變電站直流系統(tǒng)“N+1”充電模塊配置改造經(jīng)驗(yàn)介紹

梁文倩

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000）

1 成果實(shí)施的背景

變電站是電力系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，正如電力系統(tǒng)的能源走向所描述的，從發(fā)電到變電，從變電到配電，從配電到用戶。變電站直流電源系統(tǒng)是變電站內(nèi)各種繼電保護(hù)裝置、交流不間斷電源、斷路器動(dòng)作的直接電源。直流電源的可靠與否，直接關(guān)系到變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的潮流流動(dòng)。

變電站直流系統(tǒng)包括直流系統(tǒng)充電屏和直流系統(tǒng)饋線屏。直流系統(tǒng)充電屏上設(shè)有測量表計(jì)、微機(jī)監(jiān)控器以及高頻開關(guān)模塊（也成為充電機(jī)）；直流系統(tǒng)饋線屏上設(shè)有微機(jī)絕緣監(jiān)察儀和饋線空開。

充電模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，是直流屏的核心部件。充電模塊是否正常工作，直接影響了變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過安全生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)變電管理二所2017年期間缺陷數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)缺陷共計(jì)378起，其中充電模塊故障包含267起，約占71%，可見直流系統(tǒng)模塊已經(jīng)成為變電站直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。

1.1 解決問題的重要程度：解決了一直影響直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大問題

正常情況下，直流系統(tǒng)母線電流包括3部分：一為經(jīng)常性負(fù)荷，如繼電保護(hù)裝置、斷路器儲(chǔ)能、直流系統(tǒng)表計(jì)；二為蓄電池浮充電電流，一般為蓄電池容量的0.01倍；三為沖擊負(fù)荷，如斷路器分、合閘類負(fù)荷。

當(dāng)變電站失去內(nèi)站用交流電源時(shí)，由蓄電池組向直流母線輸送直流電源，而蓄電池所需電能非常有限。可見，當(dāng)變電站充電模塊故障且長時(shí)間無法恢復(fù)時(shí)，將直接影響站內(nèi)保護(hù)及控制回路的正常運(yùn)行造成保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)等，威脅電網(wǎng)安全。因它的重要性，變電站充電模塊均采用“N+1”備用配置模式，可確保其可靠性和安全性。

1.2 項(xiàng)目規(guī)模及綜合難度：項(xiàng)目涉及規(guī)模、難度大，較為復(fù)雜

電源專業(yè)在消缺時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，變電二所還存在很大部分變電站存在僅有一臺(tái)充電模塊故障，已經(jīng)無法支持變電站直流負(fù)載所需電流的情況。充電模塊超負(fù)載運(yùn)行亦或是蓄電池提供直流電源，都給變電站直流系統(tǒng)的維護(hù)增加了負(fù)擔(dān)，威脅著充電模塊和蓄電池的運(yùn)行壽命，也對(duì)變電站直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了極大挑戰(zhàn)。這是緊急且嚴(yán)重的問題，必須盡快解決。

1.3 項(xiàng)目創(chuàng)新程度：全網(wǎng)范圍內(nèi)領(lǐng)先

變電管理二所電源專業(yè)迅速作出反應(yīng)，成立《變電站直流系統(tǒng)“N+1”充電模塊配置改造》項(xiàng)目組，旨在高效順利解決變電管理二所變電站充電模塊配置不滿足“N+1”冗余的問題。

直流系統(tǒng)充電模塊的配置方式必須采用“N+1”冗余數(shù)量，才能夠滿足日常狀況和事故狀況的直流系統(tǒng)供電需求。在采用“N+1”冗余數(shù)量時(shí)，若110 kV變電站不少于4個(gè)，220 kV變電站不少于5個(gè)，此時(shí)當(dāng)其中任一臺(tái)模塊出現(xiàn)故障后，直流系統(tǒng)仍然有足夠的輸出容量用于提供直流電源，可保證正常的直流負(fù)荷要求。

直流系統(tǒng)在變電站中作為動(dòng)力核心，主要作用是為測量控制裝置、保護(hù)設(shè)備、通信設(shè)備等提供電源。如果直流系統(tǒng)出現(xiàn)問題，整個(gè)變電站的供電、控制、保護(hù)、安全以及穩(wěn)定都會(huì)出現(xiàn)問題，最后導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。變電管理二所存在一批運(yùn)行年限較長的110 kV變電站，其直流系統(tǒng)已經(jīng)老化嚴(yán)重，充電機(jī)發(fā)生故障頻率較高，是變電站運(yùn)行中很大的薄弱環(huán)節(jié)。

電源專業(yè)通過安全生產(chǎn)系統(tǒng)分析變電管理二所2017年期間的缺陷數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)缺陷共計(jì)378起，其中充電模塊故障包含267起，約占71%。此外，電源專業(yè)在消缺時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，變電二所存在很大部分變電站存在僅有一臺(tái)充電模塊故障，已經(jīng)無法支持變電站直流負(fù)載所需電流的情況，不滿足直流系統(tǒng)充電模塊“N+1”冗余的配置要求[1]。

因此，變電管理二所電源專業(yè)迅速作出反應(yīng)，成立《變電站直流系統(tǒng)“N+1”充電模塊配置改造》項(xiàng)目組，旨在高效順利剔除變電管理二所變電站充電模塊配置不足的隱患。

2 成果詳細(xì)內(nèi)容

本工程主要解決變電站直流屏充電模塊配置不滿足“N+1”冗余原則的問題。所謂“N+1”冗余設(shè)計(jì)，是指若直流屏滿足正常工作需直流輸出電流為10 A的高頻開關(guān)模塊3臺(tái)，實(shí)際該直流屏配置4臺(tái)（N+1），用備份的充電模塊向蓄電池組進(jìn)行均充或浮充電，控制模塊也采用（N+1）冗余設(shè)計(jì)、用備份的方式向經(jīng)常性負(fù)荷（繼電保護(hù)裝置、控制設(shè)備）提供直流電源。這樣其中任一臺(tái)模塊出現(xiàn)故障不會(huì)影響裝置的正常工作，大大提高了裝置運(yùn)行的可靠性。

在人們對(duì)電力安全穩(wěn)定需求日益提高而直流系統(tǒng)故障愈發(fā)頻繁的重壓下，電源專業(yè)必須盡快識(shí)別存在問題的變電站，根據(jù)變電站實(shí)際情況制定解決方案、采購備品備件、繪制并組織審核圖紙，聯(lián)系廠家迅速實(shí)施解決。

三相交流電源經(jīng)過濾波后輸入到整流回路，輸出的直流經(jīng)過高頻逆變?yōu)楦哳l交流電源，再通過高頻整流、濾波后輸出為直流電源。充電模塊工作原理如圖1所示。

圖1 充電模塊工作原理圖

在對(duì)所有變電站進(jìn)行充電模塊數(shù)量是否滿足“N+1”配置原則的識(shí)別前，必須認(rèn)識(shí)到直流充電環(huán)節(jié)采用充電模塊并接使用的模式。直流充電模塊總?cè)萘繛椋?/p>

直流電源并聯(lián)配置原理，如圖2所示。

3 識(shí)別充電模塊數(shù)量配置不滿足“N+1”原則的變電站

3.1 變換模塊組件容量和數(shù)量

AC/DC和DC/DC模塊組件容量：

式中，Pj為計(jì)算負(fù)荷，Ps為波動(dòng)性（沖擊）負(fù)荷。

AC/DC和DC/DC模塊組件數(shù)量：

式中，Pmax為蓄電池能夠提供的最大功率。

3.2 識(shí)別問題變電站

電源專業(yè)通過對(duì)變電管理二所共72個(gè)變電站、近180套直流系統(tǒng)進(jìn)行充電模塊容量和數(shù)量的計(jì)算和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)13套直流系統(tǒng)的充電模塊配置不符合“N+1”冗余原則。

圖2 直流電源并聯(lián)配置原理圖

4 風(fēng)險(xiǎn)控制

在直流系統(tǒng)充電模塊的改造過程中，2套直流系統(tǒng)進(jìn)行并列操作，是整改工程風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。2套直流系統(tǒng)并列過程中要?jiǎng)?wù)必關(guān)注2項(xiàng)內(nèi)容，分別是電壓差和潮流流動(dòng)。第一，2套直流系統(tǒng)均處于浮充電運(yùn)行狀態(tài)，電壓差不能超過額定電壓的2%；第二，要密切關(guān)注2套直流系統(tǒng)的并列前潮流之和與并列后潮流之和是否一致，當(dāng)發(fā)生不一致時(shí)，說明發(fā)生了直流甩負(fù)荷，要及時(shí)查找并恢復(fù)。為了避免此類問題，一定要做好相應(yīng)的安全措施。

5 結(jié) 論

截止2018年9月，已經(jīng)完成所有14個(gè)變電站直流系統(tǒng)充電模塊“N+1”配置的改造。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐，當(dāng)發(fā)生1臺(tái)充電模塊故障時(shí)，不會(huì)影響變電站直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本項(xiàng)目解決了變電管理二所13個(gè)變電站直流系統(tǒng)充電模塊配置不足的問題，大大提高了變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。電源專業(yè)居安思危，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)安全隱患，并迅速做出反應(yīng)，采取行動(dòng)立即解決。經(jīng)過電源專業(yè)的不懈努力，完成了惠州供電局變電管理二所14套不滿足“N+1”配置原則直流系統(tǒng)的改造，高效順利地解決了變電管理二所變電站充電模塊配置不滿足“N+1”冗余的問題。通過“N+1”配置，很大程度上降低了直流模塊故障對(duì)直流系統(tǒng)穩(wěn)定的威脅，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)收益。