基于智能變電站交直流一體化電源系統研究

牛曉玲

摘 要：?交直流電源智能化運行是通過整合交、直流電源實現的，為供電用電的一體化提供了解決方案，能有效地提高運行的穩定安全性，從而提高了變電站電源管理能力。而交直流一體化電源系統具有集成度高、管理簡便等優勢，可集中監控和管理多套電源系統，提高了多套站用電源系統蓄電池組的共享性，隨著交直流一體化電源系統方案的廣泛應用，其所存在的問題急需從根本上進行解決（包括標準化程度不高、各品牌間的兼容性差等）。為確保變電站的可靠運行，提出全模塊化電源系統方案，以期提高維護效率并降低維護成本，為提高交直流一體化電源系統的標準化程度提供參考。

關鍵詞：?變電站; 交直流一體化; 全模塊化; 標準化通信

中圖分類號： TM 762

文獻標志碼： A

Research on AC/DC Integrated Power System Based on Intelligent Substation

NIU Xiaoling

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xian Railway Vocational and Technical Institute， Xi'an， Shanxi 710026， China）

Abstract：

The intelligent operation of AC and DC power supply is realized by integrating AC and DC power supplies， which provides a solution for the integration of power supply and electricity， effectively improves the stability and safety of operation， and thus improves the power management capability of the substation. The AC/DC integrated power supply system has the advantages of high integration and simple management， which can centrally monitor and manage multiple sets of power supply systems， and improve the sharing of battery packs of multiple sets of power supply systems. With the wide application of the AC/DC integrated power system scheme， its problems urgently need to be fundamentally solved （including the degree of standardization， poor compatibility between brands， etc.）. In order to ensure the reliable operation of the substation， this paper proposes a fully modular power system scheme to improve maintenance efficiency and reduce maintenance costs， and provide reference for improving the standardization degree of AC/DC integrated power system.

Key words：

substations; AC/DC integration; full modularization; standardized communication

0 引言

目前變電站在不斷發展和完善的新技術的支撐下，供電穩定性得以全面提升，其智能化、自動化水平不斷提高，為用電安全打下牢固的基礎。但隨著用電規模的不斷擴大為電力運行質量的要求逐漸提高，交直流一體進入了新的研究階段，智能變電站交直流一體化電源系統實現了自動切換、啟動設備，高效的滿足了傳喚供電及安全用電需求，交直流一體化電源系統主要由四類電源構成（包括通信電源、交/直流電源、交流不間斷電源），主要負責將各類穩定可靠的電源提供給變電站，各電源子系統的后備電源共用一套蓄電池組，對交流電源進行分配或變換處理（通過使用電源變換器實現），轉換成所需電壓等級（AC380V、AC220V、DC220V）。通過配置一體化電源監控系統實現實時測量、控制功能，以確保系統正常運行。本文在分析交直流一體化電源系統特點的基礎上，進一步對電源系統進行設計和優化，提出了全模塊化電源系統方案[1]。

1 常規一體化電源系統

該系統由柜體、蓄電池組、高頻開關電源模塊（充電模塊）、空氣開關、DC直流變換器ATS、交流接觸器、專用逆變器、監控系統、各類表計及傳感器等構成。將電能通過各斷路器完成變換后向各用電設備分配，主要存在的問題如下。

（1） 各變電站的一體化電源系統配置、監控系統受到廠家、電力公司企標、規模及項目預算等方面的影響而表現出不同程度的差異，各設備廠家通常需以各項目需求為依據進行設計和生產，導致目前系統產品標準化程度不高、存在較大的差異，提升了整體成本，阻礙了大規模工業化生產的實現及產品質量的提升。

（2） 一體化電源對智能化程度要求逐漸提高，系統復雜程度不斷提升，饋線單元針對各類信息的檢測功能也不斷增加（包括電流、電壓、連接點溫度、故障告警、開關數量及狀態等），顯著增加了二次電纜數量、元器件數量和種類及設備后期維護的難度。各運行單位通常需對部分重要元器件進行購買，以滿足現場維護的快速響應需求，一體化電源系統中種類繁多的器件（包括充電模塊、監控系統、蓄電池等）面臨著廠家和規格型號不同的問題，以空氣開關用到的斷路器為例包含框架、塑殼、微型等不同種類，種類繁多設計復雜的系統構成器件造成備貨量大、占用資金高等問題，對維護人員能力要求不斷提高[2]。

2 智能變電站電源系統特點

交直流一體化電源系統主要通過綜合重組傳統變電站的各類電源使用裝置（包括交/直流、交流不間斷、通信、逆變、直流交換等類型的電源），使其形成統一的運行模塊，建立直流電源蓄電池組以實現充分共享（通過使用統一監視控制信息完成），在保證電源供應的同時是電源運行的系統性得以提升。

2.1 實現智能化和網絡化

變電站設備的增加提升了所使用電源的復雜程度，使用不同線路及電源的各類設備則增加了維護與保養的難度，而一體化建設通過重組與設計線路使電源供應的穩定與安全性得以提高。交直流一體化電源系統作為智能變電站的重大突破之一，在一體統一外形的同時完善了功能設計，優化了電源系統的整體設計和安裝過程，節約了整個電源系統的占地空間，提高了平臺利用效率。一體化設計使新的供電模式得以有效實現，顯著減少了了組屏數量，在確保整體集中統一的同時簡化了系統供電運行過程，能夠統一監控和分析各電源子系統，便于后期使用和維護。使不同的電源通信兼容問題（由不同供應商供應）得以充分解決，從而提高了變電站系統的智能化及自動化水平[3]。

2.2 提高了安全性和經濟性

信息技術的運用實現了基礎設備的自動檢測，使系統安全性得以顯著提高，一體化電源系統通過有機結合設備和信息技術形成了整體的系統結構特征（合圍不同子系統），通過關聯各系統實現總控制，各子系統在此基礎上完成內部網絡化，進而能夠統一調整和控制各子系統運行狀態和參數，特別是科對電源盲點部位進行及時監控，進一步提升看系統運行的穩定性和安全性。除此之外，各模塊間參數通過全面互換能夠在不影響整機運行工作的基礎上檢測單個開關或模塊，減少了作業流程，實現了整體設備檢修的連續性，從而簡化了使用和維修的操作環節。相比于傳統常規變電站電源，交直流一體化電源系統運行過程的成本更低，更能滿足電力系統的經濟實用的需求，優化后的系統整體結構使相關設備更加集成，有利于人力合理分配的實現，顯著降低設備投入，節約了變電站運行成本。使用蓄電池還可在一定程度上降低污染，提升經濟和社會效益[4]。

2.3 提升電源管理水平

運行復雜的傳統變電站電源易引發安全事故，增加了電源管理的難度，隨著交直流一體化電源系統在智能變電站中的應用范圍逐漸增大，實現了統一整體的電源使用維護過程，使變電站電源使用效率得以顯著提升，能夠對各條線路進行精準設計，提高了電源管理的科學化和智能化，全部電源設計方案及安裝服務均由廠家統一提供，使電源管理過程更加準確及時，管理各線路的歷史數據，能夠針對事故情況精準判斷位置并做出報警處理（以系統各種設置數據為依據），同時對結果進行有效分析，控制操作電池管理輸出確保各項事務合理處置，以確保電站安全穩定的運行[5]。

3 電源系統模塊化設計

3.1 模塊化特點

（1） 簡化設計過程，提高出圖效率與質量，通過模塊化處理一體化電源系統實現多個器件到多個模塊的轉換過程，以現場的實際負載需求為依據對模塊進行組合設計，縮短電源設備的交付周期，從而使相關的設計工作量得以顯著減少。

（2） 提高生產及安裝過程的標準化程度，生產過程中的系統構成通過模塊化設計的運用可流水線生產單個模塊，便于標準化程序的應用，進而彌補現有整柜生產的不足，實現流水線生產電源整柜，有效避免了人工生產電源易導致的工藝、任務方面的錯誤，使電源生產質量水平和效率得以有效提高。

（3） 簡化維護過程，一體化電源系統通過模塊化設計后，用戶只需對構成系統的數個標準大模塊進行操作和管理，并使定位電源設備故障更加簡單，可使用備用器件對出現故障或損壞的模塊進行快速更換，從而使設備現場維護效率得以顯著提高，降低設備維護周期和成本。標準模塊化設計降低了替換老舊模塊的難度，提升單位運行效率[6]。

3.2 模塊化設計

（1） 全模塊化電源系統，為提升電源系統的全模塊化，進行模塊化設計時需以電源系統各器件各項功能為依據，為實現功能的模塊化并簡化設備維護工作量，需整合比較集中的功能，模塊化設計包括充電模塊、饋線開關（直流、交流、逆變、通信）、交流進線電源、逆變電源模塊、直流系統交流進線部分、DC/DC-48V模塊、逆變器進線部分。通過設備標準化實現廠家的流水線生產作業，以簡化系統設計并提高系統維護效率。

（2） 饋線模塊化，饋線開關模塊化原理如圖1所示。

主要由輸出接口及標準通信接口構成，該部分對各廠家、各型號開關規格參數主要通過集成設計技術的使用完成匯總過程（共用尺寸模塊），適用各品牌開關的安裝，采用軟銅牌連接部分一次線，以確保開關與模塊間靈活可靠的連接;使用PCB板走線作為二次電纜。在模塊內部集成了電流傳感器、電壓及溫度檢測功能，實現對電流/壓、溫度等參數的實時采集過程，通過各模塊的智能采集單元完成模擬量數據（由傳感器采集）到數字信號的轉換過程后再將其上傳至總監控處理分析（根據RS485通訊協議），同時能夠匯總電流、電壓、溫度、功率等數據，模塊具有較高的通用性，便于生產和后期維護，為大數據計算提供支撐[6]。

（3） 充電及DC/DC組件（即功率模塊）模塊化，技術的發展和完善為充電及功率模塊體積的小型化發展趨勢提供了支撐，受到廠家技術差異的影響，功率模塊規格尺寸隨著能量密度的逐漸增大表現出了較大的差異性。通過對四個功率模塊進行集成設計，具有在線熱插拔功能，以提高使用

過程的規范性，再將集成后的大模塊均完成標準接口的設計（包括輸入、輸出、通訊接口），提高在線維護的質量和效率。通過更換大模塊（接口與原模塊保持一致）即可完成快速更換或技術升級，顯著降低了更換成本。

（4） 直流部分交流進線（主要由直流總監控、指示燈、端子及交流進線斷路器、接觸器、監控器、防雷器構成）模塊化，適用于220 kV及以下變電站的交直流一體化電源系統，由于該部分的電源包含兩路交流電源，為確保直流電源交流供電的可靠性，其供電質量需通過交流監控單元進行檢測，兩路電源通過采用交流接觸器進行自動投切（采用正常交流電源供電）。并且作為個體存在的直流部分交流進線的各組成器件，以導致型號選擇、安裝方案上的差異，通過斷路器、接觸器、交流監控、防雷器等（作為一體化電源必備的部分器件）進行模塊化設計以作為標準化模塊，將其集成于一個模塊內，交流進線模塊如圖2所示，以標準的交流輸/輸出端子及通訊接口作為對外預留接口。全模塊一體化電源采用標準RS485方式作為通信方式及協議，按照標準協議規范各功能模塊通信協議點位，實現不同廠家模塊的共用[7]。

4 總結

交直流電源智能化運行為供電用電的一體化提供了解決方案，有效提高了運行的穩定安全性，從而使變電站電源管理能力得以提高。而交直流一體化電源系統具有集成度高、管理簡便等優勢，可集中監控和管理多套電源系統，提高了多套站用電源系統蓄電池組的共享性，隨著交直流一體化電源系統方案的廣泛應用，其所存在的問題急需從根本上進行解決（包括標準化程度不高、各品牌間的兼容性差等）。為確保變電站的可靠運行，本文提出全模塊化電源系統方案，實現標準化工業生產一體化單元的目標，即通過標準化設計，為提高一體化電源系統的共享程度提供有效途徑，提高常用器件的備用效率以有效降低維護工作量。

參考文獻

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[7] 黃寧.交直流一體化電源診斷與監測系統的應用分析[J].通訊世界，2017（4）：151-152.

（收稿日期： 2019.06.27）