變電站高頻開(kāi)關(guān)整流模塊熱備份的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

辛永生 張 震 樊 榮 張 瑩

（國(guó)網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

變電站高頻開(kāi)關(guān)整流模塊熱備份的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

辛永生 張 震 樊 榮 張 瑩

（國(guó)網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

由于高頻開(kāi)關(guān)整流模塊體積小重量輕、效率高噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)充電裝置。充電裝置通過(guò)多個(gè)整流模塊并聯(lián)，為蓄電池充電以及直流負(fù)載供電。正常運(yùn)行時(shí)，由于充電裝置負(fù)載率低，無(wú)法使各整流模塊運(yùn)行在較高的效率區(qū)間。本文分析數(shù)字高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊的原理和結(jié)構(gòu)，針對(duì)PLC控制的直流系統(tǒng)，提出了一種整流模塊熱備份方式。該方式下PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各整流模塊狀態(tài)，根據(jù)負(fù)荷情況起停模塊數(shù)。在保證直流系統(tǒng)供電安全可靠前提下可以提高充電裝置效率，延長(zhǎng)模塊使用壽命?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該整流模塊熱備份方式實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

高頻開(kāi)關(guān)整流模塊；效率；PLC；熱備份

變電站直流系統(tǒng)主要由交流輸入及切換單元、充電裝置、蓄電池組、直流回路及饋線(xiàn)、絕緣監(jiān)測(cè)、調(diào)壓裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)等幾部分組成，為站內(nèi)控制系統(tǒng)、繼電保護(hù)、信號(hào)裝置、自動(dòng)裝置及事故照明提供可靠的電源，在事故情況下通過(guò)蓄電池保證持續(xù)供電，對(duì)變電站安全運(yùn)行至關(guān)重要。直流系統(tǒng)中充電裝置作為重要的一部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最基本的AC/DC功能。直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，出于對(duì)系統(tǒng)安全可靠性，后期擴(kuò)容的考慮，整流模塊額定電流按滿(mǎn)足蓄電池均衡充電和經(jīng)常性負(fù)荷的要求選取，而正常運(yùn)行中充電裝置大部分時(shí)間處于浮充狀態(tài)，實(shí)際負(fù)載率較低，工作在效率較低的區(qū)間。艾默生公司在通信電源應(yīng)用中，提出一種節(jié)能休眠技術(shù)，控制實(shí)際工作的整流模塊容量，從而使電源系統(tǒng)接近最佳效率點(diǎn)運(yùn)行，降低系統(tǒng)能耗。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信高頻開(kāi)關(guān)電源并有成熟的配套監(jiān)控系統(tǒng)。然而，電力行業(yè)鮮有該技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐。本文主要分析數(shù)字整流模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)基于西門(mén)子S7-200型PLC與觸摸屏構(gòu)成的直流控制系統(tǒng)，提出一種整流模塊熱備份的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)冗余整流模塊智能的休眠控制。

1 變電站直流系統(tǒng)配置及弊端

“兩電兩充”接線(xiàn)方式是由兩組蓄電池配置兩套充電裝置，每組蓄電池及其充電裝置分別接入相應(yīng)的母線(xiàn)段，兩組蓄電池的直流電源系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足在正常運(yùn)行中兩段母線(xiàn)切換時(shí)不中斷供電的要求[1]。某220kV乙變電站直流系統(tǒng)情況如下。

系統(tǒng)配置二組額定容量為300Ah的免維護(hù)鉛酸蓄電池和兩套充電裝置，每套充電裝置由四臺(tái)220V/20A整流模塊并聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，每段饋線(xiàn)負(fù)荷約在10A左右，蓄電池浮充電流約為0.3A左右。

正常方式下，存在以下弊端：

1）正常運(yùn)行時(shí)充電裝置所有整流模塊全部起動(dòng)，整組設(shè)備負(fù)載率不到15%，模塊自身?yè)p耗所占的比重大，導(dǎo)致充電裝置的效率較低。

2）負(fù)荷電流較小時(shí)，整流模塊的均流性能較差，有模塊帶全部負(fù)載運(yùn)行，有模塊空載運(yùn)行，影響整流模塊的使用壽命。

3）整流模塊與控制系統(tǒng)沒(méi)有通信接口。當(dāng)一臺(tái)模塊損壞時(shí)報(bào)模塊故障總告警，無(wú)法自動(dòng)切換故障模塊，遇見(jiàn)緊急情況時(shí)系統(tǒng)切除整組模塊的交流電源，由蓄電池組來(lái)帶全站負(fù)荷。假如蓄電池組運(yùn)行年限長(zhǎng)，蓄電池組容量低，難于滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。

4）無(wú)法對(duì)整流模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整流模塊故障后才能通過(guò)直流監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)，無(wú)法提前預(yù)警，電源可靠性較低。

2 數(shù)字整流模塊原理

高頻開(kāi)關(guān)電源與傳統(tǒng)相控電源相比，具有明顯的優(yōu)越性能。開(kāi)關(guān)電源由交-直-交-直電路構(gòu)成，電路內(nèi)部采用工作頻率較高的交流部分，大大減小了變壓器和濾波器的體積和重量。除此之外，頻率的提高有利于控制性能的提高。因此，在數(shù)百千瓦以下功率范圍內(nèi)，高頻開(kāi)關(guān)電源逐步取代了了相控電源[2]。變電站充電裝置大部分采用高頻開(kāi)關(guān)電源，許多廠(chǎng)家提供的設(shè)備具備通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

圖1所示為一種數(shù)字整流模塊的原理圖。模塊主要包含輸入電路、功率變換電路、輸出電路。其中輸入電路主要包含 EMI、APFC和整流電路，功率變換電路主要包含逆變電路、高頻變壓電路，輸出電路包括輸出整流、濾波和輸出EMI電路。整流模塊中 DC/AC逆變和高頻變電器電路為核心電路部分，逆變電路采用全控型功率開(kāi)關(guān)器件，如GTR、MOSFET、IGBT等，并可以選擇不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路等。控制電路主要有PWM控制電路、均流電路、保護(hù)電路、輔助電源電路等。PWM控制電路決定開(kāi)關(guān)電源的工作模式，通過(guò)產(chǎn)生兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件工作，通過(guò)脈沖寬度來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)能量傳遞的大小。整流模塊的控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，具有較好的限流作用，響應(yīng)速度較快，外環(huán)是電壓控制環(huán)，保證直流輸出電壓的穩(wěn)定[3]。

整個(gè)充電模塊在自身控制系統(tǒng) MCU的監(jiān)控下工作，可以實(shí)現(xiàn)模塊的保護(hù)及告警、電壓調(diào)整、模塊均流、參數(shù)設(shè)置等。多臺(tái)整流模塊與 PLC通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行通信，采用異步串行傳輸方式，將整流模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到PLC并接收相關(guān)控制命令。

圖1 整流模塊原理結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)字整流模塊熱備份的實(shí)現(xiàn)

文獻(xiàn)[4]對(duì)基于 PLC控制的直流監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行論述，通過(guò) S7-200型PLC及擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的模擬量、開(kāi)關(guān)量采集、數(shù)據(jù)分析、充電控制和故障處理。由于整流模塊不具備與PLC的直接通信功能，系統(tǒng)根據(jù)PID調(diào)節(jié)控制理論，由PLC擴(kuò)展模塊 EM-235輸出電壓量對(duì)整流模塊進(jìn)行控制。本文中充電裝置選用數(shù)字整流模塊，與PLC直接通信，對(duì)監(jiān)控程序整體優(yōu)化、升級(jí)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)整流模塊熱備份方式，提高充電裝置效率。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖2為變電站直流系統(tǒng)原理圖，西門(mén)子S7-200型PLC與人機(jī)界面構(gòu)成直流監(jiān)控系統(tǒng)，采集、處理系統(tǒng)各部分的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)管理和電池管理的要求進(jìn)行各種控制、顯示和記錄系統(tǒng)的故障信息并完成與綜自后臺(tái)的通信。其中，S7-200有兩路RCS-485接口，一路接口與8臺(tái)數(shù)字高頻整流模塊通信，構(gòu)成485總線(xiàn)，采用Modbus RTU規(guī)約，校驗(yàn)計(jì)算程序在S7-200中編程[5]。PLC是主站，整流模塊是從站，PLC可以隨時(shí)讀取整流模塊的狀態(tài)（保護(hù)、故障燈信號(hào)）和實(shí)時(shí)電壓、電流，并控制充電模塊的開(kāi)/關(guān)機(jī)，均/浮充轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓、限流百分值等。另一路接口與觸摸屏通信，采用Modbus RTU規(guī)約。觸摸屏顯示直流系統(tǒng)的各種信息，如整流系統(tǒng)、蓄電池、控制母線(xiàn)電壓、電流參數(shù)，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息、故障情況等，并可設(shè)置系統(tǒng)各參數(shù)，檢測(cè)直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

觸摸屏通過(guò)RS485通信接口與綜自系統(tǒng)通信，采用Modbus RTU規(guī)約，以實(shí)現(xiàn)四遙功能。其中綜自后臺(tái)是主站，直流屏是從站。

圖2 直流系統(tǒng)原理

3.2 整流模塊熱備份策略

電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則中，出于對(duì)直流系統(tǒng)安全可靠性考慮，如果每組蓄電池配置一組充電裝置，在滿(mǎn)足蓄電池均充要求和經(jīng)常性負(fù)荷前提下采取冗余N+1模式（N為充電裝置額定電流除以單個(gè)模塊額定電流，N≤6時(shí)）或 N+2模式（N≥7時(shí)）[7]。

變電站正常運(yùn)行時(shí)，直流充電裝置一方面提供變電站內(nèi)常用直流負(fù)荷，另一方面以浮充方式給蓄電池充電，補(bǔ)充蓄電池組的自放電電流。充電裝置長(zhǎng)期的浮充運(yùn)行與整流模塊的配置不匹配，導(dǎo)致整流模塊長(zhǎng)期處于高冗余狀態(tài)，負(fù)載率偏低，整流模塊自身?yè)p耗占比較大，充電裝置工作在低效率狀態(tài)[6]。

文獻(xiàn)[8]研究表明高頻開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載率在40%～80%的范圍內(nèi)，工作效率較高。為此，可以采用高頻開(kāi)關(guān)電源休眠控制技術(shù)，通過(guò)PLC關(guān)閉部分整流模塊使其處于熱備份休眠狀態(tài)，提高充電裝置負(fù)載率。實(shí)際運(yùn)行中，為了保證直流系統(tǒng)供電的可靠性，需要考慮必要的冗余措施，每組充電裝置保證任何時(shí)刻有兩臺(tái)整流模塊在運(yùn)行狀態(tài)。相應(yīng)的并聯(lián)的整流模塊數(shù)越多則允許熱備份的模塊數(shù)越多，節(jié)能效益越顯著。對(duì)于本文所述的直流系統(tǒng)配置，每組充電裝置四臺(tái)整流模塊并聯(lián)供電，允許其中兩臺(tái)整流模塊進(jìn)入熱備份，采用如下的控制策略：負(fù)載率小于40%（32A）時(shí)，2臺(tái)模塊（模塊1和模塊2）運(yùn)行，其余模塊熱備份；負(fù)載率高于60%（48A）時(shí)起動(dòng)第三臺(tái)模塊（模塊3）運(yùn)行；負(fù)載率高于80%（64A）時(shí)，模塊全部起動(dòng)。

直流控制系統(tǒng)可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整各整流模塊的熱備份次序和時(shí)間，通過(guò)使各整流模塊依次進(jìn)入熱備份狀態(tài)，維持各整流模塊的平均工作時(shí)間，避免工作模塊長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行易損壞的影響，整體上降低整流模塊的維護(hù)成本，提高模塊使用壽命。

圖3給出了整流模塊3的休眠程序流程圖。整流模塊3在浮充工作方式下，經(jīng)過(guò)延時(shí)后進(jìn)入休眠。在負(fù)荷電流值大于設(shè)定值時(shí)經(jīng)過(guò)延時(shí)程序關(guān)閉休眠，在運(yùn)行模塊出現(xiàn)故障、均充程序起動(dòng)、交流輸入故障導(dǎo)致的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘等情況下，控制系統(tǒng)及時(shí)打開(kāi)熱備份的模塊 3，使其進(jìn)入工作模式，保證直流系統(tǒng)的安全性。模塊4與模塊3控制程序類(lèi)似，程序中開(kāi)機(jī)電流閾值設(shè)定不同。

3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

數(shù)字整流模塊熱備份控制程序在 STEP7-Micro/WIN32編程軟件下開(kāi)發(fā)，該編程軟件可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶(hù)程序的執(zhí)行狀態(tài)。采用STL語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)采用模塊化，功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、擴(kuò)展，PLC在實(shí)現(xiàn)初始化、均充浮充子程序、PID計(jì)算程序、交直流電源切換、時(shí)鐘處理、故障報(bào)警及保護(hù)等功能的基礎(chǔ)，擴(kuò)展整流模塊熱備份控制程序。

人機(jī)界面采用臺(tái)達(dá)畫(huà)面編輯軟件 Screen Editor制作畫(huà)面并編譯下載到觸摸屏。

圖3 整流模塊3熱備份程序流程圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某220kV乙變電站充電裝置高頻開(kāi)關(guān)電源為深圳新能力JIAN-MC22020風(fēng)冷模塊，運(yùn)行年限較長(zhǎng)，模塊易損壞，智能化與可靠性較低，該站充電裝置經(jīng)過(guò)技改，整流模塊更換為數(shù)字模塊，型號(hào)為艾默生公司的 HD220-20風(fēng)冷模塊。乙站直流系統(tǒng)人機(jī)界面采用臺(tái)達(dá)公司的DOP-B觸摸屏。通過(guò)升級(jí)擴(kuò)展PLC與觸摸屏的控制程序，實(shí)現(xiàn)整流模塊的熱備份并在該站應(yīng)用。

圖4所示為艾默生整流模塊采用熱備份后面板顯示圖。充電裝置浮充狀態(tài)下，模塊3和模塊4進(jìn)入熱備份狀態(tài)，模塊前面板保護(hù)指示燈（黃色）亮，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)該模塊告警信號(hào)。

圖4 整流模塊面板顯示

4.1 功能測(cè)試

1）遙信遙測(cè)檢驗(yàn)：監(jiān)控系統(tǒng)通信接口可以及時(shí)準(zhǔn)確的收到每臺(tái)整流模塊保護(hù)信號(hào)（交流過(guò)、欠壓，缺相，輸出過(guò)、欠壓，模塊過(guò)溫等信號(hào)）和故障信號(hào)，給出聲音報(bào)警的同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警畫(huà)面，數(shù)據(jù)記入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中；系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定的接收到每臺(tái)整流模塊的輸出電壓電流等遙測(cè)信息，并與模塊自身顯示數(shù)值一致。

2）遙控遙調(diào)試驗(yàn)：根據(jù)負(fù)荷電流大小和監(jiān)控系統(tǒng)的命令，控制模塊的開(kāi)/關(guān)機(jī),均/浮充轉(zhuǎn)換。當(dāng)負(fù)荷小于模塊總輸出40%時(shí)，自動(dòng)停止兩臺(tái)模塊工作，當(dāng)負(fù)荷大于60%時(shí)，起動(dòng)其中一臺(tái)模塊，負(fù)荷大于80%時(shí)，模塊全部起動(dòng)；整組充電裝置中，其中一臺(tái)充電模塊出現(xiàn)故障時(shí)，模塊全部起動(dòng)；當(dāng)蓄電池組均充條件滿(mǎn)足時(shí)，模塊全部起動(dòng)；兩組充電裝置，其中一組充電裝置失電，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，另一組充電裝置全部模塊起動(dòng)。根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)整流模塊的輸出電壓及輸出電流限流點(diǎn)。

圖5 人機(jī)界面畫(huà)面顯示

3）圖形界面及數(shù)據(jù)庫(kù)檢驗(yàn)：人機(jī)界面圖如圖5所示，用戶(hù)能夠通過(guò)人機(jī)交互界面的觸摸按鍵查看整流模塊運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行控制。觸摸屏能正確記錄動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)。

4.2 效益分析

整流模塊熱備份方式下運(yùn)行一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在較低負(fù)荷下模塊間的均流有明顯改善。

未采用熱備份方式前，充電裝置負(fù)載率10%～20%，效率較低。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，單臺(tái)整流模塊運(yùn)行功耗約 300W，如果忽略模塊自帶散熱風(fēng)扇能耗，采用熱備份方式后站內(nèi)兩組充電裝置四臺(tái)模塊休眠運(yùn)行，粗略估算全年可節(jié)約電量1萬(wàn)kW·h，經(jīng)濟(jì)效益可觀。同時(shí)可以延長(zhǎng)整流模塊維護(hù)周期，降低運(yùn)維成本。

5 結(jié)論

隨著數(shù)字式高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與整流模塊的直接通信，在此基礎(chǔ)上提出的整流模塊熱備份運(yùn)行方式，解決了傳統(tǒng)充電裝置的弊端。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，基于整流模塊熱備份的方式，運(yùn)行可靠，節(jié)能效益顯著，人機(jī)界面友好，進(jìn)一步提高了變電站直流系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司.國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）[Z].北京,2012.

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Implementation and Application of High Frequency Switching Rectifier Module Hot Backup in Substation

Xin Yongsheng Zhang Zhen Fan Rong Zhang Ying
(State Grid Huainan Power Supply Company,Huainan,Anhui 232007)

High frequency switching rectifier module has the advantages of small volume,light weight,high efficiency and low noise,and is widely used in the charging device of the DC system in substation.The charging device of DC system in substation is in parallel,charging for battery and supplying DC load.During the normal operation,the rectifier module can't work at high efficiency range due to the low load rate of the charging device.In this paper,we study and analyze the principle and structure of digital high frequency switching rectifier module.According to the DC system controlled by PLC,a kind of rectifier module hot backup is proposed.In this way,the PLC control system can monitor each rectifier module in real time.The number of start and stop modules can be controlled according to the load conditions.It can improve the efficiency of the charging device and extend module life while ensuring the safety and reliability of the DC system.Through the field application,rectifier module hot backup can achieve the expected goals.

high frequency switching rectifier module;efficiency;PLC;hot backup

辛永生（1972-），男，本科，工程師，主要從事變電運(yùn)維管理工作。