110 kV智能變電站直流電源系統配置優化研究

張新來，艾 飛

(1.邯鄲慧龍電力設計研究有限公司，河北 邯鄲 056000；2.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

110 kV智能變電站直流電源系統配置優化研究

張新來1，艾 飛2

(1.邯鄲慧龍電力設計研究有限公司，河北 邯鄲 056000；2.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

針對如何合理選擇110 kV智能變電站直流電源系統設備的問題，提出對實際直流負荷進行分類統計，并根據計算結果合理選擇相應設備參數的方案。通過對通用設計方案中直流負荷進行分類統計和計算，得出蓄電池組、UPS電源、高頻充電模塊等主要設備的額定容量和額定電流值。詳細分析了直流饋線屏饋線電纜截面積和饋線開關的選擇原則，并計算得出合理參數值，為其它同等規模變電站的建設提供參考。

110 kV智能變電站；直流電源系統；電纜截面積；饋線開關

直流電源系統是變電站一、二次設備可靠運行的重要保障，主要包括蓄電池組、直流充電機屏、直流饋線屏、通信電源DC/DC模塊等主要設備。自2017年開始，國家電網公司在系統內全面推廣智能變電站模塊化建設，相繼制定并頒布了110(66) kV智能變電模塊化建設(2015年版)、35～110 kV智能變電站模塊化建設施工圖設計(2016年版)2份重要的通用設計方案，要求在基建工程中嚴格執行。

在通用設計方案中，保護、控制、自動化設備等直流負荷的構成和分布與常規變電站有很大不同，但是通用設計方案對直流系統配置的描述不夠詳細，實際工程設計中需要對實際直流負荷進行分類統計，根據計算結果合理選擇相應設備參數。

1 變電工程概況

1.1 工程規模

邯鄲地區某110 kV智能變電站，根據國家電網公司模塊化通用設計方案(2015年版)中110-A3-3方案建設。具體規模為：主變壓器本期2臺50 MVA，終期3臺；110 kV本期2回進線，內橋接線，終期3回，擴大內橋接線；10 kV本期出線24回、電容器組4回、接地變2回，單母三分段接線，終期出線36回、電容器組6回、接地變3回，單母四分段接線。

1.2 二次設備配置原則

全站二次設備根據國家電網公司2016版通用設計方案中有關二次系統技術要求配置，主要原則為：

a. 站控層設備、間隔層主變壓器保護測控裝置、交直流一體化電源設備及通信設備在保護控制室內集中組屏；

b. 10 kV保護測控裝置集成裝置在開關柜上就地安裝，110 kV線路、內橋間隔保護測控裝置及電度表就地布置在智能匯控柜內；

c. 110 kV線路、內橋、主變壓器中性點及主變低壓側開關間隔合并單元雙套配置，主變壓器高壓側間隔合并單元單套配置，主變壓器各側智能終端單套配置；

d. 過程層網絡中心交換機布置在內橋間隔智能匯控柜內，站控層網絡中心交換機布置在保護控制室內；

e. 低周減載、主變壓器過負荷聯切裝置獨立配置，組2面屏，布置在保護控制室內。

2 直流負荷統計

根據通用設計方案，智能變電站配置交直流一體化電源系統，取消UPS電源、通信電源的獨立蓄電池組，所以直流負荷統計應包含全站直流經常性負荷、UPS電源負荷和通信用DC/DC負荷。

2.1 UPS電源負荷統計

根據DL/T 1074-2007《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》和變電站實際運行要求，該工程UPS負荷統計情況如表1所示。

表1 UPS負荷統計

設備名稱功率/W監控主機及數據服務器1500調度數據網300電能采集50綜合應用服務器800智能輔助控制及安防系統1000合計3650

UPS計算容量：

(1)

式中：Ki為動態穩定系數，取1.1；Kd為直流電壓下降系數，取1.1；Kt為溫度補償系數，取1.05；Ka為設計預度系數，取1.05；P∑為全部負載計算功率，kW；cosφ為負載功率因數，取0.8。

將上述負荷統計結果，代入式(1)可得出Sc=6.1 kW，根據國家電網公司物資采購標準，UPS容量選取7.5 kVA[1]。

2.2 直流電源負荷統計

2.2.1 統計原則

a. 保護測控裝置功耗不超過50 W/臺[2]，斷路器分合閘線圈電流不超過2.5 A/臺[3]；

b. 交換機滿載時整機功耗應不大于(10+1×電口數量+2×光口數量)W[4]，本站按照平均40 W/臺進行統計；

c. 高壓斷路器跳閘的沖擊負荷考慮低周減載動作時切除低壓側某一段母線出線的情況；

d. 全站電氣負荷及通信負荷均按2 h事故放電時間計算[5]。

2.2.2 統計結果

與常規綜自站相比，智能變電站直流經常性負荷主要增加了智能終端、合并單元設備，站控層設備及全站交換機數量也有所增加。全站二次設備按終期規模進行分類負荷統計的結果見表2。

表2 直流負荷統計

負荷名稱裝置容量/kW負荷系數計算容量/kW負荷電流/A經常負荷事故放電時間/min初期0～1持續1～120隨機0.08微機監控保護系統5.040.62.96413.4713.47√√智能組件裝置1.50.81.25.455.45√√DC/DC裝置2.50.829.19.1√√UPS裝置6.10.63.6616.64√√事故照明0.610.62.73√√斷路器自投1.11.01.15√斷路器跳閘6.60.63.9618√恢復供電斷路器合閘0.551.00.552.5√電流統計/A28.0270.3947.392.5

3 直流電源系統配置

3.1 蓄電池組配置

3.1.1 基本參數選擇

本站直流系統額定電壓為220 V，蓄電池組為閥控式密封鉛酸蓄電池，單體浮充電壓選用2.23 V，可計算出蓄電池數量為104只，放電終止電壓為1.85 V[6]。

3.1.2 容量選擇

根據表2中直流負荷統計結果進行計算蓄電池容量，本站直流負荷在事故放電期間，分為初期負荷(1 min)和持續負荷(2 h)2個階段。根據蓄電池容量簡化計算法[7]：

初期沖擊容量，

(2)

第一階段計算容量，

(3)

隨機負荷計算容量，

(4)

式(2)～(4)中：Kk為可靠系數，取1.4；Ich0為初期沖擊放電電流，I1為持續放電電流，Ir為隨機負荷電流；Kch0，Kc1，Kcr分別為放電時間1 min，119 min及5 s時對應的容量系數，根據閥控式密封鉛酸蓄電池(單體2 V)的容量換算系數表，按照放電終止電壓、持續放電時間查表得Kch0=1.24，Kc1=0.34，Kcr=1.34。代入式(2)～(4)可得Kch0=79.47 Ah，Kch1=191.2 Ah，Cr=1.87 Ah；取Kch0與(Kch+Cr)的較大值，因此蓄電池組容量選取200 Ah。

3.2 充電裝置配置

3.2.1 額定充電電流選擇

充電裝置額定電流按下列公式計算：

滿足浮充電要求，

Ir≥0.01I10+Ijc

(5)

滿足初充電要求，

Ir=1.0I10

(6)

滿足均衡充電要求，

Ir=1.0I10+Ijc

(7)

式(5)～(7)中:I10=20 A為蓄電池組10 h放電電流，取上述3個公式計算結果最大值得Ir=48.02 A，故選擇充電裝置額定充電電流Ir=50 A。根據直流設計規程要求，充電裝置隔離開關及熔斷器額定電流選為63 A，充電裝置輸出斷路器額定電流為63 A。

3.2.2 高頻電源開關模塊選擇

單個高頻電源開關模塊額定電流選取Ime=10 A，模塊數量根據下式計算：

In=n1+n2

(8)

式中：n1為充電電流與單個模塊額定電流之比，n2為備用模塊數量。當n1≤6時，n2=1;當n1>6時，n2=2。經計算可得，高頻電源開關模塊容量為(5+1)×10 A。

3.3 饋線電纜截面選擇

電纜截面應按電纜長期允許載流量和回路允許電壓降2個條件選擇，并按下列公式計算：

Ipc≥Ica1

(9)

(10)

式中：Ipc為電纜允許載流量,A；Ica1為回路長期工作計算電流，A；Scac為電纜計算截面，mm2；L為電阻系數，取0.018 4 Ω，mm2/m；L為電纜長度；Ica為允許壓降計算電流，A；ΔUp為回路允許電壓降，V，取3%～6.5%Un。

本工程直流電源系統采用集中輻射形供電，保護室內各間隔層設備、110 kV GIS及主變壓器本體智能匯控柜內設備等分散負荷終端以屏柜為單位直接從直流饋線屏分別引出1回保護、控制電源；10 kV保護測控裝置按照10 kV母線段設置直流小母線，每段小母線從饋線屏分別引出1回保護、控制電源。因此直流饋線電纜截面應按這2種情況校驗。

a. 分散負荷終端

選取最遠處變壓器本體智能匯控柜負荷終端，L=60 m；因智能匯控柜內二次設備工作電流遠小于斷路器線圈合閘電流，故取Ica1=2.5 A(合閘線圈控制電流)。代入式(9)可得Ipc≥2.5 A，根據低壓電線電纜載流量索引表[8]可查得電纜截面積選取Scac≥0.5 mm2。

根據直流電源系統不同回路允許電壓降計算公式(表E.2-2)[7]，取Ica=10 A，代入式(10)計算可得1.6 mm2≤Scac≤3.4 mm2。根據兩式計算結果取較大值并結合常用電纜規格，至分散負荷終端的控纜截面積選取Scac=2.5 mm2，此時ΔUp=4%，滿足規程要求。

b. 10 kV直流小母線

取最遠處一段小母線，L=50 m；考慮低周減載保護動作一段母線上10 kV出線回路同時跳閘的極端情況，Ica1=2.5*12=30 A。代入式(9)可得Ipc≥30 A，查低壓電線電纜載流量索引表得Scac≥6 mm2。

此時,取Ica=Ica1=30 A, 代入式(10)可得3.9 mm2≤Icac≤8.4 mm2。結合常用電纜規格，至10 kV直流小母線的控纜截面積可選取Icac=8 mm2，此時ΔUp=3.1%，滿足規程要求。

3.4 直流斷路器配置

該工程直流電源系統采用集中輻射形供電，網絡接線方式如圖1所示。

圖1 集中輻射形供電接線

圖1中F1為蓄電池出口熔斷器；S2為直流饋線柜內出線斷路器，選用C型脫扣直流斷路器；S3為保護測控屏、智能匯控柜等終端負荷的電源空開，選用B型脫扣直流斷路器。S3額定電流根據負荷電流實際大小，可選擇2 A，4 A，6 A等不同的額定電流，最大不超過10 A。S2的額定電流選擇除了應滿足額定負荷的需求，同時還應滿足上下級選擇性的配合要求。

實際上，直流饋線回路負荷一般很小，因此設計中主要考慮饋線開關的選擇性配合問題。根據3.3節ΔUp計算值，按照“A.5-1集中輻射型系統保護電器選擇性配合表”[8]的推薦值并結合國家電網直流電源物資采購標準進行簡要選擇，結果如表3所示。

表3 直流饋線開關額定電流

饋線開關額定電流/AS324610S225324063

F1額定電流按式(11)、(12)計算：

In≥5.5I10

(11)

In≥2In.max

(12)

上式中，I10=20 A為蓄電池組10 h放電電流，In.max為饋線屏斷路器S2中額定值最大值，取63 A。代入式(11)、(12) 取最大值，得In≥126 A。

3.5 DC/DC模塊配置

根據通信專業提資：通信設備負荷2.5 kW,DC/DC模塊額定電壓為220/48 V。計算可得模塊輸出電流50 A,根據N+1原則，通信電源模塊額定電流選擇(3+1)×20 A。

4 結束語

通過對站內直流負荷進行分類統計與計算，本工程直流電源系統配置為：蓄電池組200 Ah，2 V，104節；UPS電源7.5 kVA；充電機高頻模塊6×10 A；直流網絡采用集中輻射型供電，饋線開關選擇25 A、32 A、40 A及63 A規格；饋線屏至各個分散負荷終端的電纜截面選用2.5 mm2，至10 kV配電室直流小母線電纜截面選用8 mm2；通信電源DC/DC模塊額定電流選擇4×20 A。與國網通用設計方案模塊化建設施工圖設計(2016)相比，在UPS電源容量、充電機高頻模塊的配置方面進行了優化，對直流饋線開關配置，電纜截面選擇進行了細化研究，可以為其它方案的智能變電站直流電源設計提供參考。

[1] 國家電網公司物資采購標準 電源系統卷 智能變電站電源系統卷[M].北京:中國電力出版社，2014.

[2] 國家電網公司物資采購標準 智能變電站繼電保護及自動裝置卷[M].北京:中國電力出版社，2014.

[3] 國家電網公司物資采購標準 氣體絕緣金屬封閉開關設備卷[M].北京：中國電力出版社，2014.

[4] Q/GDW 1429-2012,智能變電站網絡交換機技術規范[S].

[5] 國家電網公司輸變電工程通用設計-35～110 kV智能變電站模塊化建設施工圖設計(2016年版)[M].北京:中國電力出版社，2017.

[6] 曹程杰.智能變電站交直流一體化電源計算與選擇[J].電工技術,2013(11)：16-18，28.

[7] DL/T 5044-2014,電力工程直流電源系統設計技術規程[S].

[8] 馬國棟.電線電纜載流量[M].北京:中國電力出版社，2013.

Research on 110 kV Smart Substation DC Power System Configuration Optimization

Zhang Xinlai1,Ai Fei2

(1.Handan Huilong Electric Power Design&Research Co.,Ltd,Handan 056000,China;2.State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310000,China)

In order to select the proper device of 110 kV smart substation DC power system,the DC load is classified and counted,the design scheme are selected by calculation result,battery group,UPS power supply,high frequency charge etc are ascertained through classifying and calculating DC load of the design scheme.The selecting principles of cable section and feed breaker are fully analyzed,the proper parameters are calculated.This DC power system optimized design will be a reference for the other same scale substation building.

110 kV smart grid;DC power system;cable section;feed breaker

2017-07-03

張新來(1984-)，男，工程師，主要從事變電工程電氣設計工作。

TM64

B

1001-9898(2017)06-0025-04

本文責任編輯：楊秀敏