分布式与集中式直流系统在变电站的应用研究

周贤培

摘 要：随着变电站设备智能化程度的不断提升，modbus通讯、光纤通讯的广泛应用，电力电子技术的发展，使变电站功能模块化设计成为可能。分布式模块化设计是变电站智能化设计、提高系统生产运维效率、降低运维成本的一个有效方式，分布式设计变电站将是变电站发展的一大趋势。文章就变电站直流电源系统方案中的传统集中式与分布式设计从系统方案、直流系统绝缘、级差配合、运行维护角度对比分析，探讨两者优缺点，给设计人员提供更多的方案参考。

关键词：分布式直流；集中式直流；运行维护；级差配合

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0167-04

Abstract： With the increasing intelligence of substation equipment， the wide application of Modbus communication and optical fiber communication， and the development of power electronics technology， the functional modularization design of substation becomes possible. Distributed modular design is an effective way to intelligently design substation， improve the efficiency of system operation and maintenance， and reduce the cost of operation and maintenance. Distributed design of substation will be a major trend of substation development. This paper compares and analyzes the traditional centralized and distributed design of DC （direct current） power supply system in substation from the aspects of system scheme， DC system insulation， differential coordination， operation and maintenance， and discusses their advantages and disadvantages， to provide designers with more project reference.

Keywords： distributed DC （direct current）； centralized DC； operation and maintenance； differential matching

引言

直流電源作为变电站供电的最后一道保障，在其他设备发生故障时承担着提供保护动作电源的作用。随着智能变电站的大规模使用，更多智能测控、保护装置采用直流电源系统供电，使得直流电源系统愈加重要。

直流电源系统正常情况下，只承担较小的变电站常用负荷、蓄电池组长期处于浮充电状态，系统仅监控蓄电池组的端电压、电流，无法真实的监测蓄电池组的性能状态。为了保证蓄电池组性能状态满足变电站安全运行要求，必须由维护人员每年对蓄电池组进行人工全容量核容试验，确保蓄电池组容量不低于额定容量的80%。但通过对众多变电站事故分析发现，即使每年定期维护，在出现交流失电、设备故障或短路瞬间，事故负荷、随机负荷突然骤增，会出现蓄电池容量不够、蓄电池开路等问题，致使直流电源系统无法为足够大的后备电流提供保护开关、继电保护设备控制与动作，故障无法从系统切除造成事故不断扩大。

1 方案简介

1.1 传统串联型直流电源系统

串联型直流系统由交流进线切换单元、蓄电池组、高频开关电源模块（下文简称：充电模块）、调压硅链（选配）、监控系统、馈线开关、绝缘检测仪等部分构成。充电模块将交流电源变换为110V或220V直流电源，蓄电池组与充电机组并联在直流母线上，通过馈线开关分配至各直流负荷，系统构成原理简图如图1。

串联式直流电源系统方案特点：

（1）多个支持热插拔的充电模块并联输出为变电站常用负荷供电及蓄电池进行均浮充充电，确保蓄电池始终处于满容量状态，以保证蓄电池组的后备时间。

（2）9、18、54、108只蓄电池串联以取得系统所需直流110V或220V电压，满足变电站直流负荷电压等级需要。 （3）蓄电池放置区需配置恒温空调，确保蓄电池环境温度恒定在25℃左右。

（4）充馈线柜、蓄电池组集中放置于变电站控制室中，通过大量电缆将直流电能分别输送至各直流负载。

（5）为了保证系统正常工作、蓄电池容量满足要求，除了每年定期系统巡检外，需对蓄电池进行定期容量核对性放电试验，如蓄电池容量低于额定容量80%，必须对蓄电池进行整组更换。

1.2 分布式直流电源系统

变电站直流负荷较为分散却集中在几个主要区域，以某典型110kV智能变电站为例，直流负荷主要集中分布于110kV GIS设备室、35kV开关室、10kV开关室、控制室四区域。

分布式直流电源系统主要由并联电源模块、单只12V蓄电池、监控系统、绝缘检测仪、馈线开关等部分构成。分布式直流电源系统采用并联电池模块，通过将单只12V蓄电池电压升至直流110V或220V实现蓄电池的间接并联使用。根据各区域负荷情况，单独设计一套子直流系统，各子系统与控制室的总监控实时通讯，实现直流系统的分布式设计。分布式直流系统电气原理图如图2所示。

分布式直流电源较传统直流电源具有如下特点：

（1）直流电源就近布置，减少直流馈线电缆的使用，极大地减少变电站直流电源系统电缆的一次投资。

（2）将控制室至各设备室的直流供电变为交流供电，减少了直流馈线电缆的使用量，降低发生绝缘故障的可能性，提高变电站供电的可靠性。

（3）蓄电池独立使用，通过并联电源模块并联，各蓄电池之间无直接的联系。系统可以实现不同品牌、不同类型、新旧。蓄电池的混合使用，提高蓄电池的使用效率，减少铅酸蓄电池带来的环境污染。

（4）系统中蓄电池之间相互独立，可由模块自身对蓄电池进行在线自动全容量核容，减少系统维护工作量，降低系统维护费用。定期的容量核对性放电实验，提高直流系统供电的可靠度。

（5）部分设备区无空调调节蓄电池环境温度，需单独配置机柜空调，确保蓄电池环境温度恒定在25℃左右。

2 直流系统绝缘

2.1 直流系统主要绝缘故障

直流系统绝缘主要发生在直流馈线电缆、系统直流母线、蓄电池组。各类绝缘下降原因主要是铜排、电缆与大地发生电气连接；因蓄电池鼓包漏液造成直流母线与机柜发生短接使得绝缘下降。直流母线、蓄电池绝缘下降表现明显，问题原因容易查找，绝缘降低故障的主要难点在于支路馈线绝缘降低点的定位。

2.2 集中式直流系统

集中式直流系统，110kV及以下变电站馈线柜集中安装于控制室，通过直流馈线电缆引至各直流设备或设备室。变电站部分直流馈线电缆较长的达50余米，电缆长期处于电缆沟内，因受潮、老化、鼠咬的影响，外部绝缘层破损致使绝缘度降低。现有直流系统绝缘装置仅能检测直流母线绝缘、支路绝缘、支路选线，无法定位具体绝缘下降点，需根据绝缘检测仪告警信息对电缆沟内众多电缆逐段查找故障点。

即直流系统的直流馈线电缆越多，出现系统绝缘降低的风险也就越大，故障处理的难度也越大。因此，直流系统馈线绝缘故障，一直是直流系统维护人员最头疼的故障问题。

2.3 分布式直流电源系统

直流系统分布式布置就近布置于各设备室，减少直流电缆的使用量，降低一次建设成本及绝缘问题对系统运行的影响。表1为某110kV智能电站分布式直流系统与传统集中式直流系统两种方式下直流馈线电缆长度明细表。

表1。

通过上表1计算可知分布式直流电源系统方案可使电缆使用量减少10.1%，其中直流馈线电缆减少38.4%，可有效的降低直流绝缘下降对直流系统运行可靠性的影响，减少直流系统的整体维护工作量。

3 级差配合

极差配合是直流系统中对上下级开关分断电流进行配合选择，实现故障发生时在故障端开关跳闸，而不是出现越级跳闸使故障扩大，这是目前解决直流系统故障隔离的最有效的方案，是直流系统是否可靠运行的关键，级差配合情况一直是直流系统验收的关键项目。

3.1 集中式直流系统

图3为集中式直流系统级差配合，主要有蓄电池熔断器、直流馈线开关、直流小母线开关等三级，部门大型项目还有直流分屏共有四級开关配合，根据DL/T 5044-2014标准要求，上下级需要有2～4级的极差配合。过多的级数，致使蓄电池出口端额定电流值过大，尤其在小容量直流系统，蓄电池组可提供冲击电较小，故障无法从系统上切除，造成事故扩大。

3.2 分布式方案

图4为分布式直流系统级差配合网络图，对比图3其中消除蓄电池至直流母线熔断器，将原来三级级差配合减少为两级级差配合的计算。简化了系统设计，提高系统故障隔离的可靠性。

4 运维

4.1 定期蓄电池核容

根据国家电网公司、南方电网公司对直流系统运行要求，蓄电池组前四年每两年试验一次，四年后每年进行一次全容量放电核容试验，如核容发现蓄电池容量低于80%，需再次进行一次全容量放电核容试验。最终蓄电池容量低于80%，必须立即安排对蓄电池组进行更换。目前主要现场运行的主要由是一组蓄电池、一组充电机构成的直流系统，故对该类系统进行对比。

（1）常规直流系统中蓄电池组直接并联于直流母线，为了保证系统有后备电源，试验前必须接入替换蓄电池组，再将离线蓄电池组外接负载，以恒定电流放电。核容过程中需每隔一个小时记录一组放电电流、蓄电池单体电压，整个过程需要两人两个工作日。

（2）分布式直流电源系统，每三个月启动程序以变电站常用负荷为负载逐个模块进行全容量。监控系统记录充放电过程中蓄电池的电流、电压、时间，从而计算出蓄电池真实容量，整个过程无需人工干预，核容全部数据上传后台，并支持U盘导出。

4.2 蓄电池利用率

（1）常规直流系统中蓄电池组串联使用，单只蓄电池影响整组蓄电池的性能状态，如单只蓄电池损坏仅更换损坏蓄电池，整组蓄电池无法均衡充电，造成旧电池出现过充，加速蓄电池损坏，且较高电压过充可能使蓄电池发生爆炸的安全隐患，故电力系统规定严禁蓄电池组混合使用，但一只蓄电池损坏，需对蓄电池组全组进行更换。

（2）分布式直流电源系统突破蓄电池的使用方式，蓄电池之间相互独立，蓄电池组之间不再相互影响，仅更换