在雙母線直流電源系統中母聯方案的優化與探討

李貞城，張昕馳，黃建鋒

（1.國網吉林省電力有限公司 檢修公司，吉林 長春 130000；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著電網重要保護設備越來越多，各行各業對直流電源的安全性、穩定性以及可靠性要求越來越高。直流電源系統是電網、電廠、通信、鐵路以及化工的一個重要的組成部分，是其斷路器中控制回路、信號回路、繼電保護以及自動裝置等二次回路所需的直流電源。一旦直流電源系統出現故障，將會給電力系統的控制保護設備帶來巨大影響，甚至危及一次電力系統的安全運行[1]。

110 kV及以上變電站和電廠機組直流系統均雙重化配置兩套直流電源系統互為備用，保證直流負載實現不間斷供電[2]。兩套互為備用的直流系統在設計之初是采用母線聯絡開關進行連接，母線聯絡開關是手動操作器件，旨在提高直流電源系統互為備用的可靠性。這種母聯方式設計簡單，安全可靠，可以適應不同的電網運行方式，在電網中得到廣泛應用[3]。但只有在某一段直流電源系統檢修維護或者系統改造才會合閘母聯開關，讓兩段互為備用的直流電源系統實現備用功能。

1 現有雙母線直流電源系統的運行現狀

為了保障電力系統的安全運行，發電廠和變電站的控制及保護設備均采用直流電源供電。直流系統采用AC/DC作為主電源，設計蓄電池作為后備電源。在日常運行中，直流電源系統可能發生站用交流電源故障、充電機模塊故障、蓄電池脫離母線故障以及蓄電池開路故障等，故障發生后系統不能馬上為直流系統負載提供可靠電源[4]。其中最大的問題在于發生故障后需要蓄電池給直流系統負荷供電時，由于蓄電池組供電回路故障、蓄電池組內個別蓄電池開路故障或蓄電池實際儲電能力差等因素，將導致對應的直流母線直接失壓或者不滿足在規程要求的事故放電時間內正常工作。

目前直流電源系統的儲能蓄電池采用的是單體額定電壓為2 V的閥控式密封鉛酸蓄電池，因二次設備的控制電壓是110 V/220 V，蓄電池數量選用52只/104只。直流輸出電源控制母線和合閘母線合二為一，變電站內的斷路器分合閘與二次設備電源均接入該母線。電網公司使用調度綜合信息系統，使得調度中心通過各變電站上傳的站用交流電壓、交流電流、控母電壓、控母電流、蓄電池組電壓、蓄電池電流、單體蓄電池電壓、負荷電流、以及控母電壓過欠壓、蓄電池組電壓過欠壓、充電模塊故障、絕緣監測故障、虧饋線開關故障等遙信數據，就能實現遠方監控，及時將直流系統運行情況通知運維部門，運維部門根據設備故障情況采取相應解決措施，提高變電站直流系統運行可靠性和安全性。

2 母聯方案優化探討

目前，直流雙電源系統大部分都是采用傳統型的母線聯絡開關，近年來主網直流系統改造項目中也存在在現有母線聯絡開關基礎上配合隔離式雙向DC/DC裝置使用的現象。

2.1 母線聯絡開關方案

這種母聯方式采用人工手動操作，設計簡單，安全可靠，可以適應不同的電網運行方式，在電網中得到了廣泛應用。其最大缺陷是當故障發生時現有的母聯開關不能自動合閘，不能實時性實現兩套互為備用的直流電源系統設計的備用功能[5]。往往在直流系統檢修或蓄電池核容時才需要手動操作傳統式母線聯絡開關，但如果兩套直流電源系統中一套直流電源系統發生失壓時，并不能及時給故障側直流電源系統的負荷供電，這很有可能導致故障側負荷失電，不能正常運行，對電網會造成不可估量的損失。

2.2 隔離式雙向DC/DC技術方案

隔離式雙向DC/DC技術解決了兩段獨立直流系統智能互為備用問題，采用雙向DC/DC電能轉換模塊進行設計，還具備自動模式與手動模式，設備正常運行設置自動模式[6]。該技術方案具有自動投入、高電壓隔離以及短路保護等特性，確保故障直流電源系統發生嚴重短路事故時不會拖垮備用直流電源系統[7]。隔離式雙向DC/DC應用結構如圖1所示。但是該方案存在一些弊端，首先其需要根據現場蓄電池容量和負荷電流進行配置，這樣容易導致設備數量增加，直接影響成本，使得成本方面不可控，而且還會占用屏柜更多的安裝空間。另外，由于隔離式雙向DC/DC裝置核心部件屬于電子器件設備，因此不能瞬間提供大電流，需要一段時間才能讓電流到達所需電流值，這上升時間一般在5-200 ms左右。

如圖1所示，設備跨接在兩段直流母線之間，通過高速采樣兩段直流母線電壓判斷直流系統電源故障情況，當某段直流系統故障時，設備自動啟動DC/DC轉換功能。

圖1 隔離式雙向DC/DC應用結構圖

2.3 自控母聯技術方案

為解決直流電源系統智能母聯需求問題，以直流系統故障監測設備廠家為代表提出采用超級電容儲能后備結合電控開關構建智能母聯，通過監測超級電容電流和直流母線電壓變化情況判斷直流電源系統故障，區分直流電源系統短路故障和電源系統失電故障，針對失電故障操作電控開關構成母聯[8]。自控母聯應用結構如圖2所示。

圖2 自控母聯應用結構圖

如圖2所示，在兩段直流母線分別安裝超級電容作為后備電源，實時高速監測超級電容的輸出電流。當超級電容有電流輸出，依據電流的大小和母線電壓的變化速率分析直流母線故障類別，若直流母線發生電源故障時，控制電操開關閉合，使得兩段母線并聯運行，保障電源故障測母線負載安全可靠持續供電。

全程設備自動開啟智能閉鎖算法，若判斷為正常的失壓情況，就會發出合閘指令控制電操開關，否則判斷出直流電源系統存在嚴重的短路故障，是會堅決不合閘，避免故障危害殃及另一套直流電源系統的負荷。這種自控母聯相對于前者隔離式雙向DC/DC，其內部超級電容具有與蓄電池相似的特性，能夠提供瞬間大電流，保障了短時間內故障側負荷的供電問題，以此來滿足系統要求，在這過程也彌補電操開關閉合所需的時間，而且其在設備數量配置上，只需一臺設備，屏柜占用空間小，易安裝。

2.4 方案比較

通過上述3種母聯方案的簡要闡述，傳統的母線聯絡開關優勢明顯，缺陷也尤為突出。下面主要對比隔離式雙向DC/DC和自控母聯，具體如表1所示[9]。

表1 自控母聯與隔離式雙向DC/DC的對比分析

由表1可以看出，自控母聯與隔離式雙向DC/DC在組成部分各采用不同的硬件結構，兩者共同之處則是均能夠實現不間斷供電和短路保護功能，不同之處則在于觸發依據和系統配置方面[10]。前者是依據電流與電壓變化量和電壓變化速率來觸發合閘，兩套直流電源系統只需配置1臺裝置，占用空間小，安裝便捷，而后者是依據電壓閾值來觸發合閘，需按照功率N+1方式來配置，占用空間大，安裝不便捷。因此，在市場應用上，自控母聯相對隔離式雙向DC/DC更具性價比。

3 結 論

直流電源系統作為變電站/電廠二次設備的主要供電電源，其安全可靠性至關重要。本文闡述了目前直流電源系統的運行現狀，針對解決母線失壓問題介紹了可靠性強的母聯優化技術方案并進行方案對比，凸顯各自的特點，對于日后直流系統母聯技術的升級發展具有參考意義。