一種110kV站新型直流后備電源系統應用研究

摘 要：提出了一種新型直流電源系統作為110kV站的后備電源系統，來提高變電站直流電源運行可靠性，解決單套直流系統中因單體蓄電池異常后整組蓄電池無法帶載問題。新型直流系統采用多個并聯智能組件并聯組成，單個并聯智能組件配置一節蓄電池，蓄電池之間是獨立的，相互之間沒有電氣連接，各個組件輸出之間采用防反灌二極管進行隔離，組件異常自動退出系統，可以解決因單節蓄電池損壞造成整組功能異常。文中先是介紹了并聯智能直流電源系統的組成及系統中組件的內部原理特點，然后以110kV站為例計算新型后備電源系統的設計過程，現場應用證明了該方案的可行性。

關鍵詞：110kV變電站；并聯；直流電源系統；后備電源

引言

發電廠和變電站中，直流控制負荷包括電氣和熱工系統的控制、信號、保護、自動裝置以及某些執行機構，這些都是保證發電廠和變電站正常、安全運行的極為重要的負荷。直流控制電源，除為直流控制負荷供電外，還為一些動力負荷供電，例如大合閘電流的電磁操動機構、事故照明裝置等。可見，直流控制電源系統兼有直流保安電源的功能，其工作的可靠性是極為重要的[1]。常規的直流系統由蓄電池、充電裝置、直流母線、絕緣監察裝置、電壓監察裝置、閃光裝置、負荷等組成。110kV及以下變電站宜裝設1組蓄電池[2]。國家電網寧波地區部分110kV變電站的直流系統只有一套，配一組蓄電池組此110kV變電站站用直流系統的核心蓄電池組是由52/104節2V單體電池串聯組成，形成系統存在以下隱患：

（1）蓄電池組正常運行時處于浮充狀態，雖然可以監測到單體蓄電池的電壓，卻無法準確監測到單體電池內部質量問題，蓄電池組中一旦單個蓄電池出現故障，整組蓄電池將無法向負載供電[4]。

（2）蓄電池組中單節電池出現故障，無法在線更換維護單體電池。

（3）蓄電池組中的單節蓄電池需要同一廠家，同一批次的蓄電池串聯，不同電池無法在串聯蓄電池直流系統中混合使用。

隨著無人值守變電站的普及以及變電站系統自動化程度的提高，對直流系統運行可靠性提出了更高要求，對于110kV變電站也可裝設2組蓄電池[2]，如果在改造站點增加一套串聯蓄電池組的話，系統看似有冗余增加可靠性，但是仍然擺脫不了串聯結構直流系統的上述缺點，而且增加了蓄電池組還需要增加相應的充電及監測裝置，還存在增加設備占地面積等問題，會造成性價比不高。

文章在采用并聯智能電池模塊，利用模塊與蓄電池組合后配置成并聯智能直流電源系統，由于系統是多模塊并聯放置于常規柜體，根據直流系統負荷大小選擇模塊數量及電池容量，組成所需要直流系統作為后備電源，并應用于某110kV站來提高直流系運行可靠性。

1 并聯智能直流系統的原理介紹

并聯智能直流電源系統由多個并聯智能電池組件組成，每個模塊獨立配置1節12V電池，每個模塊之間的蓄電池是相互獨立的，相互間無直接的影響。系統結構圖如圖1所示。

并聯智能電池組件是此系統的關鍵部件，該組件是通過將12V蓄電池與匹配的AC/DC充電變換電路、DC/DC變換電路等部件組合設計為“并聯智能電池組件”，并通過多只組件高壓輸出并聯，組成滿足實際需要的并聯智能直流電源系統，取代變電站傳統設計中的充電模塊、蓄電池組、蓄電池巡檢設備配置。每個并聯智能電池組件內有CPU智能電路對組件內的AC/DC電路、DC/DC變換器進行監測和控制，精確控制電池組件工作在其對應狀態下，并與整個系統的監控器進行通信，接受系統的指令。

單個并聯智能電池組件內部基本原理如圖2所示。

并聯智能組件裝置交流輸入為市電AC220V，經過AC/DC穩壓輸出后，分別經兩個DC/DC輸出兩路直流電源，一路DC/DC直接輸出DC220V/110V給負載供電，另一路DC/DC輸出12V，給12V蓄電池充電用， 蓄電池經另一路升壓DC/DC輸出與AC/DC的輸出并聯，在交流停電時，向負載不間斷供電。

并聯智能電池組件高壓輸出電壓包括220VDC/110VDC，具有階梯限流特性，短時一分鐘可以輸出2.5倍額定電流，達到1100W，長期可維持1.1倍的額定輸出[3]。智能電池組件在組成系統時具備自動均流功能，智能電池組件采樣最大值均流模式，均流電路調節輸出電壓能力小于0.5V。每個組件長期最大輸出500W。智能電池組件具備完善的保護功能，包括輸入過欠壓保護，輸出過欠壓保護，充電過壓保護，電池欠壓保護功能，輸出過流保護 ，輸出短路保護，模塊過溫保護，電池反接保護，電池過溫保護等功能。每個組件均有RS485通訊接口，具備與上位機的通訊功能。

2 并聯智能直流電源系統在浙江某110kV變電站作為后備電源應用方案介紹

并聯智能直流系統可以作為110kV變電站單獨的主供直流電源系統運行，亦可作為原來站用電源后備電源運行，給站內二次負荷供電。正常情況下，常規直流系統的母線電壓是以浮充電壓運行，浮充電壓值通常為DC234V/DC117V，并聯智能直流電源系統的輸出為穩定的DC220V/DC110V，并聯智能直流后備電源系統的母線可通過聯絡開關與站內原來系統的合閘母線相連，在常規系統母線電壓低于并聯智能直流后備電源系統母線電壓時，并聯智能直流后備電源開始承擔負載，實現整個系統的不間斷供電。并聯智能直流后備電源系統的設計步驟如圖3所示。

并聯智能直流后備電源系統與常規直流系統不同，由于電源組件輸出直接掛在直流母線上，而蓄電池直接連接在模塊上，在直流母線上。因此計算電源組件數量時，無需考慮蓄電池組浮充和均充要求，只需按各系統事故負荷來計算。由于電源組件具備短時輸出最大功率功能（60s內輸出2.5倍額定功率），因此對于沖擊負荷，計算電源組件數量時可不予考慮，僅核算即可。并聯智能電池組件的數量應滿足正常工作時的經常性負荷、滿足事故狀態下事故負荷和沖擊負荷的需要。組件數量按N+1原則（N≤6時）或N+2（N≥7時）或N÷80%（N≥7）冗余配置，取兩者中最嚴苛的情況。

2.1 方案模塊數量的選擇

（1）需求容量：P1=PJ-PS

其中：PJ為直流負荷計算容量；PS為隨機或沖擊負荷。

注：考慮到充電模塊具備短時耐受Ie的2.5倍，故不考慮隨機或沖擊負荷的電流。

（2）組件數量：N=P1÷Pmax÷Ka

其中：Pmax為組件輸出最大功率；Ka=80%，出于組件安全余量的考慮，建議每個組件工作在80%負荷以下。組件數量按照N+1原則配置系統實際數量。

2.2 方案電池容量選配

蓄電池通過組件向負載提供能量，由于組件均流的作用，每個電池提供1/N的負荷功率。

（1）單個蓄電池放電電流：IS=（P÷N÷η）÷u

其中：P1為直流負荷實際容量；N為直流系統選擇模塊數量。η為電池的放電效率，取值0.85；U蓄電池額定電壓，取值12V。

（2）蓄電池容量：CC=Krel×（IS÷KC）[1]

其中：Krel為可靠系數，取1.40；KC為容量換算系數，根據《電力工程直流系統設計手冊》（第二版）第60頁的表4-8選擇。

注：110kV變電站蓄電池按照2個小時考慮。根據蓄電池產品型號及設計需要，可選取大于計算值的標準容量蓄電池。

2.3 案例計算

某110kV站的直流系統（直流系統輸出電壓為DC110V）負荷統計如表1。

并聯智能直流后備電源系統由若干個并聯智能組件高壓輸出端并聯組成，可組成一段母線，計算負荷時，以計算容量為計算依據，即P1=1.6+1+0.4+1.8=4.8kW。

并聯電池組件數量N=P1÷Pmax÷K=4800÷500=9.6÷80%=12。

單個蓄電池放電電流：IS=（P1÷N÷η）ηu=（4800÷12÷0.851）÷12=39.21A；其中：P1為直流系統實際容量；N為直流系統選擇組件數量；η為電池的平均放電效率，取值0.85；U為蓄電池額定電壓，取值12V。

蓄電池容量：CC=Krel×（IS÷KC）=1.4×（39.21÷0.429）=127.95Ah，其中：Krel為可靠系數，取1.40；Kc為容量換算系數，根據《電力工程直流系統設計手冊》（第二版）12V單體電池在2小時放至終止電壓點10.8的電池容量系數為0.429。

根據實際情況，127.95Ah上一級為150Ah，即系統的后備時間超過2小時。該站并聯智能直流后備電源系統配置如表2所示：

直流系統其它裝置，包括交流進線切換、觸摸屏人機交換監測等跟常規直流系統一樣配置。絕緣監測裝置選擇問題，由于原來系統已配有絕緣監察裝置，為避免兩套系統的絕緣監察裝置在工作時互相干擾，產生誤報現象，新增的并聯智能直流后備電源絕緣監察處于不工作狀態，只有在原來系統的絕緣監察裝置故障時候，通過人工設置激活并聯智能直流后備電源系統中的絕緣監察。并聯智能直流后備電源系統原理圖如圖4所示。

3 系統特點及應用

并聯智能直流電源系統是由若干個并聯智能組件并聯組成，每個組件支持熱插拔，，每個組件配置一節12V蓄電池，各個蓄電池之間無直接的電氣連接，因此各蓄電池可單獨進行維護，實際設計過程中采用N+1的冗余原則，保證系統的可靠性。系統中某個模塊或蓄電池出現異常時，模塊自動退出系統，系統上的容量由另外N個模塊支撐；若蓄電池出現異常需要維護時候，對蓄電池所匹配的模塊進行下電，然后對蓄電池進行維護，實現在線維護模塊及蓄電池。目前并聯智能直流電源系統按每個電力系統通用標準柜體（800*600*2260）可放置8個模塊，本方案中可以安裝在2個標準柜體中。本案例已應用于寧波某110kV站，目前系統運行穩定，蓄電池在線維護管理上提高了效率，節省了停電時間，過去很難監測到蓄電池組的單體故障，尋找蓄電池組的故障，把原有系統脫離系統，需要申請備用電源并帶至現場，而且備用電源攜帶不方便，需要更多的人力來參與，才能找到單節故障蓄電池，浪費人力。

4 結束語

文章提出了一種新型模塊化，通過對并聯智能電池組件的簡介，進而對用組件組成并聯智能直流后備電源系統配置的計算過程作了說明，并依據某110kV站負荷表，進行相應的設計選型。文章提出的并聯智能直流電源系統作為直流電源系統已在多個變電站得到應用，取得良好的經濟效益，提高了變電站直流系統運行可靠性及運行維護的智能化水平。

參考文獻

[1]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統設計手冊（第二版）[M].中國電力出版社.

[2]DLT5044-2014.電力工程直流電源系統設計技術規程[S].

[3]王洪，林雄武，張廣輝，等.直流并聯技術在電力系統應急電源中的研究[J].電源技術.

[4]王杰.基于間接并聯智能電池組件的一體化電源研究應用研究[J].湖北電力.

作者簡介：張明（1971-），男，本科，技師，主要從事：變電站繼電保護及自動化系統相關工作。