智能變電站一體化電源的典型應用探討

程玉凱，吳智強

（1.國網福建電力公司漳州供電公司，福建 漳州 363000；2.漳州新源電力工程有限公司電控設備廠，福建 漳州 363000）

0 引言

與傳統變電站相比，智能變電站的優勢主要體現在一次設備智能化、設備檢修狀態化以及二次設備網絡化3個方面。為適應智能變電站的智能化、網絡化的要求［1］，站內設備的供能系統也隨之升級為結構更合理、技術更先進及運維更方便的一體化電源系統。目前某地區智能變電站一體化電源系統技術日趨成熟［2-3］。本文對典型一體化電源系統的組成部分進行分析，介紹了各部分的原理、功能以及配置依據，以供同行參考。

1 一體化電源的結構

一體化電源系統由一次設備和二次設備組成。用于對低壓交直流電能進行輸送、分配、轉換的設備為一次設備。對一次設備控制、調節、監測和保護的設備稱為二次設備。

1.1 一體化電源的一次設備

典型一體化電源的一次設備結構示意圖如圖1所示。圖1中，一體化電源一次設備主要包括交流電源子系統、直流電源子系統、UPS電源子系統和通信電源子系統四部分。與傳統分散式電源相比，一體化電源系統共享直流電源子系統中的蓄電池組，取消UPS和通信電源中單獨采用的蓄電池組；UPS電源子系統逆變單元直接掛于直流母線，對重要負荷供電；通信電源使用DC／DC電源模塊直接掛于直流母線，取消傳統通信電源中的充電模塊。可見，一體化電源系統設計減少了對蓄電池組和充電單元的投入與維護，大大降低了系統成本［4］。

1.2 一體化電源系統的二次設備

一體化電源系統的二次設備主要是指監控系統，其結構框圖如圖2所示。

圖1 一體化電源一次設備結構示意圖

圖2 監控系統結構框圖

監控系統是一體化電源系統的核心部件，由一體化監控裝置與若干個子系統監控器組成。一體化監控裝置存儲整個站用電源數據，通過一個RJ45口按IEC61850規約與后臺連接，也可通過RS232／485口與后臺連接，能完成站用電源四遙功能。單個監控器故障不影響電源其他智能模塊運行，提高了監控系統的工作可靠性。

1.3 一體化電源系統的防雷設計

為防止雷電過電壓引起的浪涌電流對整個系統的影響，一體化電源系統配置了完善的防雷設計。以某一體化電源系統為例，其防雷設計示意圖如圖3所示。

圖3 某一體化電源系統防雷設計示意圖

該一體化電源系統配備了B級、C級、D級3級防雷保護措施。B級防雷器安裝在交流電源子系統中的進線斷路器側，可以有效泄放殘余的浪涌電流，其最大沖擊電流可達60 kA。C級防雷器安裝在交流電源子系統中的工作母線上，可進一步限制殘余浪涌電壓，保障回路設備安全工作，其最大沖擊電流為40 kA。D級防雷器和整流模塊內置的壓敏電阻是D級防護措施，其防護能力可達 5 kA［5］。

2 交流電源子系統

交流電源子系統是一體化電源的引入設備，是各交流負載的電源。

2.1 ATS切換開關

圖1中交流電源子系統的ATS開關為自動切換開關，可實現電氣閉鎖和機械閉鎖，從根本上保證電源的可靠運行，有6種工作模式：固定Ⅰ、固定Ⅱ、停止、自動Ⅰ、自動Ⅱ、自動。固定Ⅰ／Ⅱ模式使開關保持選擇Ⅰ／Ⅱ路電源。自動Ⅰ／Ⅱ模式使開關優先選擇Ⅰ／Ⅱ路電源，即選擇Ⅰ／Ⅱ路為主回路，當主回路失去電源后，自動切換至備用回路。自動模式則無主備回路之分，一路異常自動切換至另一路［6-7］。為了保障交流電源子系統兩段母線的可靠供電，ATS1開關一般切至自動Ⅰ模式，ATS2開關一般切至自動Ⅱ模式。

2.2 交流電源子系統二次設備

如圖2所示，交流電源子系統的二次設備主要包括交流饋線采集模塊、饋線狀態監測模塊和交流電源監控器。交流饋線采集模塊主要采樣各饋線支路的電流值，輸出告警信號接點。饋線狀態監測模塊可對饋線開關進行實時監測，也可作為監控器的輔助單元，為交流電源子系統的電源能量分配提供依據。交流電源監控器主要對交流電源進行監控，具有狀態提示、數據瀏覽、參數設置、系統控制等功能，通過采集電流、電壓、交流電源的主開關狀態、饋線開關狀態等信息，對比告警閥值，以確定是否輸出告警信息。另外，還可通過接入綜合自動化系統，實現三遙功能。

3 直流電源子系統

直流電源子系統是一體化電源系統的重要組成部分，是自動控制、動力、繼電保護、通信機、事故照明等的電源。

3.1 直流電源子系統的一次設備

直流電源子系統一次設備主要包括交流配電控制器、充電模塊和蓄電池組。

3.1.1 交流配電控制器

交流配電控制器的原理圖如圖4所示。交流配電控制器以一路進線為主回路，當一路進線過壓或欠壓或缺相，且二路進線電壓正常時，會切斷一路，延時切換至二路；當一路電壓恢復后，控制器切回一路；當兩路電壓均異常時，切斷兩路進線輸入。由該原理圖可知，兩路控制器提供的驅動信號具有互鎖功能，選用合適的斷路器時，還可實現機械閉鎖。

圖4 交流配電控制器原理圖

3.1.2 充電模塊

充電模塊的主要作用是將交流電整流成直流電，為直流負荷供電。充電模塊的原理圖如圖5所示。交流電輸入到模塊后經輸入濾波電路過濾以避免交流電的干擾，進入全波整流電路變換為高電壓直流電（500 V左右），經DC／AC高頻逆變單元變換成20 kHz可調頻的高頻脈沖電，再經主功率變壓器的降壓，由高頻整流電路整流成直流電，最后經過濾波電路輸出穩定的直流電［8］。

圖5 充電模塊原理圖

直流充電模塊工作時有自動和手動兩種模式。自動模式是指在充電模塊與監控單元通信正常時，接受監控模塊的控制；手動模式是指充電模塊不接受監控單元的控制，按照自身設定的參數自主運行。在運行現場，充電模塊均應切至自動模式。

充電模塊的配置數量一般按照如下公式選擇：

式中：IC為充電裝置最大輸出電流；Krel為可靠系數；N為系數，其值為1.0～1.25；Ij為直流系統最大經常性負荷；IC10為蓄電池10 h均衡放電電流；IN為單個充電模塊額定電流；若M≥3，充電模塊總數量一般取M+1，若M≥6，則總數量一般取M+2。3.1.3 蓄電池組

蓄電池組是直流電源子系統中不可或缺的重要組成部分，是直流負荷的外來電源。蓄電池組充電狀態可分為“浮充電”和“均充電”，兩種狀態的切換均需在監控系統中完成。

圖6 蓄電池管理曲線

蓄電池管理曲線如圖6所示。圖6中，A表示初始充電狀態，B表示正常運行狀態 （浮充狀態），C表示自動進行恒流和恒壓充電運行狀態（均充狀態），D表示交流電中斷后的運行狀態，E表示交流恢復后的運行狀態。

蓄電池數量N和總容量C10按照式（2）進行選擇。

式中：UN為整個蓄電池組的額定電壓；Uf為單體蓄電池浮充電壓；Csx為事故全停狀態下持續放電時間的放電容量；Kcc為容量系數。

3.2 直流電源子系統二次設備

直流電源子系統二次設備主要包括饋線狀態監測模塊、絕緣監測模塊、電池巡檢模塊和直流監控器。直流饋線狀態監測模塊與上節2.2中交流饋線狀態監測模塊原理和功能相同，這里不再贅述。絕緣監測模塊采用模塊化結構，由絕緣監測主機和絕緣監測電流傳感器構成，通過檢測正負直流母線對地電壓計算對地絕緣電阻，當計算值低于報警閥值時，自動啟動支路巡檢功能，可快速鎖定故障支路，為及時排除故障提供有利條件。電池巡檢模塊是直流系統重要的反饋環節，為監控系統維護管理提供數據依據［9］。直流監控器通過與其他部件配合，可對直流電源子系統的交流配電單元、充電模塊、蓄電池、直流母線等工作狀態進行實時監測，具有狀態查詢、實時報警和智能管理的功能，接入綜合自動化系統，完成四遙功能。

4 UPS電源子系統

UPS電源將整流器、逆變器、靜態旁路切換開關、隔離變壓器等整合在一起，為系統重要負荷提供不間斷交流電源。

4.1 UPS電源子系統一次設備

UPS電源工作原理圖如圖7所示。UPS電源運行時，有5種模式可以選擇：正常工作模式、直流模式、旁路模式、旁路切換模式和市電逆變轉直流逆變模式，前3種模式是主流運行模式。

在正常工作模式下，交流輸入開關、直流輸入開關、旁路開關均在合上位置，交流電經輸入隔離變壓器降壓，通過AC／DC整流器轉換為直流電，再經過DC／AC逆變為交流電，通過輸出隔離變壓器升壓，轉換為交流電供給負載。直流模式是指直流電壓通過逆止二極管，通過逆變器轉換為交流電為負載供電的模式。旁路模式在UPS電源主機出現故障，交、直流開關均不能供電的情況下，由旁路開關直接輸出交流電。

圖7 UPS電源工作原理

UPS電源容量可根據如下公式計算［10］：

式中：Sc為UPS的計算容量；Ki為動態穩定系數；Kd為直流電壓下降系數；Kt為溫度補償系數；Ka為設備老化系數及設計裕度系數；Pz為全部負荷的計算功率；cosφ為負荷功率因數。

4.2 UPS電源子系統二次設備

UPS電源子系統二次設備主要包括UPS監控器、交直流進線監測模塊和饋線狀態監測模塊，其功能與交直流電源子系統二次設備基本一致。

5 通信電源子系統

通信電源子系統采用DC／DC變換裝置，將直流電源子系統電壓（220 V）轉換為通信用直流電壓（-48 V）。系統采用與充電模塊整流器相同的控制技術和模塊結構，并采用N+1并聯模式和硬件自主均流技術。

作為通信電源子系統二次設備主要組成部分的通信電源監控器，可對系統DC／DC模塊、48V直流母線及48 V配電單元等進行實時監控，通過與上位機通信，可實現遠程管理，達到變電站無人值守的要求。

6 變電站一體化電源的應用案例

據統計，某地區110 kV及以上變電站中智能變電站數量達60%以上，全部配置一體化電源系統。通過對比這些智能變電站中交直流一體化電源系統的布置方式發現，基本按照典型11屏柜布置：交流進線屏、交流饋線屏（2屏）、直流充電屏、直流饋線屏（2屏）、蓄電池屏（一般配置3屏）、UPS電源屏和通信電源屏。與常規站用交直流系統相比，屏柜數量大約減少了50%，不僅降低了投資成本，而且減小了占地面積，適應了智能變電站小型化、智能化的要求。

通過查詢近兩年的記錄，對缺陷類型、缺陷數量、消缺時長等信息進行比較，一體化電源系統與常規站用交直流系統的對比情況如表1所示。

表1 某地區變電站一體化電源系統與常規系統對比

由表1可以看出，近兩年站用交直流系統缺陷數量一共65個，一體化電源系統缺陷僅占到缺陷總數的38.5%，而一體化電源系統應用占比達到60%以上，可見一體化電源系統的故障率較低。常規站用交直流系統最常見的缺陷是規約轉換故障造成的通信中斷，這需要多廠家聯合確定事故裝置責任方，再進行消缺處理，使得消缺時長大大增加。一體化電源系統往往采用同一供應商產品，因此不會存在規約轉換問題，其最常見故障類型是裝置本身故障，消缺時只需單一廠家進站更換裝置即可，消缺效率得到提高。

7 結語

智能變電站作為目前變電站的主流類型，對站內電源系統要求很高。交直流一體化電源系統由于具有技術先進、體積小、集成度高、安裝方便、經濟智能、管理高效等諸多優勢，在智能變電站中得到了廣泛應用。某地區變電站一體化電源系統應用情況表明，一體化電源系統故障率低，消缺周期短，對新建變電站一體化電源系統的應用和推廣有較好的借鑒意義。