分布式與集中式直流系統在變電站的應用研究

周賢培

摘 要：隨著變電站設備智能化程度的不斷提升，modbus通訊、光纖通訊的廣泛應用，電力電子技術的發展，使變電站功能模塊化設計成為可能。分布式模塊化設計是變電站智能化設計、提高系統生產運維效率、降低運維成本的一個有效方式，分布式設計變電站將是變電站發展的一大趨勢。文章就變電站直流電源系統方案中的傳統集中式與分布式設計從系統方案、直流系統絕緣、級差配合、運行維護角度對比分析，探討兩者優缺點，給設計人員提供更多的方案參考。

關鍵詞：分布式直流；集中式直流；運行維護；級差配合

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0167-04

Abstract： With the increasing intelligence of substation equipment， the wide application of Modbus communication and optical fiber communication， and the development of power electronics technology， the functional modularization design of substation becomes possible. Distributed modular design is an effective way to intelligently design substation， improve the efficiency of system operation and maintenance， and reduce the cost of operation and maintenance. Distributed design of substation will be a major trend of substation development. This paper compares and analyzes the traditional centralized and distributed design of DC （direct current） power supply system in substation from the aspects of system scheme， DC system insulation， differential coordination， operation and maintenance， and discusses their advantages and disadvantages， to provide designers with more project reference.

Keywords： distributed DC （direct current）； centralized DC； operation and maintenance； differential matching

引言

直流電源作為變電站供電的最后一道保障，在其他設備發生故障時承擔著提供保護動作電源的作用。隨著智能變電站的大規模使用，更多智能測控、保護裝置采用直流電源系統供電，使得直流電源系統愈加重要。

直流電源系統正常情況下，只承擔較小的變電站常用負荷、蓄電池組長期處于浮充電狀態，系統僅監控蓄電池組的端電壓、電流，無法真實的監測蓄電池組的性能狀態。為了保證蓄電池組性能狀態滿足變電站安全運行要求，必須由維護人員每年對蓄電池組進行人工全容量核容試驗，確保蓄電池組容量不低于額定容量的80%。但通過對眾多變電站事故分析發現，即使每年定期維護，在出現交流失電、設備故障或短路瞬間，事故負荷、隨機負荷突然驟增，會出現蓄電池容量不夠、蓄電池開路等問題，致使直流電源系統無法為足夠大的后備電流提供保護開關、繼電保護設備控制與動作，故障無法從系統切除造成事故不斷擴大。

1 方案簡介

1.1 傳統串聯型直流電源系統

串聯型直流系統由交流進線切換單元、蓄電池組、高頻開關電源模塊（下文簡稱：充電模塊）、調壓硅鏈（選配）、監控系統、饋線開關、絕緣檢測儀等部分構成。充電模塊將交流電源變換為110V或220V直流電源，蓄電池組與充電機組并聯在直流母線上，通過饋線開關分配至各直流負荷，系統構成原理簡圖如圖1。

串聯式直流電源系統方案特點：

（1）多個支持熱插拔的充電模塊并聯輸出為變電站常用負荷供電及蓄電池進行均浮充充電，確保蓄電池始終處于滿容量狀態，以保證蓄電池組的后備時間。

（2）9、18、54、108只蓄電池串聯以取得系統所需直流110V或220V電壓，滿足變電站直流負荷電壓等級需要。 （3）蓄電池放置區需配置恒溫空調，確保蓄電池環境溫度恒定在25℃左右。

（4）充饋線柜、蓄電池組集中放置于變電站控制室中，通過大量電纜將直流電能分別輸送至各直流負載。

（5）為了保證系統正常工作、蓄電池容量滿足要求，除了每年定期系統巡檢外，需對蓄電池進行定期容量核對性放電試驗，如蓄電池容量低于額定容量80%，必須對蓄電池進行整組更換。

1.2 分布式直流電源系統

變電站直流負荷較為分散卻集中在幾個主要區域，以某典型110kV智能變電站為例，直流負荷主要集中分布于110kV GIS設備室、35kV開關室、10kV開關室、控制室四區域。

分布式直流電源系統主要由并聯電源模塊、單只12V蓄電池、監控系統、絕緣檢測儀、饋線開關等部分構成。分布式直流電源系統采用并聯電池模塊，通過將單只12V蓄電池電壓升至直流110V或220V實現蓄電池的間接并聯使用。根據各區域負荷情況，單獨設計一套子直流系統，各子系統與控制室的總監控實時通訊，實現直流系統的分布式設計。分布式直流系統電氣原理圖如圖2所示。

分布式直流電源較傳統直流電源具有如下特點：

（1）直流電源就近布置，減少直流饋線電纜的使用，極大地減少變電站直流電源系統電纜的一次投資。

（2）將控制室至各設備室的直流供電變為交流供電，減少了直流饋線電纜的使用量，降低發生絕緣故障的可能性，提高變電站供電的可靠性。

（3）蓄電池獨立使用，通過并聯電源模塊并聯，各蓄電池之間無直接的聯系。系統可以實現不同品牌、不同類型、新舊。蓄電池的混合使用，提高蓄電池的使用效率，減少鉛酸蓄電池帶來的環境污染。

（4）系統中蓄電池之間相互獨立，可由模塊自身對蓄電池進行在線自動全容量核容，減少系統維護工作量，降低系統維護費用。定期的容量核對性放電實驗，提高直流系統供電的可靠度。

（5）部分設備區無空調調節蓄電池環境溫度，需單獨配置機柜空調，確保蓄電池環境溫度恒定在25℃左右。

2 直流系統絕緣

2.1 直流系統主要絕緣故障

直流系統絕緣主要發生在直流饋線電纜、系統直流母線、蓄電池組。各類絕緣下降原因主要是銅排、電纜與大地發生電氣連接；因蓄電池鼓包漏液造成直流母線與機柜發生短接使得絕緣下降。直流母線、蓄電池絕緣下降表現明顯，問題原因容易查找，絕緣降低故障的主要難點在于支路饋線絕緣降低點的定位。

2.2 集中式直流系統

集中式直流系統，110kV及以下變電站饋線柜集中安裝于控制室，通過直流饋線電纜引至各直流設備或設備室。變電站部分直流饋線電纜較長的達50余米，電纜長期處于電纜溝內，因受潮、老化、鼠咬的影響，外部絕緣層破損致使絕緣度降低。現有直流系統絕緣裝置僅能檢測直流母線絕緣、支路絕緣、支路選線，無法定位具體絕緣下降點，需根據絕緣檢測儀告警信息對電纜溝內眾多電纜逐段查找故障點。

即直流系統的直流饋線電纜越多，出現系統絕緣降低的風險也就越大，故障處理的難度也越大。因此，直流系統饋線絕緣故障，一直是直流系統維護人員最頭疼的故障問題。

2.3 分布式直流電源系統

直流系統分布式布置就近布置于各設備室，減少直流電纜的使用量，降低一次建設成本及絕緣問題對系統運行的影響。表1為某110kV智能電站分布式直流系統與傳統集中式直流系統兩種方式下直流饋線電纜長度明細表。

表1。

通過上表1計算可知分布式直流電源系統方案可使電纜使用量減少10.1%，其中直流饋線電纜減少38.4%，可有效的降低直流絕緣下降對直流系統運行可靠性的影響，減少直流系統的整體維護工作量。

3 級差配合

極差配合是直流系統中對上下級開關分斷電流進行配合選擇，實現故障發生時在故障端開關跳閘，而不是出現越級跳閘使故障擴大，這是目前解決直流系統故障隔離的最有效的方案，是直流系統是否可靠運行的關鍵，級差配合情況一直是直流系統驗收的關鍵項目。

3.1 集中式直流系統

圖3為集中式直流系統級差配合，主要有蓄電池熔斷器、直流饋線開關、直流小母線開關等三級，部門大型項目還有直流分屏共有四級開關配合，根據DL/T 5044-2014標準要求，上下級需要有2～4級的極差配合。過多的級數，致使蓄電池出口端額定電流值過大，尤其在小容量直流系統，蓄電池組可提供沖擊電較小，故障無法從系統上切除，造成事故擴大。

3.2 分布式方案

圖4為分布式直流系統級差配合網絡圖，對比圖3其中消除蓄電池至直流母線熔斷器，將原來三級級差配合減少為兩級級差配合的計算。簡化了系統設計，提高系統故障隔離的可靠性。

4 運維

4.1 定期蓄電池核容

根據國家電網公司、南方電網公司對直流系統運行要求，蓄電池組前四年每兩年試驗一次，四年后每年進行一次全容量放電核容試驗，如核容發現蓄電池容量低于80%，需再次進行一次全容量放電核容試驗。最終蓄電池容量低于80%，必須立即安排對蓄電池組進行更換。目前主要現場運行的主要由是一組蓄電池、一組充電機構成的直流系統，故對該類系統進行對比。

（1）常規直流系統中蓄電池組直接并聯于直流母線，為了保證系統有后備電源，試驗前必須接入替換蓄電池組，再將離線蓄電池組外接負載，以恒定電流放電。核容過程中需每隔一個小時記錄一組放電電流、蓄電池單體電壓，整個過程需要兩人兩個工作日。

（2）分布式直流電源系統，每三個月啟動程序以變電站常用負荷為負載逐個模塊進行全容量。監控系統記錄充放電過程中蓄電池的電流、電壓、時間，從而計算出蓄電池真實容量，整個過程無需人工干預，核容全部數據上傳后臺，并支持U盤導出。

4.2 蓄電池利用率

（1）常規直流系統中蓄電池組串聯使用，單只蓄電池影響整組蓄電池的性能狀態，如單只蓄電池損壞僅更換損壞蓄電池，整組蓄電池無法均衡充電，造成舊電池出現過充，加速蓄電池損壞，且較高電壓過充可能使蓄電池發生爆炸的安全隱患，故電力系統規定嚴禁蓄電池組混合使用，但一只蓄電池損壞，需對蓄電池組全組進行更換。

（2）分布式直流電源系統突破蓄電池的使用方式，蓄電池之間相互獨立，蓄電池組之間不再相互影響，僅更換