變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性分析

馬宇 張之棟

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)在擴(kuò)容過程中經(jīng)常出現(xiàn)不良現(xiàn)象，影響擴(kuò)容安全性問題，開展變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性分析研究，針對(duì)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)存在的長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、直流電源配電分級(jí)開關(guān)不匹配等問題，對(duì)直流電源系統(tǒng)各級(jí)負(fù)荷規(guī)劃、選擇系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)、合理配置直流后備電源，提出一種全新的擴(kuò)容方法。通過實(shí)驗(yàn)證明，該擴(kuò)容方法與傳統(tǒng)擴(kuò)容方法相比，可有效降低改造過程中出現(xiàn)故障的次數(shù)，從而為安全性擴(kuò)容提供保障。

關(guān)鍵詞：變電站;電力通信;直流電源系統(tǒng);擴(kuò)容;安全性

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）08-0206-02

變電站電力通信直流電源系統(tǒng)主要組成部分包括直流電源設(shè)備、控制及檢測(cè)設(shè)備、直流配電設(shè)備等，通過各設(shè)備的相互配合形成了一個(gè)直流供電網(wǎng)絡(luò)[1]。在變電站正常運(yùn)行或發(fā)生事故時(shí)，通過系統(tǒng)提供的直流負(fù)荷形成可靠的直流操作電源，從而為變電站提供保障。由于直流電源系統(tǒng)具有良好的工作性能，因此常被應(yīng)用于對(duì)供電領(lǐng)域當(dāng)中，例如變電站、醫(yī)院等[2]。直流電源系統(tǒng)在變電站中的日常供電，相當(dāng)于一個(gè)不間斷電源，可為信號(hào)控制、繼電保護(hù)、自動(dòng)化裝置等提供更加穩(wěn)定和可靠的直流電源，當(dāng)發(fā)生交流電源事故時(shí)，可為事故照明系統(tǒng)、交流電源提供充足的電源，從而保障變電站的安全運(yùn)行。由于當(dāng)前各領(lǐng)域中的用電需求不斷增加，使得直流電源系統(tǒng)在供電過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)支路問題、電池問題、開關(guān)問題以及同步振蕩故障問題，對(duì)變電站的發(fā)展造成影響，為此本文開展變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性分析研究。

1變電站電力通信直流電源系統(tǒng)存在的問題

1.1長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

當(dāng)前變電站電力通信直流電源系統(tǒng)主要由市電電源和備用發(fā)電機(jī)機(jī)組兩部分組成，根據(jù)電力通信電源技術(shù)要求，為實(shí)現(xiàn)通信直流電源的安全可靠，直流電源系統(tǒng)通常采用兩路市電、一路油機(jī)的方式。但許多變電站的配置存在嚴(yán)重的不規(guī)范問題，因此導(dǎo)致變電站中的直流電源系統(tǒng)常常處于高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。兩路市電、一路油機(jī)的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行模式，由于在初期建立階段，各城市不具備建立獨(dú)立電網(wǎng)的條件，并且引入第二路市電的線路過長，資金投入條件不足等問題，雖然按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路直流電源的建立，但在后期階段并未及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)的油機(jī)，長期按照上述狀態(tài)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患問題。

除此之外，由于電力企業(yè)的運(yùn)營規(guī)模逐漸擴(kuò)大，變電站電力通信常常會(huì)涉及租用或購買等情況。同時(shí)，租用或購買大多采用已經(jīng)建成的配電系統(tǒng)，而原有配電設(shè)備的油機(jī)容量、通信設(shè)備負(fù)荷都很難滿足當(dāng)前電力企業(yè)大規(guī)模發(fā)展的需求，因此會(huì)造成更高的負(fù)荷率，并且部分變電站的季節(jié)性負(fù)荷甚至?xí)_(dá)到變壓器的額定容量，甚至超出額定容量，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。

1.2直流電源配電分級(jí)開關(guān)不匹配

在對(duì)通信直流電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于電力通信業(yè)務(wù)的分期建設(shè)，使得新增的電力負(fù)荷會(huì)對(duì)直流電源造成嚴(yán)重的直接影響。通信設(shè)備是用電負(fù)荷中占比最多的設(shè)備，需要從變電站配電室直接以放射性的形式進(jìn)行供電。但由于后期新增的直流電源系統(tǒng)交流電的引入通常采用自樓層的配電柜中電流。因此變壓器二次側(cè)與用電設(shè)備之間的低壓配電級(jí)數(shù)不應(yīng)超過四級(jí)。當(dāng)不間斷電源與直流電源系統(tǒng)從自樓層當(dāng)中的配電柜引入電力時(shí)，用電設(shè)備的配電級(jí)數(shù)會(huì)迅速增加，并逐漸超過四級(jí)，導(dǎo)致末端用電設(shè)備的用電分級(jí)級(jí)數(shù)過多，導(dǎo)致出現(xiàn)故障問題的故障點(diǎn)增加。同時(shí)，變電站中配電系統(tǒng)的上下級(jí)開關(guān)還缺少選擇性的動(dòng)作行為，低壓配電線路需要根據(jù)不同故障類型以及具體的工程狀況安裝短路保護(hù)或接地保護(hù)裝置，從而防止在電路發(fā)生故障時(shí)，故障電路突然斷開。因此各級(jí)電流線路不僅要設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電氣，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)正確地規(guī)定變化參數(shù)，從而保障在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，形成可靠切斷，并在最靠近故障位置點(diǎn)的地方實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣的保護(hù)，并保證切斷故障電路的范圍最小。

2變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性分析

2.1直流電源系統(tǒng)各級(jí)負(fù)荷規(guī)劃

為提高變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性，在明確新增末端負(fù)荷前，首先要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各級(jí)負(fù)荷進(jìn)行合理規(guī)劃。由于系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)直接影響到擴(kuò)容的安全性，因此在對(duì)各級(jí)負(fù)荷進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，需要密切關(guān)注系統(tǒng)與不間斷電源的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)油機(jī)的容量進(jìn)行核算[3]。由于油機(jī)容量受到眾多因素的影響，因此不可直接通過對(duì)設(shè)備負(fù)荷和額定功率的比較而得出，需要考慮到不間斷電源產(chǎn)生的諧波、變電站機(jī)房啟動(dòng)電流等，并按照公式（1）計(jì)算得出油機(jī)容量W：

公式（1）中，wa表示為變電站中電力通信設(shè)備的負(fù)荷;wb表示為變電站中蓄電池組充電功率;wc表示為變電站機(jī)房總功率。再將公式（1）進(jìn)一步細(xì)化，得出公式（2）：

公式（2）中，[wt]表示為變電站通信設(shè)備負(fù)荷總量;[x1]表示為諧波產(chǎn)生的沖擊系數(shù)，根據(jù)變電站的一般運(yùn)行狀態(tài)，并考慮到不間斷電源的諧波，[x1]取值為2.1～3.5;[wups]表示為不間斷電源的負(fù)荷大小，單位為kW;[x2]表示為啟動(dòng)直流電源系統(tǒng)時(shí)電流的沖擊系數(shù)，考慮到變電站機(jī)房啟動(dòng)電流的沖擊，[x2]的取值為2.1～3.3;[wj]表示為變電站機(jī)房負(fù)荷大小，單位為kW。

通常情況下，變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷率低于55%時(shí)，系統(tǒng)的安全性將不會(huì)受到影響。但當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷率超過55%時(shí)，則說明需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備容量進(jìn)行擴(kuò)容，變電站直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一規(guī)劃，并單獨(dú)立項(xiàng)。在對(duì)油機(jī)容量計(jì)算時(shí)，需要運(yùn)用上述公式（2）進(jìn)行計(jì)算，在直流電源系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若在原始承載容量范圍以內(nèi)，則可直接按照新增設(shè)備的所需負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容;若需要增加全新的整流機(jī)架，則需要利用總負(fù)荷校核計(jì)算，根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)容量需求進(jìn)行擴(kuò)容。

2.2系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)選擇

變電站電力通信直流電源系統(tǒng)中的保護(hù)電器分為兩種，一種是熔斷器，另一種是斷路器。在實(shí)際擴(kuò)容時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個(gè)保護(hù)電器的功能進(jìn)行選擇，表1為兩種保護(hù)電器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

在實(shí)際擴(kuò)容時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，例如直流電源系統(tǒng)電流較大、油機(jī)容量大等，可選擇熔斷器進(jìn)行保護(hù);擴(kuò)容過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)過載或短路問題，可選用斷路器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)于末端保護(hù)開關(guān)進(jìn)行選擇，末端保護(hù)開關(guān)應(yīng)當(dāng)具備斷電功能，當(dāng)與系統(tǒng)連接的用電設(shè)備出現(xiàn)短路時(shí)，末端保護(hù)開關(guān)需要瞬時(shí)切斷電路。末端保護(hù)開關(guān)只需要具備上述功能即可，無須進(jìn)行對(duì)型號(hào)或類型的選擇。在實(shí)際擴(kuò)容時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)配電線路的故障特點(diǎn)，在末端回路上對(duì)短路或接地故障進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，在變電站機(jī)房內(nèi)配備的電屏保護(hù)開關(guān)也屬于末端保護(hù)開關(guān)，在使用時(shí)不需要具備遠(yuǎn)程遙控功能。選擇上述兩種保護(hù)電器均可實(shí)現(xiàn)對(duì)短路或接地故障的保護(hù)。因此綜上所述，在直流電源系統(tǒng)的配電柜當(dāng)中更多選擇熔斷器作為保護(hù)電器。

2.3合理配置直流后備電源

提高變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴(kuò)容安全性還可通過合理減小蓄電池容量，以及配置直流后備電源來實(shí)現(xiàn)。在對(duì)直流電源系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)，應(yīng)當(dāng)以提高交流供電的可靠性為主，將直流后備電源的可靠性作為基礎(chǔ)。針對(duì)直流電源系統(tǒng)中蓄電池組的儲(chǔ)能設(shè)備，其容量大小通常與直流負(fù)荷以及備用時(shí)間有著直接的聯(lián)系，以此根據(jù)這一特點(diǎn)得出蓄電池組的容量計(jì)算公式為：

公式（3）中，[Wq]表示為蓄電池組容量大小，單位為Ah;I表示為直流電源系統(tǒng)中的直流負(fù)荷大小，單位為A;T表示為系統(tǒng)共放電時(shí)長，單位為h;t表示為蓄電池組放電時(shí)長，單位為h;[α]表示為供電系數(shù)。按照相關(guān)要求，一類城市放電時(shí)長h的取值為0.3～1.0h;二類城市放電時(shí)長h的取值為0.5～1.2h;三類城市放電時(shí)長h的取值為1.5～2.5h;四類城市放電時(shí)長h的取值為2～3h。根據(jù)不同地區(qū)選擇不同放電時(shí)長，放電時(shí)長越高，備用時(shí)間越短。在直流電源系統(tǒng)中，高頻開關(guān)電源可以根據(jù)負(fù)荷規(guī)劃，按照n+1冗余的方式確定。其中整流模塊為n時(shí)，整流總?cè)萘靠砂凑肇?fù)荷電流以及充電電流相加確定，完成直流后備電源配置。一般情況下，重要的變電站電力通信采用試點(diǎn)與油機(jī)組合的方式進(jìn)行可靠交流供電方式。對(duì)于直流電源系統(tǒng)的安全擴(kuò)容還需要考慮直流電源系統(tǒng)分散供電的特點(diǎn)，并選擇合理的后備時(shí)間，放電時(shí)間一般不超過1.5小時(shí)。

3實(shí)驗(yàn)論證分析

選擇某電力企業(yè)的變電站作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將該變電站近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并將其記錄在實(shí)驗(yàn)搭建軟件當(dāng)中，根據(jù)變電站各項(xiàng)參數(shù)，構(gòu)建兩組完全相同的電力通信直流電源系統(tǒng)，分別利用本文擴(kuò)容方法和傳統(tǒng)擴(kuò)容方法將兩組系統(tǒng)容量擴(kuò)充，并設(shè)置本文方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)方法為對(duì)照組。通過模擬兩組變電站實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置供電量由初期的10.0×103萬kWh到最終的30.0×103萬kWh，判斷兩組系統(tǒng)在擴(kuò)容過程中是否產(chǎn)生故障問題，從而比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組擴(kuò)容安全性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成如表2所示。

由表2得出，該電力企業(yè)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)方法從10.0×103萬kWh擴(kuò)容到30.0×103萬kWh時(shí)，共出現(xiàn)故障次數(shù)為3次，而對(duì)照組在進(jìn)行10.0×103萬kWh到15.0×103萬kWh供電量擴(kuò)容時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了5次故障，對(duì)比結(jié)果具有一定的對(duì)比意義。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的擴(kuò)容方法可以有效保障直流電源系統(tǒng)的安全性，更進(jìn)一步增加了供電的可靠性。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)過程可以得出，直流電源系統(tǒng)在擴(kuò)容過程中應(yīng)當(dāng)以處理累積問題，杜絕新增問題作為擴(kuò)容原則，時(shí)刻觀察變電站現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)值參數(shù)變化，以保證變電站電力通信安全可靠為目標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)容。

4結(jié)束語

本文針對(duì)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)在擴(kuò)容過程中可能存在的故障問題進(jìn)行全面分析，提出一種安全性更高的擴(kuò)容方法。但在實(shí)際應(yīng)用還會(huì)出現(xiàn)缺少雙重實(shí)電、油機(jī)容量較低等問題，仍然會(huì)限制擴(kuò)容改造的工期以及相關(guān)工程的管理權(quán)限。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源系統(tǒng)更高安全性的擴(kuò)容，在設(shè)計(jì)擴(kuò)容計(jì)劃時(shí)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)可能對(duì)直流電源系統(tǒng)整體性能造成影響的問題進(jìn)行更加深入的研究，從而不斷完善擴(kuò)容改造項(xiàng)目。

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