变电站站用交流电源系统设计分析

曹 坡，王二伟，任成伟，胡克萍，于 艳，黄超杰（国网阜阳供电公司，安徽 阜阳 236000）

1 变电站站用交流电源现状

1.1 站用电源

330～750 kW变电站站用电源应从不同主变低压侧分别引接1回容量相同、互为备用的工作电源，从站外引接1回可靠站用备用电源，每回站用电源的容量应满足全站计算负荷用电需求，站内应急电源可采用快速自启动柴油发电机组[1-3]。为满足以上要求，该站分别从#3主变低压侧引接1回电压为35 kV、容量为1 000 kVA可互为备用的站用变，从站外引接1回电压为10 kV、容量为1 000 kVA的站用变作照明备用。此外，还配置了1台可快速自启动的柴油发电机组作为应急电源。该站用交流一次接线原理如图1所示。

图1 变电站站用交流一次接线原理

1.2 站用交流电源系统接线方式

站用电低压系统的额定电压为380/220 V，采用三相四线制中性点直接接地方式。系统接地点即相应的站用变中性点，同时就地单点接地。站用电母线采用按工作变划分的单母线接线，两段工作母线间不设自动投入装置。当任一台工作变失电退出时，备用变经其平时处于空充状态的380 V 0MI段通过＃1ATS400甲自动快速切换至失电的工作母线段继续供电。

1.3 变电站由交流系统供电

电力负荷主要通过中央变电站的交流配电盘直接分配，适用于主冷却电源、系统电源以及现场高压电源。母线之间没有自动输入装置，但设有一个离合器开关。

2 变电站站用交流电源系统设计分析

2.1 重启分类

使用“主馈线+分配器”模型，名义电流为400 A或更高。电源开关直接连接到380 V总线，每个总线设置3～4个主馈线[4]。断路器机构箱、刀闸机构箱、端子箱、主变风冷控制箱以及有载调压机构箱等影响设备运行的辅助电源分类拆解，基于分散布置、同时停电概率最小原则，平均分配至其他主馈线开关。

2.2 代替大电流

将原不具备四段保护功能的电流空开全部更换为具备四段保护功能的空开，同时加装中性线电流互感器与其配合，使得分馈线开关与主馈线开关、主馈线开关与变低进线开关、变低进线开关与站用变保护间的相间接地故障保护均能实现级差配合，大大降低站用交流电源系统母线失压风险[5]。

2.3 定义自动更改和锁定的顺序

通过向自动转换开关（Automatic Transfer Switching，ATS）控制器重新灌注程序，将其改造为只能由备用母线向工作母线备投的模式。由于站变低压侧零序电流取自站变低压侧中性点零序，因此站变变低零序保护动作时，故障点可能在站变内，也可能在站变外。如果是站变内故障，则在变低工作母线失压时就不应闭锁ATS自投；如果是站变外故障，尤其在变低工作母线故障时就应闭锁ATS自投[6]。鉴于该站的站变变低出线套管至变低进线空开之间采用封闭母线形式，故障概率很小，且站变低压侧零序电流保护与变低进线空开零序保护已做了级差配合，为了确保不出现ATS误投于故障母线导致系统屡屡发生全站交流失压现象，本次改造采用站变变低零序保护和变低进线空开保护同时闭锁ATS自投的保守模式。具体的执行方法是通过与空间站不同的特殊接触，利用另一种保护出口保护ATS。

2.4 站用交流电源系统改造实施

2.4.1 接地故障保护调试要点

本次改造实施中，由于所有新增和更换的400 A及以上空开均增加了接地故障保护功能，因此调试其接地故障保护功能十分关键。以380 V 1M母线上某400 A及以上大电流空开为例，正确接线如图2所示。

图2 空开接地故障保护调试接线

需特别指出的是，零序CT以大地为正极性，其接入测试回路时P1端连接更靠近站用变中性点侧的380 V 1M母线N相，而不是400 A及以上空开新增馈出小母线N相。

2.4.2 涉环网空开配合操作要点

为了确保供电可靠性，500 kW变电站一般对高压场地内的动力电源采取环网供电方式。对于环网供电回路，现场运行人员配合操作时需注意以下问题。一是不能将两段不同源交流回路并列，建议将环网点设置在中央配电室的馈线屏且张贴本空开常合（常断）、对侧空开常断（常合）标签；二是进行电缆更换、空开加装等施工作业前必须将可能来电的两个方向的电源从前一级空开处断开。以高压场地环网空开为例，如图3所示。

图3 高压场地环网空开示例

3 交直流一体化电源系统技术体系

3.1 主要电气参数

经过对用电需求进行统计分析后，确定主变压器采用三相两绕组变压器。根据短路阻抗和预计的最大短路电流，选择JL/G1A-630/45型钢芯铝绞线作为母线材料。

3.2 电气总平面布置

结合当地的地理位置及周边环境条件，经过规模调整和优化设计后，从以下几方面入手对电气总平面进行布置。配电装置布置在站区东侧，并向东架空出线；将电容器组及个股接地变消弧装置布置在站区南侧；配电室、二次设备室及辅助构成的联合建筑采用单层设计，布置在站区西侧。

3.3 继电保护配置设计

在该电源系统线路配置方面，出于实用性的考虑，仅采用距离保护模式。光纤差动保护方式作为预留方式，为后期可能的扩建工作做准备。同时，线路保护的数据采集方式为SV报文和GOOSE报文，均以点对点的方式进行通信传输。

该电源系统的继电保护线路采用分段保护配置方案。为满足“直采直跳”的要求，使用保护测控集成装置，该装置安装于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）智能控制柜当中。在此基础上，为了确保智能变电站的网络信息透明，采用全站系统配置文件（Substation Configuration Description，SCD）来分析二次虚拟回路方面的内容，得到的数据信息相对更为直观可靠，从而实现高效的运行和检修工作。在该环节的工作中，涉及到SCD配置文件的可视化处理。通过相关计算机软件对SCD配置文件进行解析，以明确集成驱动器电子（Integrated Drive Electronics，IDE）装置的分布情况以及各个IDE基点的具体数据信息和连接关系，从而形成各个IDE装置之间的回路连接图，最终达到可视化的目的。同时，为实现更为直观的信息呈现，IED装置信息图中的各个界面信息均整合为一个图形界面予以显示[7,8]。

3.4 交流站电源的选择

交流站用电源采用380/220 V中性点接地系统，以单母线接线方式进行连接。站用变容量设定为200 kVA，同时接入380 V母线，互为热备用。

3.5 直流站电源的选择

在本次电源系统设计中，直流站采用220 V直流电源，对智能变电站中的监控系统、保护系统中的电气设备进行辐射式供电。直流站电源中的蓄电池组采用浮充电方式运行，总容量为200 Ah。充电装置则由高频开关整流模块承担，按照“N+1”的理念进行配置，共计为4组装置，每组装置最大允许电流为20 A。同时，该直流站电源的母线上配备高度绝缘的实时监测装置，当装置探测到线路出现接地故障后，立即发出报警信号。

3.6 智能辅助系统配置

选用单套监控平台，该平台又可细分为视频监控、门禁、灯光智能控制等模块，主要作为安全配置，避免无关人员操作相关电气设备而引发安全问题。

4 智能电源系统的安全管理

4.1 安全资格全局管控

安全资格全局管控是指利用人脸识别、资质识别等智能技术对人员作业资质、违章记录、技能资格等通过资料库比对进行识别，对进入场地的人员进行全网管控。在人员进站时，通过视频采集和资质库识别作业人员资质，判断其是否具有进站资质，并自动形成进站记录。同时，根据智能技术实际应用情况，发放人员标识电子标签，通过电子标签进行安全检查。此外，在作业过程中，视频镜头可随时采集作业人员信息，一旦出现安全资格异常的情况，将形成告警并冻结对应的工作票，待异常处理后开放工作票作业权限。

4.2 安全措施部署检查

安全措施部署检查是指远程布置锁具、门禁、电子围栏等，利用安全隔离闭锁等技术对作业过程、作业区域、设备箱体以及工器具等进行智能隔离布防，采用视频采集和图像识别技术结合智能操作和变电站信息模型相关内容，实现安全措施部署状态的多元判据检查，实现安全措施实时在线并内嵌至工作过程。

4.3 行为模式在线监控

首先，进入工作区域前，通过视频采集和图像识别算法判断作业人员安全帽、工作服和安全带的佩戴是否符合要求。其次，在作业过程中通过视频采集和行为识别算法形成第一独立判据，以信息系统中设备运行状态形成第二独立判据。将双判据与工作票比对，判断作业过程中是否存在擅自变更设备检修状态的行为。最后，通过视频采集和图像识别算法获取作业人员位置信息，结合视频镜头设置的电子围栏判断作业人员是否在非工作区域停留或作业。对于箱体式设备，以智能锁具的使用对象和开放权限为第一判据，以视频采集和图像识别算法为第二判据，综合判断作业人员是否在非工作区域停留或作业。

5 结 语

站用交流系统是保障变电站安全运行的重要内容，其能否可靠运行关系到整个电网的稳定性。结合变电站站用交流系统运行现状和改造实施过程，通过采取相关措施降低站用交流系统母线电压全失风险。在今后的工作中，相关研究人员应当进一步对其深入研究，及时解决工作中出现的相关问题，不断提高智能变电站交直流一体化电源系统应用水平，从而推动我国电力领域的长久发展。