智能變電站直流電源系統運行方式切換遠方操作解決方案

趙 軍

智能變電站直流電源系統運行方式切換遠方操作解決方案

趙 軍

（國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209）

本文論述了已運行的智能變電站直流電源系統的現狀。針對這種直流電源系統在運行方式切換時仍需人工手動操作完成，不適應智能變電站發展趨勢的要求，提出了硬件上采用電動操作、機械保持的雙穩態開關，軟件上采用順序控制邏輯的解決方案，實現直流電源系統運行方式切換的遠方智能操作。

智能變電站；運行方式切換；雙穩態開關；順序控制

對于雙套直流電源設備配置的變電站，如果某組蓄電池組或某套充電裝置故障，首先需要切換直流電源系統運行方式，將故障直流電源設備所在直流母線上的負荷由未故障的另一套直流電源設備供電，然后退出故障直流電源設備進行檢修。國家電網公司十八項電網重大反事故措施明確規定：應定期對直流充電裝置的穩壓精度、穩流精度和紋波系數進行校驗，定期對蓄電池組進行核對性放電試 驗[1]。對于雙套直流電源設備配置的變電站，在按規定進行定期試驗時需要進行直流電源運行方式切換操作，即將待試驗的一套直流電源設備退出運行，由另外一套直流電源設備帶兩段直流母線運行。因此定期試驗和直流電源設備故障時進行直流電源運行方式切換的操作是非常必要的。

隨著自動化技術水平的大幅提高，智能變電站的迅猛發展，變電站一次設備、系統運行方式以及二次保護、測控裝置均已經可以實現遠方智能化“一鍵式”順序控制操作[2]，然而變電站直流電源系統運行方式的切換操作卻還沒有實現遠方智能操作。不能滿足智能變電站發展的要求[3-4]。

1 已運行智能變電站直流電源系統現狀

目前已經運行的智能變電站，將全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源等，進行一體化設計、一體化配置、一體化監控，取消獨立的通信電源用蓄電池組、充電裝置等，使用DC/DC變換器直接接至直流母線代替[5]。取消UPS的獨立組屏，使用DC/AC逆變器直接接至直流母線代替，從而減少了一次投資，減少了組屏數量，節省了空間，簡化了電源系統的結構。

交流電源切換采用ATS自動轉換開關，可對其進行遠方控制和狀態監測。直流電源系統依然通過操作傳統的直流斷路器和隔離開關完成切換，無法對其進行遠方自動控制。直流電源系統運行方式的切換仍然需要人工手動操作來實現。直流電源系統接線方式如圖1所示。

集中監控模塊實現對全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源等的一體化監控，目前其對直流電源監控的主要任務僅實現了對系統中各功能元件和蓄電池組進行監測，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進行系統中各功能元件自身功能的實時管理和異常報警。但卻無法實現直流電源系統運行方式的遠方切換操作。

圖1 某變電站直流系統接線圖

2 智能變電站直流電源系統運行方式遠方操作解決方案

智能變電站已經廣泛投運，國家電網公司2009年編制的《智能變電站技術導則》中關于站用電源系統要求“全站直流、交流、逆變、UPS、通信等一體化設計、一體化配置、一體化監控，其運行工況和信息數據能通過一體化監控單元展示并轉換為標準模型數據，以標準格式接入當地自動化系統，并上傳至遠方控制中心[6]。”，該導則只是對站用電源的一體化設計和運行工況、信息數據的一體化監控及上傳提出了要求，卻并未對直流電源系統運行方式的遠方操作提出要求。

實現直流電源系統運行方式切換的遠方操作需要從硬件和軟件兩個方面解決。

2.1 硬件方面解決方案

硬件方面在如圖1所示的直流電源系統中增加5個電動操作機構（雙穩態開關），構成具備電動操作條件的直流電源系統[7]，接線圖如圖2所示。這種雙穩態開關有合位和分位兩種工作狀態，由兩個控制回路分別完成開關的合、分操作控制，并機械保持合位和分位工作狀態。

正常運行方式下，1#雙穩態開關處于斷開位置，2#、3#、4#、5#四個雙穩態開關處于閉合位置，變電站直流母線分段、分列運行；當定期試驗或直流電源設備故障時，通過邏輯軟件順序控制這5個雙穩態開關的合分狀態來完成直流電源系統運行方式切換的遠方操作，開關異常或故障時將報警并閉鎖遠方切換操作。由于本方案中雙穩態開關的分合采用電動操作、機械保持的原理，因此可以保證在出現控制電源失電、系統復位或控制斷線等異常情況時主回路雙穩態開關均不會動作，從而避免直流母線失電的嚴重事件發生。

2.2 軟件方面解決方案

在硬件方面通過增加雙穩態開關，使直流電源系統具備了電動操作的條件，但要真正實現運行方式切換的遠方操作，還需要在集中監控模塊中實現邏輯控制功能。

圖2 增加雙穩態開關的變電站直流電源系統接線圖

閉環控制是控制理論的一個基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。在控制理論中，閉環控制通常是輸出端通過“旁鏈”方式反饋到輸入，并參與對輸出端再控制。本方案中直流電源系統運行方式切換遠方操作即采用閉環邏輯序列控制策略，操作過程中嚴格按照電力相關標準，設計操作控制序列，每個操作步驟，均有反饋信息，即為閉環的，并且通過對上一個或幾個操作步驟反饋信息以及直流電源系統運行狀態（如直流母線電壓是否正常）等綜合邏輯判斷的基礎上，根據判斷結果，來決定下一個步驟如何執行；整個執行過程就是由無數個“執行—反饋—邏輯判斷—再執行”的小循環構成。

1）退出1套直流電源設備的邏輯框圖

在定期試驗或直流電源設備故障時需要將待試驗（故障）直流電源設備退出運行，由另一套直流電源設備帶全站直流負荷，這種情況的邏輯控制框圖如圖3所示。

2）投運直流電源設備的邏輯框圖

在定期試驗結束或直流電源設備故障處理完畢后需要將被試驗（故障）直流電源設備重新投入運行，全站直流負荷分別由兩套直流電源設備供電，這種情況的邏輯控制框圖如圖4所示。

圖3 退出直流電源設備的軟件流程圖

圖4 投運直流電源設備的軟件流程圖

在本方案中，整個操作序列執行過程中，均是在上一個操作步驟正確完成、反饋信息收到后，才進行下一個操作，任一步驟執行出現異常，將執行故障恢復序列并報警。整個操作序列，具有軟、硬件多重閉鎖和保護。

3 結論

變電站直流電源系統的運行方式切換實現遠方“一鍵式”順序控制操作[8]可以從根本上杜絕由于人為因素造成運行方式切換過程中發生直流母線失電等異常事件發生[9]，是智能變電站直流電源系統發展的必然趨勢，本方案在硬件上采用電動操作、機械保持的雙穩態開關，可以保證在出現控制電源失電、系統復位或控制斷線等異常情況時均不會動作，從而避免直流母線失電等嚴重事件發生[10]，在軟件上采用閉環順序控制邏輯，順應了智能變電站技術發展的方向。

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[3] 谷月雁, 司剛, 劉清瑞. 智能變電站中順序控制的功能分析與實現[J]. 電氣技術, 2011, 12(1): 58-62.

[4] 陳安偉, 樂全明, 張宗益, 等. 500kV變電站智能化改造的關鍵技術[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(18): 47-50, 61.

[5] Q/GDW 576—2010. 國家電網公司站用交直流一體化電源系統技術規范[S].

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The solution of remote operation for switching the operation mode of the DC power system in smart substation

Zhao Jun

(SPIC Institute of Science and Technology Co., Ltd, Beijing 102209)

This paper discusses the current situation of the DC power system in running smart substations. Switching the operation mode of the DC power system must be manually. It can not meet the requirements for smart substation. This paper put forward a solution for remote switching the operation mode of the DC power system. Bistable switch that can be operated by electric and maintained by mechanism is adopted, which is operated by sequential control logic.

smart substation; operation mode swithover; bistable switch; sequential control

2018-03-29

趙 軍（1970-），女，山東濟南人，漢族，高級工程師，研究方向為電氣二次專業技術。