辛永生 張 震 樊 榮 張 瑩

（國網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

變電站高頻開關整流模塊熱備份的實現(xiàn)與應用

辛永生 張 震 樊 榮 張 瑩

（國網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

由于高頻開關整流模塊體積小重量輕、效率高噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于變電站直流系統(tǒng)充電裝置。充電裝置通過多個整流模塊并聯(lián)，為蓄電池充電以及直流負載供電。正常運行時，由于充電裝置負載率低，無法使各整流模塊運行在較高的效率區(qū)間。本文分析數(shù)字高頻開關電源整流模塊的原理和結(jié)構，針對PLC控制的直流系統(tǒng)，提出了一種整流模塊熱備份方式。該方式下PLC控制系統(tǒng)實時監(jiān)測各整流模塊狀態(tài)，根據(jù)負荷情況起停模塊數(shù)。在保證直流系統(tǒng)供電安全可靠前提下可以提高充電裝置效率，延長模塊使用壽命?，F(xiàn)場實際應用表明，該整流模塊熱備份方式實現(xiàn)了預期目標。

高頻開關整流模塊；效率；PLC；熱備份

變電站直流系統(tǒng)主要由交流輸入及切換單元、充電裝置、蓄電池組、直流回路及饋線、絕緣監(jiān)測、調(diào)壓裝置、微機控制系統(tǒng)等幾部分組成，為站內(nèi)控制系統(tǒng)、繼電保護、信號裝置、自動裝置及事故照明提供可靠的電源，在事故情況下通過蓄電池保證持續(xù)供電，對變電站安全運行至關重要。直流系統(tǒng)中充電裝置作為重要的一部分，實現(xiàn)系統(tǒng)最基本的AC/DC功能。直流系統(tǒng)設計階段，出于對系統(tǒng)安全可靠性，后期擴容的考慮，整流模塊額定電流按滿足蓄電池均衡充電和經(jīng)常性負荷的要求選取，而正常運行中充電裝置大部分時間處于浮充狀態(tài)，實際負載率較低，工作在效率較低的區(qū)間。艾默生公司在通信電源應用中，提出一種節(jié)能休眠技術，控制實際工作的整流模塊容量，從而使電源系統(tǒng)接近最佳效率點運行，降低系統(tǒng)能耗。該技術廣泛應用于通信高頻開關電源并有成熟的配套監(jiān)控系統(tǒng)。然而，電力行業(yè)鮮有該技術的應用與實踐。本文主要分析數(shù)字整流模塊的結(jié)構特點，針對基于西門子S7-200型PLC與觸摸屏構成的直流控制系統(tǒng)，提出一種整流模塊熱備份的運行方式，實現(xiàn)對過冗余整流模塊智能的休眠控制。

1 變電站直流系統(tǒng)配置及弊端

“兩電兩充”接線方式是由兩組蓄電池配置兩套充電裝置，每組蓄電池及其充電裝置分別接入相應的母線段，兩組蓄電池的直流電源系統(tǒng)應滿足在正常運行中兩段母線切換時不中斷供電的要求[1]。某220kV乙變電站直流系統(tǒng)情況如下。

系統(tǒng)配置二組額定容量為300Ah的免維護鉛酸蓄電池和兩套充電裝置，每套充電裝置由四臺220V/20A整流模塊并聯(lián)。正常運行時，每段饋線負荷約在10A左右，蓄電池浮充電流約為0.3A左右。

正常方式下，存在以下弊端：

1）正常運行時充電裝置所有整流模塊全部起動，整組設備負載率不到15%，模塊自身損耗所占的比重大，導致充電裝置的效率較低。

2）負荷電流較小時，整流模塊的均流性能較差，有模塊帶全部負載運行，有模塊空載運行，影響整流模塊的使用壽命。

3）整流模塊與控制系統(tǒng)沒有通信接口。當一臺模塊損壞時報模塊故障總告警，無法自動切換故障模塊，遇見緊急情況時系統(tǒng)切除整組模塊的交流電源，由蓄電池組來帶全站負荷。假如蓄電池組運行年限長，蓄電池組容量低，難于滿足現(xiàn)場要求。

4）無法對整流模塊進行實時監(jiān)測，整流模塊故障后才能通過直流監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出故障信號，無法提前預警，電源可靠性較低。

2 數(shù)字整流模塊原理

高頻開關電源與傳統(tǒng)相控電源相比，具有明顯的優(yōu)越性能。開關電源由交-直-交-直電路構成，電路內(nèi)部采用工作頻率較高的交流部分，大大減小了變壓器和濾波器的體積和重量。除此之外，頻率的提高有利于控制性能的提高。因此，在數(shù)百千瓦以下功率范圍內(nèi)，高頻開關電源逐步取代了了相控電源[2]。變電站充電裝置大部分采用高頻開關電源，許多廠家提供的設備具備通信接口，實現(xiàn)數(shù)字化。

圖1所示為一種數(shù)字整流模塊的原理圖。模塊主要包含輸入電路、功率變換電路、輸出電路。其中輸入電路主要包含 EMI、APFC和整流電路，功率變換電路主要包含逆變電路、高頻變壓電路，輸出電路包括輸出整流、濾波和輸出EMI電路。整流模塊中 DC/AC逆變和高頻變電器電路為核心電路部分，逆變電路采用全控型功率開關器件，如GTR、MOSFET、IGBT等，并可以選擇不同的拓撲結(jié)構，常用有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路等。控制電路主要有PWM控制電路、均流電路、保護電路、輔助電源電路等。PWM控制電路決定開關電源的工作模式，通過產(chǎn)生兩路相位相反的驅(qū)動信號來驅(qū)動功率開關器件工作，通過脈沖寬度來控制開關管的導通時間，從而調(diào)節(jié)能量傳遞的大小。整流模塊的控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，具有較好的限流作用，響應速度較快，外環(huán)是電壓控制環(huán)，保證直流輸出電壓的穩(wěn)定[3]。

整個充電模塊在自身控制系統(tǒng) MCU的監(jiān)控下工作，可以實現(xiàn)模塊的保護及告警、電壓調(diào)整、模塊均流、參數(shù)設置等。多臺整流模塊與 PLC通過RS485總線進行通信，采用異步串行傳輸方式，將整流模塊的運行數(shù)據(jù)上傳到PLC并接收相關控制命令。

圖1 整流模塊原理結(jié)構圖

3 數(shù)字整流模塊熱備份的實現(xiàn)

文獻[4]對基于 PLC控制的直流監(jiān)控系統(tǒng)進行論述，通過 S7-200型PLC及擴展模塊實現(xiàn)直流系統(tǒng)的模擬量、開關量采集、數(shù)據(jù)分析、充電控制和故障處理。由于整流模塊不具備與PLC的直接通信功能，系統(tǒng)根據(jù)PID調(diào)節(jié)控制理論，由PLC擴展模塊 EM-235輸出電壓量對整流模塊進行控制。本文中充電裝置選用數(shù)字整流模塊，與PLC直接通信，對監(jiān)控程序整體優(yōu)化、升級擴展，實現(xiàn)整流模塊熱備份方式，提高充電裝置效率。

3.1 硬件結(jié)構

圖2為變電站直流系統(tǒng)原理圖，西門子S7-200型PLC與人機界面構成直流監(jiān)控系統(tǒng)，采集、處理系統(tǒng)各部分的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)管理和電池管理的要求進行各種控制、顯示和記錄系統(tǒng)的故障信息并完成與綜自后臺的通信。其中，S7-200有兩路RCS-485接口，一路接口與8臺數(shù)字高頻整流模塊通信，構成485總線，采用Modbus RTU規(guī)約，校驗計算程序在S7-200中編程[5]。PLC是主站，整流模塊是從站，PLC可以隨時讀取整流模塊的狀態(tài)（保護、故障燈信號）和實時電壓、電流，并控制充電模塊的開/關機，均/浮充轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓、限流百分值等。另一路接口與觸摸屏通信，采用Modbus RTU規(guī)約。觸摸屏顯示直流系統(tǒng)的各種信息，如整流系統(tǒng)、蓄電池、控制母線電壓、電流參數(shù)，系統(tǒng)開關狀態(tài)信息、故障情況等，并可設置系統(tǒng)各參數(shù)，檢測直流系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

觸摸屏通過RS485通信接口與綜自系統(tǒng)通信，采用Modbus RTU規(guī)約，以實現(xiàn)四遙功能。其中綜自后臺是主站，直流屏是從站。

圖2 直流系統(tǒng)原理

3.2 整流模塊熱備份策略

電力工程直流系統(tǒng)設計原則中，出于對直流系統(tǒng)安全可靠性考慮，如果每組蓄電池配置一組充電裝置，在滿足蓄電池均充要求和經(jīng)常性負荷前提下采取冗余N+1模式（N為充電裝置額定電流除以單個模塊額定電流，N≤6時）或 N+2模式（N≥7時）[7]。

變電站正常運行時，直流充電裝置一方面提供變電站內(nèi)常用直流負荷，另一方面以浮充方式給蓄電池充電，補充蓄電池組的自放電電流。充電裝置長期的浮充運行與整流模塊的配置不匹配，導致整流模塊長期處于高冗余狀態(tài)，負載率偏低，整流模塊自身損耗占比較大，充電裝置工作在低效率狀態(tài)[6]。

文獻[8]研究表明高頻開關電源的負載率在40%～80%的范圍內(nèi)，工作效率較高。為此，可以采用高頻開關電源休眠控制技術，通過PLC關閉部分整流模塊使其處于熱備份休眠狀態(tài)，提高充電裝置負載率。實際運行中，為了保證直流系統(tǒng)供電的可靠性，需要考慮必要的冗余措施，每組充電裝置保證任何時刻有兩臺整流模塊在運行狀態(tài)。相應的并聯(lián)的整流模塊數(shù)越多則允許熱備份的模塊數(shù)越多，節(jié)能效益越顯著。對于本文所述的直流系統(tǒng)配置，每組充電裝置四臺整流模塊并聯(lián)供電，允許其中兩臺整流模塊進入熱備份，采用如下的控制策略：負載率小于40%（32A）時，2臺模塊（模塊1和模塊2）運行，其余模塊熱備份；負載率高于60%（48A）時起動第三臺模塊（模塊3）運行；負載率高于80%（64A）時，模塊全部起動。

直流控制系統(tǒng)可手動或自動調(diào)整各整流模塊的熱備份次序和時間，通過使各整流模塊依次進入熱備份狀態(tài)，維持各整流模塊的平均工作時間，避免工作模塊長時間高負荷運行易損壞的影響，整體上降低整流模塊的維護成本，提高模塊使用壽命。

圖3給出了整流模塊3的休眠程序流程圖。整流模塊3在浮充工作方式下，經(jīng)過延時后進入休眠。在負荷電流值大于設定值時經(jīng)過延時程序關閉休眠，在運行模塊出現(xiàn)故障、均充程序起動、交流輸入故障導致的聯(lián)絡開關合閘等情況下，控制系統(tǒng)及時打開熱備份的模塊 3，使其進入工作模式，保證直流系統(tǒng)的安全性。模塊4與模塊3控制程序類似，程序中開機電流閾值設定不同。

3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

數(shù)字整流模塊熱備份控制程序在 STEP7-Micro/WIN32編程軟件下開發(fā)，該編程軟件可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。采用STL語言，程序設計采用模塊化，功能化結(jié)構，便于維護、擴展，PLC在實現(xiàn)初始化、均充浮充子程序、PID計算程序、交直流電源切換、時鐘處理、故障報警及保護等功能的基礎，擴展整流模塊熱備份控制程序。

人機界面采用臺達畫面編輯軟件 Screen Editor制作畫面并編譯下載到觸摸屏。

圖3 整流模塊3熱備份程序流程圖

4 現(xiàn)場應用

某220kV乙變電站充電裝置高頻開關電源為深圳新能力JIAN-MC22020風冷模塊，運行年限較長，模塊易損壞，智能化與可靠性較低，該站充電裝置經(jīng)過技改，整流模塊更換為數(shù)字模塊，型號為艾默生公司的 HD220-20風冷模塊。乙站直流系統(tǒng)人機界面采用臺達公司的DOP-B觸摸屏。通過升級擴展PLC與觸摸屏的控制程序，實現(xiàn)整流模塊的熱備份并在該站應用。

圖4所示為艾默生整流模塊采用熱備份后面板顯示圖。充電裝置浮充狀態(tài)下，模塊3和模塊4進入熱備份狀態(tài)，模塊前面板保護指示燈（黃色）亮，風扇停止轉(zhuǎn)動，監(jiān)控系統(tǒng)無該模塊告警信號。

圖4 整流模塊面板顯示

4.1 功能測試

1）遙信遙測檢驗：監(jiān)控系統(tǒng)通信接口可以及時準確的收到每臺整流模塊保護信號（交流過、欠壓，缺相，輸出過、欠壓，模塊過溫等信號）和故障信號，給出聲音報警的同時系統(tǒng)自動彈出報警畫面，數(shù)據(jù)記入歷史數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定的接收到每臺整流模塊的輸出電壓電流等遙測信息，并與模塊自身顯示數(shù)值一致。

2）遙控遙調(diào)試驗：根據(jù)負荷電流大小和監(jiān)控系統(tǒng)的命令，控制模塊的開/關機,均/浮充轉(zhuǎn)換。當負荷小于模塊總輸出40%時，自動停止兩臺模塊工作，當負荷大于60%時，起動其中一臺模塊，負荷大于80%時，模塊全部起動；整組充電裝置中，其中一臺充電模塊出現(xiàn)故障時，模塊全部起動；當蓄電池組均充條件滿足時，模塊全部起動；兩組充電裝置，其中一組充電裝置失電，聯(lián)絡開關閉合時，另一組充電裝置全部模塊起動。根據(jù)設置的參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)可以準確的調(diào)節(jié)整流模塊的輸出電壓及輸出電流限流點。

圖5 人機界面畫面顯示

3）圖形界面及數(shù)據(jù)庫檢驗：人機界面圖如圖5所示，用戶能夠通過人機交互界面的觸摸按鍵查看整流模塊運行狀態(tài)并對其參數(shù)進行控制。觸摸屏能正確記錄動態(tài)數(shù)據(jù)并儲存歷史數(shù)據(jù)。

4.2 效益分析

整流模塊熱備份方式下運行一段時間，發(fā)現(xiàn)在較低負荷下模塊間的均流有明顯改善。

未采用熱備份方式前，充電裝置負載率10%～20%，效率較低。經(jīng)過實測，單臺整流模塊運行功耗約 300W，如果忽略模塊自帶散熱風扇能耗，采用熱備份方式后站內(nèi)兩組充電裝置四臺模塊休眠運行，粗略估算全年可節(jié)約電量1萬kW·h，經(jīng)濟效益可觀。同時可以延長整流模塊維護周期，降低運維成本。

5 結(jié)論

隨著數(shù)字式高頻開關電源技術的發(fā)展，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與整流模塊的直接通信，在此基礎上提出的整流模塊熱備份運行方式，解決了傳統(tǒng)充電裝置的弊端?，F(xiàn)場運行實踐表明，基于整流模塊熱備份的方式，運行可靠，節(jié)能效益顯著，人機界面友好，進一步提高了變電站直流系統(tǒng)自動化水平。

[1]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）[Z].北京,2012.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3]現(xiàn)代高頻開關電源技術及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[4]李葉青,楊勝儀.S7-200 PLC在直流電源監(jiān)控器中的應用[J].電工技術,2008(4):31-32.

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[6]趙書強.模塊休眠技術與節(jié)能實現(xiàn)[J].電源世界,2011(7):52-54.

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Implementation and Application of High Frequency Switching Rectifier Module Hot Backup in Substation

Xin Yongsheng Zhang Zhen Fan Rong Zhang Ying
(State Grid Huainan Power Supply Company,Huainan,Anhui 232007)

High frequency switching rectifier module has the advantages of small volume,light weight,high efficiency and low noise,and is widely used in the charging device of the DC system in substation.The charging device of DC system in substation is in parallel,charging for battery and supplying DC load.During the normal operation,the rectifier module can't work at high efficiency range due to the low load rate of the charging device.In this paper,we study and analyze the principle and structure of digital high frequency switching rectifier module.According to the DC system controlled by PLC,a kind of rectifier module hot backup is proposed.In this way,the PLC control system can monitor each rectifier module in real time.The number of start and stop modules can be controlled according to the load conditions.It can improve the efficiency of the charging device and extend module life while ensuring the safety and reliability of the DC system.Through the field application,rectifier module hot backup can achieve the expected goals.

high frequency switching rectifier module;efficiency;PLC;hot backup

辛永生（1972-），男，本科，工程師，主要從事變電運維管理工作。