PGD8直流及逆變電源系統在高港樞紐的應用

王宇凡 吳鵬鵬 黃蔚 徐年根 江蘇省泰州引江河管理處

1.引言

泰州引江河是江蘇省東部地區引江供水口門，也是南水北調東線的水源工程之一，工程南起長江，北接新通揚運河，全長24km，主要工程作用為灌溉、排澇及調節水生態環境。高港樞紐距長江1.9km，是泰州引江河連接長江的口門控制建筑物，由泵站、節制閘、調度閘、送水閘、一二線船閘以及110kV變電所等組成，其中泵站選用葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9臺（設計流量35m3/s，設計揚程4m），配TL-2000型同步電機9臺，總裝機容量18000kW。2020年底，高港泵站管理所對直流及逆變電源系統進行改造，新系統采用浙江三辰電器有限公司的PGD8智能型直流電源屏及逆變屏，目前為止運行正常，安全可靠。

2.PGD8直流及逆變電源系統的組成

高港泵站直流裝置采用PGD8-IV-180-220+30kVA型總線式智能直流屏，由高頻開關整流模塊、可編程控制器（PLC）、蓄電池組、SCMK母線電源控制器、蓄電池自動監測裝置、母線調壓裝置、中央監控裝置（觸摸屏）、預告信號裝置、防雷器等組成。另設置逆變屏，由直流母線引出經SCUPS-220-30kVA型正弦波逆變器提供穩定不間斷的交流220V電源，供給監控系統、SF6儲能等，以下為直流及逆變電源系統的主要組成部分。

2.1 中央監控裝置

中央監控裝置主要功能有顯示、設置、控制、告警、通訊、電池管理等。便于值班人員了解此系統的所有運行狀態。

2.2 AD整流模塊

高頻開關整流模塊采用智能風冷的散熱方式，功率密度高，占用空間少，主要功能是實現AC/DC變換，還有控制、保護、通信、告警等功能。模塊內置微處理器，能自動獨立完成對模塊自身控制，同時接受中央監控裝置的監控與管理。支持帶電熱插拔，擴容、維護方便。

2.3 母線調壓裝置

調壓裝置串接在整流模塊和控制母線之間，整流模塊通過降壓硅鏈向控制母線供電，即將市電243V調壓為220V，同時調壓裝置和連接到控制母線的整流模塊一起構成控制母線電源的雙備份，提高控制母線供電的可靠性。

2.4 直流配電模塊

EDU01作為直流配電監控單元完成直流信號采集、硅鏈降壓控制以及母線絕緣檢測等功能。

2.5 SCMK母線電源控制器

絕緣監測繼電器實時監測直流母線的絕緣情況，能判斷母線電壓是否過高、過低以及絕緣是否下降到<20kΩ，當出現上述情況發出告警信息。

2.6 可編程控制器（PLC）

采用的是SIMATIC S7-200 SMART（CPU ST20），具有采集數據、控制系統、管理電池、故障顯示等功能，值班人員可在觸摸屏查看控制。

2.7 開關電源 HDR-60-24

輸出直流電壓24V，給PLC等供電。

2.8 蓄電池組

電池組采用的是德國陽光A412-180AH閥控式鉛酸蓄電池，共18只。該蓄電池具有免維護、無腐蝕、容量大、大電流放電性能優越、自放電率低等特點，此電池在充放電過程中安全可靠，反應效率高，各個電池可在直流屏實時顯示狀態。

2.9 逆變電源

逆變屏采用的是SCUPS-220-30kVA型正弦波逆變器，具有自我檢測、保護、高品質正弦波輸出和抗電磁干擾功能，可向微機、通訊、事故照明及其他重要設備供電。

3.PGD8直流系統的工作原理

3.1 直流系統主要工作原理

工作原理見圖1，即高港樞紐直流及逆變電源系統的交流電均取自低壓柜，在正常工作狀態下，旁路220V經過逆變電源的交流輸出，給微機采集柜、微機屏操作站、全自動化采集儀、廠房微機控制、SF6儲能、微機控制、視頻控制柜供交流電，而交流380V經過AD高頻開關整流模塊，轉化為直流243V，一路經過VC調壓裝置，變為直流220V向控母負載供電，一路向合閘負載供電，一路向電池組供電。當在失電狀態下時，一方面電池組向控母及合閘負載供電，另一方面電池組向逆變電源供電，通過轉化為220V交流電向負載供電。其中高港泵站直流電源供給控母負載及合閘負載，包括微機系統、可控硅、SF6開關控制、191開關控制電源、上游閘門控制、下游閘門控制、上游閘門電磁鐵、下游閘門電磁鐵、10kV控母、10kV儲能、電磁鎖。高港泵站交流電源供給微機采集柜、微機屏操作站、全自動化采集儀、廠房微機控制、SF6儲能、三樓微機控制、視頻控制柜等負載。

圖1 PGD8直流系統工作原理圖

3.2 逆變系統具體工作方式

市電正常時，市電經輸入隔離變壓器、整流器、濾波器變換成穩定的直流電，再通過逆變器、正弦波濾波器、隔離變壓器逆變出純凈的正弦交流電，通過逆變靜態開關切換到輸出。

市電異常時，蓄電池組向逆變器供電，通過逆變輸出，得到純凈的正弦交流電，由逆變靜態開關切換到輸出。

逆變器出現異常時，可轉換為旁路運行，旁路市電由旁路靜態開關輸出。

逆變器出現故障檢修時，合上檢修開關，可以使逆變器脫開電源，進行檢修、維護。

逆變屏原理圖見圖2。

圖2 逆變屏原理圖

4.直流屏通訊協議（符合MODBUS規約）

PGD8 通過與上位機通訊的RS485接口，將遙測、遙信數據實時上傳至后臺計算機，運行人員可以及時監視直流屏的運行情況，同時可在后臺計算機遙控整流模塊，遙調直流屏的設定參數。PGD8作為MODBUS從機，支持MODBUS 1、2、3、4、5、6、16號等功能。

6號功能（遙調、遙控）見表1。

表1 6號功能（遙調、遙控）

3號功能（遙信、遙測）見表2。

表2 3號功能（遙信、遙測）

5.直流系統蓄電池組定期試驗

根據DL/T 724-2021《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》及泵站相關作業指導書，開展蓄電池充放電試驗。

5.1 放電前準備工作

直流室室內溫度、濕度保持在合理區間，且通風、照明良好。直流室設“嚴禁煙火”標志牌，并配備相應的消防器材。

試驗人員檢查蓄電池外觀是否異常，如滲液、鼓包。各蓄電池之間的連接應無誤、緊固、牢靠。試驗人員熟悉直流系統原理圖，了解規程及相關作業指導書。試驗人員在試驗開始前向其他成員詳細講解蓄電池充放電的步驟、內容及各安全注意事項。

蓄電池充放電期間，現場必須做好安全措施，無關人員不得逗留現場。蓄電池充放電期間如遇電池損壞后酸濺至身體部位，尤其是眼睛時，應立即用活水清洗，必要時立即就醫。

5.2 蓄電池充放電步驟

試驗人員首先測量蓄電池組端電壓，緊固每只電池的兩個螺絲，測量每個電池的初始電壓和初始內阻。其次將下面一排除微機保護、微機監控、10KV控制母線開關不分其余均分掉，上面一排4個開關（Ⅰ路交流進線開關、Ⅱ路交流進行開關、合閘交流進線開關、合閘母線輸出總開關）全分掉，分低壓室直流屏電源。最后準備放電電阻，先將電阻調到最大，將放電電阻接入回路，并合上開關，調節電阻，根據電池容量和放電時間確定放電電流，開始放電。放電后試驗人員每小時巡視2～3次，當電池在12V以上的時候，一個小時記錄一次數據，當在12V以下的時候，半小時記一次，當有單只電池電壓到11.7V左右的時候停止放電，拆除電阻，將之前分掉的開關合上。

當電池開始充電，先均充4～5小時，再轉浮充3～4小時，再靜止2～3小時，然后進行測量，查看單只電池電壓是否高于13.5V，內阻是否在7mΩ左右。對單只電池，若電池只到12V，則可單獨充放，放至10.8V，然后再充，至11.2V左右注意觀察，防止突降，重復三次后仍無法到13.5V，則電池需更換。

根據相關規范，蓄電池充放電試驗需反復放充兩次。

5.3 高港泵站蓄電池充放電試驗過程記錄

2022年3月17日，試驗人員對直流蓄電池組進行第一次充放電試驗，9:15開始放電，至14:15放電完畢，放電電流為18A，放電時間為5h，電池溫升正常，未發現有電壓不正常下降的蓄電池，電池最低電壓為12.162V。充電試驗由14:15開始進行，至21:15充電完畢，蓄電池電壓244.3V，蓄電池各充電數據正常，電池溫升正常。

2022年3月25日，試驗人員對直流蓄電池組進行第二次充放電試驗，9:15開始放電，至14:15放電完畢，電池最低電壓為12.147V。充電試驗由14:15開始進行，至21:15充電完畢，蓄電池電壓244.4V。

經上述兩次蓄電池充放電試驗，判斷蓄電池組合格，可正常使用。

2022年3月17日蓄電池放電測量記錄見表3。

表3 蓄電池放電測量記錄表

6.直流系統主要故障處理

直流系統常見的故障包括絕緣不良、一點接地、正負極接地、電源系統失電、逆變異常等，以下介紹的是近兩年主要發生的故障處理過程。

6.1 逆變器故障

2022年某日，逆變屏提示逆變異常，如圖3，為了排除是否誤報，技術人員將系統調至逆變模式，結果顯示異常。因此為了保障工程正常運行，及時聯系廠家更換替換機，待替換機安裝無誤后，將故障逆變器送回廠家維修。經廠家拆機發現，逆變器輸出IGBT功率管被擊穿，5個交流風扇燒壞1個。風扇是接在交流輸出上，分析是電壓過高導致。當更換新的功率管后和損壞的器件后，逆變器恢復正常工作，未發現其他問題。

圖3 逆變屏顯示逆變異常

因此推斷導致IGBT損壞情況的原因有以下幾種：①輸出負載線路長時間短路，導致機器不斷復啟動損壞，可能會損壞機器；②輸出并聯使用或者負載線路上有其他電壓供電接入，但本逆變器不具有并聯功能；③接線錯誤，如旁路輸入接到交流輸出上，或主機和變壓器接線錯誤，接線松動等；④操作失誤，如直流逆變輸出時，檢修旁路沒有斷開，導致檢修旁路電壓反灌到逆變器輸出上導致損壞；⑤可能是IGBT器件物料質量問題。

但目前為止無類似故障，現場值班人員需密切注意逆變器或負載是否異常。

6.2 正母線絕緣不良

2023年2月某日，直流屏中央監控裝置觸摸屏告警，提示正母線絕緣不良故障，如圖4。針對這一故障，技術人員采用拉路檢查的方式對合閘母線和控制母線上的負載逐一檢查。通過檢查，發現了絕緣故障出現在下游閘門電磁鐵這一負載上，隨即技術人員趕到廠房，打開啟閉機罩殼，發現電磁鐵的控制線由于波紋管破損，與處于零電位的電機金屬支架接觸，導致發生正母線絕緣不良故障。技術人員將控制線重新接線，包扎絕緣膠帶，更換了新的波紋管，防止再次與支架直接接觸，故障排除。

圖4 觸摸屏告警

7.結束語

直流系統無論是在泵站還是其他一些領域，均是十分重要的系統，值班人員在日常巡查過程中，要密切關注告警信息、電池電壓數值等，特別是在機組開機過程中，更要加強巡視，發現問題要及時排查處理，確保遇到泵站失電等極端情況下，不影響工程運行，以防無法發揮工程效益，從而導致更大的損失。