變電站直流系統“N+1”充電模塊配置改造經驗介紹

梁文倩

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000）

1 成果實施的背景

變電站是電力系統的中間環節，正如電力系統的能源走向所描述的，從發電到變電，從變電到配電，從配電到用戶。變電站直流電源系統是變電站內各種繼電保護裝置、交流不間斷電源、斷路器動作的直接電源。直流電源的可靠與否，直接關系到變電站的安全穩定運行，進而影響整個電力系統的潮流流動。

變電站直流系統包括直流系統充電屏和直流系統饋線屏。直流系統充電屏上設有測量表計、微機監控器以及高頻開關模塊（也成為充電機）；直流系統饋線屏上設有微機絕緣監察儀和饋線空開。

充電模塊的主要功能是實現AC/DC變換，是直流屏的核心部件。充電模塊是否正常工作，直接影響了變電站的安全穩定運行。通過安全生產系統統計變電管理二所2017年期間缺陷數據，直流系統缺陷共計378起，其中充電模塊故障包含267起，約占71%，可見直流系統模塊已經成為變電站直流系統穩定運行的重大隱患。

1.1 解決問題的重要程度：解決了一直影響直流系統安全穩定運行的重大問題

正常情況下，直流系統母線電流包括3部分：一為經常性負荷，如繼電保護裝置、斷路器儲能、直流系統表計；二為蓄電池浮充電電流，一般為蓄電池容量的0.01倍；三為沖擊負荷，如斷路器分、合閘類負荷。

當變電站失去內站用交流電源時，由蓄電池組向直流母線輸送直流電源，而蓄電池所需電能非常有限。可見，當變電站充電模塊故障且長時間無法恢復時，將直接影響站內保護及控制回路的正常運行造成保護誤動、拒動等，威脅電網安全。因它的重要性，變電站充電模塊均采用“N+1”備用配置模式，可確保其可靠性和安全性。

1.2 項目規模及綜合難度：項目涉及規模、難度大，較為復雜

電源專業在消缺時統計發現，變電二所還存在很大部分變電站存在僅有一臺充電模塊故障，已經無法支持變電站直流負載所需電流的情況。充電模塊超負載運行亦或是蓄電池提供直流電源，都給變電站直流系統的維護增加了負擔，威脅著充電模塊和蓄電池的運行壽命，也對變電站直流系統安全穩定運行提出了極大挑戰。這是緊急且嚴重的問題，必須盡快解決。

1.3 項目創新程度：全網范圍內領先

變電管理二所電源專業迅速作出反應，成立《變電站直流系統“N+1”充電模塊配置改造》項目組，旨在高效順利解決變電管理二所變電站充電模塊配置不滿足“N+1”冗余的問題。

直流系統充電模塊的配置方式必須采用“N+1”冗余數量，才能夠滿足日常狀況和事故狀況的直流系統供電需求。在采用“N+1”冗余數量時，若110 kV變電站不少于4個，220 kV變電站不少于5個，此時當其中任一臺模塊出現故障后，直流系統仍然有足夠的輸出容量用于提供直流電源，可保證正常的直流負荷要求。

直流系統在變電站中作為動力核心，主要作用是為測量控制裝置、保護設備、通信設備等提供電源。如果直流系統出現問題，整個變電站的供電、控制、保護、安全以及穩定都會出現問題，最后導致電網癱瘓。變電管理二所存在一批運行年限較長的110 kV變電站，其直流系統已經老化嚴重，充電機發生故障頻率較高，是變電站運行中很大的薄弱環節。

電源專業通過安全生產系統分析變電管理二所2017年期間的缺陷數據，直流系統缺陷共計378起，其中充電模塊故障包含267起，約占71%。此外，電源專業在消缺時統計發現，變電二所存在很大部分變電站存在僅有一臺充電模塊故障，已經無法支持變電站直流負載所需電流的情況，不滿足直流系統充電模塊“N+1”冗余的配置要求[1]。

因此，變電管理二所電源專業迅速作出反應，成立《變電站直流系統“N+1”充電模塊配置改造》項目組，旨在高效順利剔除變電管理二所變電站充電模塊配置不足的隱患。

2 成果詳細內容

本工程主要解決變電站直流屏充電模塊配置不滿足“N+1”冗余原則的問題。所謂“N+1”冗余設計，是指若直流屏滿足正常工作需直流輸出電流為10 A的高頻開關模塊3臺，實際該直流屏配置4臺（N+1），用備份的充電模塊向蓄電池組進行均充或浮充電，控制模塊也采用（N+1）冗余設計、用備份的方式向經常性負荷（繼電保護裝置、控制設備）提供直流電源。這樣其中任一臺模塊出現故障不會影響裝置的正常工作，大大提高了裝置運行的可靠性。

在人們對電力安全穩定需求日益提高而直流系統故障愈發頻繁的重壓下，電源專業必須盡快識別存在問題的變電站，根據變電站實際情況制定解決方案、采購備品備件、繪制并組織審核圖紙，聯系廠家迅速實施解決。

三相交流電源經過濾波后輸入到整流回路，輸出的直流經過高頻逆變為高頻交流電源，再通過高頻整流、濾波后輸出為直流電源。充電模塊工作原理如圖1所示。

圖1 充電模塊工作原理圖

在對所有變電站進行充電模塊數量是否滿足“N+1”配置原則的識別前，必須認識到直流充電環節采用充電模塊并接使用的模式。直流充電模塊總容量為：

直流電源并聯配置原理，如圖2所示。

3 識別充電模塊數量配置不滿足“N+1”原則的變電站

3.1 變換模塊組件容量和數量

AC/DC和DC/DC模塊組件容量：

式中，Pj為計算負荷，Ps為波動性（沖擊）負荷。

AC/DC和DC/DC模塊組件數量：

式中，Pmax為蓄電池能夠提供的最大功率。

3.2 識別問題變電站

電源專業通過對變電管理二所共72個變電站、近180套直流系統進行充電模塊容量和數量的計算和比對，發現13套直流系統的充電模塊配置不符合“N+1”冗余原則。

圖2 直流電源并聯配置原理圖

4 風險控制

在直流系統充電模塊的改造過程中，2套直流系統進行并列操作，是整改工程風險最大的環節。2套直流系統并列過程中要務必關注2項內容，分別是電壓差和潮流流動。第一，2套直流系統均處于浮充電運行狀態，電壓差不能超過額定電壓的2%；第二，要密切關注2套直流系統的并列前潮流之和與并列后潮流之和是否一致，當發生不一致時，說明發生了直流甩負荷，要及時查找并恢復。為了避免此類問題，一定要做好相應的安全措施。

5 結 論

截止2018年9月，已經完成所有14個變電站直流系統充電模塊“N+1”配置的改造。經現場實踐，當發生1臺充電模塊故障時，不會影響變電站直流系統的正常運行。本項目解決了變電管理二所13個變電站直流系統充電模塊配置不足的問題，大大提高了變電站直流系統的運行可靠性。電源專業居安思危，主動發現直流系統安全隱患，并迅速做出反應，采取行動立即解決。經過電源專業的不懈努力，完成了惠州供電局變電管理二所14套不滿足“N+1”配置原則直流系統的改造，高效順利地解決了變電管理二所變電站充電模塊配置不滿足“N+1”冗余的問題。通過“N+1”配置，很大程度上降低了直流模塊故障對直流系統穩定的威脅，取得了一定的社會效益和經濟收益。