變電站直流負(fù)荷分級及管控方法研究

李亮玉

變電站直流負(fù)荷分級及管控方法研究

李亮玉

（國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

隨著變電站內(nèi)直流設(shè)備增加，蓄電池容量配置越來越大。為減少直流蓄電池容量配置，以及在交流全部失電情況下，優(yōu)先保證重要直流負(fù)荷供電，本文提出變電站內(nèi)直流負(fù)荷分級原則，將全站負(fù)荷分為3級，針對不同級別負(fù)荷，給出具體管控實施方法。經(jīng)計算，分級后可減少蓄電池容量配置。

變電站；直流負(fù)荷分級；蓄電池容量；管控方法

0 引言

隨著變電站內(nèi)直流負(fù)荷增加，蓄電池容量配置增大[1]，投資增加，同時直流蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，增加損耗。因此，考慮直流系統(tǒng)負(fù)荷分級，分析故障情況下需優(yōu)先保障的負(fù)荷種類非常必要，可減少蓄電池容量，在嚴(yán)重故障情況下增加重要直流負(fù)荷供電時間，為工程應(yīng)用提供有益參考。

近年來，關(guān)于變電站直流電源系統(tǒng)的研究集中在新型電池、容量配置、直流系統(tǒng)智能控制方面。文獻(xiàn)[2]研究了基于變電站的儲能電站等規(guī)劃配置方法，文獻(xiàn)[3]分析了磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用安全性，但是從直流負(fù)荷分級角度研究蓄電池容量的方法仍較少。針對直流系統(tǒng)智能控制方面，文獻(xiàn)[4]提出硬件上采用電動操作、機械保持的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，軟件上采用順序控制邏輯的解決方案；文獻(xiàn)[5]提出針對變電站電源系統(tǒng)的電力電子集中式開關(guān)保護(hù)方案，但是目前關(guān)于直流系統(tǒng)智能控制的研究還未見工程應(yīng)用案例。

本文從直流設(shè)備負(fù)荷角度出發(fā)，提出直流負(fù)荷分級方法及分級后負(fù)荷智能控制方法，可減少蓄電池容量配置，且在目前工程應(yīng)用條件下可行。

1 總體思路和原則

目前，變電站一般集中設(shè)置閥控式密封鉛酸蓄電池，不設(shè)置通信專用蓄電池，通過DC-DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對通信設(shè)備供電[6-7]。變電站采取無人值班模式，220V直流系統(tǒng)在全所交流事故斷電后工作2h后自動或手動切斷，蓄電池剩余電能繼續(xù)為48V通信系統(tǒng)供電4h。

考慮按以下原則進(jìn)行直流負(fù)荷分級：

1）優(yōu)先保證系統(tǒng)和站內(nèi)通信負(fù)荷供電，保證通信通道暢通。

2）按照重要性原則，優(yōu)先保證站控層二次負(fù)荷供電，該部分二次負(fù)荷是站內(nèi)任何設(shè)備恢復(fù)供電的保證。

3）對于間隔層和過程層負(fù)荷，按照優(yōu)先保證高電壓等級主網(wǎng)可靠性原則，保證主網(wǎng)二次保護(hù)測控及相應(yīng)過程層設(shè)備（針對智能站）供電可靠性。

4）主變及中低壓設(shè)備的二次負(fù)荷采取統(tǒng)籌考慮的原則，優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)送電，對于主變帶低壓側(cè)站用變（或接地變）的，應(yīng)該優(yōu)先考慮恢復(fù)供電，相應(yīng)主變二次設(shè)備應(yīng)該保證其在事故情況下的供電。

5）對于重要負(fù)荷和涉及電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的線路，宜根據(jù)變電站位置合理設(shè)置優(yōu)先級，保證相應(yīng)二次設(shè)備供電，以便事故處理后能快速恢復(fù)供電。

6）對于次要一次負(fù)荷，短時難以恢復(fù)供電，可以考慮相應(yīng)二次負(fù)荷停電，待站用交流恢復(fù)供電后恢復(fù)其供電。

2 直流負(fù)荷分級

按照上述原則，將直流負(fù)荷分為3級。

2.1 第一級負(fù)荷

第一級為必須保證供電的負(fù)荷，包括全部通信負(fù)荷[6]及站控層負(fù)荷（包括蓄電池供不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）負(fù)荷）、事故照明負(fù)荷。還應(yīng)保證主網(wǎng)迅速恢復(fù)供電，保證主網(wǎng)二次間隔層及相應(yīng)過程層設(shè)備供電可靠性。以220kV站為例，包括220kV環(huán)網(wǎng)線路的保護(hù)測控及過程層設(shè)備。第一級直流負(fù)荷見表1。

表1 第一級直流負(fù)荷

2.2 第二級負(fù)荷

優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)供電，對于主變帶低壓側(cè)站用變（或接地變）的，應(yīng)該優(yōu)先考慮恢復(fù)供電，相應(yīng)主變二次設(shè)備應(yīng)該在事故情況下較為優(yōu)先保證供電。第二級直流負(fù)荷見表2。

表2 第二級直流負(fù)荷

2.3 第三級負(fù)荷

次要一次負(fù)荷，短時難以恢復(fù)供電，可以考慮相應(yīng)二次設(shè)備負(fù)荷停電，待站用交流恢復(fù)供電后恢復(fù)其供電。第三級直流負(fù)荷見表3。

表3 第三級直流負(fù)荷

3 直流分級后蓄電池容量

分別計算第三級、第二級負(fù)荷需要的蓄電池容量，以220-A1-1方案的規(guī)模計算，第三級負(fù)荷考慮以下設(shè)備的二次負(fù)荷：中壓出線10回（2回二次負(fù)荷為二級負(fù)荷），低壓出線24回，主變1臺，電容器12臺。經(jīng)統(tǒng)計第三級直流負(fù)荷見表4。

根據(jù)階梯計算法（電流換算法）[8-9]計算蓄電池容量。蓄電池為閥控密封鉛酸蓄電池（貧液），按照控制負(fù)荷和動力負(fù)荷合并供電的計算過程如下：

表4 統(tǒng)計后的第三級直流負(fù)荷

1）按第一階段放電計算

2）按第二階段放電計算

式中：2為第二階段放電時間；c2為容量換算系數(shù)；2為第二階段負(fù)荷電流；c2為第二階段計算容量。

3）按第三階段放電計算

式中：3為第三階段放電時間；c3為容量換算系數(shù)；3為第三階段負(fù)荷電流；c3為第三階段計算容量。

經(jīng)計算，蓄電池容量減少41.4A·h。通常考慮留有一定裕度進(jìn)行蓄電池配置，以220-A1-1方案為例，未分級前直流負(fù)荷統(tǒng)計為365A·h，實際選擇400A·h蓄電池。分級后蓄電池容量可選擇350A·h，或者仍選擇400A·h蓄電池容量。經(jīng)估算，可增加供電時間[41.4/(400-41.4)]×2h=0.23h。

按照同樣的方法，在第三級負(fù)荷基礎(chǔ)上，第二級負(fù)荷為中、低壓母線保護(hù)，分段保護(hù)測控裝置，2回中壓出線，1臺主變保護(hù)測控及過程層設(shè)備，1臺站用變保護(hù)測控、消弧線圈控制裝置。統(tǒng)計第二級、第三級負(fù)荷，經(jīng)過計算，可減少蓄電池容量68A·h。分級后蓄電池容量可選擇300A·h，或仍選擇400A·h蓄電池容量。經(jīng)估算，可增加供電時間[68/(400-68)]× 2h=0.41h。

4 直流負(fù)荷分級管控實施方法

目前，直流負(fù)荷智能控制技術(shù)研究有所進(jìn) 展[4-5]，根據(jù)現(xiàn)有直流系統(tǒng)配置方案[10]，按照目前工程中控制方法，對于第二、三級直流負(fù)荷，可以采取以下控制方法。

1）對于第二級負(fù)荷，考慮該部分負(fù)荷數(shù)量不多，有一定重要性，由直流饋線屏供電，采用加裝分勵脫扣器的方式，可以實現(xiàn)空開分控制，合控制需要采取手動方式。加裝分勵脫扣器原理示意圖如圖1所示。該方法造價較低，適用于直供負(fù)荷的空開，例如位于二次設(shè)備室的主變二次負(fù)荷。

圖1 加裝分勵脫扣器原理示意圖

2）對于第三級負(fù)荷，由分電屏供電，通過在電源處（直流饋線屏大空開）加裝遠(yuǎn)程控制電動操作機構(gòu)，可以實現(xiàn)空開分合控制。加裝遠(yuǎn)程控制電動操作機構(gòu)示意圖如圖2所示。例如直流饋線屏上供給中低壓集中負(fù)荷的空開，可采取該方式，實現(xiàn)中壓出線二次直流負(fù)荷集中控制，待交直流電源系統(tǒng)恢復(fù)交流供電后，自動控制該部分直流負(fù)荷恢復(fù)供電。

圖2 加裝遠(yuǎn)程控制電動操作機構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

隨著電網(wǎng)規(guī)模增大，變電站內(nèi)直流負(fù)荷呈現(xiàn)增大的趨勢，因此考慮直流負(fù)荷合理分級供電，減小蓄電池容量，增加重要直流負(fù)荷供電時間，顯得非常必要。本文所做研究工作如下：

1）進(jìn)行了直流負(fù)荷分級，第一級為必須保證供電的負(fù)荷，第二級負(fù)荷為優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)送電的負(fù)荷，第三級為次要一次負(fù)荷相應(yīng)二次設(shè)備。

2）對三級負(fù)荷和二級負(fù)荷進(jìn)行了統(tǒng)計，經(jīng)計算，可有效減少蓄電池容量配置或者增加重要負(fù)荷供電時間。

3）提出對于第二級負(fù)荷采用直供方式，采取加裝分勵脫扣器的方式實現(xiàn)控制；對于第三級負(fù)荷采用集中分電屏控制，在電源處加裝遠(yuǎn)程控制電動操作機構(gòu)的方式實現(xiàn)二次直流負(fù)荷集中分合控制。

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Research on classification and management methods of DC loads in substation

LI Liangyu

(State Grid Hebei Economic Research Institute, Shijiazhuang 050021)

With the increase of DC equipments in substation, the battery capacity configuration is becoming larger and larger. In order to reduce the capacity configuration of DC battery and ensure the power supply of important DC loads in the case of all AC power loss, this paper proposes the principle of priority of DC loads in substation. The DC loads of the whole substation are divided into 3 levels, and specific management methods are provided for different levels of loads. The calculation results show that the battery capacity can be reduced after classification.

substation; DC load classification; battery capacity; management method

2021-07-19

2021-08-22

李亮玉（1990—），男，河北省邢臺市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與電氣二次設(shè)計工作。