李貞城，張昕馳，黃建鋒

（1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 檢修公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.廣州市仟順電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著電網(wǎng)重要保護(hù)設(shè)備越來(lái)越多，各行各業(yè)對(duì)直流電源的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性要求越來(lái)越高。直流電源系統(tǒng)是電網(wǎng)、電廠、通信、鐵路以及化工的一個(gè)重要的組成部分，是其斷路器中控制回路、信號(hào)回路、繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置等二次回路所需的直流電源。一旦直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會(huì)給電力系統(tǒng)的控制保護(hù)設(shè)備帶來(lái)巨大影響，甚至危及一次電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。

110 kV及以上變電站和電廠機(jī)組直流系統(tǒng)均雙重化配置兩套直流電源系統(tǒng)互為備用，保證直流負(fù)載實(shí)現(xiàn)不間斷供電[2]。兩套互為備用的直流系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初是采用母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行連接，母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)是手動(dòng)操作器件，旨在提高直流電源系統(tǒng)互為備用的可靠性。這種母聯(lián)方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安全可靠，可以適應(yīng)不同的電網(wǎng)運(yùn)行方式，在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[3]。但只有在某一段直流電源系統(tǒng)檢修維護(hù)或者系統(tǒng)改造才會(huì)合閘母聯(lián)開關(guān)，讓兩段互為備用的直流電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)備用功能。

1 現(xiàn)有雙母線直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀

為了保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，發(fā)電廠和變電站的控制及保護(hù)設(shè)備均采用直流電源供電。直流系統(tǒng)采用AC/DC作為主電源，設(shè)計(jì)蓄電池作為后備電源。在日常運(yùn)行中，直流電源系統(tǒng)可能發(fā)生站用交流電源故障、充電機(jī)模塊故障、蓄電池脫離母線故障以及蓄電池開路故障等，故障發(fā)生后系統(tǒng)不能馬上為直流系統(tǒng)負(fù)載提供可靠電源[4]。其中最大的問(wèn)題在于發(fā)生故障后需要蓄電池給直流系統(tǒng)負(fù)荷供電時(shí)，由于蓄電池組供電回路故障、蓄電池組內(nèi)個(gè)別蓄電池開路故障或蓄電池實(shí)際儲(chǔ)電能力差等因素，將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的直流母線直接失壓或者不滿足在規(guī)程要求的事故放電時(shí)間內(nèi)正常工作。

目前直流電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能蓄電池采用的是單體額定電壓為2 V的閥控式密封鉛酸蓄電池，因二次設(shè)備的控制電壓是110 V/220 V，蓄電池?cái)?shù)量選用52只/104只。直流輸出電源控制母線和合閘母線合二為一，變電站內(nèi)的斷路器分合閘與二次設(shè)備電源均接入該母線。電網(wǎng)公司使用調(diào)度綜合信息系統(tǒng)，使得調(diào)度中心通過(guò)各變電站上傳的站用交流電壓、交流電流、控母電壓、控母電流、蓄電池組電壓、蓄電池電流、單體蓄電池電壓、負(fù)荷電流、以及控母電壓過(guò)欠壓、蓄電池組電壓過(guò)欠壓、充電模塊故障、絕緣監(jiān)測(cè)故障、虧饋線開關(guān)故障等遙信數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控，及時(shí)將直流系統(tǒng)運(yùn)行情況通知運(yùn)維部門，運(yùn)維部門根據(jù)設(shè)備故障情況采取相應(yīng)解決措施，提高變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性。

2 母聯(lián)方案優(yōu)化探討

目前，直流雙電源系統(tǒng)大部分都是采用傳統(tǒng)型的母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，近年來(lái)主網(wǎng)直流系統(tǒng)改造項(xiàng)目中也存在在現(xiàn)有母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)基礎(chǔ)上配合隔離式雙向DC/DC裝置使用的現(xiàn)象。

2.1 母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)方案

這種母聯(lián)方式采用人工手動(dòng)操作，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安全可靠，可以適應(yīng)不同的電網(wǎng)運(yùn)行方式，在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。其最大缺陷是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)現(xiàn)有的母聯(lián)開關(guān)不能自動(dòng)合閘，不能實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)兩套互為備用的直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備用功能[5]。往往在直流系統(tǒng)檢修或蓄電池核容時(shí)才需要手動(dòng)操作傳統(tǒng)式母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，但如果兩套直流電源系統(tǒng)中一套直流電源系統(tǒng)發(fā)生失壓時(shí)，并不能及時(shí)給故障側(cè)直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷供電，這很有可能導(dǎo)致故障側(cè)負(fù)荷失電，不能正常運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成不可估量的損失。

2.2 隔離式雙向DC/DC技術(shù)方案

隔離式雙向DC/DC技術(shù)解決了兩段獨(dú)立直流系統(tǒng)智能互為備用問(wèn)題，采用雙向DC/DC電能轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，還具備自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，設(shè)備正常運(yùn)行設(shè)置自動(dòng)模式[6]。該技術(shù)方案具有自動(dòng)投入、高電壓隔離以及短路保護(hù)等特性，確保故障直流電源系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重短路事故時(shí)不會(huì)拖垮備用直流電源系統(tǒng)[7]。隔離式雙向DC/DC應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。但是該方案存在一些弊端，首先其需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)蓄電池容量和負(fù)荷電流進(jìn)行配置，這樣容易導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量增加，直接影響成本，使得成本方面不可控，而且還會(huì)占用屏柜更多的安裝空間。另外，由于隔離式雙向DC/DC裝置核心部件屬于電子器件設(shè)備，因此不能瞬間提供大電流，需要一段時(shí)間才能讓電流到達(dá)所需電流值，這上升時(shí)間一般在5-200 ms左右。

如圖1所示，設(shè)備跨接在兩段直流母線之間，通過(guò)高速采樣兩段直流母線電壓判斷直流系統(tǒng)電源故障情況，當(dāng)某段直流系統(tǒng)故障時(shí)，設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換功能。

圖1 隔離式雙向DC/DC應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

2.3 自控母聯(lián)技術(shù)方案

為解決直流電源系統(tǒng)智能母聯(lián)需求問(wèn)題，以直流系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)設(shè)備廠家為代表提出采用超級(jí)電容儲(chǔ)能后備結(jié)合電控開關(guān)構(gòu)建智能母聯(lián)，通過(guò)監(jiān)測(cè)超級(jí)電容電流和直流母線電壓變化情況判斷直流電源系統(tǒng)故障，區(qū)分直流電源系統(tǒng)短路故障和電源系統(tǒng)失電故障，針對(duì)失電故障操作電控開關(guān)構(gòu)成母聯(lián)[8]。自控母聯(lián)應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自控母聯(lián)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，在兩段直流母線分別安裝超級(jí)電容作為后備電源，實(shí)時(shí)高速監(jiān)測(cè)超級(jí)電容的輸出電流。當(dāng)超級(jí)電容有電流輸出，依據(jù)電流的大小和母線電壓的變化速率分析直流母線故障類別，若直流母線發(fā)生電源故障時(shí)，控制電操開關(guān)閉合，使得兩段母線并聯(lián)運(yùn)行，保障電源故障測(cè)母線負(fù)載安全可靠持續(xù)供電。

全程設(shè)備自動(dòng)開啟智能閉鎖算法，若判斷為正常的失壓情況，就會(huì)發(fā)出合閘指令控制電操開關(guān)，否則判斷出直流電源系統(tǒng)存在嚴(yán)重的短路故障，是會(huì)堅(jiān)決不合閘，避免故障危害殃及另一套直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷。這種自控母聯(lián)相對(duì)于前者隔離式雙向DC/DC，其內(nèi)部超級(jí)電容具有與蓄電池相似的特性，能夠提供瞬間大電流，保障了短時(shí)間內(nèi)故障側(cè)負(fù)荷的供電問(wèn)題，以此來(lái)滿足系統(tǒng)要求，在這過(guò)程也彌補(bǔ)電操開關(guān)閉合所需的時(shí)間，而且其在設(shè)備數(shù)量配置上，只需一臺(tái)設(shè)備，屏柜占用空間小，易安裝。

2.4 方案比較

通過(guò)上述3種母聯(lián)方案的簡(jiǎn)要闡述，傳統(tǒng)的母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)優(yōu)勢(shì)明顯，缺陷也尤為突出。下面主要對(duì)比隔離式雙向DC/DC和自控母聯(lián)，具體如表1所示[9]。

表1 自控母聯(lián)與隔離式雙向DC/DC的對(duì)比分析

由表1可以看出，自控母聯(lián)與隔離式雙向DC/DC在組成部分各采用不同的硬件結(jié)構(gòu)，兩者共同之處則是均能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電和短路保護(hù)功能，不同之處則在于觸發(fā)依據(jù)和系統(tǒng)配置方面[10]。前者是依據(jù)電流與電壓變化量和電壓變化速率來(lái)觸發(fā)合閘，兩套直流電源系統(tǒng)只需配置1臺(tái)裝置，占用空間小，安裝便捷，而后者是依據(jù)電壓閾值來(lái)觸發(fā)合閘，需按照功率N+1方式來(lái)配置，占用空間大，安裝不便捷。因此，在市場(chǎng)應(yīng)用上，自控母聯(lián)相對(duì)隔離式雙向DC/DC更具性價(jià)比。

3 結(jié) 論

直流電源系統(tǒng)作為變電站/電廠二次設(shè)備的主要供電電源，其安全可靠性至關(guān)重要。本文闡述了目前直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，針對(duì)解決母線失壓?jiǎn)栴}介紹了可靠性強(qiáng)的母聯(lián)優(yōu)化技術(shù)方案并進(jìn)行方案對(duì)比，凸顯各自的特點(diǎn)，對(duì)于日后直流系統(tǒng)母聯(lián)技術(shù)的升級(jí)發(fā)展具有參考意義。