提升一體化電源穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)的研究

吳治勇，李曉利，楊樂

（國網(wǎng)新疆阿克蘇供電公司，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

電力生產(chǎn)中，將直流電源、電力用交流不間斷電源（UPS）和電力用逆變電源（INV）、通信用直流變換電源（DC/DC）整合后，稱之為一體化電源。一體化電源系統(tǒng)具有集成度高、經(jīng)濟(jì)效益好、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，可大規(guī)模應(yīng)用于變電站中［1］。一體化電源系統(tǒng)內(nèi)配備有蓄電池組，蓄電池保障一體化電源長期穩(wěn)定、可靠地輸出，若電源發(fā)生異常，將對(duì)電力生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大的影響。影響電源是否持續(xù)穩(wěn)定供電的因素有很多，例如系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與排查、電源狀態(tài)檢測(cè)與提前對(duì)落后模塊實(shí)施維護(hù)、定期正確維護(hù)、極端故障的反措措施等。為凸顯一體化電源的優(yōu)勢(shì)，喬峻［2］提出當(dāng)前一體化電源發(fā)展方向的重點(diǎn)在于外觀一致性、操作流程簡單化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面的提升。為保障一體化電源的安全運(yùn)行，黃寧［3］對(duì)一體化電源開展在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)功能包括數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)控、日志服務(wù)、充電機(jī)性能分析、報(bào)表管理、系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)通信、錄波瀏覽、專家分析等、直流環(huán)網(wǎng)告警、用戶管理等。近10 年來，一體化電源發(fā)展迅猛，不同廠家的一體化電源產(chǎn)品各有優(yōu)劣，但缺少功能齊備的裝置。目前，一體化電源的研究方向主要在集成、應(yīng)用方面，在提升安全性方面的研究還有很大的提升空間。本文從一體化電源現(xiàn)狀出發(fā)，分析在當(dāng)前運(yùn)行模式下可能存在的安全隱患，研究解決這些案例隱患的方法，提出新型一體化電源的設(shè)計(jì)思路。

1 一體化電源現(xiàn)狀

1.1 一體化電源運(yùn)行模式

站用低壓電源系統(tǒng)包括站用400 V 交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS 電源、逆變電源、通信電源等（如圖1 所示）。站用400 V 交流系統(tǒng)是保障電力生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其電源取自電網(wǎng)，存在停電風(fēng)險(xiǎn)；而電力生產(chǎn)中諸如通信設(shè)備、測(cè)控設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等重要設(shè)備，不能隨意斷電，因此這些設(shè)備不能直接從站用400 V 交流系統(tǒng)中取電，需要增加停電反措。為保障電力生產(chǎn)設(shè)備的電源能持續(xù)可靠地供電，變電站的一體化電源內(nèi)需設(shè)計(jì)蓄電池組，保障在站用400 V 交流系統(tǒng)失電故障的情況下能持續(xù)提供2 h 以上的電流。為應(yīng)對(duì)電力生產(chǎn)中需要持續(xù)供電的不同種類設(shè)備的供電需求，一體化電源設(shè)計(jì)有直流電源系統(tǒng)、UPS 電源系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)。出于節(jié)省成本的目的，一體化電源共用電池組。為保障一體化電源穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，需要對(duì)一體化電源在供電能力、穩(wěn)定性、可靠性方面提出明確要求［4］。

圖1 站用低壓電源系統(tǒng)

1.2 一體化電源故障事故案例分析

一體化電源系統(tǒng)由模塊、電池組、供電線路組成，常見故障有模塊故障、電池故障、線路故障幾類。發(fā)生故障會(huì)直接威脅電力安全生產(chǎn)，以下為一體化電源故障事故的一些案例分析。

（1）案例1。某35 kV 變電站的35 kV 母線、10 kV母線均為單母線接線方式；35 kV電源進(jìn)線3511黑一線、35 kV 出線3512 黑二線、1 號(hào)主變、10 kV 線路及電容器均在運(yùn)行狀態(tài)，35 kV 所用變T 接于35 kV 進(jìn)線3511 黑一線處，變電站所有二次設(shè)備工作電源均由UPS 電源提供。事故原因分析：經(jīng)檢查UPS 電源AC-DC 回路中整流元件損壞，未能給UPS 電源蓄電池組充電，故障前蓄電池組已嚴(yán)重饋電，當(dāng)UPS 視電輸入存在異常后，蓄電池組所儲(chǔ)電能無法滿足當(dāng)前用電負(fù)荷要求，使UPS 輸出電壓降低，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生［5］。本次模塊改造造成的電力生產(chǎn)事故，若能提早發(fā)現(xiàn)，針對(duì)故障進(jìn)行檢修維護(hù)，完全可以避免。

（2）案例2。某變電站110 kV 衛(wèi)馬線39 號(hào)桿由于事故車輛碰撞，造成線路兩側(cè)零序保護(hù)Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，接地距離保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作，兩側(cè)斷路器跳閘，全站失壓。直流系統(tǒng)由蓄電池供電，蓄電池組107 號(hào)蓄電池故障，導(dǎo)致蓄電池系統(tǒng)開路，造成全站直流系統(tǒng)失壓，110 kV 進(jìn)線備自投保護(hù)裝置失電未動(dòng)作，某110 kV 變電站全站失壓。本次因電池失效引起的電力生產(chǎn)事故，生產(chǎn)中若能夠及時(shí)對(duì)落后電池開展維護(hù)也可避免該類事故發(fā)生。

（3）案例3。歷年來，電力生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)生大量直流系統(tǒng)接地引起的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)事故。配電線路故障引起的電力生產(chǎn)事故，線路故障有突發(fā)性和漸變性2 類，突發(fā)性故障不可控，漸變性故障可提前預(yù)防。

綜上分析，時(shí)刻保持一體化電源在良好的狀態(tài)下運(yùn)行是保障電力安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1.3 一體化電源故障現(xiàn)象與威脅

1.3.1 直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)是一體化電源的核心，包含為一體化電源提供持續(xù)供電保障的蓄電池組。直流系統(tǒng)由交流輸入切換與管理單元、充電機(jī)模塊組、蓄電池組、各種監(jiān)測(cè)裝置和配電元器件組成。直流系統(tǒng)可能發(fā)生的故障及故障的現(xiàn)象與威脅見表1。

表1 直流系統(tǒng)故障現(xiàn)象與威脅

1.3.2 UPS電源

一體化電源中的UPS 電源由UPS 電源模塊和配電單元組成，UPS 電源模塊輸入有交流輸入、直流輸入（取至直流系統(tǒng)）及交流旁路輸入，配電單元由線路和保護(hù)器件組成。UPS 電源可能發(fā)生的故障如下：①UPS 交流輸入異常，此時(shí)模塊采用直流逆變輸入，電源不受影響。②UPS 直流輸入異常，此時(shí)模塊采用交流逆變直流、直流逆變輸入，電源不受影響。③UPS交流和直流輸入異常，電源沒法正常輸出，負(fù)荷不能工作。④UPS 電源模塊故障，無輸出，負(fù)荷不能工作。⑤UPS 電源配電線路發(fā)生絕緣故障，導(dǎo)致漏電、電能損耗，可能引發(fā)火災(zāi)。

1.3.3 逆變電源

一體化電源的逆變電源是由DC/AC 逆變電源模塊和配電單元組成，逆變電源的作用是把直流電源變成交流電源。若逆變電源輸入直流電異常或逆變電源模塊故障，將直接影響輸出。

1.3.4 通信電源

一體化電源的通信電源是由DC/DC 逆變電源模塊和配電單元組成，逆變輸出電源正極接地，簡稱“-48V 系統(tǒng)”。若逆變電源輸入直流電異常或逆變電源模塊發(fā)生故障，將直接影響輸出；若負(fù)極發(fā)生接地故障，將可能導(dǎo)致電源短路。

2 一體化電源故障反措技術(shù)研究

故障反措是針對(duì)可能發(fā)生的設(shè)備事故采取的防護(hù)措施。為保障一體化電源運(yùn)行順暢，需要監(jiān)測(cè)一體化電源的關(guān)鍵物理量，通過關(guān)鍵物理量分析、判斷一體化電源的運(yùn)行狀態(tài)，提示檢修人員對(duì)落后、劣化的模塊進(jìn)行檢修，保障一體化電源高效、高質(zhì)量地運(yùn)行。

2.1 關(guān)鍵物理量檢測(cè)技術(shù)

依據(jù)一體化電源組成分析，一體化電源關(guān)鍵物理量與對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象總結(jié)見表2。通過表2 可檢查一體化電源各組件的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過在線監(jiān)測(cè)、分析，提前對(duì)落后、劣化的模塊進(jìn)行檢修。

表2 一體化電源關(guān)鍵物理量與對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象

2.2 常見故障分析

一體化電源可能發(fā)生的常見故障種類有輸入電源故障、模塊故障、電池故障和配電系統(tǒng)故障。

（1）輸入交流電源故障是不可控的，一體化電源的穩(wěn)定輸出并不依賴交流電源，因此當(dāng)交流電源異常時(shí)，一體化電源依靠蓄電池組能保證其穩(wěn)定輸出。

（2）各部分電源的電源模塊屬于電子產(chǎn)品，存在一定故障概率，為避免電源模塊組中出現(xiàn)某個(gè)模塊故障而影響電源運(yùn)行，設(shè)計(jì)規(guī)程要求電源模塊做備用設(shè)計(jì)。例如，直流系統(tǒng)高頻開關(guān)模塊數(shù)量在6個(gè)以內(nèi)時(shí)，需進(jìn)行n+1設(shè)計(jì)，高頻開關(guān)模塊數(shù)量大于6個(gè)時(shí)，需進(jìn)行n+2設(shè)計(jì)［6］。

（3）電池故障可能影響電池容量或直接導(dǎo)致蓄電池?zé)o輸出，而電池的穩(wěn)定性直接關(guān)系一體化電源的穩(wěn)定輸出，因此故障不容發(fā)生，需要花費(fèi)大量的人力、物力監(jiān)測(cè)和維護(hù)蓄電池。

（4）配電系統(tǒng)故障可能威脅一體化電源的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重的可能誘發(fā)火災(zāi)，甚至導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或保護(hù)拒動(dòng)事故。為保證配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，一體化電源成套設(shè)備需配備大量監(jiān)測(cè)設(shè)備，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、排查故障。

2.3 嚴(yán)重故障的反事故措施

（1）蓄電池開路續(xù)流，規(guī)避單節(jié)電池故障引起的電源失電。從一體化電源常見的故障分析可知，蓄電池故障對(duì)電源安全威脅極大，即使花費(fèi)大量人力、物力維護(hù)蓄電池，也未必能保證電池良好地運(yùn)行。蓄電池老化或在大電流沖擊下可能發(fā)生開路故障，一節(jié)電池開路直接導(dǎo)致整組電池失去作用，因此有必要針對(duì)開路電池進(jìn)行續(xù)流反措，保障蓄電池組可靠供電。蓄電池開路續(xù)流設(shè)計(jì)最可靠的方式是采用二極管與電池并聯(lián)［7］，在電池開路情況下需要提供放電電流，開路位置電壓反向，二極管直接導(dǎo)通。如此設(shè)計(jì)的開路續(xù)流裝置無受控元件，可不間斷地進(jìn)行續(xù)流；并且由于設(shè)備主體是一只二極管，使元件單元設(shè)備的可靠性得到保證。

（2）分組電池低壓輸出，保障通信電源更可靠。當(dāng)前運(yùn)行的一體化電源蓄電池接在直流系統(tǒng)側(cè)，其他電源依靠逆變器保證輸出。通信電源是直流電源，穩(wěn)定輸出要求高，為保障48 V 直流可靠持續(xù)輸出，可從直流系統(tǒng)配備蓄電池組內(nèi)分出48 V電源接入通信電源。

3 新型一體化電源設(shè)計(jì)

新型一體化電源電氣原理圖如圖2所示，新型一體化電源在原有一體化電源的基礎(chǔ)上增加了正極續(xù)流裝置，確保電池出現(xiàn)開路故障后能正常提供事故電流；電池組與48 V 通信電源系統(tǒng)間建立電氣回路，該回路使用二極管單向隔離，保障分組的蓄電池不受48 V充電機(jī)影響，整組蓄電池充電效率一致。

4 結(jié)語

蓄電池故障對(duì)一體化電源威脅巨大，當(dāng)前運(yùn)行模式?jīng)]有對(duì)蓄電池可能出現(xiàn)的開路嚴(yán)重故障提出反措。本文提出對(duì)電池實(shí)時(shí)開路續(xù)流的措施，可保障電池安全運(yùn)行。經(jīng)過電源結(jié)構(gòu)分析，48 V 直流系統(tǒng)通信電源可復(fù)用直流系統(tǒng)電池組組建后備電源，通過對(duì)蓄電池組分組接入48 V 系統(tǒng)，使48 V 通信電源系統(tǒng)獲得多一重的保障；二極管單向接入的設(shè)計(jì)也可避免蓄電池充電安全事故的發(fā)生。通過本文研究改進(jìn)的一體化電源，在安全上得到了更高的保障，極大地提升了持續(xù)供電性能，使一體化電源具有更強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 新型一體化電源電氣原理圖