劉秀華 張鐵軍 張新躍 劉新成 趙改

（許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

變電站站用電源系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用探究

劉秀華 張鐵軍 張新躍 劉新成 趙改

（許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

站用電源是變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著變電站綜自化程度的越來越高以及大量無人值守站投運(yùn)，相應(yīng)提高站用電源整體的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理水平具有非常重要的意義。智能變電站采用一體化的電源系統(tǒng)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、監(jiān)控、系統(tǒng)聯(lián)動等一體化的運(yùn)作。具有智能化的管理和可靠的供電功能，已在供電系統(tǒng)當(dāng)中得到了應(yīng)用。

變電站 交直流一體化電源系統(tǒng) 技術(shù)應(yīng)用 智能化管理

1　引言

變電站安全、可靠運(yùn)行是站用電源系統(tǒng)的一個非常主要的環(huán)節(jié)，而站用電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是保證變電站供電可靠性的重要因素，隨著國家電網(wǎng)已經(jīng)走向了智能化，大量無人值守站投入使用，提升站用電源整體的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理水平具有非常重要意義，近年來，高中壓開關(guān)電器、綜自系統(tǒng)在電力系統(tǒng)受到高度重視，變電站綜合技術(shù)與智能化水平得到了極大的提升。然而，站用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品創(chuàng)新卻相對滯后，傳統(tǒng)站用電的設(shè)計(jì)理念已難以適應(yīng)新型變電站的發(fā)展需要。隨著國家電網(wǎng)推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)步伐，智能變電站已成為新一代變電站的發(fā)展需求。同時，給予DL/T 860（IEC61850）的智能變電站站用一體化電源系統(tǒng)營運(yùn)而生，站用電源系統(tǒng)逐漸向統(tǒng)一的數(shù)字化、程序化、智能化的方向發(fā)展。

2　變電站傳統(tǒng)站用電源現(xiàn)存問題分析

變電站站用電源分為交流電源、直流電源、交流不間斷電源（UPS）、逆變電源、直流變換電源系統(tǒng)等，各系統(tǒng)采用分散設(shè)計(jì)、獨(dú)立組屏、設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進(jìn)行管理。站用電源的分散設(shè)計(jì)與管理，這種模式運(yùn)行下的各種電源系統(tǒng)存在諸多問題：

圖1　一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)組成

（1）站用電源自動化程度不高。常規(guī)電源系統(tǒng)從設(shè)計(jì)的角度分析，交流電源、直流電源、交流不間斷電源、逆變電源、直流變換電源相對獨(dú)立，各系統(tǒng)通信規(guī)約一般不兼容，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，自動化程度低，缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)管理平臺，制約了管理水平的提升。

（2）經(jīng)濟(jì)性較差。由不同子系統(tǒng)，站用電源資源不能綜合 ，數(shù)據(jù)不能共享，造成了配置的重復(fù)，使一次投資顯著增加。

（3）安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)較難。各個子系統(tǒng)的差異使安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)較難，站用電源一旦出現(xiàn)故障需要向多個廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)，造成溝通困難與效率低下。

（4）運(yùn)行維護(hù)不方便。站用電源分配不同專業(yè)人員進(jìn)行管理，人力資源不能總體調(diào)配，直流變換電源（DC/DC）、交流不間斷電源（UPS）等不是變電站的巡檢范圍。可靠性得不到保障。

3　站用電一體化的的優(yōu)勢和特點(diǎn)

站用交直流一體化電源系統(tǒng)是指：將原來相對獨(dú)立站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源、逆變電源、直流變換電源統(tǒng)一設(shè)計(jì)，具備智能化的技術(shù)融合和協(xié)調(diào)管理，通過統(tǒng)一監(jiān)控、信息共享，將獨(dú)立的各個子系統(tǒng)連接在一起，快速的實(shí)現(xiàn)交直流一體化電源系統(tǒng)智能性的自動發(fā)揮，系統(tǒng)內(nèi)部能夠進(jìn)行自動化調(diào)控。

站用交直流一體化電源系統(tǒng)，它的優(yōu)勢和特點(diǎn)主要通過與傳統(tǒng)站用電源的對比中得以呈現(xiàn)。它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在一下幾個方面：

（1）站用電源網(wǎng)絡(luò)化、智能化，一體化程度更高。各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模數(shù)化，交直流一體化電源系統(tǒng)使整個電源系統(tǒng)在使用中都是通過統(tǒng)一的信息手段進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，交直流一體化電源設(shè)備能夠自動進(jìn)行電源采集、聯(lián)動和狀態(tài)檢修，這樣，變電站的現(xiàn)場操作方面度來說就有很大的提高，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠做到無人值守，適應(yīng)數(shù)字化變電站的發(fā)展要求。

（2）站用電源更加安全可靠一次、二次設(shè)備均采用成熟可靠技術(shù)，采用直流控制的電源裝置，減少了電流沖擊而引起的事故發(fā)生，使整個變電站的站用電系統(tǒng)的安全性大大提高。

（3）提高站用電源管理水平。由一家提供所有電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、服務(wù)，一攬子解決所有站用電源問題，一家生產(chǎn)就可以完成設(shè)備生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝調(diào)試工作，只需要一家通信規(guī)約，省去各種規(guī)約的轉(zhuǎn)換，裝置內(nèi)部的連線統(tǒng)一由廠家銅排及導(dǎo)線連接，減少了外部連接電纜，在安裝和調(diào)試工作都方便了很多，提高電力電源的整體管理水平。

4　站用一體化電源的設(shè)計(jì)方案

交直流一體化電源系統(tǒng)采用模塊化技術(shù)，將站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源UPS、直流變換電源等設(shè)備按一體化設(shè)計(jì)、一體化配置，各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模數(shù)化，在一體化電源設(shè)備這個統(tǒng)一的智能化網(wǎng)絡(luò)平臺上，對整個變電站站用電系統(tǒng)集中監(jiān)控和統(tǒng)一管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線檢測。其運(yùn)行工況和信息數(shù)據(jù)能通過一體化監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)DL/T860（IEC61850）格式接入當(dāng)?shù)刈詣踊到y(tǒng)的站控層交換機(jī)，并上傳至遠(yuǎn)方控制中心。

以站用電源交直流一體化系統(tǒng)典型方案，說明設(shè)計(jì)站用電源的思想方法。

4.1站用交流電源

站用交流電源有自動轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS、進(jìn)線塑殼開關(guān)、電流互感器、智能交流電源控制器、智能電量儀表、饋線斷路器、開關(guān)量采集模塊等組成。對站用交流進(jìn)線的自動控制，可以實(shí)現(xiàn)電源智能切換、電量檢測、輔助繼電保護(hù)、饋線監(jiān)測、通信等功能的電源分配和具有的保護(hù)功能，從根本上保證了電源的安全可靠切換。

（1）配置方案。站用交流電源的配置提供一下四種方案：1）一臺自動轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備，兩路交流站用電源進(jìn)線，單母線接線。適用于35kV及以下的變電站。2）兩臺自動轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備，兩路交流站用電源進(jìn)線，兩段單母線接線，適用于110kV及以上的變電站。3）兩臺自動轉(zhuǎn)化開關(guān)設(shè)備，三路交流站用電源進(jìn)線，兩段單母線接線，適用于330kV及以上的變電站。4）五臺智能開關(guān)設(shè)備，三路交流站用電源進(jìn)線，兩段單母線接線，適用于500kV及以上的輸變電站。

（2）交流電源監(jiān)控。交流電源監(jiān)控用于實(shí)時監(jiān)測交流進(jìn)線和各交流配電單元的運(yùn)行參數(shù)，并通過RS485接口傳給交直流一體化監(jiān)控統(tǒng)一處理。

4.2站用直流電源

直流電源對在站用交流電源正常和事故狀態(tài)下都能保持可靠供電并供給發(fā)電廠、變電站內(nèi)所有控制負(fù)荷和各類動力負(fù)荷的電源。直流電源系統(tǒng)有交流配電單元、充電模塊、蓄電池組輸入及其配電單元、電壓調(diào)節(jié)單元、絕緣監(jiān)測裝置、電池巡檢裝置和直流電源監(jiān)控模塊等部分組成。

（1）配置方案。直流電源的配置提供以下四種方案：1）1組蓄電池、1套充電裝置、單母線接線；適用于35kV及以下變電站。2）1組蓄電池、2套充電裝置、單母線分段接線；適用于110kV的變電站。3）2組蓄電池、2套充電裝置、單母線分段接線；適用于220kV變電站。4）2組蓄電池、3套充電裝置、單母線分段、備用充電接線適用于500kV及以上的輸變電工程。

（2）一體化特殊要求。直流電源是變電站的核心控制電源，其配置的蓄電池組作為一體化電源系統(tǒng)總的后備電源，在選擇計(jì)算其容量時除統(tǒng)計(jì)直流控制負(fù)荷外，還應(yīng)統(tǒng)計(jì)交流不間斷電源UPS和逆變電源INV及直流變換電源的負(fù)荷容量，滿足一體化電源系統(tǒng)的全部事故放電容量要求。

由于直流變換電源（DC/DC）由直流母線供電，因此直流變換電源的直流容量應(yīng)疊加到直流電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行負(fù)荷中，其充電裝置的容量選擇計(jì)算應(yīng)滿足一體化電源系統(tǒng)的全部運(yùn)行負(fù)荷和蓄電池充電要求。

（3）直流電源監(jiān)控裝置。直流電源監(jiān)控裝置是整個直流電源系統(tǒng)的控制和管理核心，主要對系統(tǒng)中各功能單元和蓄電池組運(yùn)行工況進(jìn)行長期自動監(jiān)測，對蓄電池組進(jìn)行動態(tài)管理為核心，獲取系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)完成被監(jiān)控設(shè)備的配置、操作、故障和異常工況的實(shí)施及狀態(tài)顯示，并依此為依據(jù)對直流電源系統(tǒng)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的全自動智能化管理，通過通信口與一體化監(jiān)控設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對電源設(shè)備的監(jiān)測與控制，以及集中維護(hù)管理。

（4）高頻整流模塊。直流電源的高頻整流模塊采用N+1并聯(lián)冗余方式供電，即在N個充電模塊滿足電池組的充電電流和運(yùn)行負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上，增加1個熱備用充電模塊。高頻整流模塊內(nèi)置的監(jiān)控板實(shí)時監(jiān)測整流模塊的運(yùn)行參數(shù)，并通過RS485接口傳送給直流電源監(jiān)控裝置，同時接收直流監(jiān)控裝置發(fā)來的各種控制命令。

（5）電池巡檢裝置。電池巡檢裝置用于在線實(shí)時監(jiān)測電池組各單節(jié)電池的電壓或內(nèi)阻，并通過直流電源監(jiān)控裝置記錄分析不同工況下單節(jié)電池的電壓，及時發(fā)現(xiàn)異常電池，給蓄電池維護(hù)提供重要的參考依據(jù)，確保蓄電池組安全運(yùn)行。電池巡檢裝置實(shí)時監(jiān)測蓄電池組單節(jié)電池的運(yùn)行參數(shù)，通過溫度探頭接口輸入，實(shí)現(xiàn)對蓄電池環(huán)境溫度或單體電池的表面溫度檢測，對蓄電池組進(jìn)行溫度補(bǔ)償控制，并通過RS485接口傳送直流電源監(jiān)控裝置，并同時接收監(jiān)控裝置發(fā)來的控制命令。

（6）絕緣監(jiān)測裝置。絕緣監(jiān)測裝置用于在線監(jiān)測直流控制母線和饋電支路的絕緣狀況，當(dāng)某一點(diǎn)出現(xiàn)接地故障時，裝置立刻發(fā)出告警信號，提醒運(yùn)行人員查找并排除接地故障，從而杜絕直流系統(tǒng)接地故障可能引發(fā)的電力故障，能夠?qū)崟r監(jiān)測交流竄入直流系統(tǒng)的故障，并記錄故障時直流母線的電壓波形，為故障排查提供依據(jù)，確定交流電竄入的支路，通過對兩組直流系統(tǒng)正負(fù)極電壓的波動情況及變化趨勢來判斷兩組直流系統(tǒng)是否發(fā)生非正常的電氣連接，并通過RS485接口傳送給直流電源監(jiān)控裝置。

（7）母線調(diào)壓裝置。對于閥控鉛酸蓄電池直流操作電源，充電裝置對電池組的充電電壓將超過直流控制母線允許的變化范圍，在充電裝置、蓄電池組與直流控制母線之間需要串聯(lián)一個母線調(diào)壓裝置進(jìn)線降壓，把控制直流母線的電壓穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4.3交流不間斷電源

交流不間斷電源（UPS）和逆變電源（INV）兩類，其中的INV適用于“后備”運(yùn)行模式，因此主要為變電站的事故照明等對電源的質(zhì)量要求不高的負(fù)荷供電；而UPS適用于“在線”運(yùn)行模式，主要為變電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控等對電源質(zhì)量要求很高的重要負(fù)荷供電。

4.3.1配置方案

變電站的事故照明負(fù)荷如果采用INV裝置時，一般只配置1臺即可滿足要求，而UPS的配置提供以下3種方案：

（1）1臺UPS裝置，自帶旁路，單母線接線適合110kV及以下的變電站。

（2）2臺UPS裝置，自帶旁路，一主一備，單母接線。該方案適用于重要的110kV和220kV輸變電工程。

（3）2臺UPS裝置，自帶旁路，并列運(yùn)行，單母分段，該方案使用于220kV以上變電站。

4.3.2一體化的特殊要求

（1）由于UPS和INV的直流輸入取自直流電源系統(tǒng)的蓄電池組，而直流電源是一個接地系統(tǒng)，因此要求UPS和INV的直流輸入應(yīng)與交流輸入和輸出完全電氣隔離，交流側(cè)的任何故障均不能影響到直流控制母線電壓。

（2）逆變器輸出與負(fù)載要求采用工頻變壓器隔離，負(fù)載的任何擾動均不能直接作用于逆變器的開關(guān)器件，從而保證逆變器具有很高的可靠性。

（3）要求配置維修旁路開關(guān)，保證逆變電源在故障維修過程中系統(tǒng)能正常供電，并且要設(shè)置完善的防誤操作措施，保證在任何運(yùn)行狀態(tài)下操作維護(hù)旁路開關(guān)時均不能造成輸出失壓和損壞電源設(shè)備。

（4）UPS和INV應(yīng)具備通信接口，且與一體化集中監(jiān)控裝置連接為一體，實(shí)現(xiàn)對交流不停電系統(tǒng)的管理。

4.4DC/DC通信電源

DC/DC通信電源直接采用直流220V或110V電源輸入，利用DC/DC代替原專業(yè)48V通信電源，它與直流電源的充電裝置和蓄電池組相配合，為變電站的通信設(shè)備提供電源。DC/DC的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足通信電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足電力控制電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為電站的交換機(jī)等通信設(shè)備提供可靠的直流工作電源。

4.4.1配置方案

DC/DC提供以下兩種配置方案：

（1）1組DC/DC變換器、單母線接線；適合于110kV以下的變電站。

（2）2組DC/DC變換器、單母線接線，適合于110kV及以上的變電站工程。

（3）2組DC/DC變換器、兩段單母線接線，適合于220kV及以上的變電站工程。

4.4.2一體化特殊要求

（1）由于通信電源屏?xí)r正極接地的系統(tǒng)，因此要求DC/DC變換器的直流輸入與輸出完全電氣隔離，負(fù)載側(cè)的任何故障均不能影響到直流控制母線，更不能造成直流控制母線接地。

（2）由于DC/DC變換器取消了蓄電池組，因此要求DC/DC變換器應(yīng)具備一定的沖擊負(fù)載能力。

（3）DC/DC變換器輸出設(shè)置合理的饋線保護(hù)開關(guān)和過流保護(hù)單元，保證在負(fù)載回路發(fā)生過載或短路故障時，能可靠地分?jǐn)喙收匣芈返拈_關(guān)，避免造成通信電源輸出電壓跌落的事故。

（4）要求DC/DC變換器應(yīng)具有通信接口，且與直流監(jiān)控裝置連接為一體，實(shí)現(xiàn)對通信電源系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

4.5配電單元

配電單元是將交流或直流電源通過負(fù)荷開關(guān)送至各用電設(shè)備饋線單元。配電單元的監(jiān)控是采用通用的硬件方案，實(shí)時監(jiān)測一體化電源系統(tǒng)各配電單元的運(yùn)行狀態(tài)，并通過RS485接口傳送給電源系統(tǒng)的監(jiān)控裝置統(tǒng)一處理。

4.6一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)

4.6.1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場MODBUS總線為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)方以變電站自動化網(wǎng)絡(luò)為基本網(wǎng)絡(luò)平臺的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成（如圖1）。

（1）系統(tǒng)管理層：通過變電站監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和后臺維護(hù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的一體化管理功能。

（2）現(xiàn)場監(jiān)控層：通過一體化監(jiān)控模塊收集現(xiàn)場監(jiān)控層各功能模塊的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析判斷和告警處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令；同時進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，接收并下達(dá)上位機(jī)的命令。

（3）現(xiàn)場測控層：通過現(xiàn)場各智能設(shè)備的測控電路，實(shí)時采集一體化電源系統(tǒng)各功能單元的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行現(xiàn)場監(jiān)控層的命令。

4.6.2一體化電源監(jiān)控裝置

一體化電源監(jiān)控裝置通過RS485串口對高頻整流模塊、電池巡檢裝置、絕緣監(jiān)測裝置、UPS和INV、DC/DC、智能電量儀表和開關(guān)量模塊等智能設(shè)備的實(shí)施數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行顯示；根據(jù)系統(tǒng)的各種設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)管理等；同時能對這些處理的結(jié)果加以判斷，根據(jù)不同的情況實(shí)行站用電和電池管理，輸出控制等操作；最后，通過以太網(wǎng)接口，將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、主要數(shù)據(jù)等信息通過DL/T680（IEC61850規(guī)約與變電站的中和自動化系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)一體化電源系統(tǒng)的“四遙”功能。

5　應(yīng)用實(shí)例

由許繼電源有限公司研發(fā)的智能型變電站用PYD10型智能一體化電源系統(tǒng)已經(jīng)在全國各地110kV、220kV及500kV變電站投入運(yùn)行，運(yùn)行效果良好，該系統(tǒng)通過智能變電站站用電源一體化設(shè)計(jì)和組屏生產(chǎn)，對傳統(tǒng)站用電源進(jìn)行了資源和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并開發(fā)了一體化智能變電站監(jiān)控管理平臺，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)聯(lián)通、遠(yuǎn)程控制等功能，對提高站用電源整體運(yùn)行管理水平都取得了良好的效果。

6　結(jié)語

交直流一體化電源系統(tǒng)立足于站用電源系統(tǒng)技術(shù)研究，是對現(xiàn)有變電站站用電源設(shè)計(jì)和管理新模式的發(fā)展，它符合結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行方便的技術(shù)發(fā)展路線。近幾年，隨著數(shù)字化變電站縣級建設(shè)投產(chǎn)及全國智能變電站項(xiàng)目的建設(shè)，一體化電源系統(tǒng)正在逐漸替代傳統(tǒng)變電站站用電源建設(shè)及管理的模式，其技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)方便，運(yùn)行安全可靠，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］王炳林.變電站交直流一體化電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.冶金動力，2012，09.

［2］白忠敏.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊.中國電力出版社.

［3］DL/T 1074-2007電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備.