750 kV 变电站一体化电源设计研究

邵国帅，冯 科

（国家电力投资集团国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

1 背景分析

1.1 传统750 kV 变电站电源现状分析

吴雷雷提出传统站用电源包括4 个部分，分别是站用交流电源、站用直流电源、站用不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及站用通信电源[1]。但是，各子系统均独立设计，且来自不同的厂家，管理成本较高。传统分散式的站用电源分布方式存在的主要问题包括系统自动化程度低、站用电源经济性较差、全站安装和协调较困难以及维护不方便等。

1.2 站用一体化电源系统及其优势

一体化监控模块与各子系统监控模块之间进行通信，并采集各子系统信息，通过以太网口将信息上传至站内计算机的监控系统，从而实现一体化电源系统数据的采集和集中管理。卜银等提出的智能一体化监控装置可以实现就地监控功能，能够满足设计要求[2]。

站内一体化电源系统中，所有站用电源智能模块（由充电模块、交直流监控模块、逆变电源模块、智能交流进线以及馈线开关模块等组成）均通过通信方式将信息接入一体化电源总监控模块。总监控模块按照《变电站通信和网络》（IEC 61850—2004）标准，将智能模块通过以太网连接变电站计算机监控系统。一体化电源结构如图1 所示。

图1 一体化电源结构

与传统方案相比，该系统具有智能开关模块化、集中功能分散化、监控平台一体化以及建设站用一体化电源系统管理平台等优点。

2 750 kV 变电站一体化电源设计方案研究

2.1 交流电源子系统方案研究

750 kV 变电站交流站用电子系统系统采用三相四线制接线，由Ⅰ段交流进线柜、Ⅱ段交流进线柜、备用段交流进线柜以及馈电柜组成。#1 站用变压器接入Ⅰ段交流进线柜，#2 站外电源变压器接入Ⅱ段交流进线柜，#0 站外电源变压器接入备用段交流进线柜，备用段交流电源在Ⅰ段或者Ⅱ段交流母线失电后，通过备自投功能自动投切至Ⅰ段或者Ⅱ段交流母线，以保证交流系统的正常供电[3]。站用电容量选择结果如表1 所示。

表1 站用电容量选择结果

根据表1 数据，计算变压器容量为2 092 kVA，因此本工程选择容量为2 500 kVA 的站用变压器。

2.2 直流电源子系统

2.2.1 直流电源系统方案

直流电源系统主要用于为变电站各主要元件的控制、保护、自动装置、故障录波以及事故照明等负荷供电[4]。全站按照电压等级设置1 套直流系统，直流电源系统按“两蓄三充”配置，直流系统电压选用220 V。

2.2.2 直流系统设备选择

本工程蓄电池的容量如下。对于直流系统的2组220 V 蓄电池，每组蓄电池的容量为1 000 Ah，数量为每套104 只。直流系统的3 套充电装置的额定输出电流为240 A。

2.2.3 各阶段容量计算

假设Kk表示可靠系数，取Kk=1.4；Cc1～Cc5表示蓄电池各阶段的计算容量，Ah；Ijc表示经常电流，A。因系统采用三相四线制接线，将整体电流分为5 个节点，分别用I1、I2、I3、I4及I5表示，A[5]。根据通用设计典型方案，统计本站直流负荷，按设备功能分别统计负荷，站控层设备/监控系统负荷容量为7 700 W，保护设备负荷容量为9 600 W，智能组件负荷容量为4 750 W，网络设备负荷容量为6 950 W，一次设备控制信号负荷容量7 900 W，UPS 电源装置负荷容量为15 000 W，事故照明负荷容量为10 000 W，断路器集中调整负荷2 600 W，恢复断路器合闸负荷容量200 W，具体负荷统计、经常电流计算如表2 所示。

表2 直流负荷统计结果

如果用Kc1～Kcn表示各计算阶段中的容量换算系数，1/h；Ir、Cr、Kcr表示随机负荷相关参数。各阶段容量计算如下。

第一阶段容量计算，公式为

第二阶段容量计算，公式为

第三阶段容量计算，公式为

第四阶段容量计算，公式为

第五阶段容量计算，公式为

随机负荷容量计算，公式为

将随机负荷的容量Cr叠加除Cc1之外的Cc2～Cc5计算容量的任一阶段上，并与Cc1比较，即可得出最大值。

2.3 交流UPS

在750 kV 变电站中，交流UPS 系统是关键组成部分，用于确保关键设备和系统在主电源故障或中断时的电力供应。交流UPS 系统提供临时电源，保障变电站的连续和安全运行，直到备用电源（柴油发电机等）接管或电网恢复正常。交流UPS 系统对于维持变电站关键负载的连续供电至关重要，特别是对于控制系统、安全系统、通信系统以及其他基础设施。在750 kV 变电站的环境中，任何电源中断都可能导致重大的运行中断和安全风险发生。本方案UPS 系统容量为15 kVA。UPS 采用单母线接线方式，2 套UPS 母线之间设置联络开关。双套同时供电，各带一半主要负荷。2 套供电系统间相互独立，不作自动投切，当其中一套UPS 电源供电系统故障时，监控主系统仍保证能够正常运行。此外，在系统拓扑结构方面，交流UPS 系统采用双转换在线UPS 拓扑结构，确保电源质量和可靠性。该结构可以在电网故障时无缝切换到电池供电。考虑变电站的空间布局和电缆走线，设计了UPS 系统的具体安装位置。同时，为散热和维护的便利，设计适当的空气流通路径。此外，为保证UPS 系统正常运行，设计了辅助系统，主要包括冷却系统和监控系统。其中，冷却系统与UPS 系统热负荷更加相适，可以实时监测热负荷情况，当热负荷超出阈值时，冷却系统会立即启动，以降低系统热负荷，进而确保系统设备可以在最佳温度下持续运行，从而保证系统运行稳定性；监控系统则集成了UPS监控系统，实时监测UPS 的运行状态、电池状态和故障报警等，方便运维人员进行管理和维护。

3 结 论

文章提出一体化电源系统，并根据其特点基于750 kV 变电站进行分析。提出了现阶段具备可靠性、可行性、先进性以及经济性的一体化电源系统方案，包括系统的设计方案、系统的设备选择、充电装置类型和容量选择及每套系统的屏柜选择。同时，采用一体化电源系统和一体化监控模块，通过总线方式采集各子系统信息，并通过以太网口将信息上传至站内计算机监控系统，实现对一体化电源系统的数据采集和集中管理。对于交流电源子系统，可选择自动转换开关电器或智能断路器等实现多种供电切换方式，采用智能监测与控制设备，实现电气和机械双闭锁，提高了母线及负载端电源的可靠性。对于直流电源子系统，采用第四代高频开关电源充电模块和高新技术，大幅提高效率。