一種110kV站新型直流后備電源系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要：提出了一種新型直流電源系統(tǒng)作為110kV站的后備電源系統(tǒng)，來(lái)提高變電站直流電源運(yùn)行可靠性，解決單套直流系統(tǒng)中因單體蓄電池異常后整組蓄電池?zé)o法帶載問(wèn)題。新型直流系統(tǒng)采用多個(gè)并聯(lián)智能組件并聯(lián)組成，單個(gè)并聯(lián)智能組件配置一節(jié)蓄電池，蓄電池之間是獨(dú)立的，相互之間沒有電氣連接，各個(gè)組件輸出之間采用防反灌二極管進(jìn)行隔離，組件異常自動(dòng)退出系統(tǒng)，可以解決因單節(jié)蓄電池?fù)p壞造成整組功能異常。文中先是介紹了并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)中組件的內(nèi)部原理特點(diǎn)，然后以110kV站為例計(jì)算新型后備電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：110kV變電站；并聯(lián)；直流電源系統(tǒng)；后備電源

引言

發(fā)電廠和變電站中，直流控制負(fù)荷包括電氣和熱工系統(tǒng)的控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置以及某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些都是保證發(fā)電廠和變電站正常、安全運(yùn)行的極為重要的負(fù)荷。直流控制電源，除為直流控制負(fù)荷供電外，還為一些動(dòng)力負(fù)荷供電，例如大合閘電流的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、事故照明裝置等?？梢姡绷骺刂齐娫聪到y(tǒng)兼有直流保安電源的功能，其工作的可靠性是極為重要的[1]。常規(guī)的直流系統(tǒng)由蓄電池、充電裝置、直流母線、絕緣監(jiān)察裝置、電壓監(jiān)察裝置、閃光裝置、負(fù)荷等組成。110kV及以下變電站宜裝設(shè)1組蓄電池[2]。國(guó)家電網(wǎng)寧波地區(qū)部分110kV變電站的直流系統(tǒng)只有一套，配一組蓄電池組此110kV變電站站用直流系統(tǒng)的核心蓄電池組是由52/104節(jié)2V單體電池串聯(lián)組成，形成系統(tǒng)存在以下隱患：

（1）蓄電池組正常運(yùn)行時(shí)處于浮充狀態(tài)，雖然可以監(jiān)測(cè)到單體蓄電池的電壓，卻無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到單體電池內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題，蓄電池組中一旦單個(gè)蓄電池出現(xiàn)故障，整組蓄電池將無(wú)法向負(fù)載供電[4]。

（2）蓄電池組中單節(jié)電池出現(xiàn)故障，無(wú)法在線更換維護(hù)單體電池。

（3）蓄電池組中的單節(jié)蓄電池需要同一廠家，同一批次的蓄電池串聯(lián)，不同電池?zé)o法在串聯(lián)蓄電池直流系統(tǒng)中混合使用。

隨著無(wú)人值守變電站的普及以及變電站系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提出了更高要求，對(duì)于110kV變電站也可裝設(shè)2組蓄電池[2]，如果在改造站點(diǎn)增加一套串聯(lián)蓄電池組的話，系統(tǒng)看似有冗余增加可靠性，但是仍然擺脫不了串聯(lián)結(jié)構(gòu)直流系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，而且增加了蓄電池組還需要增加相應(yīng)的充電及監(jiān)測(cè)裝置，還存在增加設(shè)備占地面積等問(wèn)題，會(huì)造成性價(jià)比不高。

文章在采用并聯(lián)智能電池模塊，利用模塊與蓄電池組合后配置成并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)，由于系統(tǒng)是多模塊并聯(lián)放置于常規(guī)柜體，根據(jù)直流系統(tǒng)負(fù)荷大小選擇模塊數(shù)量及電池容量，組成所需要直流系統(tǒng)作為后備電源，并應(yīng)用于某110kV站來(lái)提高直流系運(yùn)行可靠性。

1 并聯(lián)智能直流系統(tǒng)的原理介紹

并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)由多個(gè)并聯(lián)智能電池組件組成，每個(gè)模塊獨(dú)立配置1節(jié)12V電池，每個(gè)模塊之間的蓄電池是相互獨(dú)立的，相互間無(wú)直接的影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

并聯(lián)智能電池組件是此系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，該組件是通過(guò)將12V蓄電池與匹配的AC/DC充電變換電路、DC/DC變換電路等部件組合設(shè)計(jì)為“并聯(lián)智能電池組件”，并通過(guò)多只組件高壓輸出并聯(lián)，組成滿足實(shí)際需要的并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)，取代變電站傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的充電模塊、蓄電池組、蓄電池巡檢設(shè)備配置。每個(gè)并聯(lián)智能電池組件內(nèi)有CPU智能電路對(duì)組件內(nèi)的AC/DC電路、DC/DC變換器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，精確控制電池組件工作在其對(duì)應(yīng)狀態(tài)下，并與整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控器進(jìn)行通信，接受系統(tǒng)的指令。

單個(gè)并聯(lián)智能電池組件內(nèi)部基本原理如圖2所示。

并聯(lián)智能組件裝置交流輸入為市電AC220V，經(jīng)過(guò)AC/DC穩(wěn)壓輸出后，分別經(jīng)兩個(gè)DC/DC輸出兩路直流電源，一路DC/DC直接輸出DC220V/110V給負(fù)載供電，另一路DC/DC輸出12V，給12V蓄電池充電用， 蓄電池經(jīng)另一路升壓DC/DC輸出與AC/DC的輸出并聯(lián)，在交流停電時(shí)，向負(fù)載不間斷供電。

并聯(lián)智能電池組件高壓輸出電壓包括220VDC/110VDC，具有階梯限流特性，短時(shí)一分鐘可以輸出2.5倍額定電流，達(dá)到1100W，長(zhǎng)期可維持1.1倍的額定輸出[3]。智能電池組件在組成系統(tǒng)時(shí)具備自動(dòng)均流功能，智能電池組件采樣最大值均流模式，均流電路調(diào)節(jié)輸出電壓能力小于0.5V。每個(gè)組件長(zhǎng)期最大輸出500W。智能電池組件具備完善的保護(hù)功能，包括輸入過(guò)欠壓保護(hù)，輸出過(guò)欠壓保護(hù)，充電過(guò)壓保護(hù)，電池欠壓保護(hù)功能，輸出過(guò)流保護(hù) ，輸出短路保護(hù)，模塊過(guò)溫保護(hù)，電池反接保護(hù)，電池過(guò)溫保護(hù)等功能。每個(gè)組件均有RS485通訊接口，具備與上位機(jī)的通訊功能。

2 并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)在浙江某110kV變電站作為后備電源應(yīng)用方案介紹

并聯(lián)智能直流系統(tǒng)可以作為110kV變電站單獨(dú)的主供直流電源系統(tǒng)運(yùn)行，亦可作為原來(lái)站用電源后備電源運(yùn)行，給站內(nèi)二次負(fù)荷供電。正常情況下，常規(guī)直流系統(tǒng)的母線電壓是以浮充電壓運(yùn)行，浮充電壓值通常為DC234V/DC117V，并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)的輸出為穩(wěn)定的DC220V/DC110V，并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)的母線可通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)與站內(nèi)原來(lái)系統(tǒng)的合閘母線相連，在常規(guī)系統(tǒng)母線電壓低于并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)母線電壓時(shí)，并聯(lián)智能直流后備電源開始承擔(dān)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的不間斷供電。并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。

并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)與常規(guī)直流系統(tǒng)不同，由于電源組件輸出直接掛在直流母線上，而蓄電池直接連接在模塊上，在直流母線上。因此計(jì)算電源組件數(shù)量時(shí)，無(wú)需考慮蓄電池組浮充和均充要求，只需按各系統(tǒng)事故負(fù)荷來(lái)計(jì)算。由于電源組件具備短時(shí)輸出最大功率功能（60s內(nèi)輸出2.5倍額定功率），因此對(duì)于沖擊負(fù)荷，計(jì)算電源組件數(shù)量時(shí)可不予考慮，僅核算即可。并聯(lián)智能電池組件的數(shù)量應(yīng)滿足正常工作時(shí)的經(jīng)常性負(fù)荷、滿足事故狀態(tài)下事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的需要。組件數(shù)量按N+1原則（N≤6時(shí)）或N+2（N≥7時(shí)）或N÷80%（N≥7）冗余配置，取兩者中最嚴(yán)苛的情況。

2.1 方案模塊數(shù)量的選擇

（1）需求容量：P1=PJ-PS

其中：PJ為直流負(fù)荷計(jì)算容量；PS為隨機(jī)或沖擊負(fù)荷。

注：考慮到充電模塊具備短時(shí)耐受Ie的2.5倍，故不考慮隨機(jī)或沖擊負(fù)荷的電流。

（2）組件數(shù)量：N=P1÷Pmax÷Ka

其中：Pmax為組件輸出最大功率；Ka=80%，出于組件安全余量的考慮，建議每個(gè)組件工作在80%負(fù)荷以下。組件數(shù)量按照N+1原則配置系統(tǒng)實(shí)際數(shù)量。

2.2 方案電池容量選配

蓄電池通過(guò)組件向負(fù)載提供能量，由于組件均流的作用，每個(gè)電池提供1/N的負(fù)荷功率。

（1）單個(gè)蓄電池放電電流：IS=（P÷N÷η）÷u

其中：P1為直流負(fù)荷實(shí)際容量；N為直流系統(tǒng)選擇模塊數(shù)量。η為電池的放電效率，取值0.85；U蓄電池額定電壓，取值12V。

（2）蓄電池容量：CC=Krel×（IS÷KC）[1]

其中：Krel為可靠系數(shù)，取1.40；KC為容量換算系數(shù)，根據(jù)《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第60頁(yè)的表4-8選擇。

注：110kV變電站蓄電池按照2個(gè)小時(shí)考慮。根據(jù)蓄電池產(chǎn)品型號(hào)及設(shè)計(jì)需要，可選取大于計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)容量蓄電池。

2.3 案例計(jì)算

某110kV站的直流系統(tǒng)（直流系統(tǒng)輸出電壓為DC110V）負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1。

并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)由若干個(gè)并聯(lián)智能組件高壓輸出端并聯(lián)組成，可組成一段母線，計(jì)算負(fù)荷時(shí)，以計(jì)算容量為計(jì)算依據(jù)，即P1=1.6+1+0.4+1.8=4.8kW。

并聯(lián)電池組件數(shù)量N=P1÷Pmax÷K=4800÷500=9.6÷80%=12。

單個(gè)蓄電池放電電流：IS=（P1÷N÷η）ηu=（4800÷12÷0.851）÷12=39.21A；其中：P1為直流系統(tǒng)實(shí)際容量；N為直流系統(tǒng)選擇組件數(shù)量；η為電池的平均放電效率，取值0.85；U為蓄電池額定電壓，取值12V。

蓄電池容量：CC=Krel×（IS÷KC）=1.4×（39.21÷0.429）=127.95Ah，其中：Krel為可靠系數(shù)，取1.40；Kc為容量換算系數(shù)，根據(jù)《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）12V單體電池在2小時(shí)放至終止電壓點(diǎn)10.8的電池容量系數(shù)為0.429。

根據(jù)實(shí)際情況，127.95Ah上一級(jí)為150Ah，即系統(tǒng)的后備時(shí)間超過(guò)2小時(shí)。該站并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)配置如表2所示：

直流系統(tǒng)其它裝置，包括交流進(jìn)線切換、觸摸屏人機(jī)交換監(jiān)測(cè)等跟常規(guī)直流系統(tǒng)一樣配置。絕緣監(jiān)測(cè)裝置選擇問(wèn)題，由于原來(lái)系統(tǒng)已配有絕緣監(jiān)察裝置，為避免兩套系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置在工作時(shí)互相干擾，產(chǎn)生誤報(bào)現(xiàn)象，新增的并聯(lián)智能直流后備電源絕緣監(jiān)察處于不工作狀態(tài)，只有在原來(lái)系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置故障時(shí)候，通過(guò)人工設(shè)置激活并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)中的絕緣監(jiān)察。并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用

并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)是由若干個(gè)并聯(lián)智能組件并聯(lián)組成，每個(gè)組件支持熱插拔，，每個(gè)組件配置一節(jié)12V蓄電池，各個(gè)蓄電池之間無(wú)直接的電氣連接，因此各蓄電池可單獨(dú)進(jìn)行維護(hù)，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中采用N+1的冗余原則，保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)中某個(gè)模塊或蓄電池出現(xiàn)異常時(shí)，模塊自動(dòng)退出系統(tǒng)，系統(tǒng)上的容量由另外N個(gè)模塊支撐；若蓄電池出現(xiàn)異常需要維護(hù)時(shí)候，對(duì)蓄電池所匹配的模塊進(jìn)行下電，然后對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)模塊及蓄電池。目前并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)按每個(gè)電力系統(tǒng)通用標(biāo)準(zhǔn)柜體（800*600*2260）可放置8個(gè)模塊，本方案中可以安裝在2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)柜體中。本案例已應(yīng)用于寧波某110kV站，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，蓄電池在線維護(hù)管理上提高了效率，節(jié)省了停電時(shí)間，過(guò)去很難監(jiān)測(cè)到蓄電池組的單體故障，尋找蓄電池組的故障，把原有系統(tǒng)脫離系統(tǒng)，需要申請(qǐng)備用電源并帶至現(xiàn)場(chǎng)，而且備用電源攜帶不方便，需要更多的人力來(lái)參與，才能找到單節(jié)故障蓄電池，浪費(fèi)人力。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了一種新型模塊化，通過(guò)對(duì)并聯(lián)智能電池組件的簡(jiǎn)介，進(jìn)而對(duì)用組件組成并聯(lián)智能直流后備電源系統(tǒng)配置的計(jì)算過(guò)程作了說(shuō)明，并依據(jù)某110kV站負(fù)荷表，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)選型。文章提出的并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)作為直流電源系統(tǒng)已在多個(gè)變電站得到應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及運(yùn)行維護(hù)的智能化水平。

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作者簡(jiǎn)介：張明（1971-），男，本科，技師，主要從事：變電站繼電保護(hù)及自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)工作。