基于“三電五充”低壓直流電源系統的開發與應用

宋海龍，史磊，柴斌，趙曉健

(1.國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.國網寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.山東泰開自動化有限公司，山東 泰安 271000)

低壓直流電源系統是變電站安全運行的基礎，隨著變電站二次綜自設備的自動化程度越來越高，站用低壓直流電源系統的整體運行管理水平顯得至關重要[1-3]。作為變電站控保系統、自動化系統的“心臟”，低壓直流電源系統的運行可靠性將直接影響變電站設備的安全穩定運行[4-5]。特別是直流換流站閥組用低壓直流電源系統通常采用“兩電三充”接線方式[6]，即2組蓄電池和3組充電機，由于僅提供兩段獨立直流饋電母線，無法向換流站三套直流保護及接口裝置提供完全獨立的電源配置[7]，極大降低了換流站直流保護系統“三取二”出口邏輯的正確動作率[8-10]，在換流站生產運維中存在較大安全隱患。

1 現狀及問題分析

1.1 現狀分析

換流站閥組用低壓直流電源系統通常采用“兩電三充”接線方式，按2組蓄電池和3組充電機配置，每組充電機均由2路交流電源經雙電源切換裝置可靠供電[11]，系統結構如圖1所示。

從圖1可知，M1為A段充電機組，M2為B段充電機組，M3為備用充電機組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。正常運行時，M3充電機組處于退出狀態，其他元器件處于以下狀態：

圖1 “兩電三充”系統結構

1)1QS1 2號隔離開關投入，1QS2隔離開關投入，M1充電機組對1DM進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態；

2)2QS1 5號隔離開關投入，2QS2隔離開關投入，M2充電機組對2DM進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態；

3)JQS J1隔離開關投入，由A段饋電母線帶C段饋電母線，C段饋電母線處于正常運行狀態；

4)3QS1隔離開關退出，M3充電機組作為A1、B1充電母線備用；

5)MQS隔離開關退出，A段和B段饋電母線互為備用。

對于三重化配置的換流站直流保護系統，其動作出口采取“三取二”邏輯：當三套保護裝置均正常時，按“三取二”邏輯出口，即三套保護至少有兩套動作才出口；當一套保護裝置出現故障時，按“二取一”邏輯出口，即剩余兩套保護至少有一套動作才出口；當兩套保護裝置均故障時，按“一取一”邏輯出口，即剩余一套保護動作才出口。

由上可知，基于“兩電三充”系統結構的閥組用低壓直流電源系統C段直流饋電母線，一般由A段或B段饋電母線間接供電，C段沒有配置單獨的蓄電池組和充電機組，因此，基于“兩電三充”系統結構存在供電電源丟失導致保護裝置故障問題，包括以下幾種情況：

1)當A段、B段饋電母線均正常運行時，C段饋電母線能夠可靠運行，A套、B套、C套直流保護系統能夠正確實現“三取二”邏輯出口；

2)當A段饋電母線發生故障時，A套直流保護系統將失電退出，B段、C段饋電母線可分別供B套、C套直流保護系統，實現“二取一”邏輯正確出口；

3)當B段饋電母線發生故障時，B套直流保護系統將失電退出，A段、C段饋電母線可分別供A套、C套直流保護系統，實現“二取一”邏輯正確出口；

4)當C段饋電母線發生故障時，C套直流保護系統將失電退出，A段、B段饋電母線可分別供A套、B套直流保護系統，實現“二取一”邏輯正確出口；

5)當A段、C段饋電母線均發生故障時，A套、C套直流保護系統均會失電退出，B段饋電母線可供B套直流保護系統，實現“一取一”邏輯正確出口；

6)當B段、C段饋電母線均發生故障時，B套、C套直流保護系統均會失電退出，A段饋電母線可供A套直流保護系統，實現“一取一”邏輯正確出口；

7)當A段、B段饋電母線均發生故障時，由于C段由A段或B段間接供電，此時A套、B套、C套直流保護系統均會失電退出，從而無法實現直流保護“一取一”邏輯的正確出口，致使直流系統因同時失去三套保護而導致直流誤閉鎖，存在較大安全隱患。

1.2 存在的問題

基于“兩電三充”接線方式的閥組用低壓直流電源系統，當A段、B段直流饋電母線均故障時，將直接導致閥組用低壓直流電源系統全部失電，一方面無法實現直流換流站三重化保護“一取一”邏輯的正確出口，另一方面將使直流系統因同時失去三套保護而導致直流誤閉鎖，極大降低了高壓直流輸電系統的運行可靠性。

2 系統設計及應用

2.1 系統設計

為了解決“兩電三充”低壓直流電源系統工作方式在閥組自動化系統電源方案中存在的隱患問題，使換流站直流保護及接口裝置的低壓直流電源配置完全獨立，提高直流保護系統“三取二”出口邏輯的正確動作率，急需提出一種新結構、新方法解決以上問題。本文提出了一種基于“三電五充”系統結構的低壓直流電源系統，相較于“兩電三充”系統結構，其運行可靠性、靈活性和實用性等方面均有顯著優勢。

2.1.1 系統結構

在傳統“兩電三充”系統結構的基礎上，通過增加1組蓄電池、2組充電機和1段直流饋電母線，將低壓直流電源系統設計為3組蓄電池和5組充電機結構，將直流饋電母線分為獨立的A段、B段和C段[12]。“三電五充”系統結構如圖2所示。

圖2 “三電五充”系統結構

從圖2可知，M1為A段充電機組，M2為B段充電機組，M3為C段充電機組，M4、M5為兩組備用充電機組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組，3DM為C母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線，C1為C段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。

2.1.2 運行模式

結合圖2，“三電五充”低壓直流電源系統主要包括三種運行模式。

2.1.2.1 正常運行模式

1)1QS1 2號隔離開關投入，1QS2隔離開關投入，M1充電機組對1DM蓄電池組進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態；

2)2QS1 9號隔離開關投入，2QS2隔離開關投入，M2充電機組對2DM蓄電池組進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態；

3)3QS1 5號隔離開關投入，3QS2隔離開關投入，M3充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態；

4)4QS1隔離開關退出，M4充電機組作為A1、C1充電母線備用；5QS1隔離開關退出，M5充電機組作為B1、C1充電母線備用；

5)MQS1隔離開關退出，A段和C段饋電母線互為備用；MQS2隔離開關退出，B段和C段饋電母線互為備用。

2.1.2.2 充電機組檢修模式

當M1、M2或M3充電機組因檢修需要退出時，需將M4或M5備用充電機組投入。

1)當M1充電機組退出時，先將4QS1 3號隔離開關投入，1QS2隔離開關處于投入狀態，后將1QS1 2號隔離開關退出，則M1充電機組完全退出，M4備用充電機組對1DM蓄電池組進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態；

2)當M2充電機組退出時，先將5QS1 8號隔離開關投入，2QS2隔離開關處于投入狀態，后將2QS1 9號隔離開關退出，則M2充電機組完全退出，M5備用充電機組對2DM蓄電池組進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態；

3)當M3充電機組退出時，先將4QS1 4號隔離開關投入，3QS2隔離開關處于投入狀態，后將3QS1 5號隔離開關退出，則M3充電機組完全退出，M4備用充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態；

4)當M3充電機組退出時，先將5QS1 7號隔離開關投入，3QS2隔離開關處于投入狀態，后將3QS1 5號隔離開關退出，則M3充電機組完全退出，M5備用充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態。

2.1.2.3 蓄電池組維護模式

任何情況下，均需保證直流饋電母線至少帶一組蓄電池作為后備直流電源，同時，需保證兩段直流饋電母線切換過程中不能中斷供電。當1DM、2DM或3DM蓄電池組因維護需要退出時，直流饋電母線切換過程中允許兩組蓄電池組短時并聯運行。

1)當1DM蓄電池組退出時，先將1QS1 1號隔離開關投入，再將MQS1隔離開關投入，此時1DM、3DM蓄電池組短時并聯運行，后將1QS2隔離開關退出，由M3充電機組、3DM蓄電池組和M1充電機組帶A段、C段饋電母線并列運行，此時可根據負載情況確定是否將M1充電機組退出。

2)當2DM蓄電池組退出時，先將2QS1 10號隔離開關投入，再將MQS2隔離開關投入，此時2DM、3DM蓄電池組短時并聯運行，后將2QS2隔離開關退出，由M3充電機組、3DM蓄電池組和M2充電機組帶B段、C段饋電母線并列運行，此時可根據負載情況確定是否將M2充電機組退出。

3)當3DM蓄電池組退出時，先將3QS1 6號隔離開關投入，再將MQS1隔離開關投入，此時1DM、3DM蓄電池組短時并聯運行，后將3QS2隔離開關退出，由M1充電機組、1DM蓄電池組和M3充電機組帶A段、C段饋電母線并列運行，此時可根據負載情況確定是否將M3充電機組退出。

4)當3DM蓄電池組退出時，先將3QS1 6號隔離開關投入，再將MQS2隔離開關投入，此時2DM、3DM蓄電池組短時并聯運行，后將3QS2隔離開關退出，由M2充電機組、2DM蓄電池組和M3充電機組帶B段、C段饋電母線并列運行，此時可根據負載情況確定是否將M3充電機組退出。

針對以上“三電五充”接線方式需根據負載情況確定是否將該組蓄電池對應的充電機組退出的問題，主要取決于帶兩段饋電母線并列運行時，一組充電機功率是否能夠同時滿足兩段饋電母線負載功率的需求。若能滿足要求，則可將待維護蓄電池組對應的充電機組退出，僅用一組充電機帶兩段饋電母線負載運行，未退出的蓄電池組做后備電源；若不能滿足要求，為了避免蓄電池組長時間放電，則將待維護蓄電池組對應的充電機組保持投入，仍由兩組充電機帶兩段饋電母線負載運行，未退出的蓄電池組做后備電源。

2.2 應用案例

在工程應用中，“三電五充”低壓直流電源系統系統結構如圖3所示。

從圖3可知，以“靈州換流站”為例，基于“三電五充”低壓直流電源系統包括3段獨立的直流饋電母線，每段直流饋電母線均由1組蓄電池、1組充電機進行獨立供電，另外2組充電機作為備用直流電源[13]。

圖3 “三電五充”工程系統結構

基于“三電五充”低壓直流電源系統采取集中組屏方式，共10面屏，包括1面電源監控屏、1面電源聯絡屏、5面充電機屏和3面直流饋電屏，集中布置于繼電器室，3組蓄電池布置于專用蓄電池室。相關組屏及現場照片如圖4、圖5所示。

圖4 “三電五充”組屏方式

圖5 蓄電池組

基于“三電五充”低壓直流電源系統通過1套直流監控系統能夠同時監測3組蓄電池、5組充電機和3段直流饋電負載的整體運行狀態[14]。其中，直流監控系統由1臺直流總監控裝置和5臺直流分監控裝置組成。直流總監控裝置采集模擬量信息并對系統運行狀態進行實時監視。每1套充電裝置均配置1臺直流分監控裝置，根據采集模擬量信息對充電機及蓄電池進行維護，并將設備運行狀態反饋至直流總監控裝置。

3 效果評價

1)基于“三電五充”低壓直流電源系統具有完善的系統結構設計，能夠滿足3段直流饋電母線的獨立供電需求，各段負載容量配置合理，提高了低壓直流系統的安全性和可靠性。

2)“三電五充”接線方式下，在充電機組檢修或蓄電池組維護時，運維人員可根據實際需求進行多種典型運行方式轉換，其操作便捷，具有較強的運行穩定性和靈活性。

3)“三電五充”接線方式能夠更好地匹配換流站現場實際需求，保障了換流站直流保護系統“三取二”出口邏輯的正確性，消除了低壓直流電源故障導致直流誤閉鎖的重大隱患。

4)“三電五充”采取集中組屏方式，占地面積小，屏間聯系緊密，通過1套直流監控系統能夠實現全部蓄電池、充電機和饋電負載的狀態監視功能，具有較強的集成度和自動化水平。

4 結 論

1)“三電五充”接線方式能夠實現低壓直流電源系統與換流站直流保護系統多電源配置需求的完美契合，真正消除了低壓直流電源故障導致直流誤閉鎖的重大隱患，具有一定的先進性和突破性。

2)采取集中組屏方式和統一監控管理。當低壓直流電源發生故障時，能夠及時監測報警，極大地提升了運維人員應急處置效率，保障了設備安全穩定可靠運行。

3)與傳統“兩電三充”系統結構相比，“三電五充”結構具有更強的可靠性及實用性，其應用推廣范圍更大。

4)“三電五充”工程設計及應用，可為全國各直流換流站閥組用低壓直流電源系統提供有力參考，具有較高的指導意義。