变电站站用电源系统的技术应用探究

刘秀华 张铁军 张新跃 刘新成 赵改

（许继集团有限公司，河南许昌 461000）

变电站站用电源系统的技术应用探究

刘秀华 张铁军 张新跃 刘新成 赵改

（许继集团有限公司，河南许昌 461000）

站用电源是变电站安全运行的基础，随着变电站综自化程度的越来越高以及大量无人值守站投运，相应提高站用电源整体的设计、运行、管理水平具有非常重要的意义。智能变电站采用一体化的电源系统，能够有效的实现网络通信、监控、系统联动等一体化的运作。具有智能化的管理和可靠的供电功能，已在供电系统当中得到了应用。

变电站 交直流一体化电源系统 技术应用 智能化管理

1　引言

变电站安全、可靠运行是站用电源系统的一个非常主要的环节，而站用电系统的可靠运行是保证变电站供电可靠性的重要因素，随着国家电网已经走向了智能化，大量无人值守站投入使用，提升站用电源整体的设计、运行、管理水平具有非常重要意义，近年来，高中压开关电器、综自系统在电力系统受到高度重视，变电站综合技术与智能化水平得到了极大的提升。然而，站用电源系统设计与产品创新却相对滞后，传统站用电的设计理念已难以适应新型变电站的发展需要。随着国家电网推进坚强智能电网的建设步伐，智能变电站已成为新一代变电站的发展需求。同时，给予DL/T 860（IEC61850）的智能变电站站用一体化电源系统营运而生，站用电源系统逐渐向统一的数字化、程序化、智能化的方向发展。

2　变电站传统站用电源现存问题分析

变电站站用电源分为交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、逆变电源、直流变换电源系统等，各系统采用分散设计、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。站用电源的分散设计与管理，这种模式运行下的各种电源系统存在诸多问题：

图1　一体化电源监控系统组成

（1）站用电源自动化程度不高。常规电源系统从设计的角度分析，交流电源、直流电源、交流不间断电源、逆变电源、直流变换电源相对独立，各系统通信规约一般不兼容，难以实现网络化管理，自动化程度低，缺乏统一的系统管理平台，制约了管理水平的提升。

（2）经济性较差。由不同子系统，站用电源资源不能综合 ，数据不能共享，造成了配置的重复，使一次投资显著增加。

（3）安装、服务协调较难。各个子系统的差异使安装、服务协调较难，站用电源一旦出现故障需要向多个厂家进行协调，造成沟通困难与效率低下。

（4）运行维护不方便。站用电源分配不同专业人员进行管理，人力资源不能总体调配，直流变换电源（DC/DC）、交流不间断电源（UPS）等不是变电站的巡检范围。可靠性得不到保障。

3　站用电一体化的的优势和特点

站用交直流一体化电源系统是指：将原来相对独立站用交流电源、直流电源、交流不间断电源、逆变电源、直流变换电源统一设计，具备智能化的技术融合和协调管理，通过统一监控、信息共享，将独立的各个子系统连接在一起，快速的实现交直流一体化电源系统智能性的自动发挥，系统内部能够进行自动化调控。

站用交直流一体化电源系统，它的优势和特点主要通过与传统站用电源的对比中得以呈现。它的特点主要表现在一下几个方面：

（1）站用电源网络化、智能化，一体化程度更高。各子系统实现模数化，交直流一体化电源系统使整个电源系统在使用中都是通过统一的信息手段进行设计和规划，交直流一体化电源设备能够自动进行电源采集、联动和状态检修，这样，变电站的现场操作方面度来说就有很大的提高，方便远程监控，能够做到无人值守，适应数字化变电站的发展要求。

（2）站用电源更加安全可靠一次、二次设备均采用成熟可靠技术，采用直流控制的电源装置，减少了电流冲击而引起的事故发生，使整个变电站的站用电系统的安全性大大提高。

（3）提高站用电源管理水平。由一家提供所有电源的设计、生产、安装、服务，一揽子解决所有站用电源问题，一家生产就可以完成设备生产及现场安装调试工作，只需要一家通信规约，省去各种规约的转换，装置内部的连线统一由厂家铜排及导线连接，减少了外部连接电缆，在安装和调试工作都方便了很多，提高电力电源的整体管理水平。

4　站用一体化电源的设计方案

交直流一体化电源系统采用模块化技术，将站用交流电源、直流电源、交流不间断电源UPS、直流变换电源等设备按一体化设计、一体化配置，各子系统实现模数化，在一体化电源设备这个统一的智能化网络平台上，对整个变电站站用电系统集中监控和统一管理，进而实现在线检测。其运行工况和信息数据能通过一体化监控装置转换为标准模型数据，以标准DL/T860（IEC61850）格式接入当地自动化系统的站控层交换机，并上传至远方控制中心。

以站用电源交直流一体化系统典型方案，说明设计站用电源的思想方法。

4.1站用交流电源

站用交流电源有自动转换开关ATS、进线塑壳开关、电流互感器、智能交流电源控制器、智能电量仪表、馈线断路器、开关量采集模块等组成。对站用交流进线的自动控制，可以实现电源智能切换、电量检测、辅助继电保护、馈线监测、通信等功能的电源分配和具有的保护功能，从根本上保证了电源的安全可靠切换。

（1）配置方案。站用交流电源的配置提供一下四种方案：1）一台自动转换开关设备，两路交流站用电源进线，单母线接线。适用于35kV及以下的变电站。2）两台自动转换开关设备，两路交流站用电源进线，两段单母线接线，适用于110kV及以上的变电站。3）两台自动转化开关设备，三路交流站用电源进线，两段单母线接线，适用于330kV及以上的变电站。4）五台智能开关设备，三路交流站用电源进线，两段单母线接线，适用于500kV及以上的输变电站。

（2）交流电源监控。交流电源监控用于实时监测交流进线和各交流配电单元的运行参数，并通过RS485接口传给交直流一体化监控统一处理。

4.2站用直流电源

直流电源对在站用交流电源正常和事故状态下都能保持可靠供电并供给发电厂、变电站内所有控制负荷和各类动力负荷的电源。直流电源系统有交流配电单元、充电模块、蓄电池组输入及其配电单元、电压调节单元、绝缘监测装置、电池巡检装置和直流电源监控模块等部分组成。

（1）配置方案。直流电源的配置提供以下四种方案：1）1组蓄电池、1套充电装置、单母线接线；适用于35kV及以下变电站。2）1组蓄电池、2套充电装置、单母线分段接线；适用于110kV的变电站。3）2组蓄电池、2套充电装置、单母线分段接线；适用于220kV变电站。4）2组蓄电池、3套充电装置、单母线分段、备用充电接线适用于500kV及以上的输变电工程。

（2）一体化特殊要求。直流电源是变电站的核心控制电源，其配置的蓄电池组作为一体化电源系统总的后备电源，在选择计算其容量时除统计直流控制负荷外，还应统计交流不间断电源UPS和逆变电源INV及直流变换电源的负荷容量，满足一体化电源系统的全部事故放电容量要求。

由于直流变换电源（DC/DC）由直流母线供电，因此直流变换电源的直流容量应叠加到直流电源系统的正常运行负荷中，其充电装置的容量选择计算应满足一体化电源系统的全部运行负荷和蓄电池充电要求。

（3）直流电源监控装置。直流电源监控装置是整个直流电源系统的控制和管理核心，主要对系统中各功能单元和蓄电池组运行工况进行长期自动监测，对蓄电池组进行动态管理为核心，获取系统中的各种运行参数和状态，根据测量数据及运行状态完成被监控设备的配置、操作、故障和异常工况的实施及状态显示，并依此为依据对直流电源系统进行控制实现电源系统的全自动智能化管理，通过通信口与一体化监控设备通信，实现远方对电源设备的监测与控制，以及集中维护管理。

（4）高频整流模块。直流电源的高频整流模块采用N+1并联冗余方式供电，即在N个充电模块满足电池组的充电电流和运行负荷电流的基础上，增加1个热备用充电模块。高频整流模块内置的监控板实时监测整流模块的运行参数，并通过RS485接口传送给直流电源监控装置，同时接收直流监控装置发来的各种控制命令。

（5）电池巡检装置。电池巡检装置用于在线实时监测电池组各单节电池的电压或内阻，并通过直流电源监控装置记录分析不同工况下单节电池的电压，及时发现异常电池，给蓄电池维护提供重要的参考依据，确保蓄电池组安全运行。电池巡检装置实时监测蓄电池组单节电池的运行参数，通过温度探头接口输入，实现对蓄电池环境温度或单体电池的表面温度检测，对蓄电池组进行温度补偿控制，并通过RS485接口传送直流电源监控装置，并同时接收监控装置发来的控制命令。

（6）绝缘监测装置。绝缘监测装置用于在线监测直流控制母线和馈电支路的绝缘状况，当某一点出现接地故障时，装置立刻发出告警信号，提醒运行人员查找并排除接地故障，从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力故障，能够实时监测交流窜入直流系统的故障，并记录故障时直流母线的电压波形，为故障排查提供依据，确定交流电窜入的支路，通过对两组直流系统正负极电压的波动情况及变化趋势来判断两组直流系统是否发生非正常的电气连接，并通过RS485接口传送给直流电源监控装置。

（7）母线调压装置。对于阀控铅酸蓄电池直流操作电源，充电装置对电池组的充电电压将超过直流控制母线允许的变化范围，在充电装置、蓄电池组与直流控制母线之间需要串联一个母线调压装置进线降压，把控制直流母线的电压稳定在规定的范围内。

4.3交流不间断电源

交流不间断电源（UPS）和逆变电源（INV）两类，其中的INV适用于“后备”运行模式，因此主要为变电站的事故照明等对电源的质量要求不高的负荷供电；而UPS适用于“在线”运行模式，主要为变电站的计算机监控等对电源质量要求很高的重要负荷供电。

4.3.1配置方案

变电站的事故照明负荷如果采用INV装置时，一般只配置1台即可满足要求，而UPS的配置提供以下3种方案：

（1）1台UPS装置，自带旁路，单母线接线适合110kV及以下的变电站。

（2）2台UPS装置，自带旁路，一主一备，单母接线。该方案适用于重要的110kV和220kV输变电工程。

（3）2台UPS装置，自带旁路，并列运行，单母分段，该方案使用于220kV以上变电站。

4.3.2一体化的特殊要求

（1）由于UPS和INV的直流输入取自直流电源系统的蓄电池组，而直流电源是一个接地系统，因此要求UPS和INV的直流输入应与交流输入和输出完全电气隔离，交流侧的任何故障均不能影响到直流控制母线电压。

（2）逆变器输出与负载要求采用工频变压器隔离，负载的任何扰动均不能直接作用于逆变器的开关器件，从而保证逆变器具有很高的可靠性。

（3）要求配置维修旁路开关，保证逆变电源在故障维修过程中系统能正常供电，并且要设置完善的防误操作措施，保证在任何运行状态下操作维护旁路开关时均不能造成输出失压和损坏电源设备。

（4）UPS和INV应具备通信接口，且与一体化集中监控装置连接为一体，实现对交流不停电系统的管理。

4.4DC/DC通信电源

DC/DC通信电源直接采用直流220V或110V电源输入，利用DC/DC代替原专业48V通信电源，它与直流电源的充电装置和蓄电池组相配合，为变电站的通信设备提供电源。DC/DC的各项性能指标满足通信电源技术标准，并满足电力控制电源技术标准的要求，为电站的交换机等通信设备提供可靠的直流工作电源。

4.4.1配置方案

DC/DC提供以下两种配置方案：

（1）1组DC/DC变换器、单母线接线；适合于110kV以下的变电站。

（2）2组DC/DC变换器、单母线接线，适合于110kV及以上的变电站工程。

（3）2组DC/DC变换器、两段单母线接线，适合于220kV及以上的变电站工程。

4.4.2一体化特殊要求

（1）由于通信电源屏时正极接地的系统，因此要求DC/DC变换器的直流输入与输出完全电气隔离，负载侧的任何故障均不能影响到直流控制母线，更不能造成直流控制母线接地。

（2）由于DC/DC变换器取消了蓄电池组，因此要求DC/DC变换器应具备一定的冲击负载能力。

（3）DC/DC变换器输出设置合理的馈线保护开关和过流保护单元，保证在负载回路发生过载或短路故障时，能可靠地分断故障回路的开关，避免造成通信电源输出电压跌落的事故。

（4）要求DC/DC变换器应具有通信接口，且与直流监控装置连接为一体，实现对通信电源系统的监控管理。

4.5配电单元

配电单元是将交流或直流电源通过负荷开关送至各用电设备馈线单元。配电单元的监控是采用通用的硬件方案，实时监测一体化电源系统各配电单元的运行状态，并通过RS485接口传送给电源系统的监控装置统一处理。

4.6一体化电源监控系统

4.6.1监控系统结构

一体化电源监控系统采用现场MODBUS总线为基础，远方以变电站自动化网络为基本网络平台的分层分布式系统结构。

一体化电源监控系统由三部分组成（如图1）。

（1）系统管理层：通过变电站监控系统的计算机和后台维护管理软件，实现对电源系统的一体化管理功能。

（2）现场监控层：通过一体化监控模块收集现场监控层各功能模块的采集数据，进行数据显示、分析判断和告警处理，并发出相应的控制命令；同时进行通信协议的转换，实现与远程监控计算机的数据通信，接收并下达上位机的命令。

（3）现场测控层：通过现场各智能设备的测控电路，实时采集一体化电源系统各功能单元的数据，并执行现场监控层的命令。

4.6.2一体化电源监控装置

一体化电源监控装置通过RS485串口对高频整流模块、电池巡检装置、绝缘监测装置、UPS和INV、DC/DC、智能电量仪表和开关量模块等智能设备的实施数据采集，并进行显示；根据系统的各种设置数据进行报警处理、历史数据管理等；同时能对这些处理的结果加以判断，根据不同的情况实行站用电和电池管理，输出控制等操作；最后，通过以太网接口，将系统运行状态、主要数据等信息通过DL/T680（IEC61850规约与变电站的中和自动化系统连接，实现一体化电源系统的“四遥”功能。

5　应用实例

由许继电源有限公司研发的智能型变电站用PYD10型智能一体化电源系统已经在全国各地110kV、220kV及500kV变电站投入运行，运行效果良好，该系统通过智能变电站站用电源一体化设计和组屏生产，对传统站用电源进行了资源和结构的优化，并开发了一体化智能变电站监控管理平台，实现了系统的协调联通、远程控制等功能，对提高站用电源整体运行管理水平都取得了良好的效果。

6　结语

交直流一体化电源系统立足于站用电源系统技术研究，是对现有变电站站用电源设计和管理新模式的发展，它符合结构合理，技术先进，运行方便的技术发展路线。近几年，随着数字化变电站县级建设投产及全国智能变电站项目的建设，一体化电源系统正在逐渐替代传统变电站站用电源建设及管理的模式，其技术先进，维护方便，运行安全可靠，具有重要的现实意义。

［1］王炳林.变电站交直流一体化电源系统的设计与应用.冶金动力，2012，09.

［2］白忠敏.电力工程直流系统设计手册.中国电力出版社.

［3］DL/T 1074-2007电力用直流和交流一体化不间断电源设备.