變電站站用交流電源系統設計分析

曹 坡，王二偉，任成偉，胡克萍，于 艷，黃超杰（國網阜陽供電公司，安徽 阜陽 236000）

1 變電站站用交流電源現狀

1.1 站用電源

330～750 kW變電站站用電源應從不同主變低壓側分別引接1回容量相同、互為備用的工作電源，從站外引接1回可靠站用備用電源，每回站用電源的容量應滿足全站計算負荷用電需求，站內應急電源可采用快速自啟動柴油發電機組[1-3]。為滿足以上要求，該站分別從#3主變低壓側引接1回電壓為35 kV、容量為1 000 kVA可互為備用的站用變，從站外引接1回電壓為10 kV、容量為1 000 kVA的站用變作照明備用。此外，還配置了1臺可快速自啟動的柴油發電機組作為應急電源。該站用交流一次接線原理如圖1所示。

圖1 變電站站用交流一次接線原理

1.2 站用交流電源系統接線方式

站用電低壓系統的額定電壓為380/220 V，采用三相四線制中性點直接接地方式。系統接地點即相應的站用變中性點，同時就地單點接地。站用電母線采用按工作變劃分的單母線接線，兩段工作母線間不設自動投入裝置。當任一臺工作變失電退出時，備用變經其平時處于空充狀態的380 V 0MI段通過＃1ATS400甲自動快速切換至失電的工作母線段繼續供電。

1.3 變電站由交流系統供電

電力負荷主要通過中央變電站的交流配電盤直接分配，適用于主冷卻電源、系統電源以及現場高壓電源。母線之間沒有自動輸入裝置，但設有一個離合器開關。

2 變電站站用交流電源系統設計分析

2.1 重啟分類

使用“主饋線+分配器”模型，名義電流為400 A或更高。電源開關直接連接到380 V總線，每個總線設置3～4個主饋線[4]。斷路器機構箱、刀閘機構箱、端子箱、主變風冷控制箱以及有載調壓機構箱等影響設備運行的輔助電源分類拆解，基于分散布置、同時停電概率最小原則，平均分配至其他主饋線開關。

2.2 代替大電流

將原不具備四段保護功能的電流空開全部更換為具備四段保護功能的空開，同時加裝中性線電流互感器與其配合，使得分饋線開關與主饋線開關、主饋線開關與變低進線開關、變低進線開關與站用變保護間的相間接地故障保護均能實現級差配合，大大降低站用交流電源系統母線失壓風險[5]。

2.3 定義自動更改和鎖定的順序

通過向自動轉換開關（Automatic Transfer Switching，ATS）控制器重新灌注程序，將其改造為只能由備用母線向工作母線備投的模式。由于站變低壓側零序電流取自站變低壓側中性點零序，因此站變變低零序保護動作時，故障點可能在站變內，也可能在站變外。如果是站變內故障，則在變低工作母線失壓時就不應閉鎖ATS自投；如果是站變外故障，尤其在變低工作母線故障時就應閉鎖ATS自投[6]。鑒于該站的站變變低出線套管至變低進線空開之間采用封閉母線形式，故障概率很小，且站變低壓側零序電流保護與變低進線空開零序保護已做了級差配合，為了確保不出現ATS誤投于故障母線導致系統屢屢發生全站交流失壓現象，本次改造采用站變變低零序保護和變低進線空開保護同時閉鎖ATS自投的保守模式。具體的執行方法是通過與空間站不同的特殊接觸，利用另一種保護出口保護ATS。

2.4 站用交流電源系統改造實施

2.4.1 接地故障保護調試要點

本次改造實施中，由于所有新增和更換的400 A及以上空開均增加了接地故障保護功能，因此調試其接地故障保護功能十分關鍵。以380 V 1M母線上某400 A及以上大電流空開為例，正確接線如圖2所示。

圖2 空開接地故障保護調試接線

需特別指出的是，零序CT以大地為正極性，其接入測試回路時P1端連接更靠近站用變中性點側的380 V 1M母線N相，而不是400 A及以上空開新增饋出小母線N相。

2.4.2 涉環網空開配合操作要點

為了確保供電可靠性，500 kW變電站一般對高壓場地內的動力電源采取環網供電方式。對于環網供電回路，現場運行人員配合操作時需注意以下問題。一是不能將兩段不同源交流回路并列，建議將環網點設置在中央配電室的饋線屏且張貼本空開常合（常斷）、對側空開常斷（常合）標簽；二是進行電纜更換、空開加裝等施工作業前必須將可能來電的兩個方向的電源從前一級空開處斷開。以高壓場地環網空開為例，如圖3所示。

圖3 高壓場地環網空開示例

3 交直流一體化電源系統技術體系

3.1 主要電氣參數

經過對用電需求進行統計分析后，確定主變壓器采用三相兩繞組變壓器。根據短路阻抗和預計的最大短路電流，選擇JL/G1A-630/45型鋼芯鋁絞線作為母線材料。

3.2 電氣總平面布置

結合當地的地理位置及周邊環境條件，經過規模調整和優化設計后，從以下幾方面入手對電氣總平面進行布置。配電裝置布置在站區東側，并向東架空出線；將電容器組及個股接地變消弧裝置布置在站區南側；配電室、二次設備室及輔助構成的聯合建筑采用單層設計，布置在站區西側。

3.3 繼電保護配置設計

在該電源系統線路配置方面，出于實用性的考慮，僅采用距離保護模式。光纖差動保護方式作為預留方式，為后期可能的擴建工作做準備。同時，線路保護的數據采集方式為SV報文和GOOSE報文，均以點對點的方式進行通信傳輸。

該電源系統的繼電保護線路采用分段保護配置方案。為滿足“直采直跳”的要求，使用保護測控集成裝置，該裝置安裝于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）智能控制柜當中。在此基礎上，為了確保智能變電站的網絡信息透明，采用全站系統配置文件（Substation Configuration Description，SCD）來分析二次虛擬回路方面的內容，得到的數據信息相對更為直觀可靠，從而實現高效的運行和檢修工作。在該環節的工作中，涉及到SCD配置文件的可視化處理。通過相關計算機軟件對SCD配置文件進行解析，以明確集成驅動器電子（Integrated Drive Electronics，IDE）裝置的分布情況以及各個IDE基點的具體數據信息和連接關系，從而形成各個IDE裝置之間的回路連接圖，最終達到可視化的目的。同時，為實現更為直觀的信息呈現，IED裝置信息圖中的各個界面信息均整合為一個圖形界面予以顯示[7,8]。

3.4 交流站電源的選擇

交流站用電源采用380/220 V中性點接地系統，以單母線接線方式進行連接。站用變容量設定為200 kVA，同時接入380 V母線，互為熱備用。

3.5 直流站電源的選擇

在本次電源系統設計中，直流站采用220 V直流電源，對智能變電站中的監控系統、保護系統中的電氣設備進行輻射式供電。直流站電源中的蓄電池組采用浮充電方式運行，總容量為200 Ah。充電裝置則由高頻開關整流模塊承擔，按照“N+1”的理念進行配置，共計為4組裝置，每組裝置最大允許電流為20 A。同時，該直流站電源的母線上配備高度絕緣的實時監測裝置，當裝置探測到線路出現接地故障后，立即發出報警信號。

3.6 智能輔助系統配置

選用單套監控平臺，該平臺又可細分為視頻監控、門禁、燈光智能控制等模塊，主要作為安全配置，避免無關人員操作相關電氣設備而引發安全問題。

4 智能電源系統的安全管理

4.1 安全資格全局管控

安全資格全局管控是指利用人臉識別、資質識別等智能技術對人員作業資質、違章記錄、技能資格等通過資料庫比對進行識別，對進入場地的人員進行全網管控。在人員進站時，通過視頻采集和資質庫識別作業人員資質，判斷其是否具有進站資質，并自動形成進站記錄。同時，根據智能技術實際應用情況，發放人員標識電子標簽，通過電子標簽進行安全檢查。此外，在作業過程中，視頻鏡頭可隨時采集作業人員信息，一旦出現安全資格異常的情況，將形成告警并凍結對應的工作票，待異常處理后開放工作票作業權限。

4.2 安全措施部署檢查

安全措施部署檢查是指遠程布置鎖具、門禁、電子圍欄等，利用安全隔離閉鎖等技術對作業過程、作業區域、設備箱體以及工器具等進行智能隔離布防，采用視頻采集和圖像識別技術結合智能操作和變電站信息模型相關內容，實現安全措施部署狀態的多元判據檢查，實現安全措施實時在線并內嵌至工作過程。

4.3 行為模式在線監控

首先，進入工作區域前，通過視頻采集和圖像識別算法判斷作業人員安全帽、工作服和安全帶的佩戴是否符合要求。其次，在作業過程中通過視頻采集和行為識別算法形成第一獨立判據，以信息系統中設備運行狀態形成第二獨立判據。將雙判據與工作票比對，判斷作業過程中是否存在擅自變更設備檢修狀態的行為。最后，通過視頻采集和圖像識別算法獲取作業人員位置信息，結合視頻鏡頭設置的電子圍欄判斷作業人員是否在非工作區域停留或作業。對于箱體式設備，以智能鎖具的使用對象和開放權限為第一判據，以視頻采集和圖像識別算法為第二判據，綜合判斷作業人員是否在非工作區域停留或作業。

5 結 語

站用交流系統是保障變電站安全運行的重要內容，其能否可靠運行關系到整個電網的穩定性。結合變電站站用交流系統運行現狀和改造實施過程，通過采取相關措施降低站用交流系統母線電壓全失風險。在今后的工作中，相關研究人員應當進一步對其深入研究，及時解決工作中出現的相關問題，不斷提高智能變電站交直流一體化電源系統應用水平，從而推動我國電力領域的長久發展。