智能变电站交直流一体化电源系统分析

2020-08-19辛海松

通信电源技术 2020年10期

王飞，辛海松

（国网瑞盈电力科技（北京）有限公司，北京 100073）

0 引言

在变电站运行过程中，供电系统的运行效果直接影响供电的可靠性。目前，我国正在大力推行智能电网建设，一些互联网和自动化技术与设备开始广泛应用于变电站，促进了电源管理可靠性的提升。在智能变电站系统中，交直流一体电源设计越来越常见。与传统电源系统相比，它具有统一安装配置、统一监测控制、安全可靠以及节省投入等优势，因此对其进行研究具有积极意义。

1 我国传统变电站电源系统存在的问题以及智能变电站一体化电源应用的意义

1.1 传统变电站电源系统存在的问题

我国传统变电站电源系统主要包含交流系统、直流系统、UPS以及通信电源系统等部分，功能是为变电站内部的各类电气设备供电，与站内照明、温度控制以及换气等内容息息相关。在变电站运行过程中，各个部分的检修维护通常需要不同生产厂商的技术人员各自完成，存在许多不便，具体体现在以下几个方面[1]。首先，自动化水平低。不同厂商的设备普遍存在不兼容现象，缺乏系统性的分析手段，难以支撑进一步的改造升级。其次，人员流动密度过大。在传统电源系统下，不同部件的检修维护需要不同生产厂商的技术人员负责，难以实现统一调配，极大地影响了工作效率，同时还会导致变电站因人员频繁流动出现故障问题。再次，不同厂商对应设计符合各自功能的系统，大幅度提高了投资额度，经济性极低。最后，一旦系统某一部分出现问题，会对其他部分的正常运行产生影响，需要不同厂商协调解决，难度较高。

1.2 智能变电站交直流一体化电源系统应用的积极性与特点

与传统变电站的电源系统相比，智能变电站交直流一体化电源系统具有的优势主要体现在以下方面。第一，电源系统智能化水平高。智能变电站一体化电源系统实现了对直流电源充电核心部分的优化调整，促进了系统通电效率的提升，即使是在交流断电的情况下，也可以瞬间切换为直流的逆变，确保正常供电。相较而言，智能化系统的电源控制部分更加稳定，其中部分监控装备和系统控制设备均设置了双重控制开关，可以有效应对一些突发事件或紧急状况，确保某些装置出现故障时其他部分能够正常运转。第二，安全系数获得提升。智能变电系统具有极高的安全性，通过调整改进走线模式，隔断直流和交流控制，避免了电流间的相互冲撞。第三，管理控制更加科学合理。智能变电站基于信息共享平台，实现对直流电源、交流电源以及通信电源的一体化处理，同时取消了蓄电池和其他充电装置，极大地简化了装置管理。使用逆电器是直接在外部通过直流母线替代，可以有效应对一些突发事故。

智能变电站交直流一体化电源系统在运行中展现的特点包括以下几个方面。第一，一体化。外观以及内部结构的一体化设计，大幅减少了组屏数，使得电源系统的结构变得更加科学紧凑，为后期检修维护工作提供了巨大便利。第二，智能化和网络化效果提升。智能变电站采用的由多个子系统构成的电子信息系统，可以实现变电站管理功能的有效整合，为系统内部的自动化调控提供了有力支撑，确保了各项参数指标的正常。第三，安全系统完善。对于一个电源系统而言，安全系数是衡量其性能的重要指标。采用智能化系统的电源系统在运行中更加稳定，且管理人员可以通过系统平台对电源运行中出现的问题以及潜在的隐患进行分析，确保主系统的安全稳定运行。

2 智能变电站交直流一体化电源系统实例分析

以某220 kV变电站为例，基于系统化技术对交流、直流、逆变以及通信等部分进行整合，建构站用电源系统[2]，结构如图1所示。

图1 智能变电站结构图

智能变电站交直流一体化电源控制系统的设计需要以供电部分的集中管理为目标，基于网络通信模块将站内的直流、交流、逆变、通信、监控、调试以及维护等进行整合，建构数字化信息交互平台，实现全面的信息共享。

2.1 全站电源开关的智能模块化设计

基于模块化设计的思路，智能变电站的控制部分包含充电模块、交流进线及馈线、直流进线及馈线、降压模块、逆变电源以及蓄电池模块等部分[3]。在上述各个模块中需要设置独立的监控单元，共同构成一个智能化和一体化的网络系统，实现各个电源的统一管理和维护，并动态监督各部分的运行状况。其中，监控部分可以使用以太网，选择双绞线作为传输介质，选择IEC61850作为通信协议。在变电站电源开关控制方面，应该引入智能开关模块整合各类开关、传感器以及功能电路。本次智能变电站研究所选择的智能开关模块中，所有一次回路开关和二次回路开关均采用隔离措施，避免二者的监控功能出现相互干扰。图2为智能变电站交流进线屏柜的示意图，进线开关分别设置在3个屏柜中。

图2 进线屏柜

从图2可以看出，智能开关模块化设计能够支持进线开关和母线电压、电流等参数的实时监控，为统一控制提供依据。在这种模块化设计下，只需3个屏柜就可以实现对所有进线与母线的监测和控制。与传统普通变电站相比，它使用的资源更少，取得的效果更佳。以图2中的#1屏柜为例，通过1号电源监控模块对其进线开关和母线母联开关进行监控，相应的回路1中各个开关、传感器以及功能集成电路都装置也应统一布置到该屏柜中。其他两个屏柜的布置方式与此相同。

此外，馈线开关也应该采用集成的智能化模块设计思路，通过单个交流开关实现对多个开关的统一控制，以有效扩展开关柜的容量，减少占用馈线屏柜的数量，实现装置的简化，使管理工作变得更加规范和有条理。在普通变电站中，通常需要采用10个以上的屏柜[4]，占用空间大，给管理工作带来了不便。而采用提出的智能模块化设计方案，则可以将馈线屏柜的数量控制为4面，进线屏柜的数量控制为3面，大幅降低了资源消耗和空间占用。不仅如此，模块化设计还能够支持系统开关的远程控制以及进线、母线的动态监测，提高了变电站设备的维护水平。

2.2 站内照明、风机的智能化控制设计

普通变电站的照明设备供电采用人工控制开闭的方式[5]，因此需要设置值班人员，基于现场情况判断需要开启还是关闭。这种模式下，值班人员的主观因素会对工作质量产生极大影响。如果出现工作懈怠情况，很可能会造成资源的不合理消耗，增加站内负荷。视频监控的方式对拍摄环境有着特别要求，即使在夜间也必须保障持续照明，会带来能源浪费。针对以上问题，可以引入智能照明开关控制模块，设置传感器，并将其与监控设备、控制器以及照明设备开关进行互联和通信，基于监控情况实现对照明设备的有效控制，提高能源和照明设备的有效利用率。此外，手工控制的方式依旧需要保留，用于应对一些紧急状况。图3为照明设备智能控制模块流程图。

图3 照明设备智能控制模式

在风机和空调设备控制方面，智能化设计的思路与照明设备相同，通过传感器采集站内的温度和湿度参数，与控制器和风机设备进行连接，实现自动化控制。

2.3 电源一体化智能监控系统设计

智能变电站采用的交流直流电源系统的监控方案，是通过工作进线、备用线以及重要回路电动操作等实现断路器的远程断开和合闸操作，需要在进线部分安装CPU控制器，监控并记录装置的运行状况。图4为智能变电站一体化电源监控系统。

在上述系统中，各类常规开关、传感器以及微处理器等设备将安装在统一的开关柜中，实现信息采集和开关通断控制。在通信层需要设计上行下达的数据处理模式，以光纤双绞线为传输介质，提高馈线监测的有效性。此外，为了实现电源状态的共享，需要设计供电总监控模块，与其他通信模块进行连接。

2.4 系统性能测试

基于上述设计，建构智能变电站的交直流一体化电源系统。通过改造前后的对比可知，投入的总屏柜数量大幅减少，建筑面积和设备投资随之降低，预计成本降低幅度可达50%。

此外，系统提出的照明系统和监控系统互联模式，将变电站照明负荷的工作时间从每天8 h降低到每天3.6 h，负荷降低幅度20 kW。依据此标准，改造完成后的智能变电站相较于普通变电站，每年将节省3.2×104kW·h电量，经济价值为1.6万元。统一的模块化管理还可有效降低事故跳闸、电流泄露等故障发生的风险，解决了馈线检测盲点问题，实现了变电站电源设备维护管理水平的提升。