變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性分析

馬宇 張之棟

摘要：針對傳統(tǒng)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)在擴容過程中經常出現不良現象，影響擴容安全性問題，開展變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性分析研究，針對變電站電力通信直流電源系統(tǒng)存在的長期高負荷運轉、直流電源配電分級開關不匹配等問題，對直流電源系統(tǒng)各級負荷規(guī)劃、選擇系統(tǒng)保護開關、合理配置直流后備電源，提出一種全新的擴容方法。通過實驗證明，該擴容方法與傳統(tǒng)擴容方法相比，可有效降低改造過程中出現故障的次數，從而為安全性擴容提供保障。

關鍵詞：變電站;電力通信;直流電源系統(tǒng);擴容;安全性

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0206-02

變電站電力通信直流電源系統(tǒng)主要組成部分包括直流電源設備、控制及檢測設備、直流配電設備等，通過各設備的相互配合形成了一個直流供電網絡[1]。在變電站正常運行或發(fā)生事故時，通過系統(tǒng)提供的直流負荷形成可靠的直流操作電源，從而為變電站提供保障。由于直流電源系統(tǒng)具有良好的工作性能，因此常被應用于對供電領域當中，例如變電站、醫(yī)院等[2]。直流電源系統(tǒng)在變電站中的日常供電，相當于一個不間斷電源，可為信號控制、繼電保護、自動化裝置等提供更加穩(wěn)定和可靠的直流電源，當發(fā)生交流電源事故時，可為事故照明系統(tǒng)、交流電源提供充足的電源，從而保障變電站的安全運行。由于當前各領域中的用電需求不斷增加，使得直流電源系統(tǒng)在供電過程中經常會出現支路問題、電池問題、開關問題以及同步振蕩故障問題，對變電站的發(fā)展造成影響，為此本文開展變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性分析研究。

1變電站電力通信直流電源系統(tǒng)存在的問題

1.1長期高負荷運轉

當前變電站電力通信直流電源系統(tǒng)主要由市電電源和備用發(fā)電機機組兩部分組成，根據電力通信電源技術要求，為實現通信直流電源的安全可靠，直流電源系統(tǒng)通常采用兩路市電、一路油機的方式。但許多變電站的配置存在嚴重的不規(guī)范問題，因此導致變電站中的直流電源系統(tǒng)常常處于高負荷的運轉狀態(tài)。兩路市電、一路油機的直流電源系統(tǒng)運行模式，由于在初期建立階段，各城市不具備建立獨立電網的條件，并且引入第二路市電的線路過長，資金投入條件不足等問題，雖然按照設計實現了對多路直流電源的建立，但在后期階段并未及時補充相應的油機，長期按照上述狀態(tài)運行會出現嚴重的安全隱患問題。

除此之外，由于電力企業(yè)的運營規(guī)模逐漸擴大，變電站電力通信常常會涉及租用或購買等情況。同時，租用或購買大多采用已經建成的配電系統(tǒng)，而原有配電設備的油機容量、通信設備負荷都很難滿足當前電力企業(yè)大規(guī)模發(fā)展的需求，因此會造成更高的負荷率，并且部分變電站的季節(jié)性負荷甚至會達到變壓器的額定容量，甚至超出額定容量，產生嚴重的安全隱患。

1.2直流電源配電分級開關不匹配

在對通信直流電源進行設計時，由于電力通信業(yè)務的分期建設，使得新增的電力負荷會對直流電源造成嚴重的直接影響。通信設備是用電負荷中占比最多的設備，需要從變電站配電室直接以放射性的形式進行供電。但由于后期新增的直流電源系統(tǒng)交流電的引入通常采用自樓層的配電柜中電流。因此變壓器二次側與用電設備之間的低壓配電級數不應超過四級。當不間斷電源與直流電源系統(tǒng)從自樓層當中的配電柜引入電力時，用電設備的配電級數會迅速增加，并逐漸超過四級，導致末端用電設備的用電分級級數過多，導致出現故障問題的故障點增加。同時，變電站中配電系統(tǒng)的上下級開關還缺少選擇性的動作行為，低壓配電線路需要根據不同故障類型以及具體的工程狀況安裝短路保護或接地保護裝置，從而防止在電路發(fā)生故障時，故障電路突然斷開。因此各級電流線路不僅要設置相應的保護電氣，同時還應當正確地規(guī)定變化參數，從而保障在規(guī)定的時間范圍內，形成可靠切斷，并在最靠近故障位置點的地方實現對電氣的保護，并保證切斷故障電路的范圍最小。

2變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性分析

2.1直流電源系統(tǒng)各級負荷規(guī)劃

為提高變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性，在明確新增末端負荷前，首先要對系統(tǒng)內各級負荷進行合理規(guī)劃。由于系統(tǒng)的運行狀態(tài)會直接影響到擴容的安全性，因此在對各級負荷進行規(guī)劃時，需要密切關注系統(tǒng)與不間斷電源的實際運行情況，對系統(tǒng)內油機的容量進行核算[3]。由于油機容量受到眾多因素的影響，因此不可直接通過對設備負荷和額定功率的比較而得出，需要考慮到不間斷電源產生的諧波、變電站機房啟動電流等，并按照公式（1）計算得出油機容量W：

公式（1）中，wa表示為變電站中電力通信設備的負荷;wb表示為變電站中蓄電池組充電功率;wc表示為變電站機房總功率。再將公式（1）進一步細化，得出公式（2）：

公式（2）中，[wt]表示為變電站通信設備負荷總量;[x1]表示為諧波產生的沖擊系數，根據變電站的一般運行狀態(tài)，并考慮到不間斷電源的諧波，[x1]取值為2.1～3.5;[wups]表示為不間斷電源的負荷大小，單位為kW;[x2]表示為啟動直流電源系統(tǒng)時電流的沖擊系數，考慮到變電站機房啟動電流的沖擊，[x2]的取值為2.1～3.3;[wj]表示為變電站機房負荷大小，單位為kW。

通常情況下，變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的運行負荷率低于55%時，系統(tǒng)的安全性將不會受到影響。但當運行負荷率超過55%時，則說明需要對系統(tǒng)的各個設備容量進行擴容，變電站直流電源系統(tǒng)的擴容應當統(tǒng)一規(guī)劃，并單獨立項。在對油機容量計算時，需要運用上述公式（2）進行計算，在直流電源系統(tǒng)運行過程中，若在原始承載容量范圍以內，則可直接按照新增設備的所需負荷進行計算，進行相應的擴容;若需要增加全新的整流機架，則需要利用總負荷校核計算，根據系統(tǒng)開關容量需求進行擴容。

2.2系統(tǒng)保護開關選擇

變電站電力通信直流電源系統(tǒng)中的保護電器分為兩種，一種是熔斷器，另一種是斷路器。在實際擴容時應當根據各個保護電器的功能進行選擇，表1為兩種保護電器的優(yōu)缺點對比。

在實際擴容時，可根據實際情況進行選擇，例如直流電源系統(tǒng)電流較大、油機容量大等，可選擇熔斷器進行保護;擴容過程中，系統(tǒng)出現過載或短路問題，可選用斷路器對系統(tǒng)進行保護。

對于末端保護開關進行選擇，末端保護開關應當具備斷電功能，當與系統(tǒng)連接的用電設備出現短路時，末端保護開關需要瞬時切斷電路。末端保護開關只需要具備上述功能即可，無須進行對型號或類型的選擇。在實際擴容時應當根據系統(tǒng)配電線路的故障特點，在末端回路上對短路或接地故障進行保護。同時，在變電站機房內配備的電屏保護開關也屬于末端保護開關，在使用時不需要具備遠程遙控功能。選擇上述兩種保護電器均可實現對短路或接地故障的保護。因此綜上所述，在直流電源系統(tǒng)的配電柜當中更多選擇熔斷器作為保護電器。

2.3合理配置直流后備電源

提高變電站電力通信直流電源系統(tǒng)的擴容安全性還可通過合理減小蓄電池容量，以及配置直流后備電源來實現。在對直流電源系統(tǒng)進行擴容時，應當以提高交流供電的可靠性為主，將直流后備電源的可靠性作為基礎。針對直流電源系統(tǒng)中蓄電池組的儲能設備，其容量大小通常與直流負荷以及備用時間有著直接的聯系，以此根據這一特點得出蓄電池組的容量計算公式為：

公式（3）中，[Wq]表示為蓄電池組容量大小，單位為Ah;I表示為直流電源系統(tǒng)中的直流負荷大小，單位為A;T表示為系統(tǒng)共放電時長，單位為h;t表示為蓄電池組放電時長，單位為h;[α]表示為供電系數。按照相關要求，一類城市放電時長h的取值為0.3～1.0h;二類城市放電時長h的取值為0.5～1.2h;三類城市放電時長h的取值為1.5～2.5h;四類城市放電時長h的取值為2～3h。根據不同地區(qū)選擇不同放電時長，放電時長越高，備用時間越短。在直流電源系統(tǒng)中，高頻開關電源可以根據負荷規(guī)劃，按照n+1冗余的方式確定。其中整流模塊為n時，整流總容量可按照負荷電流以及充電電流相加確定，完成直流后備電源配置。一般情況下，重要的變電站電力通信采用試點與油機組合的方式進行可靠交流供電方式。對于直流電源系統(tǒng)的安全擴容還需要考慮直流電源系統(tǒng)分散供電的特點，并選擇合理的后備時間，放電時間一般不超過1.5小時。

3實驗論證分析

選擇某電力企業(yè)的變電站作為實驗對象，將該變電站近幾年的運行數據進行匯總，并將其記錄在實驗搭建軟件當中，根據變電站各項參數，構建兩組完全相同的電力通信直流電源系統(tǒng)，分別利用本文擴容方法和傳統(tǒng)擴容方法將兩組系統(tǒng)容量擴充，并設置本文方法為實驗組，傳統(tǒng)方法為對照組。通過模擬兩組變電站實際運行情況，設置供電量由初期的10.0×103萬kWh到最終的30.0×103萬kWh，判斷兩組系統(tǒng)在擴容過程中是否產生故障問題，從而比較實驗組與對照組擴容安全性。將實驗結果繪制成如表2所示。

由表2得出，該電力企業(yè)變電站電力通信直流電源系統(tǒng)通過實驗方法從10.0×103萬kWh擴容到30.0×103萬kWh時，共出現故障次數為3次，而對照組在進行10.0×103萬kWh到15.0×103萬kWh供電量擴容時已經出現了5次故障，對比結果具有一定的對比意義。因此，通過實驗證明，本文提出的擴容方法可以有效保障直流電源系統(tǒng)的安全性，更進一步增加了供電的可靠性。同時，通過實驗過程可以得出，直流電源系統(tǒng)在擴容過程中應當以處理累積問題，杜絕新增問題作為擴容原則，時刻觀察變電站現場的數值參數變化，以保證變電站電力通信安全可靠為目標進行擴容。

4結束語

本文針對變電站電力通信直流電源系統(tǒng)在擴容過程中可能存在的故障問題進行全面分析，提出一種安全性更高的擴容方法。但在實際應用還會出現缺少雙重實電、油機容量較低等問題，仍然會限制擴容改造的工期以及相關工程的管理權限。因此為了實現對直流電源系統(tǒng)更高安全性的擴容，在設計擴容計劃時，還應當對可能對直流電源系統(tǒng)整體性能造成影響的問題進行更加深入的研究，從而不斷完善擴容改造項目。

參考文獻：

[1] 陸宗達，李美增，謝賢林.磷酸鐵鋰電池在核電廠直流電源系統(tǒng)中應用的可行性分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（12）：169-170.

[2] 成紹群，劉孝趙，劉甜歌，等.基于物聯技術的數據中心直流電源檢測系統(tǒng)設計與研究[J].甘肅科技縱橫，2020，49（1）：1-3.

[3] 李正維.變電站直流電源系統(tǒng)運行現狀分析——以合江電網為例[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（30）：46-47，49.

【通聯編輯：光文玲】