變電站直流應急電源開發與設計

施浩楠，倪佳，顧于昊

(國網江蘇省電力有限公司張家港市供電分公司，江蘇 蘇州 215600)

1 引言

變電站作為電力系統的重要組成部分，負責承擔能量的傳輸與轉換，其工作穩定性直接關系到電力系統的運行[1－2]。一旦變電站的交流電源失效，變電站的直流應急電源立即投入運行為變電站的控制裝置、繼電保護裝置、信號采集裝置等提供電能，保證這些二次設備正常運行[3－4]。因此變電站直流應急電源是變電站的重要組成部分，對于變電站的安全、穩定、可靠運行至關重要[5]。

2 直流應急電源結構

直流應急電源從功能組成上可以分為鋰電池系統、電池管理系統(BMS)、直流變換器(DC/DC)、交直流變換器(AC/DC)、實時監控裝置、通信控制單元等[6]；其中鋰電池系統用于實現電能的存儲，電池管理系統用于實現鋰電池系統的充放電控制、直流變換器用于將 DC48V的電變換為 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V的電，交直流變換器用于將AC220V的電變換為DC48V的電，實時監控裝置能夠進行參數設置、充放電操作、數據顯示及故障報警等功能，通信控制系統負責將數據上傳到實時監控裝置進行顯示[7]，具體結構如圖1所示。

圖1 直流應急電源拓撲結構

3 直流應急電源功能需求

直流應急電源需要具備兩種工作模式，即電源模式和充電模式，能夠滿足鋰電池系統充電及為變電站二次設備供電等要求，直流應急電源需要采用LED液晶顯示屏實時顯示自身實時狀態，操作便捷；直流應急電源結構精巧、重量輕便、便于移動，能夠在多個變電站之間輕松移動，需要滿足如下具體要求[8－9]:

(1)輸入采用單相AC220V－50Hz電源，電源出現波動的情況下仍然能夠正常工作(AC220V±15%、50Hz±10%)。

(2)該電源能夠輸出 DC220V、DC110V、DC48V、DC24V、DC15V多路直流電，輸出功率要求能夠滿足變電站的二次側設備在極端工況下的負載需求；供電的不間斷時間必須大于繼電保護及自動控制裝置最長動作時間，從而保證變電站二次側設備的動作可靠性[10]。供電不間斷時間及輸出功率要求至少留出一倍冗余。

(3)直流應急電源需要配置蓄電池組，但由于體積和重量的限制，配置的蓄電池組容量應當在滿足需求的前提下盡量小，數量不宜過多，體積不宜過大[11]。

(4)直流應急電源要求輕便，單人能夠進行輕松移動、操作。

(5)需要具備故障報警功能，實時提示直流電源的工作狀態，為檢修人員的維修作業提供輔助條件[12]。

(6)直流應急電源應當具備良好的絕緣狀態，保證其工作時的安全性、可靠性、穩定性。

4 直流應急電源功能設計

4.1 直流系統轉換方案

變電站二次側設備所需要的直流電源普遍都是DC220V和DC110V，如果能夠將所需要配置的蓄電池數量達到48V通信電源的水平，則蓄電池的數量能夠大大減少，對蓄電池的容量進行有效控制，就能夠實現對直流應急電源體積和重量的控制，因此直流系統需要實現從 DC48V到 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V的轉換就能滿足具體需求。

該直流應急電源的直流轉換方案可以描述為:當變電站正常工作時，輸入電源為AC220V，經過交直流變換器變換為DC48V，DC48V向鋰電池系統充電，同時DC48V經過直流變換器變換輸出DC220V、DC110V、DC24V、DC15V，為變電站的二次側設備提供電源；當變電站出現問題時，無法提供AC220V，鋰電池系統輸出DC48V，DC48V經過直流變換器變換輸出 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V，為變電站的二次側設備提供電源，從而實現對變電站二次側設備的不間斷供電。此外直流應急電源，還能夠實現DC48V母線欠壓及過壓保護，以及各個功能模塊的故障報警等功能。

4.2 智能開關電源方案

如圖2所示為智能開關電源的控制原理，其主要包括了主監控單元、交流配電單元、整流單元、配電監控單元、絕緣監控單元等。其中主監控單元是直流應急電源管理與控制的核心，對直流輸出電壓電流、直流充電裝置的電壓電流、鋰電池的電壓等進行測量、控制與顯示，通過串行的RS232/RS485總線與外部進行數據交換；當直流應急電源出現接地情況時，會引起繼電保護裝置的動作，因此直流應急電源應當配置絕緣監控單元，以便對直流應急電源的絕緣水平以及接地故障等進行監控，絕緣監控單元需要具備自主選擇、自主顯示、自主報警等功能。當直流應急電源處于正常工作狀態時，其各個支路對地的絕緣阻值都很接近，并且超過允許值，此時絕緣監控單元不會發出報警信號；如果支路或者母線出現接地情況，絕緣電阻值低于允許值，此時絕緣監控單元會發出報警信號，并且實時顯示報警支路的絕緣電阻值。

圖2 智能開關電源控制原理

4.3 整流模塊設計

整流模塊是高頻開關電源的核心組成部分，整流模塊直接決定了直流應急電源輸出的直流電壓已經直流電壓的穩定性，如圖3所示為直流應急電源整流模塊的原理。當整流模塊處于正常工作狀態時，輸入的AC220V電需要經過防雷濾波環節，這樣能夠保證后級電路的安全性，然后經過防雷濾波處理后的交流電還需要經過整流和無源功率因數校正，最后再經過直流變換器輸出可控的直流電。

圖3 整流模塊原理

無源功率因數矯正電路主要由二極管、電阻、電感、電容等構成，整流橋與濾波電容之間采用電感進行連接，基于流經電感的電流不突變特性改善了充電脈沖波形和電流畸變情況，此外由于流經電感電流相位滯后于電感上電壓特性能夠改善電磁干擾和功率因數問題。無源功率因數矯正是能實現對電流突變的抑制。直流變換器的功能是將直流電壓變換為可控的直流電壓，這種控制方式優點顯著，響應速度快、加速平穩、能夠抑制電網諧波電流噪聲、節約電能。

整流模塊能夠實現交流電到直流電的變換，但脈動很大，存在較大的交流成分，為了得到平滑的直流電壓，整流模塊的后端需要增加濾波電路，濾除交流部分，在整流橋的輸出端與負載之并聯一個大電容。

4.4 顯示屏

顯示屏選用LCD液晶顯示屏，其工作原理可以描述為將液晶材料置于平行板之間，通過調節電壓來觸發液晶材料內部分子的排列結構，來實現遮光與透光的變化對圖像進行顯示。LCD液晶顯示屏優點顯著，功耗低、工作電壓低、發熱量低、完全平面不失真、可視化面積大、抗干擾能力強、畫面穩定等。

5 穩壓穩流功能驗證

穩壓精度和穩流精度過高會對直流輸出的穩定性造成影響，并且會對功率的輸出產生影響，從而影響保護邏輯的誤動作，穩壓精度和穩流精度的計算公式分別如式(1)和式(2)所示。

其中，δU為穩壓精度，UM為輸出電壓波動值的極大值或極小值，UZ為輸出電壓目標值。

其中，δI為穩壓精度，IM為輸出電流波動值的極大值或極小值，IZ為輸出電流目標值。

穩壓試驗和穩流試驗結果如表1和表2所示。

表1 穩壓試驗結果

表2 穩流試驗結果

分析表1和表2數據可以得出，穩壓精度為0.23%，該值滿足設計要求(<±0.50%)，穩流精度為0.48%，該值滿足設計要求(<±0.50%)。因此該直流應急電源的穩壓和穩流功能合格。

6 結論

變電站是電力系統中的核心設備，其運行狀況直接決定了電力系統的安全性、穩定性、可靠性。本文設計了一種直流應急電源，該電源能夠在變電站工作出現異常的情況下，為變電站的智能終端、監控單元、繼電保護系統、斷路器等二次側設備提供直流電源。經驗證，該直流應急電源體積小巧輕便、可靠性高、性價比高、功耗低、實用性強、輸出特性優良，可以進行大規模推廣應用。