变电站交换机电源配置优化

朱锐钦

摘 要：随着调控一体化的推进，变电站远程监视及控制技术的不断发展，站内对于网络通信的依赖程度也越来越高，而交换机作为构建网络通信构架的核心设备之一，也对其可靠性提出了更多、更高的要求，而作为交换机的生命之源——电源的可靠性显得尤为重要。变电站内有众多的交换机，有些交换机是使用交流电源供电，有些使用直流电源供电，本文将分析变电站内的主要电源：交流电源、交流不间断电源、直流电源，继而探讨变电站交换机电源配置优化。

关键词：交换机;电源;可靠性;网络通讯

变电站综自系统安全运行的条件之一是交换机运行正常，而可靠的电源则是保证变电站交换机稳定运行的必要条件。目前变电站一般会配置带自动切换的交流电源、交流不间断电源以及带大容量蓄电池的直流电源，但是却没有重视电源对交换机的影响。随意使用电源可能造成变电站综自系统的崩溃，在电力系统发生异常或故障时不能及时发现和处理，会造成更大的故障[1]。

因为没有使用稳定、可靠的电源，经常会出现通讯中断、信息不能及时到达的情况，主要有以下几种：1、变电站发生故障而导致电源消失时，因为没有使用可靠的电源，往往会使交换机断电，使得数据不能及时上送;2、一般的交流系统切换时是要先断电再给电，这样的冲击很可能造成交换机的损坏;3、电网在发生故障时，电压及频率都会有突变，而使用这样的电源，交换机很可能会烧坏;4、交流电源的电源线也可能会干扰交换机的运行。因此，为了确保交换机及综自系统的良好运行，必须配置稳定、可靠的电源[2]。本文将介绍一下现在变电站内直流电源，UPS电源供电原理及供电情况。从变电站内各电源的原理出发，分析各电源的優缺点，从而提出变电站交换机电源配置优化方法。

一、交流电源

交流电源是变电站内最基础的电源系统，直流系统的充电机、开关刀闸机构的电机、变压器的通风系统、变电站内的照明都是其供电的。站用变、低压开关、监控装置、仪表、自动切换装置、保护装置、测控装置、交流配电屏组成变电站交流电源系统[3]。

1.1工作原理

站用变将10kV或以上高压电变压为380V交流电，通过交流配电屏将交流电分配给站用交流负载，站内交流配电屏对站用变压器输出的380V交流电通断和分配，屏上主要部件有指示灯、电测仪表、馈线开关等。

目前变电站内交流电源系统一般采用ATS进行切换，ATS（ Automatic Transfer Switch） 是一种位置切换开关， 用于站用电源切换， 配置了电气闭锁及机械闭锁， 从根本上保证电源的安全可靠切换[4]。自动转换开关 （ATS）的基本原理是实时监测电源，当发现主供电源发生异常时，先断开主供电源，再合上备供电源， 继续供给负载。若主供电源恢复正常，先断开备供电源，再合上主供电源，恢复正常运行方式。以1ATS为例进行说明，正常运行时，#1站用变、#2站用变均正常运行，401甲、402甲进线断路器合上，1ATS打到401甲开关位置，380V 1M负荷由#1站用变供。若主供电源#1站用变故障或异常时，1ATS装置动作，断开401甲开关的连接，380V母线失电，然后转换至402甲开关，380V 1M负荷由#2站用变供。保证主供电源的断路器断开后，工作母线无电压，且备用电源电压正常的情况下，才投入备用电源是交流电压切换的基本条件。

二、交流不间断电源

变电站内有一部分使用交流电的生产设备功能重要，所以要求交流供电不能间断。但交流系统在电网故障时存在停电风险，这部分设备交流失电将导致变电站失去监控，如变电站内的交换机、后台监控机等。为了保证上述重要生产设备可靠运行，一种基于蓄电池储能原理的电力交流不间断电源（以下简称UPS电源）应运而生。含有整流器和逆变器，正常运行时交流输入经整流器变为直流电后再经逆变器变为标准正弦波输出，电网停电时可无间断地切换至蓄电池组供电[5]。

交流电源空开、直流电源空开、整流单元、逆变单元、控制器、旁路空开、输出空开组成了交流不间断电源装置[6]。电力交流不间断电源装置是在线式UPS，有以下特点：1、输入电压适应性强;2、电源切换切换无延时;3、输出电压精度高。

2.1工作原理

2.1.1正常运行时，整流单元将交流输入电源变成直流，然后逆变单元将直流变成交流，最后输出到负载。

2.1.2交流输入电源发生故障，瞬时变成蓄电池供电到逆变单元，交流输入电源恢复正常后，瞬时切换回交流电源经整流供电到逆变单元。

2.1.3若发生交流输入电源异常、直流电源输入异常、逆变单元损坏等异常状况，将在4ms内通过旁路开关变为旁路供电，恢复正常后，在4ms内切换正常供电方式。

三、直流电源

直流电源是变电站内最安全、可靠的的电源，保护装置、开关控制电源、测控装置、遥信、交流不间断系统等都是使用直流电源。交流配电单元、充电机、直流母线、蓄电池、直流馈线屏、监控装置、绝缘检测仪、降压硅链等组成直流电源系统[7]。目前变电站内都是配置双套直流系统，即充电机、蓄电池、直流母线均双套配置，中间使用母联开关连接在一起，当其中一套异常时，通过合上母联开关，可保证负荷不断电，变电站直流系统保证了站内保护设备及电力控制系统稳定、可靠。

3.1工作原理

正常运行时，从两段不同源的交流母线各取一路电源到交流配电单元，交流配电单元只输出其中一路到充电机，充电机将交流电源整流为直流，然后通过直流母线供给各设备使用，并对蓄电池进行浮充电[8]。当发生交流电源异常时，蓄电池直接输出值直流母线，从而保证设备不断电。蓄电池是通过化学形式储存大量电能，因为有蓄电池存在，直流电压波动小，适合对电源质量要求高的设备，蓄电池组作为站用交直流系统唯一的储能元件，在交流事故停电的时候为直流负载继续供电，是电力系统安全的最后一道防线。

四、电源配置分析

通过图4电站电源系统简图可以看出，变电站内正常运行时，所有电源都来自交流电源系统，容量大是交流电源最明显的优点，足以=给变电站内不同设备供电，但是其可靠性一般，1、在其中一个电源故障时，保证工作电源的断路器断开后，工作母线无电压，且备用电源电压正常的情况下，才投入备用电源是交流电压切换的基本条件，即电压切换时负荷会失电;2、由于交流系统电源来自站用变，即在全站停电时，交流没有后备电源可用。因此不能满足交换机的可靠性要求。利用站用变压器的220V交流直接对交换机供电，没有备用，一旦交流断电，自动化系统便陷于瘫痪。而站用变压器的输出电压普遍偏高，同时受站内一、二次设备产生的强磁场干扰，电压不稳定，波形指标差，同样也会影响交换机的正常运行。

为解决交流电源上述不足而生的交流不间断电源就没有这些问题，交流不间断电源将交流先整流到直流，同时从直流电源系统引入直流并接作为后备电源，再将直流逆变成交流。交流不间断电源在交流电源输入故障时可以实时切换至直流电源供电，因此不会出现负荷失电情况。并且还有输入电压允许范围宽，输出电源稳定、干净、可靠等优点。但是其缺点是交流不间断电源装置结构复杂，其本身容易发生故障，装置故障后，负荷也将会失电。

直流电源正常运行时将交流整流成直流，供给负荷。在交流电源故障时，直接使用并接在一起的蓄电池进行供电，所带负荷不会有失电过程。其结构简单，故障几率小，可靠性高。直流屏一般均采用阀控式密封蓄电池或免维护蓄电池，其可靠性高、寿命长。直流屏本身是电力系统的重要设备，有明确的维护规定，可靠性有保证。它容量大，电压稳定，因此可以充分利用它给交换机供电。

通过上述分析可知，直流电源和交流不间断电源的最后一道防线都是蓄电池，但是直流电源系统是蓄电池直接供电给负荷，相比交流不间断电源还要进行逆变这样的复杂结构更为可靠。直流电源是交换机电源最合理的选择。

四、结束语

变电站综自系统主要功能是收集站内遥测、遥信并对设备进行遥控，而这些功能的实现有赖于站内交换机组成的站内网络实现。后台及远动信息采集、保护动作信息上送、开关刀闸的控制、调度数据网、计量系统、调度发令系统、安自主站系统、保信系统均是依赖于变电站内交换机。对于关键性能指标：网络可靠性、传输时延、网络可用率有较高要求，变电站交换机电源配置将影响这些关键性能指标，因此需选择可靠性高、运行稳定的电源作为交换机电源。

参考文献

[1]丛培杰.一起110kV变电站远动通讯异常及处理[J].大众科技.2013，15（01）：60-62+6.

[2]張茜，张阳，罗志乔，代焕利.交换机技术在智能变电站自动化系统中的应用[J].硅谷.2014，7（02）：130+124.

[3]胡进栋，何峰.变电站站用备自投和双电源自动转换开关工作原理及切换试验研究[J].甘肃科技纵横.2019，48（03）：24-26+42.

[4]刘景久.自动转换开关（ATS）在变电站中的应用及投切问题[J].电子测试.2019，（23）：115-116.

[5]孙君.220kV变电站UPS电源系统改造实践[J].电力安全技术.2014，16（05）：33-36.

[6]闫晗.交流不间断电源UPS的维护及使用[J].科技创新导报.2014，11（32）：51.

[7]刘源俊，杜贵平，黎嘉健，雷雁雄，赖娜.变电站直流电源系统现状与展望[J].电源学报.2020，18（03）：86-94.

[8]李传东，赵兴永.变电站直流电源系统维护及故障诊断解析[J].电世界.2021，62（11）：6-9.