水電站站用電源的解決方案

王懷柱

（華自科技股份有限公司 長沙市 410205）

一直以來，水電站站用電源分為交流系統、直流系統、UPS電源、通信電源系統等，各子系統采用分散設計，獨立組屏，設備由不同的供應商生產、安裝、調試，供電系統也分配不同的專業人員進行管理，這種模式存在占用電源自動化程度不高、安裝、服務難以協調及運行維護不方便等問題，供電系統可靠性得不到保障。水電站站用電源是水電站安全運行的基礎，隨著電站綜合自動化程度越來越高，相應提高站用電源整體的設計、運行、管理水平具有特殊的意義。

1 傳統站用電源現狀分析

傳統水電站站用電源分為交流、直流、UPS（或逆變電源）、通信電源等系統，各子系統采用分散設計，獨立組屏，設備由不同的供應商生產、安裝、調試，供電系統也分配不同的專業人員進行管理，這種模式存在以下主要問題：

（1）站用電源自動化程度不高。

由不同供應商提供的各子系統通信規約一般不兼容，難以實現網絡化管理，系統缺乏綜合的分析平臺，制約了管理的提升。

（2）經濟性較差。

直流系統配置一套蓄電池組，UPS不間斷電源系統及DC48V通信電源各自分別配置獨立的蓄電池，浪費嚴重；交流系統配置電源自動切換設備，充電模塊又重復配置自動切換設備，既浪費又使設備之間難于協調運行。站用電源資源不能綜合考慮，使一次性投資顯著增加。

（3）安裝、服務協調較難。

各個供應商由于利益的差異使安裝、服務協調困難，遠不如站用交直流電源一體化的“交鑰匙工程”模式順暢。

（4）運行維護不方便。

站用電源分配不同專業人員進行管理：交流系統與直流系統由變電站人員進行運行維護，UPS由自動化人員進行維護，通信電源有通信人員維護，人力資源不能總體調配，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。

通過綜合分析以上問題不難發現，站用電源沒有信息共享平臺，以致影響站用電源的維護、系統管理、深層次開發；站用電源沒有進行統一設計并進行系統優化，上行下達信息不能數字化傳輸。

2 水電站交直流一體化電源系統的方案說明

一體化電源是在現有水電站用電源、蓄電池、充電模塊等成熟的核心技術基礎上，對水電站用交直流電源、通信電源、不間斷電源等進行一體化設計和組屏生產的新的模組形式。

110kV電站（發變組模式）宜按雙重化配置，經典方案如圖1所示（本文只針對圖1方案進行介紹）。全站配置兩組蓄電池和充電模塊，一般的110 kV電站容量可按300AH/組設計。35kV電站（發變組模式）及小型水電站按200AH/組或150AH/組設計即可，經典方案如圖2所示，配單組蓄電池和充電模塊。通信設備采用220V或110V電源模塊，通信電源從兩組直流母線直接拉兩路專用饋線至通信機柜，采用智能ATS開關實現兩路電源的自動切換，取消傳統占用380V電源備用自投配置。

圖1 站用交直流一體化電源結構框圖一

圖2 站用交直流一體化電源結構框圖二

目前通信設備一般采用48V電源，所以在一些直流一體供電方案中，采用了DC/DC模塊變換成48V工通信設備使用，但這種供電方式存在著不容忽視的弊端[1]，特別是通信機房有多臺通信設備，各通信設備采用支路帶空氣開關供電方式，存在DC/DC模塊可能比空氣開關先動作，造成全部通信設備失壓。實際上通信設備本身的工作電壓并不是48V，而是12V或者5V，像所有微機保護一樣，裝置通過自身的電源模塊進行DC/DC轉換，把48V輸入電壓轉換成12V或者5V內部工作電壓，要實現通信電源直接采用220V或110V高壓直流供電，通信設備比尋選擇由220V直接轉換成12V/5V的接口電源。同時通信用較高的直流供電系統是高效節能的供電系統[2]。

不間斷電源設計：采用UPS（或逆變電源）直接掛于母線上，取消獨立的UPS電池。

3 一體化電源系統的設計方案[3]

3.1 基本方案概述

站用交直流一體化電源系統是使用系統技術，針對水電站站用交流、直流、逆變、通信電源整體，根據實際問題、發展現狀提出的解決方案，建設成為智能型站用交流電源交直流一體化系統的站用電源系統。

一體化電源系統主要實現以下幾個方面功能：

（1）站用電源信息共享平臺。

站用電源整體網絡智能化，一體化，將交流、直流、逆變、通信電源網絡智能化，對外1個通信接口。

（2）設計優化。

取消通信蓄電池組及充電模塊，使用DC/DC直流模塊直接掛于直流母線；取消UPS蓄電池，使用UPS（或逆變電源）直接掛于直流母線，對重要負荷如事故照明等采用逆變電源供電；統一進行波形處理；統一進行防雷配置；統一進行二次配電管理；站用電源設備智能管理，實現狀態檢修。系統通信方案如圖3所示。

圖3 站用交直流一體化系統通信圖

3.2 整合電源系統方案設計

（1）所用交流電源方案。

所用交流電源部分設計為“二路交流進線、雙母線分列運行”的全自動型所用交流電源，實現遠程和本地控制操作，實現本體和遠程顯示或讀取進線和饋出斷路器的運行數據和工作狀態，執行DL/T860通訊標準。

正常時兩路交流電源進線，進線一接1ATS的I路電源和2ATS的II路電源，進線二接1ATS的II路電源和2ATS的I路電源。或者正常時有三路交流電源進線，進線一接1ATS的I路電源，進線二接2ATS的I路電源，進線三接1ATS的II路電源和2ATS的II路電源。當某路工作電源故障時，由ATS自動投入備用電源。當然上述運行方式也可以手動就地實現。ATS的自動切換功能可以由ATS自帶的控制器完成也可以由一體化電源方案中配置的交流監控模塊來完成，各個工程根據具體情況確定。另外ATS 要求有 I、II、O 三個狀態，既 I側電源投入，II側電源投入，和退出狀態。用戶可以根據需要進行運行方式的選擇，實現站用電壓多種運行方式的智能聯動。這種設計不僅省設備，回路簡單，而且運行方式靈活方便，提高了站用交流電源智能管理和可靠性。

進線電源需采集并傳送 U、I、P、Q、S、SF、Hz 等各種常用電力參數及各側電源投入狀態。

（2）UPS電源方案。

UPS電源部分設計為：串聯備用冗余UPS或并聯備用冗余UPS。前者不需要額外的切換裝置，主機旁路輸入接在從機輸出上。主機故障自動轉旁路后，便由從機向負載供電。方案如圖4所示。后者需要另外配置切換裝置，2臺UPS的旁路輸入必須是同一個AC電源。方案如圖5所示。

圖4 UPS一用一備串聯冗余

圖5 UPS一用一備并聯冗余

（3）直流電源及DC48V方案。

直流電源部分設計為6臺容量為120A（20A×6）的充電模塊。直流充電模塊應具有以下保護功能：輸入過壓保護、輸入欠壓保護、輸出過壓保護、輸出欠壓告警、短路保護、缺相保護和過溫保護等。

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DC48V電源設計為2臺容量為60A（30A×2）高頻DC/DC變換器模塊。DC48V電源因某一回路短路故障，而造成模塊保護停止輸出的問題可能存在。理論上通過電流補償可以獲得足夠大的短路電流，當某一回路發生短路故障時，此回路可以故障跳閘，DC48V電源輸出不降低，不影響其他回路。

直流充電模塊和DC/DC變換器模塊，應通過對輸出電流和環境溫度綜合考慮進行風扇調速控制。且實現本體和遠程的啟動停止操作，實現本體和遠程的功能轉換及參數設定與調整控制。所有饋出開關采用模塊化設計能提供開關狀態節點及開關故障信號接入饋出支路檢測單元。配電池巡檢儀完成蓄電池運行參數及溫度的檢測。

4 一體化電源系統智能監控

將站內的低壓交流電源、直流電源、DC48V通信電源（DC/DC變換器模塊）、UPS電源（逆變器），通過各對應的監控模塊將它們以通信的方式連接起來。如圖3所示。

平臺的開發：在一體化電源的基礎上，開發一體化智能監控器。相比常規電源，它有幾方面優點：常規電源各套裝置分別監視，監控后只采一些簡單的信號，一體化監控器對全站電源進行集中監視，具備更強大的功能，它不僅能監視單套設備各個元件，還能監視整個交直流系統運行方式和工況，系統首次開發了站用電源的四遙功能和歷史查詢功能，不僅具備遙信、遙測功能，還首次開發站用電源遙調、遙控功能。監控功能的實現主要由以下幾個方面：

（1）交流監控模塊。

通過采集兩路交流進線的AC380V電壓及兩路交流投入的狀態，通過固定的出口控制兩路交流電源的工作狀態。實現了進線電源的自動控制。另外還可根據需要采集兩路進線的電流，并計算出P、Q、S、SF 等電氣量。

（2）直流監控模塊。

負責對電池電壓、充電模塊輸出的直流電壓、控制母線的電壓、電池電流、總負載電流的數據采集，還可以完成對降壓硅鏈的控制。

（3）通用監測模塊。

可采集交流饋出、直流饋出的空氣開關的狀態及溫度等信號。該模塊應配合其他的模塊還能完成直流饋出支路絕緣檢測功能。

（4）電池巡檢儀模塊。

完成一整套電池中單節電池的電壓檢測，及電池總電流、電池組所處環境的溫度等的檢測。

（5）UPS（或逆變電源）監控模塊。

完成UPS（或逆變電源）的交流、直流及旁路的輸入電壓，輸出交流電壓輸出電流及溫度等的檢測。

（6）總監控器。

將各個子系統所采集的信息收集起來，并將相關信息重新整合再通過以太網將信息發布出去，同時將遙調遙控命令下達給下面的各個子系統。對下層通過CAN通訊或RS485通訊與各個模塊相連。對上層通過網口與水電站控制層以太網相連，傳輸協議執行DL/T860標準。另外有硬接點完成聲光報警的功能。

5 一體化電源系統的優點

（1）整體標準化。

整個站用電源的設計只需要如下部分設計圖紙組成：正面屏面布置圖、背面屏面布置圖、一次原理圖及安裝接線圖等。使站用電源設計趨向標準化。另外各種型號的模塊可提前標準化生產，供貨時間大大縮短。

（2）統一的組屏生產。

一體化電源由一個廠家完成設備生產及現場安裝調試、組屏緊湊，節省屏柜。裝置內部連線統一由廠家配線或通過成套裝置小母線連接，減少外部連接電纜，更方便運行維護。

（3）統一的管理。

實現了對全站電源集中管理后，由于一體化電源有強大的數據記錄和歷史查詢功能，維護班組可以定期拷貝數據加以分析，所以維護管理更專業、更到位、也更方便。

（4）經濟性對比。

一體化監視器、蓄電池組一體化、統一的組屏生產和統一的運行維護操作使得一體化電源方案比起傳統的電源模式更加具有經濟優勢，大大節省了開支。保守估計在設備配置、安裝、維護，以及人員開支等費用上可以節約幾萬到幾十萬元以上。

（5）下一步規劃。

統一站用電源電壓等級：全站只用220V或110 V，接入設備主動適應站用電源，如監控計算機可選擇直流供電，通信電源采用220V電源。實現站用電源數字化，所有開關智能化、模塊化設計將開關機傳感器、智能電路板集成在一個機箱內，全部二次接線全部在機箱內完成，對外只有通信接口的設計模式。

6 結 語

水電站交直流一體化電源是對現有水電站站用電源設計和管理新模式的探討，它符合結構合理、技術先進、運維方便的技術發展路線，現在應用的一體化電源還是一個初始的階段，它在體系結構和深層次應用開發方面都還有很大的開拓空間，需要不斷地探索和嘗試。

1 余子勇.水電站電力通信系統DC-DC供電問題探討[J].電力系統通信，2007，（6）；17-19.

2 劉希禹，通信供電系統的技術發展趨勢[J].UPS應用，2010，（7）；25-31.

3 解放，王美君.淺析變電站交直流一體化電源系統[J].天津電力技術，2011，1.