750 kV 變電站一體化電源設(shè)計(jì)研究

邵國帥，馮 科

（國家電力投資集團(tuán)國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095）

1 背景分析

1.1 傳統(tǒng)750 kV 變電站電源現(xiàn)狀分析

吳雷雷提出傳統(tǒng)站用電源包括4 個(gè)部分，分別是站用交流電源、站用直流電源、站用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及站用通信電源[1]。但是，各子系統(tǒng)均獨(dú)立設(shè)計(jì)，且來自不同的廠家，管理成本較高。傳統(tǒng)分散式的站用電源分布方式存在的主要問題包括系統(tǒng)自動化程度低、站用電源經(jīng)濟(jì)性較差、全站安裝和協(xié)調(diào)較困難以及維護(hù)不方便等。

1.2 站用一體化電源系統(tǒng)及其優(yōu)勢

一體化監(jiān)控模塊與各子系統(tǒng)監(jiān)控模塊之間進(jìn)行通信，并采集各子系統(tǒng)信息，通過以太網(wǎng)口將信息上傳至站內(nèi)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)一體化電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和集中管理。卜銀等提出的智能一體化監(jiān)控裝置可以實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)控功能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

站內(nèi)一體化電源系統(tǒng)中，所有站用電源智能模塊（由充電模塊、交直流監(jiān)控模塊、逆變電源模塊、智能交流進(jìn)線以及饋線開關(guān)模塊等組成）均通過通信方式將信息接入一體化電源總監(jiān)控模塊。總監(jiān)控模塊按照《變電站通信和網(wǎng)絡(luò)》（IEC 61850—2004）標(biāo)準(zhǔn)，將智能模塊通過以太網(wǎng)連接變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。一體化電源結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 一體化電源結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)方案相比，該系統(tǒng)具有智能開關(guān)模塊化、集中功能分散化、監(jiān)控平臺一體化以及建設(shè)站用一體化電源系統(tǒng)管理平臺等優(yōu)點(diǎn)。

2 750 kV 變電站一體化電源設(shè)計(jì)方案研究

2.1 交流電源子系統(tǒng)方案研究

750 kV 變電站交流站用電子系統(tǒng)系統(tǒng)采用三相四線制接線，由Ⅰ段交流進(jìn)線柜、Ⅱ段交流進(jìn)線柜、備用段交流進(jìn)線柜以及饋電柜組成。#1 站用變壓器接入Ⅰ段交流進(jìn)線柜，#2 站外電源變壓器接入Ⅱ段交流進(jìn)線柜，#0 站外電源變壓器接入備用段交流進(jìn)線柜，備用段交流電源在Ⅰ段或者Ⅱ段交流母線失電后，通過備自投功能自動投切至Ⅰ段或者Ⅱ段交流母線，以保證交流系統(tǒng)的正常供電[3]。站用電容量選擇結(jié)果如表1 所示。

表1 站用電容量選擇結(jié)果

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，計(jì)算變壓器容量為2 092 kVA，因此本工程選擇容量為2 500 kVA 的站用變壓器。

2.2 直流電源子系統(tǒng)

2.2.1 直流電源系統(tǒng)方案

直流電源系統(tǒng)主要用于為變電站各主要元件的控制、保護(hù)、自動裝置、故障錄波以及事故照明等負(fù)荷供電[4]。全站按照電壓等級設(shè)置1 套直流系統(tǒng)，直流電源系統(tǒng)按“兩蓄三充”配置，直流系統(tǒng)電壓選用220 V。

2.2.2 直流系統(tǒng)設(shè)備選擇

本工程蓄電池的容量如下。對于直流系統(tǒng)的2組220 V 蓄電池，每組蓄電池的容量為1 000 Ah，數(shù)量為每套104 只。直流系統(tǒng)的3 套充電裝置的額定輸出電流為240 A。

2.2.3 各階段容量計(jì)算

假設(shè)Kk表示可靠系數(shù)，取Kk=1.4；Cc1～Cc5表示蓄電池各階段的計(jì)算容量，Ah；Ijc表示經(jīng)常電流，A。因系統(tǒng)采用三相四線制接線，將整體電流分為5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別用I1、I2、I3、I4及I5表示，A[5]。根據(jù)通用設(shè)計(jì)典型方案，統(tǒng)計(jì)本站直流負(fù)荷，按設(shè)備功能分別統(tǒng)計(jì)負(fù)荷，站控層設(shè)備/監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)荷容量為7 700 W，保護(hù)設(shè)備負(fù)荷容量為9 600 W，智能組件負(fù)荷容量為4 750 W，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)荷容量為6 950 W，一次設(shè)備控制信號負(fù)荷容量7 900 W，UPS 電源裝置負(fù)荷容量為15 000 W，事故照明負(fù)荷容量為10 000 W，斷路器集中調(diào)整負(fù)荷2 600 W，恢復(fù)斷路器合閘負(fù)荷容量200 W，具體負(fù)荷統(tǒng)計(jì)、經(jīng)常電流計(jì)算如表2 所示。

表2 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

如果用Kc1～Kcn表示各計(jì)算階段中的容量換算系數(shù)，1/h；Ir、Cr、Kcr表示隨機(jī)負(fù)荷相關(guān)參數(shù)。各階段容量計(jì)算如下。

第一階段容量計(jì)算，公式為

第二階段容量計(jì)算，公式為

第三階段容量計(jì)算，公式為

第四階段容量計(jì)算，公式為

第五階段容量計(jì)算，公式為

隨機(jī)負(fù)荷容量計(jì)算，公式為

將隨機(jī)負(fù)荷的容量Cr疊加除Cc1之外的Cc2～Cc5計(jì)算容量的任一階段上，并與Cc1比較，即可得出最大值。

2.3 交流UPS

在750 kV 變電站中，交流UPS 系統(tǒng)是關(guān)鍵組成部分，用于確保關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)在主電源故障或中斷時(shí)的電力供應(yīng)。交流UPS 系統(tǒng)提供臨時(shí)電源，保障變電站的連續(xù)和安全運(yùn)行，直到備用電源（柴油發(fā)電機(jī)等）接管或電網(wǎng)恢復(fù)正常。交流UPS 系統(tǒng)對于維持變電站關(guān)鍵負(fù)載的連續(xù)供電至關(guān)重要，特別是對于控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他基礎(chǔ)設(shè)施。在750 kV 變電站的環(huán)境中，任何電源中斷都可能導(dǎo)致重大的運(yùn)行中斷和安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。本方案UPS 系統(tǒng)容量為15 kVA。UPS 采用單母線接線方式，2 套UPS 母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)。雙套同時(shí)供電，各帶一半主要負(fù)荷。2 套供電系統(tǒng)間相互獨(dú)立，不作自動投切，當(dāng)其中一套UPS 電源供電系統(tǒng)故障時(shí)，監(jiān)控主系統(tǒng)仍保證能夠正常運(yùn)行。此外，在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，交流UPS 系統(tǒng)采用雙轉(zhuǎn)換在線UPS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保電源質(zhì)量和可靠性。該結(jié)構(gòu)可以在電網(wǎng)故障時(shí)無縫切換到電池供電?？紤]變電站的空間布局和電纜走線，設(shè)計(jì)了UPS 系統(tǒng)的具體安裝位置。同時(shí)，為散熱和維護(hù)的便利，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目諝饬魍窂?。此外，為保證UPS 系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了輔助系統(tǒng)，主要包括冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。其中，冷卻系統(tǒng)與UPS 系統(tǒng)熱負(fù)荷更加相適，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測熱負(fù)荷情況，當(dāng)熱負(fù)荷超出閾值時(shí)，冷卻系統(tǒng)會立即啟動，以降低系統(tǒng)熱負(fù)荷，進(jìn)而確保系統(tǒng)設(shè)備可以在最佳溫度下持續(xù)運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；監(jiān)控系統(tǒng)則集成了UPS監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測UPS 的運(yùn)行狀態(tài)、電池狀態(tài)和故障報(bào)警等，方便運(yùn)維人員進(jìn)行管理和維護(hù)。

3 結(jié) 論

文章提出一體化電源系統(tǒng)，并根據(jù)其特點(diǎn)基于750 kV 變電站進(jìn)行分析。提出了現(xiàn)階段具備可靠性、可行性、先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性的一體化電源系統(tǒng)方案，包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)的設(shè)備選擇、充電裝置類型和容量選擇及每套系統(tǒng)的屏柜選擇。同時(shí)，采用一體化電源系統(tǒng)和一體化監(jiān)控模塊，通過總線方式采集各子系統(tǒng)信息，并通過以太網(wǎng)口將信息上傳至站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對一體化電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和集中管理。對于交流電源子系統(tǒng)，可選擇自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器或智能斷路器等實(shí)現(xiàn)多種供電切換方式，采用智能監(jiān)測與控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械雙閉鎖，提高了母線及負(fù)載端電源的可靠性。對于直流電源子系統(tǒng)，采用第四代高頻開關(guān)電源充電模塊和高新技術(shù)，大幅提高效率。