变电站交直流一体化电源系统设计

　　一、交直流控制电源设备的现状

　　电力系统控制必须具备安全可靠的控制电源。在电力工程中，控制电源分为两类，一类是直流电源，一类是交流电源。变电站中为控制、信号、保护、自动装置及某些执行机构等供电的直流电源系统，通常称为直流操作电源。为计算机监控等设备供电的交流不间断电源系统，通常称为交流控制电源;为交换机、远动等通信设备供电的直流电源系统，则称为通信电源。

　　1.维护困难

　　目前运行的变电站，上述这几种控制电源设备一般采用相互独立分散设置的方式，设备由不同的供应商提供，且分属不同的部门专业管理：继电保护专业负责直流操作电源的维护，自动化专业负责交流控制电源的维护，远动通信专业负责通信电源的维护。这样不但造成功能重复配置，增加设备一次投资;而且各专业不同的维护工作界面，使电源设备的运行管理费用居高不下。另外，由不同供应商提供的交直流控制电源产品，没有统一的接口规范和监控设备，使系统数据不能共享，难以实现对整个交直流控制电源设备的系统分析维护和一体化信息管理。由于各电源系统的生产厂家不同，当电源出现故障，或进行电源系统维护时，需要多家供应商的服务人员到现场查看，服务人员快则几小时，慢则数天才能到达，如此以来延长了的工作时间，影响设备的供电，对于巡检人员，同样存在此类问题。

　　2.性价比差

　　若考虑采用传统的电源系统，会造成直流电源，UPS不间断电源、通讯电源分别配置独立的蓄电池，并由不同厂家供货，交流电源通常是另外一个厂家的产品，且交流系统配置电源自动切换设备，充电模块又重复配置，既浪费又使设备之间难于协调运行，并考虑设备的备品备件数量及厂家都有所增加，浪费严重。

　　3.缺乏系统管理

　　虽然在变电站中，所有设备均要采用IEC61850协议，能够解决通信规约的兼容问题，但由于没有统一的监控设备对整个站用电源进行管理，不能实现系统数据共享，无法进行站用电源协调联动、状态检修等深层次开发应用。

　　二、交直流控制电源一体化

　　随着数字化变电站、智能变电站的不断推广，对电源系统的可靠性、经济性、节能性等也提出了更高的要求。站用交直流一体化电源系统恰恰顺应了以上要求，结合了站内各电源系统并进行了全面整合。

　　1.交直流控制电源一体化的定义

　　交直流控制电源一体化的定义是：把直流操作电源、电力用交流不间断电源(电力专用UPS和INV)、通信用直流变换电源(DC-DC)组合为一体，共享直流操作电源的蓄电池组和监控装置，实现集中供电并统一监控的成套电源设备。一体化电源设备是以直流操作电源为核心，直流操作电源与电力专用UPS、INV和通信DC-DC其中任一种及一种以上电源所构成的组合体，均称为一体化电源设备。对于变电站通过集中监控装置实现对站用电进出线和母线的全参数监控，满足全站交直流控制电源的一体化监控管理。

　　2.三个统一特征：

　　1、统一集中供电：一体化电源设备通过系统优化组合，实现集中组屏给全站电力控制系统供电，满足电力设备集成交钥匙工程需要。

　　2、统一信息管理：一体化电源设备通过集中监控装置，提供完整的交直流监控管理方案，实现对变电站交直流控制电源的全参数监控管理。

　　3、统一设备维护：一体化电源设备通过整合维护工作界面，实现专家维护，大大降低设备运行的故障率和维护管理费用。

　　三、系统构成原理

　　1.直流操作电源系统由交流配电单元、高频整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、绝缘监测装置、电池巡检装置、配电监测单元和集中监控模块等部分组成，系统构成原理接线如图2所示。

　　交流输入电源正常时，通过交流配电单元给各整流模块供电。整流模块将交流电变换为直流电，经保护电器(熔断器或断路器)输出，一方面给蓄电池组充电，另一方面经直流馈电单元给直流负荷提供正常的工作电源。当交流输入电源故障停电时，整流模块停止工作，由蓄电池组不间断给直流负荷供电。

　　交流配电单元实现由站用电交流输出到整流器模块的电源分配和保护，对于单母线接线的交流站用电源，整流器的交流电源进线按一路配置;对于两段单母线接线的交流站用电源，整流器的交流电源进线按两路配置：两路交流电源分别取自交流站用电源的两段母线，采用自动转换开关设备(PC级ATSE)实现两路电源进线的备用切换控制。

　　2.交流站用电源配置

　　(1)两台自动转换开关设备，两路交流站用电源进线，两段单母线接线。

　　(2)操作运行方式：交流站用电源具备以下三种操作运行方式：

　　a)手动操作运行方式：就地通过控制开关人工控制ATS开关状态。

　　b)自动操作运行方式：就地通过逻辑电路或控制器自动控制ATS开关状态。

　　c)遥控操作运行方式：远方通过计算机通信控制ATS开关状态。站用电的遥控操作包括”电源一供电“、”电源二供电“、”分列供电“和”备自投供电“共四种模式，其中”分列供电“只适用于两段单母线的接线方案。

　　d)智能电力参数测控

　　①母线电压、电流、频率，精度0.5%;

　　②有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，精度1%;

　　③有功电度、无功电度，精度1%。

　　④其采用IEC61850协议，实现对站用电的遥测、遥信和遥控。

　　⑤多种参数越限报警;

　　⑥高清晰LCD，显示形象直观;

　　⑦ATS开关转换控制;

　　3.高频整流模块

　　高频整流模块采用N+1并联冗余方式供电，即在N个充电模块满足电池组的充电电流(0.1C10)和经常性负荷电流的基础上，增加1个热备用充电模块。

　　4.绝缘监测装置

　　绝缘监测装置用于在线监测直流控制母线和馈电支路的绝缘状况，当某一点出现接地故障时，装置立即发出告警信号，提醒运行人员查找并排除接地故障，从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力事故。

　　5.电池巡检装置

　　电池巡检装置用于实时在线监测电池组各单节电池的电压和内阻，并通过一体化监控装置记录分析不同工况下各单节电池的电压和内阻，及时发现落后或异常电池，给蓄电池维护提供重要的参考依据，确保蓄电池组安全运行。

　　6.交流不间断电源

　　电力专用交流不间断电源包括电力专用UPS和INV两类，其中的电力专用INV适用于”后备“运行模式，因此主要为变电站的事故照明等对电源的质量要求不高的负荷供电;而电力专用UPS适用于”在线“运行模式，主要为变电站的计算机监控等对电源质量要求很高的重要负荷供电。

　　7.DC-DC通信电源

　　DC-DC通信电源采用与高频开关整流器一样的控制技术和相同的模块结构，系统工作为N+1并联冗余模式，并且采用硬件自主均流技术，为电站的交换机等通信设备提供可靠的直流工作电源。

　　四、对一体化电源的设计选型

　　1.直流操作电源是变电站的核心控制电源，其配置的蓄电池组作为一体化电源系统总的后备电源，在选择计算其容量时除统计直流控制负荷外，还应统计电力专用UPS和INV及通信用DC-DC的负荷容量，满足一体化电源系统的全部事故放电容量要求。

　　2.由于通信用DC-DC由直流母线供电，因此DC-DC的直流容量应叠加到直流操作电源系统的经常负荷中，其充电装置的容量选择计算应满足一体化电源系统的全部经常负荷和蓄电池充电要求。

　　3.直流操作电源的监控装置可作为一体化电源系统的总监控单元，要求与电力专用UPS、INV和DC-DC通过现场总线连接为一体，通过完善总监控单元的数据记录、分析、判断和管理功能，实现对一体化电源系统的集中监控管理。

　　五、交直流一体化电源优势特点

　　1.二次设计、施工更加简洁

　　一体化电源解决了传统电源系统中类似交流屏需通过电缆向直流屏上的逆变提供电源等问题，电源屏间连接由厂家负责，解决了站用电源二次设计复杂的问题，同时减少了现场施工单位的工作量。

　　2.有利于工程施工

　　交直流一体化电源系统中各种元器件统一(生产、安装、调试、运输)，大大缩短了供货时间，且不存在因为交流、直流交货期不同而延长电源系统施工工期的问题，缩短了变电站的建设施工周期，减少了电源系统联调涉及诸多厂家问题。

　　3.经济性

　　本站只在交流系统配置电源自动切换设备，而充电模块前的切换设备则无需重复配置，降低了投资成本;检修维护人员也由传统的直流电源、交流电源、逆变电源、通信电源四组维护人员由一组人员来替代，减少了人力成本支出;减少了不同厂家间的协调成本。

　　六、综述

　　智能交直流一体化电源系统将交流电源、直流电源、交流不间断电源和通信电源统一设计组合为一体，通过统一的智能网络平台，实现变电站交流、直流控制电源的集中供电和一体化监控管理，进而实现在线的状态检测。共享直流操作电源的蓄电池组，取消传统UPS和通信电源的蓄电池组和充电单元，减少维护工作量。共享监控单元，实现对交直流控制电源全参数透明化管理。建立专家智能管理系统，降低设备造价，提高运行可靠性。

　　参考文献

　　[1]2011版《国家电网公司输变电工程通用设计110~750kV智能变电站部分》

　　[2]《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》DL/T1074