110 kV變電站直流蓄電池容量計算算法優化

張尚云

（國電龍源節能技術有限公司上海分公司，上海 200333）

0 引 言

變電站中，直流系統是非常重要的一部分。直流電源主要為控制系統、保護系統、監控系統、直流應急照明、斷路器開合閘、DC/DC變換裝置以及直流電機等提供不間斷電源。直流系統的核心是蓄電池，因此合理選擇蓄電池容量是保證事故情況下各用電設備能可靠動作、運行的關鍵。目前，選擇蓄電池容量的計算方法有兩種——電壓控制法和階梯計算。本文以直流負荷性質為基礎，結合實際案例數據分析兩種計算方法，并在原有計算過程基礎上提出優化的計算方法[1]。

1 直流負荷統計

以某無人值守110 kV變電站典型設計為例，該站直流系統標稱電壓110 V，采用直流控制與動力負荷合并的一組蓄電池供電。蓄電池擬選用閥控式密封鉛酸蓄電池、貧夜單體2 V、放電終止電壓為1.85 V。無人值守變電站，全站交流電源事故停電時間按2 h計算[2]。變電站直流負荷包括信號、控制與保護裝置2 kW，監控系統1 kW，智能裝置0.5 kW，斷路器跳閘3 kW，斷路器自投5 kW，恢復供電斷路器合閘5 kW，交流不停電電源2 kW，應急照明1 kW，氫密封油泵20 kW，DC/DC變換裝置1.3 kW。為簡化計算過程，略去部分負荷，僅對部分負荷容量進行統計調整，統計結果如表1所示。

按直流負荷統計表有：經常負荷電流Ijc=31.26 A；初期1 min沖擊電流I1min=404.1 A；事故放電時間持續負荷電流I0.5h=I1.0h=I1.5h=I2h=196.8 A；隨機5 s負荷電流I5s=45.5 A。

表1 直流負荷統計

2 蓄電池容量選擇

蓄電池容量選擇應符合以下規定：滿足變電站（或發電廠）事故全停電時間內的放電容量要求；滿足變電站事故放電初期直流電動機的啟動和其他設備沖擊負荷的放電容量要；滿足蓄電池組的持續放電時間內的隨機5 s沖擊負荷電流的放電容量要求。

蓄電池容量選擇計算應滿足下列規定：按相應事故放電時間分別計算事故放電電流，確定其負荷曲線；根據蓄電池的型式、蓄電池放電時間、放電終止電壓等，確定相應的蓄電池容量換算系數；按事故放電階段，根據事故電流分階段進行容量計算，如果有隨機負荷，應相應地疊加到各階段計算容量中最大的放電階段；選取最大值作為蓄電池的選擇容量[3]。目前，計算方法有兩種——階梯計算法（HOX-IE）和電壓控制法（簡化法）。

階梯計算法（HOX-IE）是將全部負荷視為不同大小的階梯，按階梯計算所需容量，然后取較大值；電壓控制法（簡化法）是將負荷分為初期沖擊負荷和持續負荷，分別計算所需容量，然后比較取較大值。相比階梯計算法，電壓控制法（簡化法）計算時間只有1 min、30 min、60 min、120 min等整數，計算過程相對簡化，比階梯計算法少算一個階梯。

簡化計算算法是根據容量換算，用初期1 min沖擊負荷電流計算其實際最低母線電壓和校驗后的計算容量；階梯計算法是用電流值換算，事先設定好母線電壓值，之后不再校核，因為最后選擇的蓄電池容量總是大于計算容量，所以實際得到的最終母線電壓一定會高于要求。這兩種方法所用的換算系數蓄電池容量換算系數可以相互替換，本質一樣。

（1）事故放電初期1 min沖擊放電電流容量為：

（2）第n階段的計算容量為：

（3）隨機負荷計算容量為：

式中，Kk=1.4為可靠系數；Cc1～Ccn為電池10 h或5 h放電率各階段的計算容量，單位Ah）；Kc1～Kcn為各計算階段中相對應放電時間的容量換算系數；I1～In為各階段的負荷電流，單位A。

2.1 階梯計算法（HOX-IE）

（1）第一階段計算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系數），I1=404.1（初期1 min電流），于是有：

（2）第二階段計算容量

t=30 min，Kc1=0.78（30 min系數），Kc2=0.8（29 min），I2=196.8（30 min電流），于是有：

（3）第三階段計算容量

t=60 min，Kc1=0.54（60 min系數），Kc2=0.558（59 min），Kc3=0.78（30min），I3=196.8（60 min），于是有：

（4）第四階段計算容量

t=120 min，Kc1=0.33（120 min），Kc2=0.347（119 min），Kc3=0.428（90 min），Kc4=0.54（90 min），I4=196.8（120 min），于是有：

（5）隨機負荷計算容量

Ir=45.5為可靠系數，Kcr=1.34為隨機5 s負荷系數，于是有：

根據比較以上各階段計算結果，有：

故本110 kV變電站蓄電池容量為791 Ah。

2.2 電壓控制法（簡化計算法）

簡化計算法，計算時間僅有1 min、30 min、60 min、120 min等整數，且將階梯計算法第一個階段提出作為初期1 min沖擊放電容量，比階梯計算法少用一個階梯，詳細計算過程此處不贅述。

3 蓄電池容量計算方法優化

事故停電時間有人值守變電站，分析變電站直流負荷性質。一般除去初期1 min沖擊負荷電流、隨機5 s負荷電流，事故放電持續時間內各用電設備事故停電持續時間基本相同，這樣負荷統計過程中計算電流會有幾個階段計算電流相同。考慮可以將變電站負荷統計過程中計算電流相同階段視為同一階段優化階梯法和電壓控制法計算過程。例如，階梯法計算過程1～30 min、30～60 min、60～120 min計算電流相同（電壓控制法類似）。將這3個階段簡化為一個階段1～120 min，簡化計算過程如下。

（1）第一階段計算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系數），I1=404.1（初期1 min電流），于是有：

（2）第二階段計算容量

t=120 min，Kc1=0.344（120 min），Kc2=0.347（119 min），I2=196.8（120 min），于是有：

（3）隨機負荷計算容量

Ir=45.5（隨機5 s），Kcr=1.34（隨機5 s），于是有：

故本110 kV變電站蓄電池容量為791 Ah。

對比可見，優化后不影響計算結果，計算過程大大簡化，原階梯計算法有4個階段（階梯），優化后僅剩2個階段。需要說明的是，本優化計算法同樣適用于電壓控制法（簡化法）。

4 結 論

本文僅對直流系統蓄電池容量計算方法階梯計算法和電壓控制法計算過程進行優化改進，并未對蓄電池選擇中其他方面做贅述。比較發現，優化后的計算方法在不影響計算結果的基礎上大大簡化了計算過程，為變電站設計中蓄電池容量計算提供了參考。