水电站站用电源的解决方案

王怀柱

（华自科技股份有限公司 长沙市 410205）

一直以来，水电站站用电源分为交流系统、直流系统、UPS电源、通信电源系统等，各子系统采用分散设计，独立组屏，设备由不同的供应商生产、安装、调试，供电系统也分配不同的专业人员进行管理，这种模式存在占用电源自动化程度不高、安装、服务难以协调及运行维护不方便等问题，供电系统可靠性得不到保障。水电站站用电源是水电站安全运行的基础，随着电站综合自动化程度越来越高，相应提高站用电源整体的设计、运行、管理水平具有特殊的意义。

1 传统站用电源现状分析

传统水电站站用电源分为交流、直流、UPS（或逆变电源）、通信电源等系统，各子系统采用分散设计，独立组屏，设备由不同的供应商生产、安装、调试，供电系统也分配不同的专业人员进行管理，这种模式存在以下主要问题：

（1）站用电源自动化程度不高。

由不同供应商提供的各子系统通信规约一般不兼容，难以实现网络化管理，系统缺乏综合的分析平台，制约了管理的提升。

（2）经济性较差。

直流系统配置一套蓄电池组，UPS不间断电源系统及DC48V通信电源各自分别配置独立的蓄电池，浪费严重；交流系统配置电源自动切换设备，充电模块又重复配置自动切换设备，既浪费又使设备之间难于协调运行。站用电源资源不能综合考虑，使一次性投资显著增加。

（3）安装、服务协调较难。

各个供应商由于利益的差异使安装、服务协调困难，远不如站用交直流电源一体化的“交钥匙工程”模式顺畅。

（4）运行维护不方便。

站用电源分配不同专业人员进行管理：交流系统与直流系统由变电站人员进行运行维护，UPS由自动化人员进行维护，通信电源有通信人员维护，人力资源不能总体调配，通信电源、UPS等也没有纳入变电站的巡检范围，可靠性得不到保障。

通过综合分析以上问题不难发现，站用电源没有信息共享平台，以致影响站用电源的维护、系统管理、深层次开发；站用电源没有进行统一设计并进行系统优化，上行下达信息不能数字化传输。

2 水电站交直流一体化电源系统的方案说明

一体化电源是在现有水电站用电源、蓄电池、充电模块等成熟的核心技术基础上，对水电站用交直流电源、通信电源、不间断电源等进行一体化设计和组屏生产的新的模组形式。

110kV电站（发变组模式）宜按双重化配置，经典方案如图1所示（本文只针对图1方案进行介绍）。全站配置两组蓄电池和充电模块，一般的110 kV电站容量可按300AH/组设计。35kV电站（发变组模式）及小型水电站按200AH/组或150AH/组设计即可，经典方案如图2所示，配单组蓄电池和充电模块。通信设备采用220V或110V电源模块，通信电源从两组直流母线直接拉两路专用馈线至通信机柜，采用智能ATS开关实现两路电源的自动切换，取消传统占用380V电源备用自投配置。

图1 站用交直流一体化电源结构框图一

图2 站用交直流一体化电源结构框图二

目前通信设备一般采用48V电源，所以在一些直流一体供电方案中，采用了DC/DC模块变换成48V工通信设备使用，但这种供电方式存在着不容忽视的弊端[1]，特别是通信机房有多台通信设备，各通信设备采用支路带空气开关供电方式，存在DC/DC模块可能比空气开关先动作，造成全部通信设备失压。实际上通信设备本身的工作电压并不是48V，而是12V或者5V，像所有微机保护一样，装置通过自身的电源模块进行DC/DC转换，把48V输入电压转换成12V或者5V内部工作电压，要实现通信电源直接采用220V或110V高压直流供电，通信设备比寻选择由220V直接转换成12V/5V的接口电源。同时通信用较高的直流供电系统是高效节能的供电系统[2]。

不间断电源设计：采用UPS（或逆变电源）直接挂于母线上，取消独立的UPS电池。

3 一体化电源系统的设计方案[3]

3.1 基本方案概述

站用交直流一体化电源系统是使用系统技术，针对水电站站用交流、直流、逆变、通信电源整体，根据实际问题、发展现状提出的解决方案，建设成为智能型站用交流电源交直流一体化系统的站用电源系统。

一体化电源系统主要实现以下几个方面功能：

（1）站用电源信息共享平台。

站用电源整体网络智能化，一体化，将交流、直流、逆变、通信电源网络智能化，对外1个通信接口。

（2）设计优化。

取消通信蓄电池组及充电模块，使用DC/DC直流模块直接挂于直流母线；取消UPS蓄电池，使用UPS（或逆变电源）直接挂于直流母线，对重要负荷如事故照明等采用逆变电源供电；统一进行波形处理；统一进行防雷配置；统一进行二次配电管理；站用电源设备智能管理，实现状态检修。系统通信方案如图3所示。

图3 站用交直流一体化系统通信图

3.2 整合电源系统方案设计

（1）所用交流电源方案。

所用交流电源部分设计为“二路交流进线、双母线分列运行”的全自动型所用交流电源，实现远程和本地控制操作，实现本体和远程显示或读取进线和馈出断路器的运行数据和工作状态，执行DL/T860通讯标准。

正常时两路交流电源进线，进线一接1ATS的I路电源和2ATS的II路电源，进线二接1ATS的II路电源和2ATS的I路电源。或者正常时有三路交流电源进线，进线一接1ATS的I路电源，进线二接2ATS的I路电源，进线三接1ATS的II路电源和2ATS的II路电源。当某路工作电源故障时，由ATS自动投入备用电源。当然上述运行方式也可以手动就地实现。ATS的自动切换功能可以由ATS自带的控制器完成也可以由一体化电源方案中配置的交流监控模块来完成，各个工程根据具体情况确定。另外ATS 要求有 I、II、O 三个状态，既 I侧电源投入，II侧电源投入，和退出状态。用户可以根据需要进行运行方式的选择，实现站用电压多种运行方式的智能联动。这种设计不仅省设备，回路简单，而且运行方式灵活方便，提高了站用交流电源智能管理和可靠性。

进线电源需采集并传送 U、I、P、Q、S、SF、Hz 等各种常用电力参数及各侧电源投入状态。

（2）UPS电源方案。

UPS电源部分设计为：串联备用冗余UPS或并联备用冗余UPS。前者不需要额外的切换装置，主机旁路输入接在从机输出上。主机故障自动转旁路后，便由从机向负载供电。方案如图4所示。后者需要另外配置切换装置，2台UPS的旁路输入必须是同一个AC电源。方案如图5所示。

图4 UPS一用一备串联冗余

图5 UPS一用一备并联冗余

（3）直流电源及DC48V方案。

直流电源部分设计为6台容量为120A（20A×6）的充电模块。直流充电模块应具有以下保护功能：输入过压保护、输入欠压保护、输出过压保护、输出欠压告警、短路保护、缺相保护和过温保护等。

再说个令我感动的事情吧。广州小北路小学的学生，曾为我开过一个作品的公开讨论会。有个女孩子说，她最喜欢我的一本书是《单翼天使不孤单》，这本书写的是单亲家庭孩子的生活故事和情感世界。她说，虽然她享受父母的爱，很幸福，但是，她的好朋友却是个“单翼天使”。好朋友每天都嘻嘻哈哈的，大家都以为这个女孩子很幸福，唯有她知道，好朋友经常会哭泣和悲伤，而且为自己不能享有完整的家庭而感到自卑。她又说，感谢“阳光姐姐”给予单亲家庭的孩子一个美好温暖的称呼“单翼天使”，并且，在这本书里，好朋友读到了温暖和鼓励，拥有了自信。现在，她的好朋友再也不会隐瞒自己是“单翼天使”的事实，而且，她逐渐学会接受现实，乐观面对。

DC48V电源设计为2台容量为60A（30A×2）高频DC/DC变换器模块。DC48V电源因某一回路短路故障，而造成模块保护停止输出的问题可能存在。理论上通过电流补偿可以获得足够大的短路电流，当某一回路发生短路故障时，此回路可以故障跳闸，DC48V电源输出不降低，不影响其他回路。

直流充电模块和DC/DC变换器模块，应通过对输出电流和环境温度综合考虑进行风扇调速控制。且实现本体和远程的启动停止操作，实现本体和远程的功能转换及参数设定与调整控制。所有馈出开关采用模块化设计能提供开关状态节点及开关故障信号接入馈出支路检测单元。配电池巡检仪完成蓄电池运行参数及温度的检测。

4 一体化电源系统智能监控

将站内的低压交流电源、直流电源、DC48V通信电源（DC/DC变换器模块）、UPS电源（逆变器），通过各对应的监控模块将它们以通信的方式连接起来。如图3所示。

平台的开发：在一体化电源的基础上，开发一体化智能监控器。相比常规电源，它有几方面优点：常规电源各套装置分别监视，监控后只采一些简单的信号，一体化监控器对全站电源进行集中监视，具备更强大的功能，它不仅能监视单套设备各个元件，还能监视整个交直流系统运行方式和工况，系统首次开发了站用电源的四遥功能和历史查询功能，不仅具备遥信、遥测功能，还首次开发站用电源遥调、遥控功能。监控功能的实现主要由以下几个方面：

（1）交流监控模块。

通过采集两路交流进线的AC380V电压及两路交流投入的状态，通过固定的出口控制两路交流电源的工作状态。实现了进线电源的自动控制。另外还可根据需要采集两路进线的电流，并计算出P、Q、S、SF 等电气量。

（2）直流监控模块。

负责对电池电压、充电模块输出的直流电压、控制母线的电压、电池电流、总负载电流的数据采集，还可以完成对降压硅链的控制。

（3）通用监测模块。

可采集交流馈出、直流馈出的空气开关的状态及温度等信号。该模块应配合其他的模块还能完成直流馈出支路绝缘检测功能。

（4）电池巡检仪模块。

完成一整套电池中单节电池的电压检测，及电池总电流、电池组所处环境的温度等的检测。

（5）UPS（或逆变电源）监控模块。

完成UPS（或逆变电源）的交流、直流及旁路的输入电压，输出交流电压输出电流及温度等的检测。

（6）总监控器。

将各个子系统所采集的信息收集起来，并将相关信息重新整合再通过以太网将信息发布出去，同时将遥调遥控命令下达给下面的各个子系统。对下层通过CAN通讯或RS485通讯与各个模块相连。对上层通过网口与水电站控制层以太网相连，传输协议执行DL/T860标准。另外有硬接点完成声光报警的功能。

5 一体化电源系统的优点

（1）整体标准化。

整个站用电源的设计只需要如下部分设计图纸组成：正面屏面布置图、背面屏面布置图、一次原理图及安装接线图等。使站用电源设计趋向标准化。另外各种型号的模块可提前标准化生产，供货时间大大缩短。

（2）统一的组屏生产。

一体化电源由一个厂家完成设备生产及现场安装调试、组屏紧凑，节省屏柜。装置内部连线统一由厂家配线或通过成套装置小母线连接，减少外部连接电缆，更方便运行维护。

（3）统一的管理。

实现了对全站电源集中管理后，由于一体化电源有强大的数据记录和历史查询功能，维护班组可以定期拷贝数据加以分析，所以维护管理更专业、更到位、也更方便。

（4）经济性对比。

一体化监视器、蓄电池组一体化、统一的组屏生产和统一的运行维护操作使得一体化电源方案比起传统的电源模式更加具有经济优势，大大节省了开支。保守估计在设备配置、安装、维护，以及人员开支等费用上可以节约几万到几十万元以上。

（5）下一步规划。

统一站用电源电压等级：全站只用220V或110 V，接入设备主动适应站用电源，如监控计算机可选择直流供电，通信电源采用220V电源。实现站用电源数字化，所有开关智能化、模块化设计将开关机传感器、智能电路板集成在一个机箱内，全部二次接线全部在机箱内完成，对外只有通信接口的设计模式。

6 结 语

水电站交直流一体化电源是对现有水电站站用电源设计和管理新模式的探讨，它符合结构合理、技术先进、运维方便的技术发展路线，现在应用的一体化电源还是一个初始的阶段，它在体系结构和深层次应用开发方面都还有很大的开拓空间，需要不断地探索和尝试。

1 余子勇.水电站电力通信系统DC-DC供电问题探讨[J].电力系统通信，2007，（6）；17-19.

2 刘希禹，通信供电系统的技术发展趋势[J].UPS应用，2010，（7）；25-31.

3 解放，王美君.浅析变电站交直流一体化电源系统[J].天津电力技术，2011，1.