變電站一體化電源系統

馬濤+杜時光

[摘 要]本文對變電站一體化電源的特點及優勢進行了分析，對一體化電源的設計方案進行了闡述，對IEC61850監控系統進行了概述。

[關鍵詞]一體化電源；IEC61850監控系統；變電站

1 引言

站用電源是變電站安全運行的基礎，隨著變電站綜自動化程度的越來越高以及大量無人值班站的投運，相應提高站用電源整體的運行管理水平具有非常重要的意義。筆者認為，站用電源始終需要立足于系統技術來研究和發展，根據實際問題、發展現狀提出發展思路。現有站用電源在資源整合、自動化水平、管理模式等方面都還存在很大的優化空間，結構緊湊、經濟可靠的變電站交直流一體化電源模式具有廣闊的應用前景。

2 傳統站用電源現狀分析

傳統變電站站用電源分為交流系統、直流系統、UPS、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。這種模式存在的主要問題：

2.1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。

2.2經濟性較差。站用電源資源不能綜合考慮，使一次投資顯著增加。

2.3安裝、服務協議較難。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。

2.3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人員進行運行維護，UPS由自動化人員進行維護，通信電源由通信人員維護，人力資源不能總體調配，通信電源、UPS等也沒有納入變電嚴格的巡檢范圍，可靠性得不到保障。

3 變電站交直流一體化電源

變電站站用交直流一體化電源系統是使用系統技術，針對變電站站用交流、直流、逆變、通信電源整體，根據實際問題、發展現狀提出解決方案的站用電源系統。

根據國家電力行業標準《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》（DL/T 1074-2007 ）的描述，電力用一體化操作電源的準確定義應為：將直流電源、電力用交流不間斷電源（UPS）和電力用逆變電源（INV）、通信用直流變換電源（DC/DC）等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組，并統一監控的成套設備。

3.1系統組成

根據一體化電源的定義可以知道，站用一體化電源系統由交流電源子系統、直流電源子系統、通訊電源子系統、交流不間斷電源子系統（電力用UPS、逆變器）和總監控器組成。每個電源系統互相間提供工作電源，自上而下實現級差配合，形成整體的站用電源系統結構。每種電源獨立為子系統，獨立監控，子系統通過總監控器集中管理，分散控制，實現各子系統之間無常規二次接線。總監控器觸摸屏動態顯示各子系統的運行狀態，并實現信息數字化網絡傳輸。

3.1.1交流電源子系統

交流電源系統的兩路交流進線由兩臺站用變引入，兩路交流進線通過兩組ATS開關給交流母線供電，交流母線采用單母分段接線，即1#所用變電源帶Ⅰ段交流母線、2#所用變電源帶Ⅱ段交流母線，當某一電源故障時ATS開關動作，故障電源所帶的某段交流母線由正常電源來供電。

3.1.2 直流電源子系統

直流電源系統的兩路交流進線引自交流電源兩段母線，直流母線采用單母線分段接線，每段母線帶一組蓄電池和一組充電機，兩段母線間設置母聯開關；

3.1.3 通訊電源子系統

通訊電源系統采用DC/DC變換器模塊，變換器模塊直流電源分別取自直流電源系統的Ⅰ、Ⅱ段母線，每組通訊電源各帶一段母線，DC/DC變換器模塊采用熱插拔組件連接，可實現在線熱插拔，實行N+1冗余備份，通信電源與直流電源共用蓄電池；

3.1.4 交流不間斷電源子系統：

交流不間斷電源系統（電力用UPS、逆變器），直流進線電源分別取自Ⅰ、Ⅱ段直流母線，交流進線電源、旁路電源及維修電源分別取自交流電源Ⅰ、Ⅱ段母線，交流不間斷電源系統由多臺電力用UPS模塊直接并機組成，電力用UPS模塊采用熱插拔組件連接，可實現在線熱插拔，實行N+1冗余備份，交流不間斷電源系統與直流電源共用蓄電池。

3.1.5 總監控單元：

總監控單元是一體化電源系統的監控、測量、信號、和管理系統的核心部分。可采集每個電源子系統的運行信息，并對采集的信息進行綜合分析，實現對一體化站用電源系統的實時監控和管理，同時把這些信息通過IEC61850規約上傳至站用站后臺監控網絡。

根據變電站的電壓等級不同，一體化電源系統組成也不相同，為此一體化電源系統結構也不相同，由一體化電源系統結構形成的監控通信網絡構架也有區別。

根據一體化電源系統組成結構情況，將各個功能單元模塊化，每種電源作為一個子系統，分別設置監控器（35KV/66KV變電站各電源子系統共用一套監控器），每個子系統中分別設置多個功能模塊，如交流進線模塊、電能計量及電能質量檢測模塊、饋線狀態監測模塊、數據采集模塊、充電模塊、絕緣監測模塊、蓄電池巡檢模塊、通信電源模塊、UPS模塊等；這些功能模塊與系統的監控器進行信息交換與傳遞，并受其監控。子系統的監控器又與總監控器進行通訊，使整個系統匯成一體網絡，由總監控器匯總信息通過IEC61850規約傳輸至后臺，進行統一監管：

3.1.5.1對站用電源的各個子系統運行狀態進行實時監測；

3.1.5.2對站用電源自動完成性能的月檢、季度檢、年檢工作；對各個電源子系統的運行狀態按要求形月報表、年報表和柱狀圖；對關鍵功能單元的檢測數據形成曲線圖；

3.1.5.3對站用電源實現程序化控制；

3.1.5.4采用以太網傳輸，將設備運行狀態信息數據上送，存儲到數據中心的服務器中，通過管理分析軟件對數據進行分析處理和WEB發布；

3.1.5.5運行維護人員根據需要和各自權限通過IE瀏覽器登錄系統數據服務器查看站內各電源系統的實時運行狀態及歷史運行數據，實現對站內各電源系統的在線集中監測，各地電源專家可通過密碼在網絡上瀏覽站內各電源系統的各項數據報表，以此為依據來會診本電源系統內出現的問題。

3.1.6 一體化電源監控模塊

一體化電源監控電源模塊作為總監控單元，是一體化電源監控、測量、信號和管理系統的核心部分，它能根據各子系統的運行狀態，綜合分析各種數據和信息，對整個系統實施控制和管理，存儲整個站用電源數據，按IEC61850標準通過以太網接入變電站綜合自動化系統，實現與調度自動化終端的通信及一體化電源系統的遠程維護管理。一體化電源監控模塊即使故障，也不會影響各子系統的正常運行。其特點如下：

3.1.6.1總監控模塊可對各子電源系統集中管理、分散控制；

3.1.6.2總監控模塊采用分級控制，即設置不同的權限，防止對電源系統的誤操作；

3.1.6.3總監控模塊采用兩種通訊方式：1.保留傳統的通訊方式，以保證系統的可靠性；2.增加數字化網絡接口，通過IEC61850規約與數據中心的服務器相連，滿足數字化變電站的要求；

3.1.6.4總監控模塊主畫面顯示一體化系統及各子系統的結構圖；

3.1.6.5總監控模塊主畫面動態顯示系統主開關的狀態（分/合閘、脫扣）；

3.1.6.6總監控模塊主畫面動態顯示各功能單元的運行狀態（正常/故障）；

3.1.6.7在總監控模塊主畫面觸摸要查看的功能單元，即可進入該功能單元的子畫面，查看各子系統的運行狀態。

3.1.7監控系統概述

當前電力系統中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設備間的互聯，就需要一種通用的通信方式來實現。應運而生的IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。下面就一體化變電站中幾種常用的通信方案進行一下簡單的概述。

①方案一

該方案特點是只加裝一臺總監控，與后臺連接只有一根電纜。

不改變現有監控（子監控），實現起來比較容易。

由于中間環節（子監控）的存在，所以增加了發生故障的幾率。

數據的完整性、實效性差。

與IEC61850標準的要求（互操作性）差距較大。

如果總監控出現故障，那么整個電源系統的信息都無法上傳。

各子系統的信息共享是依靠總監控完成。

系統內總線無仲裁、節點故障自動退出等功能，某個單元故障有可能造成總線癱瘓。

②方案二

該方案最接近IEC61850標準的要求。

取消所有的子監控，可靠性高。

數據的完整性、實效性好。

任何一個子監控故障，不影響其他監控上傳信息。

各子系統的信息共享是依靠站控層完成。

與后臺的連接電纜多。

投資成本高，實現起來比較困難。

③方案三

該方案是綜合了方案一、方案二的特點。

充分利用目前計算機發展的技術，硬件功能軟件化。

使用動態數據庫技術，保證數據的完整性、實效性、一致性。

由于取消了子監控這個中間環節，提高了系統的可靠性。

監控機故障，將使得與其管理的那部分設備信息無法上傳。

各子系統的信息共享是依靠站控層完成。

基于目前變電站的建設情況，對于本站我們采取第一種監控方案，實現簡單、連接方便。但以上各方案都存在著不足和缺陷，我們針對這些不足和缺陷提出改進方案，具體如下（以方案一為基礎）。

④方案四

如果將電源系統內的R485總線網絡改為CAN總線網絡，增加一臺總監控與原有的監控互為備用。提高總監控的冗余。

該方案有以下特點：

利用CAN總線多主系統的特點，總監控雙機互備。

利用CAN總線的仲裁、故障節點自動退出等功能，解決了系統內總線癱瘓的問題。

通信速度快，效率高，數據的實效性較好。

各子系統的信息共享是在CAN總線這個層面上完成。

同樣由于中間環節（子監控）的存在，所以增加了發生故障的幾率。

4 結論

一體化電源的設計使用，避免了直流蓄電池及充電裝置的重復配置，節約了占地，節省了投資，交流電源系統與直流電源系統一體監控，實現站用電源安全化、網絡化、智能化、一體化，適應智能電網的發展趨勢，將在數字化變電站中得到進一步推廣、使用。

參考文獻：

[1]《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》DL/T 1074-2007 （中華人民共和國國家發展和改革委員會） 2008年.

[2]《一體化電源系統通用技術規范》 （國家電網公司） 2009年.

[3]《電力工程直流系統設計技術規程》 DL/T 5044-2004 （中華人民共和國國家發展和改革委員會）2004年。