變電站站用電源系統的技術應用探究

劉秀華 張鐵軍 張新躍 劉新成 趙改

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

變電站站用電源系統的技術應用探究

劉秀華 張鐵軍 張新躍 劉新成 趙改

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

站用電源是變電站安全運行的基礎，隨著變電站綜自化程度的越來越高以及大量無人值守站投運，相應提高站用電源整體的設計、運行、管理水平具有非常重要的意義。智能變電站采用一體化的電源系統，能夠有效的實現網絡通信、監控、系統聯動等一體化的運作。具有智能化的管理和可靠的供電功能，已在供電系統當中得到了應用。

變電站 交直流一體化電源系統 技術應用 智能化管理

1　引言

變電站安全、可靠運行是站用電源系統的一個非常主要的環節，而站用電系統的可靠運行是保證變電站供電可靠性的重要因素，隨著國家電網已經走向了智能化，大量無人值守站投入使用，提升站用電源整體的設計、運行、管理水平具有非常重要意義，近年來，高中壓開關電器、綜自系統在電力系統受到高度重視，變電站綜合技術與智能化水平得到了極大的提升。然而，站用電源系統設計與產品創新卻相對滯后，傳統站用電的設計理念已難以適應新型變電站的發展需要。隨著國家電網推進堅強智能電網的建設步伐，智能變電站已成為新一代變電站的發展需求。同時，給予DL/T 860（IEC61850）的智能變電站站用一體化電源系統營運而生，站用電源系統逐漸向統一的數字化、程序化、智能化的方向發展。

2　變電站傳統站用電源現存問題分析

變電站站用電源分為交流電源、直流電源、交流不間斷電源（UPS）、逆變電源、直流變換電源系統等，各系統采用分散設計、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。站用電源的分散設計與管理，這種模式運行下的各種電源系統存在諸多問題：

圖1　一體化電源監控系統組成

（1）站用電源自動化程度不高。常規電源系統從設計的角度分析，交流電源、直流電源、交流不間斷電源、逆變電源、直流變換電源相對獨立，各系統通信規約一般不兼容，難以實現網絡化管理，自動化程度低，缺乏統一的系統管理平臺，制約了管理水平的提升。

（2）經濟性較差。由不同子系統，站用電源資源不能綜合 ，數據不能共享，造成了配置的重復，使一次投資顯著增加。

（3）安裝、服務協調較難。各個子系統的差異使安裝、服務協調較難，站用電源一旦出現故障需要向多個廠家進行協調，造成溝通困難與效率低下。

（4）運行維護不方便。站用電源分配不同專業人員進行管理，人力資源不能總體調配，直流變換電源（DC/DC）、交流不間斷電源（UPS）等不是變電站的巡檢范圍。可靠性得不到保障。

3　站用電一體化的的優勢和特點

站用交直流一體化電源系統是指：將原來相對獨立站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源、逆變電源、直流變換電源統一設計，具備智能化的技術融合和協調管理，通過統一監控、信息共享，將獨立的各個子系統連接在一起，快速的實現交直流一體化電源系統智能性的自動發揮，系統內部能夠進行自動化調控。

站用交直流一體化電源系統，它的優勢和特點主要通過與傳統站用電源的對比中得以呈現。它的特點主要表現在一下幾個方面：

（1）站用電源網絡化、智能化，一體化程度更高。各子系統實現模數化，交直流一體化電源系統使整個電源系統在使用中都是通過統一的信息手段進行設計和規劃，交直流一體化電源設備能夠自動進行電源采集、聯動和狀態檢修，這樣，變電站的現場操作方面度來說就有很大的提高，方便遠程監控，能夠做到無人值守，適應數字化變電站的發展要求。

（2）站用電源更加安全可靠一次、二次設備均采用成熟可靠技術，采用直流控制的電源裝置，減少了電流沖擊而引起的事故發生，使整個變電站的站用電系統的安全性大大提高。

（3）提高站用電源管理水平。由一家提供所有電源的設計、生產、安裝、服務，一攬子解決所有站用電源問題，一家生產就可以完成設備生產及現場安裝調試工作，只需要一家通信規約，省去各種規約的轉換，裝置內部的連線統一由廠家銅排及導線連接，減少了外部連接電纜，在安裝和調試工作都方便了很多，提高電力電源的整體管理水平。

4　站用一體化電源的設計方案

交直流一體化電源系統采用模塊化技術，將站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源UPS、直流變換電源等設備按一體化設計、一體化配置，各子系統實現模數化，在一體化電源設備這個統一的智能化網絡平臺上，對整個變電站站用電系統集中監控和統一管理，進而實現在線檢測。其運行工況和信息數據能通過一體化監控裝置轉換為標準模型數據，以標準DL/T860（IEC61850）格式接入當地自動化系統的站控層交換機，并上傳至遠方控制中心。

以站用電源交直流一體化系統典型方案，說明設計站用電源的思想方法。

4.1站用交流電源

站用交流電源有自動轉換開關ATS、進線塑殼開關、電流互感器、智能交流電源控制器、智能電量儀表、饋線斷路器、開關量采集模塊等組成。對站用交流進線的自動控制，可以實現電源智能切換、電量檢測、輔助繼電保護、饋線監測、通信等功能的電源分配和具有的保護功能，從根本上保證了電源的安全可靠切換。

（1）配置方案。站用交流電源的配置提供一下四種方案：1）一臺自動轉換開關設備，兩路交流站用電源進線，單母線接線。適用于35kV及以下的變電站。2）兩臺自動轉換開關設備，兩路交流站用電源進線，兩段單母線接線，適用于110kV及以上的變電站。3）兩臺自動轉化開關設備，三路交流站用電源進線，兩段單母線接線，適用于330kV及以上的變電站。4）五臺智能開關設備，三路交流站用電源進線，兩段單母線接線，適用于500kV及以上的輸變電站。

（2）交流電源監控。交流電源監控用于實時監測交流進線和各交流配電單元的運行參數，并通過RS485接口傳給交直流一體化監控統一處理。

4.2站用直流電源

直流電源對在站用交流電源正常和事故狀態下都能保持可靠供電并供給發電廠、變電站內所有控制負荷和各類動力負荷的電源。直流電源系統有交流配電單元、充電模塊、蓄電池組輸入及其配電單元、電壓調節單元、絕緣監測裝置、電池巡檢裝置和直流電源監控模塊等部分組成。

（1）配置方案。直流電源的配置提供以下四種方案：1）1組蓄電池、1套充電裝置、單母線接線；適用于35kV及以下變電站。2）1組蓄電池、2套充電裝置、單母線分段接線；適用于110kV的變電站。3）2組蓄電池、2套充電裝置、單母線分段接線；適用于220kV變電站。4）2組蓄電池、3套充電裝置、單母線分段、備用充電接線適用于500kV及以上的輸變電工程。

（2）一體化特殊要求。直流電源是變電站的核心控制電源，其配置的蓄電池組作為一體化電源系統總的后備電源，在選擇計算其容量時除統計直流控制負荷外，還應統計交流不間斷電源UPS和逆變電源INV及直流變換電源的負荷容量，滿足一體化電源系統的全部事故放電容量要求。

由于直流變換電源（DC/DC）由直流母線供電，因此直流變換電源的直流容量應疊加到直流電源系統的正常運行負荷中，其充電裝置的容量選擇計算應滿足一體化電源系統的全部運行負荷和蓄電池充電要求。

（3）直流電源監控裝置。直流電源監控裝置是整個直流電源系統的控制和管理核心，主要對系統中各功能單元和蓄電池組運行工況進行長期自動監測，對蓄電池組進行動態管理為核心，獲取系統中的各種運行參數和狀態，根據測量數據及運行狀態完成被監控設備的配置、操作、故障和異常工況的實施及狀態顯示，并依此為依據對直流電源系統進行控制實現電源系統的全自動智能化管理，通過通信口與一體化監控設備通信，實現遠方對電源設備的監測與控制，以及集中維護管理。

（4）高頻整流模塊。直流電源的高頻整流模塊采用N+1并聯冗余方式供電，即在N個充電模塊滿足電池組的充電電流和運行負荷電流的基礎上，增加1個熱備用充電模塊。高頻整流模塊內置的監控板實時監測整流模塊的運行參數，并通過RS485接口傳送給直流電源監控裝置，同時接收直流監控裝置發來的各種控制命令。

（5）電池巡檢裝置。電池巡檢裝置用于在線實時監測電池組各單節電池的電壓或內阻，并通過直流電源監控裝置記錄分析不同工況下單節電池的電壓，及時發現異常電池，給蓄電池維護提供重要的參考依據，確保蓄電池組安全運行。電池巡檢裝置實時監測蓄電池組單節電池的運行參數，通過溫度探頭接口輸入，實現對蓄電池環境溫度或單體電池的表面溫度檢測，對蓄電池組進行溫度補償控制，并通過RS485接口傳送直流電源監控裝置，并同時接收監控裝置發來的控制命令。

（6）絕緣監測裝置。絕緣監測裝置用于在線監測直流控制母線和饋電支路的絕緣狀況，當某一點出現接地故障時，裝置立刻發出告警信號，提醒運行人員查找并排除接地故障，從而杜絕直流系統接地故障可能引發的電力故障，能夠實時監測交流竄入直流系統的故障，并記錄故障時直流母線的電壓波形，為故障排查提供依據，確定交流電竄入的支路，通過對兩組直流系統正負極電壓的波動情況及變化趨勢來判斷兩組直流系統是否發生非正常的電氣連接，并通過RS485接口傳送給直流電源監控裝置。

（7）母線調壓裝置。對于閥控鉛酸蓄電池直流操作電源，充電裝置對電池組的充電電壓將超過直流控制母線允許的變化范圍，在充電裝置、蓄電池組與直流控制母線之間需要串聯一個母線調壓裝置進線降壓，把控制直流母線的電壓穩定在規定的范圍內。

4.3交流不間斷電源

交流不間斷電源（UPS）和逆變電源（INV）兩類，其中的INV適用于“后備”運行模式，因此主要為變電站的事故照明等對電源的質量要求不高的負荷供電；而UPS適用于“在線”運行模式，主要為變電站的計算機監控等對電源質量要求很高的重要負荷供電。

4.3.1配置方案

變電站的事故照明負荷如果采用INV裝置時，一般只配置1臺即可滿足要求，而UPS的配置提供以下3種方案：

（1）1臺UPS裝置，自帶旁路，單母線接線適合110kV及以下的變電站。

（2）2臺UPS裝置，自帶旁路，一主一備，單母接線。該方案適用于重要的110kV和220kV輸變電工程。

（3）2臺UPS裝置，自帶旁路，并列運行，單母分段，該方案使用于220kV以上變電站。

4.3.2一體化的特殊要求

（1）由于UPS和INV的直流輸入取自直流電源系統的蓄電池組，而直流電源是一個接地系統，因此要求UPS和INV的直流輸入應與交流輸入和輸出完全電氣隔離，交流側的任何故障均不能影響到直流控制母線電壓。

（2）逆變器輸出與負載要求采用工頻變壓器隔離，負載的任何擾動均不能直接作用于逆變器的開關器件，從而保證逆變器具有很高的可靠性。

（3）要求配置維修旁路開關，保證逆變電源在故障維修過程中系統能正常供電，并且要設置完善的防誤操作措施，保證在任何運行狀態下操作維護旁路開關時均不能造成輸出失壓和損壞電源設備。

（4）UPS和INV應具備通信接口，且與一體化集中監控裝置連接為一體，實現對交流不停電系統的管理。

4.4DC/DC通信電源

DC/DC通信電源直接采用直流220V或110V電源輸入，利用DC/DC代替原專業48V通信電源，它與直流電源的充電裝置和蓄電池組相配合，為變電站的通信設備提供電源。DC/DC的各項性能指標滿足通信電源技術標準，并滿足電力控制電源技術標準的要求，為電站的交換機等通信設備提供可靠的直流工作電源。

4.4.1配置方案

DC/DC提供以下兩種配置方案：

（1）1組DC/DC變換器、單母線接線；適合于110kV以下的變電站。

（2）2組DC/DC變換器、單母線接線，適合于110kV及以上的變電站工程。

（3）2組DC/DC變換器、兩段單母線接線，適合于220kV及以上的變電站工程。

4.4.2一體化特殊要求

（1）由于通信電源屏時正極接地的系統，因此要求DC/DC變換器的直流輸入與輸出完全電氣隔離，負載側的任何故障均不能影響到直流控制母線，更不能造成直流控制母線接地。

（2）由于DC/DC變換器取消了蓄電池組，因此要求DC/DC變換器應具備一定的沖擊負載能力。

（3）DC/DC變換器輸出設置合理的饋線保護開關和過流保護單元，保證在負載回路發生過載或短路故障時，能可靠地分斷故障回路的開關，避免造成通信電源輸出電壓跌落的事故。

（4）要求DC/DC變換器應具有通信接口，且與直流監控裝置連接為一體，實現對通信電源系統的監控管理。

4.5配電單元

配電單元是將交流或直流電源通過負荷開關送至各用電設備饋線單元。配電單元的監控是采用通用的硬件方案，實時監測一體化電源系統各配電單元的運行狀態，并通過RS485接口傳送給電源系統的監控裝置統一處理。

4.6一體化電源監控系統

4.6.1監控系統結構

一體化電源監控系統采用現場MODBUS總線為基礎，遠方以變電站自動化網絡為基本網絡平臺的分層分布式系統結構。

一體化電源監控系統由三部分組成（如圖1）。

（1）系統管理層：通過變電站監控系統的計算機和后臺維護管理軟件，實現對電源系統的一體化管理功能。

（2）現場監控層：通過一體化監控模塊收集現場監控層各功能模塊的采集數據，進行數據顯示、分析判斷和告警處理，并發出相應的控制命令；同時進行通信協議的轉換，實現與遠程監控計算機的數據通信，接收并下達上位機的命令。

（3）現場測控層：通過現場各智能設備的測控電路，實時采集一體化電源系統各功能單元的數據，并執行現場監控層的命令。

4.6.2一體化電源監控裝置

一體化電源監控裝置通過RS485串口對高頻整流模塊、電池巡檢裝置、絕緣監測裝置、UPS和INV、DC/DC、智能電量儀表和開關量模塊等智能設備的實施數據采集，并進行顯示；根據系統的各種設置數據進行報警處理、歷史數據管理等；同時能對這些處理的結果加以判斷，根據不同的情況實行站用電和電池管理，輸出控制等操作；最后，通過以太網接口，將系統運行狀態、主要數據等信息通過DL/T680（IEC61850規約與變電站的中和自動化系統連接，實現一體化電源系統的“四遙”功能。

5　應用實例

由許繼電源有限公司研發的智能型變電站用PYD10型智能一體化電源系統已經在全國各地110kV、220kV及500kV變電站投入運行，運行效果良好，該系統通過智能變電站站用電源一體化設計和組屏生產，對傳統站用電源進行了資源和結構的優化，并開發了一體化智能變電站監控管理平臺，實現了系統的協調聯通、遠程控制等功能，對提高站用電源整體運行管理水平都取得了良好的效果。

6　結語

交直流一體化電源系統立足于站用電源系統技術研究，是對現有變電站站用電源設計和管理新模式的發展，它符合結構合理，技術先進，運行方便的技術發展路線。近幾年，隨著數字化變電站縣級建設投產及全國智能變電站項目的建設，一體化電源系統正在逐漸替代傳統變電站站用電源建設及管理的模式，其技術先進，維護方便，運行安全可靠，具有重要的現實意義。

［1］王炳林.變電站交直流一體化電源系統的設計與應用.冶金動力，2012，09.

［2］白忠敏.電力工程直流系統設計手冊.中國電力出版社.

［3］DL/T 1074-2007電力用直流和交流一體化不間斷電源設備.