王 飛，辛海松

（國(guó)網(wǎng)瑞盈電力科技（北京）有限公司，北京 100073）

0 引 言

在變電站運(yùn)行過程中，供電系統(tǒng)的運(yùn)行效果直接影響供電的可靠性。目前，我國(guó)正在大力推行智能電網(wǎng)建設(shè)，一些互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)與設(shè)備開始廣泛應(yīng)用于變電站，促進(jìn)了電源管理可靠性的提升。在智能變電站系統(tǒng)中，交直流一體電源設(shè)計(jì)越來越常見。與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)相比，它具有統(tǒng)一安裝配置、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)控制、安全可靠以及節(jié)省投入等優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)其進(jìn)行研究具有積極意義。

1 我國(guó)傳統(tǒng)變電站電源系統(tǒng)存在的問題以及智能變電站一體化電源應(yīng)用的意義

1.1 傳統(tǒng)變電站電源系統(tǒng)存在的問題

我國(guó)傳統(tǒng)變電站電源系統(tǒng)主要包含交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS以及通信電源系統(tǒng)等部分，功能是為變電站內(nèi)部的各類電氣設(shè)備供電，與站內(nèi)照明、溫度控制以及換氣等內(nèi)容息息相關(guān)。在變電站運(yùn)行過程中，各個(gè)部分的檢修維護(hù)通常需要不同生產(chǎn)廠商的技術(shù)人員各自完成，存在許多不便，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]。首先，自動(dòng)化水平低。不同廠商的設(shè)備普遍存在不兼容現(xiàn)象，缺乏系統(tǒng)性的分析手段，難以支撐進(jìn)一步的改造升級(jí)。其次，人員流動(dòng)密度過大。在傳統(tǒng)電源系統(tǒng)下，不同部件的檢修維護(hù)需要不同生產(chǎn)廠商的技術(shù)人員負(fù)責(zé)，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配，極大地影響了工作效率，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致變電站因人員頻繁流動(dòng)出現(xiàn)故障問題。再次，不同廠商對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)符合各自功能的系統(tǒng)，大幅度提高了投資額度，經(jīng)濟(jì)性極低。最后，一旦系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)問題，會(huì)對(duì)其他部分的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，需要不同廠商協(xié)調(diào)解決，難度較高。

1.2 智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)應(yīng)用的積極性與特點(diǎn)

與傳統(tǒng)變電站的電源系統(tǒng)相比，智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。第一，電源系統(tǒng)智能化水平高。智能變電站一體化電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電源充電核心部分的優(yōu)化調(diào)整，促進(jìn)了系統(tǒng)通電效率的提升，即使是在交流斷電的情況下，也可以瞬間切換為直流的逆變，確保正常供電。相較而言，智能化系統(tǒng)的電源控制部分更加穩(wěn)定，其中部分監(jiān)控裝備和系統(tǒng)控制設(shè)備均設(shè)置了雙重控制開關(guān)，可以有效應(yīng)對(duì)一些突發(fā)事件或緊急狀況，確保某些裝置出現(xiàn)故障時(shí)其他部分能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第二，安全系數(shù)獲得提升。智能變電系統(tǒng)具有極高的安全性，通過調(diào)整改進(jìn)走線模式，隔斷直流和交流控制，避免了電流間的相互沖撞。第三，管理控制更加科學(xué)合理。智能變電站基于信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源、交流電源以及通信電源的一體化處理，同時(shí)取消了蓄電池和其他充電裝置，極大地簡(jiǎn)化了裝置管理。使用逆電器是直接在外部通過直流母線替代，可以有效應(yīng)對(duì)一些突發(fā)事故。

智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)在運(yùn)行中展現(xiàn)的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。第一，一體化。外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，大幅減少了組屏數(shù)，使得電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更加科學(xué)緊湊，為后期檢修維護(hù)工作提供了巨大便利。第二，智能化和網(wǎng)絡(luò)化效果提升。智能變電站采用的由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的電子信息系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)變電站管理功能的有效整合，為系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)化調(diào)控提供了有力支撐，確保了各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的正常。第三，安全系統(tǒng)完善。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)而言，安全系數(shù)是衡量其性能的重要指標(biāo)。采用智能化系統(tǒng)的電源系統(tǒng)在運(yùn)行中更加穩(wěn)定，且管理人員可以通過系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)電源運(yùn)行中出現(xiàn)的問題以及潛在的隱患進(jìn)行分析，確保主系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)實(shí)例分析

以某220 kV變電站為例，基于系統(tǒng)化技術(shù)對(duì)交流、直流、逆變以及通信等部分進(jìn)行整合，建構(gòu)站用電源系統(tǒng)[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站結(jié)構(gòu)圖

智能變電站交直流一體化電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以供電部分的集中管理為目標(biāo)，基于網(wǎng)絡(luò)通信模塊將站內(nèi)的直流、交流、逆變、通信、監(jiān)控、調(diào)試以及維護(hù)等進(jìn)行整合，建構(gòu)數(shù)字化信息交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面的信息共享。

2.1 全站電源開關(guān)的智能模塊化設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)的思路，智能變電站的控制部分包含充電模塊、交流進(jìn)線及饋線、直流進(jìn)線及饋線、降壓模塊、逆變電源以及蓄電池模塊等部分[3]。在上述各個(gè)模塊中需要設(shè)置獨(dú)立的監(jiān)控單元，共同構(gòu)成一個(gè)智能化和一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電源的統(tǒng)一管理和維護(hù)，并動(dòng)態(tài)監(jiān)督各部分的運(yùn)行狀況。其中，監(jiān)控部分可以使用以太網(wǎng)，選擇雙絞線作為傳輸介質(zhì)，選擇IEC61850作為通信協(xié)議。在變電站電源開關(guān)控制方面，應(yīng)該引入智能開關(guān)模塊整合各類開關(guān)、傳感器以及功能電路。本次智能變電站研究所選擇的智能開關(guān)模塊中，所有一次回路開關(guān)和二次回路開關(guān)均采用隔離措施，避免二者的監(jiān)控功能出現(xiàn)相互干擾。圖2為智能變電站交流進(jìn)線屏柜的示意圖，進(jìn)線開關(guān)分別設(shè)置在3個(gè)屏柜中。

圖2 進(jìn)線屏柜

從圖2可以看出，智能開關(guān)模塊化設(shè)計(jì)能夠支持進(jìn)線開關(guān)和母線電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為統(tǒng)一控制提供依據(jù)。在這種模塊化設(shè)計(jì)下，只需3個(gè)屏柜就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有進(jìn)線與母線的監(jiān)測(cè)和控制。與傳統(tǒng)普通變電站相比，它使用的資源更少，取得的效果更佳。以圖2中的#1屏柜為例，通過1號(hào)電源監(jiān)控模塊對(duì)其進(jìn)線開關(guān)和母線母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，相應(yīng)的回路1中各個(gè)開關(guān)、傳感器以及功能集成電路都裝置也應(yīng)統(tǒng)一布置到該屏柜中。其他兩個(gè)屏柜的布置方式與此相同。

此外，饋線開關(guān)也應(yīng)該采用集成的智能化模塊設(shè)計(jì)思路，通過單個(gè)交流開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)開關(guān)的統(tǒng)一控制，以有效擴(kuò)展開關(guān)柜的容量，減少占用饋線屏柜的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)裝置的簡(jiǎn)化，使管理工作變得更加規(guī)范和有條理。在普通變電站中，通常需要采用10個(gè)以上的屏柜[4]，占用空間大，給管理工作帶來了不便。而采用提出的智能模塊化設(shè)計(jì)方案，則可以將饋線屏柜的數(shù)量控制為4面，進(jìn)線屏柜的數(shù)量控制為3面，大幅降低了資源消耗和空間占用。不僅如此，模塊化設(shè)計(jì)還能夠支持系統(tǒng)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制以及進(jìn)線、母線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提高了變電站設(shè)備的維護(hù)水平。

2.2 站內(nèi)照明、風(fēng)機(jī)的智能化控制設(shè)計(jì)

普通變電站的照明設(shè)備供電采用人工控制開閉的方式[5]，因此需要設(shè)置值班人員，基于現(xiàn)場(chǎng)情況判斷需要開啟還是關(guān)閉。這種模式下，值班人員的主觀因素會(huì)對(duì)工作質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。如果出現(xiàn)工作懈怠情況，很可能會(huì)造成資源的不合理消耗，增加站內(nèi)負(fù)荷。視頻監(jiān)控的方式對(duì)拍攝環(huán)境有著特別要求，即使在夜間也必須保障持續(xù)照明，會(huì)帶來能源浪費(fèi)。針對(duì)以上問題，可以引入智能照明開關(guān)控制模塊，設(shè)置傳感器，并將其與監(jiān)控設(shè)備、控制器以及照明設(shè)備開關(guān)進(jìn)行互聯(lián)和通信，基于監(jiān)控情況實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的有效控制，提高能源和照明設(shè)備的有效利用率。此外，手工控制的方式依舊需要保留，用于應(yīng)對(duì)一些緊急狀況。圖3為照明設(shè)備智能控制模塊流程圖。

圖3 照明設(shè)備智能控制模式

在風(fēng)機(jī)和空調(diào)設(shè)備控制方面，智能化設(shè)計(jì)的思路與照明設(shè)備相同，通過傳感器采集站內(nèi)的溫度和濕度參數(shù)，與控制器和風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2.3 電源一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變電站采用的交流直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控方案，是通過工作進(jìn)線、備用線以及重要回路電動(dòng)操作等實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程斷開和合閘操作，需要在進(jìn)線部分安裝CPU控制器，監(jiān)控并記錄裝置的運(yùn)行狀況。圖4為智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)。

在上述系統(tǒng)中，各類常規(guī)開關(guān)、傳感器以及微處理器等設(shè)備將安裝在統(tǒng)一的開關(guān)柜中，實(shí)現(xiàn)信息采集和開關(guān)通斷控制。在通信層需要設(shè)計(jì)上行下達(dá)的數(shù)據(jù)處理模式，以光纖雙絞線為傳輸介質(zhì)，提高饋線監(jiān)測(cè)的有效性。此外，為了實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)的共享，需要設(shè)計(jì)供電總監(jiān)控模塊，與其他通信模塊進(jìn)行連接。

2.4 系統(tǒng)性能測(cè)試

基于上述設(shè)計(jì)，建構(gòu)智能變電站的交直流一體化電源系統(tǒng)。通過改造前后的對(duì)比可知，投入的總屏柜數(shù)量大幅減少，建筑面積和設(shè)備投資隨之降低，預(yù)計(jì)成本降低幅度可達(dá)50%。

此外，系統(tǒng)提出的照明系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)模式，將變電站照明負(fù)荷的工作時(shí)間從每天8 h降低到每天3.6 h，負(fù)荷降低幅度20 kW。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，改造完成后的智能變電站相較于普通變電站，每年將節(jié)省3.2×104kW·h電量，經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1.6萬元。統(tǒng)一的模塊化管理還可有效降低事故跳閘、電流泄露等故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，解決了饋線檢測(cè)盲點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)了變電站電源設(shè)備維護(hù)管理水平的提升。

圖4 智能變電站一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控

本文提出的智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中可以取得理想效果，解決了許多普通變電站存在的問題，如電源二次設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工二次線多等問題，同時(shí)設(shè)備投入的減少實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約，提高了變電站建設(shè)和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了滿足運(yùn)行管理的要求，我國(guó)開始將智能化技術(shù)引入電網(wǎng)建設(shè)和管理中，而基于智能變電站的交直流一體化電源系統(tǒng)就是智能電網(wǎng)發(fā)展的成果之一。本文基于某220 kV變電站對(duì)電源系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了探討，可以為實(shí)際工程建設(shè)提供參考。