hù)。各直流饋線出口處有直流斷路器，在電路狀況發(fā)生異常時(shí)，可通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行斷路。直流饋線的斷路器對(duì)短路具有延時(shí)效果，同樣能對(duì)線路進(jìn)行一定程度的保護(hù)。蓄電池放電回路同樣采用直流斷路器或熔斷器對(duì)電池及電路進(jìn)行保護(hù)。

4.6.2 直流電壓、接地、絕緣裝置

一體化電源具有饋線絕緣檢測(cè)功能，可以對(duì)饋線的漏電流進(jìn)行檢測(cè)，并可通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

母線絕緣檢測(cè)能夠在電壓出現(xiàn)較大偏差等故障時(shí)，及時(shí)將母線的對(duì)地電組織進(jìn)行檢測(cè)，分析相關(guān)數(shù)據(jù)以及電壓波動(dòng)出現(xiàn)的問題，提高了電源一體化裝置的安全性和可靠性。

4.6.3 蓄電池監(jiān)測(cè)

蓄電池監(jiān)測(cè)通過多種模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的整體檢測(cè)，保證電池正常運(yùn)行并確保其安全。

對(duì)蓄電池進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄電池的電壓、溫度等瞬態(tài)變化。對(duì)于其靜態(tài)放電過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，并可繪制成曲線，為技術(shù)人員事后維修提供參考。對(duì)蓄電池的放電及電壓可以預(yù)設(shè)數(shù)值，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)停止放電，保障設(shè)備的安全，確保其使用不會(huì)超過用量范圍。對(duì)蓄電池的多種方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度、電壓等超過預(yù)設(shè)限值，自動(dòng)開啟報(bào)警系統(tǒng)或自動(dòng)停止放電，實(shí)現(xiàn)智能化管理。此外，對(duì)于放電過程中各種參數(shù)以及報(bào)警信息都能進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

5 結(jié) 論

本文對(duì)智能變電站的一體化電源優(yōu)勢(shì)功能進(jìn)行了分析，并對(duì)比傳統(tǒng)變電站的功能，提出了智能變電站一體化電源更多的發(fā)展可能。以一體化電源為主要研究對(duì)象，探究了智能變電站中電源一體化的應(yīng)用，并從多角度分析了一體化電源在智能變電站中應(yīng)用的可靠性和安全性。一體化電源能監(jiān)控各個(gè)電源設(shè)備的使用情況，對(duì)問題設(shè)備及時(shí)發(fā)出預(yù)警，過載設(shè)備進(jìn)行斷電保護(hù)，通過多種方式來使變電站站用交直流系統(tǒng)更加高效、安全地工作。