750 kV 變電站一體化電源設計研究

邵國帥，馮 科

（國家電力投資集團國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

1 背景分析

1.1 傳統750 kV 變電站電源現狀分析

吳雷雷提出傳統站用電源包括4 個部分，分別是站用交流電源、站用直流電源、站用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及站用通信電源[1]。但是，各子系統均獨立設計，且來自不同的廠家，管理成本較高。傳統分散式的站用電源分布方式存在的主要問題包括系統自動化程度低、站用電源經濟性較差、全站安裝和協調較困難以及維護不方便等。

1.2 站用一體化電源系統及其優勢

一體化監控模塊與各子系統監控模塊之間進行通信，并采集各子系統信息，通過以太網口將信息上傳至站內計算機的監控系統，從而實現一體化電源系統數據的采集和集中管理。卜銀等提出的智能一體化監控裝置可以實現就地監控功能，能夠滿足設計要求[2]。

站內一體化電源系統中，所有站用電源智能模塊（由充電模塊、交直流監控模塊、逆變電源模塊、智能交流進線以及饋線開關模塊等組成）均通過通信方式將信息接入一體化電源總監控模塊。總監控模塊按照《變電站通信和網絡》（IEC 61850—2004）標準，將智能模塊通過以太網連接變電站計算機監控系統。一體化電源結構如圖1 所示。

圖1 一體化電源結構

與傳統方案相比，該系統具有智能開關模塊化、集中功能分散化、監控平臺一體化以及建設站用一體化電源系統管理平臺等優點。

2 750 kV 變電站一體化電源設計方案研究

2.1 交流電源子系統方案研究

750 kV 變電站交流站用電子系統系統采用三相四線制接線，由Ⅰ段交流進線柜、Ⅱ段交流進線柜、備用段交流進線柜以及饋電柜組成。#1 站用變壓器接入Ⅰ段交流進線柜，#2 站外電源變壓器接入Ⅱ段交流進線柜，#0 站外電源變壓器接入備用段交流進線柜，備用段交流電源在Ⅰ段或者Ⅱ段交流母線失電后，通過備自投功能自動投切至Ⅰ段或者Ⅱ段交流母線，以保證交流系統的正常供電[3]。站用電容量選擇結果如表1 所示。

表1 站用電容量選擇結果

根據表1 數據，計算變壓器容量為2 092 kVA，因此本工程選擇容量為2 500 kVA 的站用變壓器。

2.2 直流電源子系統

2.2.1 直流電源系統方案

直流電源系統主要用于為變電站各主要元件的控制、保護、自動裝置、故障錄波以及事故照明等負荷供電[4]。全站按照電壓等級設置1 套直流系統，直流電源系統按“兩蓄三充”配置，直流系統電壓選用220 V。

2.2.2 直流系統設備選擇

本工程蓄電池的容量如下。對于直流系統的2組220 V 蓄電池，每組蓄電池的容量為1 000 Ah，數量為每套104 只。直流系統的3 套充電裝置的額定輸出電流為240 A。

2.2.3 各階段容量計算

假設Kk表示可靠系數，取Kk=1.4；Cc1～Cc5表示蓄電池各階段的計算容量，Ah；Ijc表示經常電流，A。因系統采用三相四線制接線，將整體電流分為5 個節點，分別用I1、I2、I3、I4及I5表示，A[5]。根據通用設計典型方案，統計本站直流負荷，按設備功能分別統計負荷，站控層設備/監控系統負荷容量為7 700 W，保護設備負荷容量為9 600 W，智能組件負荷容量為4 750 W，網絡設備負荷容量為6 950 W，一次設備控制信號負荷容量7 900 W，UPS 電源裝置負荷容量為15 000 W，事故照明負荷容量為10 000 W，斷路器集中調整負荷2 600 W，恢復斷路器合閘負荷容量200 W，具體負荷統計、經常電流計算如表2 所示。

表2 直流負荷統計結果

如果用Kc1～Kcn表示各計算階段中的容量換算系數，1/h；Ir、Cr、Kcr表示隨機負荷相關參數。各階段容量計算如下。

第一階段容量計算，公式為

第二階段容量計算，公式為

第三階段容量計算，公式為

第四階段容量計算，公式為

第五階段容量計算，公式為

隨機負荷容量計算，公式為

將隨機負荷的容量Cr疊加除Cc1之外的Cc2～Cc5計算容量的任一階段上，并與Cc1比較，即可得出最大值。

2.3 交流UPS

在750 kV 變電站中，交流UPS 系統是關鍵組成部分，用于確保關鍵設備和系統在主電源故障或中斷時的電力供應。交流UPS 系統提供臨時電源，保障變電站的連續和安全運行，直到備用電源（柴油發電機等）接管或電網恢復正常。交流UPS 系統對于維持變電站關鍵負載的連續供電至關重要，特別是對于控制系統、安全系統、通信系統以及其他基礎設施。在750 kV 變電站的環境中，任何電源中斷都可能導致重大的運行中斷和安全風險發生。本方案UPS 系統容量為15 kVA。UPS 采用單母線接線方式，2 套UPS 母線之間設置聯絡開關。雙套同時供電，各帶一半主要負荷。2 套供電系統間相互獨立，不作自動投切，當其中一套UPS 電源供電系統故障時，監控主系統仍保證能夠正常運行。此外，在系統拓撲結構方面，交流UPS 系統采用雙轉換在線UPS 拓撲結構，確保電源質量和可靠性。該結構可以在電網故障時無縫切換到電池供電。考慮變電站的空間布局和電纜走線，設計了UPS 系統的具體安裝位置。同時，為散熱和維護的便利，設計適當的空氣流通路徑。此外，為保證UPS 系統正常運行，設計了輔助系統，主要包括冷卻系統和監控系統。其中，冷卻系統與UPS 系統熱負荷更加相適，可以實時監測熱負荷情況，當熱負荷超出閾值時，冷卻系統會立即啟動，以降低系統熱負荷，進而確保系統設備可以在最佳溫度下持續運行，從而保證系統運行穩定性；監控系統則集成了UPS監控系統，實時監測UPS 的運行狀態、電池狀態和故障報警等，方便運維人員進行管理和維護。

3 結 論

文章提出一體化電源系統，并根據其特點基于750 kV 變電站進行分析。提出了現階段具備可靠性、可行性、先進性以及經濟性的一體化電源系統方案，包括系統的設計方案、系統的設備選擇、充電裝置類型和容量選擇及每套系統的屏柜選擇。同時，采用一體化電源系統和一體化監控模塊，通過總線方式采集各子系統信息，并通過以太網口將信息上傳至站內計算機監控系統，實現對一體化電源系統的數據采集和集中管理。對于交流電源子系統，可選擇自動轉換開關電器或智能斷路器等實現多種供電切換方式，采用智能監測與控制設備，實現電氣和機械雙閉鎖，提高了母線及負載端電源的可靠性。對于直流電源子系統，采用第四代高頻開關電源充電模塊和高新技術，大幅提高效率。