智能变电站一体化电源的典型应用探讨

程玉凯，吴智强

（1.国网福建电力公司漳州供电公司，福建 漳州 363000；2.漳州新源电力工程有限公司电控设备厂，福建 漳州 363000）

0 引言

与传统变电站相比，智能变电站的优势主要体现在一次设备智能化、设备检修状态化以及二次设备网络化3个方面。为适应智能变电站的智能化、网络化的要求［1］，站内设备的供能系统也随之升级为结构更合理、技术更先进及运维更方便的一体化电源系统。目前某地区智能变电站一体化电源系统技术日趋成熟［2-3］。本文对典型一体化电源系统的组成部分进行分析，介绍了各部分的原理、功能以及配置依据，以供同行参考。

1 一体化电源的结构

一体化电源系统由一次设备和二次设备组成。用于对低压交直流电能进行输送、分配、转换的设备为一次设备。对一次设备控制、调节、监测和保护的设备称为二次设备。

1.1 一体化电源的一次设备

典型一体化电源的一次设备结构示意图如图1所示。图1中，一体化电源一次设备主要包括交流电源子系统、直流电源子系统、UPS电源子系统和通信电源子系统四部分。与传统分散式电源相比，一体化电源系统共享直流电源子系统中的蓄电池组，取消UPS和通信电源中单独采用的蓄电池组；UPS电源子系统逆变单元直接挂于直流母线，对重要负荷供电；通信电源使用DC／DC电源模块直接挂于直流母线，取消传统通信电源中的充电模块。可见，一体化电源系统设计减少了对蓄电池组和充电单元的投入与维护，大大降低了系统成本［4］。

1.2 一体化电源系统的二次设备

一体化电源系统的二次设备主要是指监控系统，其结构框图如图2所示。

图1 一体化电源一次设备结构示意图

图2 监控系统结构框图

监控系统是一体化电源系统的核心部件，由一体化监控装置与若干个子系统监控器组成。一体化监控装置存储整个站用电源数据，通过一个RJ45口按IEC61850规约与后台连接，也可通过RS232／485口与后台连接，能完成站用电源四遥功能。单个监控器故障不影响电源其他智能模块运行，提高了监控系统的工作可靠性。

1.3 一体化电源系统的防雷设计

为防止雷电过电压引起的浪涌电流对整个系统的影响，一体化电源系统配置了完善的防雷设计。以某一体化电源系统为例，其防雷设计示意图如图3所示。

图3 某一体化电源系统防雷设计示意图

该一体化电源系统配备了B级、C级、D级3级防雷保护措施。B级防雷器安装在交流电源子系统中的进线断路器侧，可以有效泄放残余的浪涌电流，其最大冲击电流可达60 kA。C级防雷器安装在交流电源子系统中的工作母线上，可进一步限制残余浪涌电压，保障回路设备安全工作，其最大冲击电流为40 kA。D级防雷器和整流模块内置的压敏电阻是D级防护措施，其防护能力可达 5 kA［5］。

2 交流电源子系统

交流电源子系统是一体化电源的引入设备，是各交流负载的电源。

2.1 ATS切换开关

图1中交流电源子系统的ATS开关为自动切换开关，可实现电气闭锁和机械闭锁，从根本上保证电源的可靠运行，有6种工作模式：固定Ⅰ、固定Ⅱ、停止、自动Ⅰ、自动Ⅱ、自动。固定Ⅰ／Ⅱ模式使开关保持选择Ⅰ／Ⅱ路电源。自动Ⅰ／Ⅱ模式使开关优先选择Ⅰ／Ⅱ路电源，即选择Ⅰ／Ⅱ路为主回路，当主回路失去电源后，自动切换至备用回路。自动模式则无主备回路之分，一路异常自动切换至另一路［6-7］。为了保障交流电源子系统两段母线的可靠供电，ATS1开关一般切至自动Ⅰ模式，ATS2开关一般切至自动Ⅱ模式。

2.2 交流电源子系统二次设备

如图2所示，交流电源子系统的二次设备主要包括交流馈线采集模块、馈线状态监测模块和交流电源监控器。交流馈线采集模块主要采样各馈线支路的电流值，输出告警信号接点。馈线状态监测模块可对馈线开关进行实时监测，也可作为监控器的辅助单元，为交流电源子系统的电源能量分配提供依据。交流电源监控器主要对交流电源进行监控，具有状态提示、数据浏览、参数设置、系统控制等功能，通过采集电流、电压、交流电源的主开关状态、馈线开关状态等信息，对比告警阀值，以确定是否输出告警信息。另外，还可通过接入综合自动化系统，实现三遥功能。

3 直流电源子系统

直流电源子系统是一体化电源系统的重要组成部分，是自动控制、动力、继电保护、通信机、事故照明等的电源。

3.1 直流电源子系统的一次设备

直流电源子系统一次设备主要包括交流配电控制器、充电模块和蓄电池组。

3.1.1 交流配电控制器

交流配电控制器的原理图如图4所示。交流配电控制器以一路进线为主回路，当一路进线过压或欠压或缺相，且二路进线电压正常时，会切断一路，延时切换至二路；当一路电压恢复后，控制器切回一路；当两路电压均异常时，切断两路进线输入。由该原理图可知，两路控制器提供的驱动信号具有互锁功能，选用合适的断路器时，还可实现机械闭锁。

图4 交流配电控制器原理图

3.1.2 充电模块

充电模块的主要作用是将交流电整流成直流电，为直流负荷供电。充电模块的原理图如图5所示。交流电输入到模块后经输入滤波电路过滤以避免交流电的干扰，进入全波整流电路变换为高电压直流电（500 V左右），经DC／AC高频逆变单元变换成20 kHz可调频的高频脉冲电，再经主功率变压器的降压，由高频整流电路整流成直流电，最后经过滤波电路输出稳定的直流电［8］。

图5 充电模块原理图

直流充电模块工作时有自动和手动两种模式。自动模式是指在充电模块与监控单元通信正常时，接受监控模块的控制；手动模式是指充电模块不接受监控单元的控制，按照自身设定的参数自主运行。在运行现场，充电模块均应切至自动模式。

充电模块的配置数量一般按照如下公式选择：

式中：IC为充电装置最大输出电流；Krel为可靠系数；N为系数，其值为1.0～1.25；Ij为直流系统最大经常性负荷；IC10为蓄电池10 h均衡放电电流；IN为单个充电模块额定电流；若M≥3，充电模块总数量一般取M+1，若M≥6，则总数量一般取M+2。3.1.3 蓄电池组

蓄电池组是直流电源子系统中不可或缺的重要组成部分，是直流负荷的外来电源。蓄电池组充电状态可分为“浮充电”和“均充电”，两种状态的切换均需在监控系统中完成。

图6 蓄电池管理曲线

蓄电池管理曲线如图6所示。图6中，A表示初始充电状态，B表示正常运行状态 （浮充状态），C表示自动进行恒流和恒压充电运行状态（均充状态），D表示交流电中断后的运行状态，E表示交流恢复后的运行状态。

蓄电池数量N和总容量C10按照式（2）进行选择。

式中：UN为整个蓄电池组的额定电压；Uf为单体蓄电池浮充电压；Csx为事故全停状态下持续放电时间的放电容量；Kcc为容量系数。

3.2 直流电源子系统二次设备

直流电源子系统二次设备主要包括馈线状态监测模块、绝缘监测模块、电池巡检模块和直流监控器。直流馈线状态监测模块与上节2.2中交流馈线状态监测模块原理和功能相同，这里不再赘述。绝缘监测模块采用模块化结构，由绝缘监测主机和绝缘监测电流传感器构成，通过检测正负直流母线对地电压计算对地绝缘电阻，当计算值低于报警阀值时，自动启动支路巡检功能，可快速锁定故障支路，为及时排除故障提供有利条件。电池巡检模块是直流系统重要的反馈环节，为监控系统维护管理提供数据依据［9］。直流监控器通过与其他部件配合，可对直流电源子系统的交流配电单元、充电模块、蓄电池、直流母线等工作状态进行实时监测，具有状态查询、实时报警和智能管理的功能，接入综合自动化系统，完成四遥功能。

4 UPS电源子系统

UPS电源将整流器、逆变器、静态旁路切换开关、隔离变压器等整合在一起，为系统重要负荷提供不间断交流电源。

4.1 UPS电源子系统一次设备

UPS电源工作原理图如图7所示。UPS电源运行时，有5种模式可以选择：正常工作模式、直流模式、旁路模式、旁路切换模式和市电逆变转直流逆变模式，前3种模式是主流运行模式。

在正常工作模式下，交流输入开关、直流输入开关、旁路开关均在合上位置，交流电经输入隔离变压器降压，通过AC／DC整流器转换为直流电，再经过DC／AC逆变为交流电，通过输出隔离变压器升压，转换为交流电供给负载。直流模式是指直流电压通过逆止二极管，通过逆变器转换为交流电为负载供电的模式。旁路模式在UPS电源主机出现故障，交、直流开关均不能供电的情况下，由旁路开关直接输出交流电。

图7 UPS电源工作原理

UPS电源容量可根据如下公式计算［10］：

式中：Sc为UPS的计算容量；Ki为动态稳定系数；Kd为直流电压下降系数；Kt为温度补偿系数；Ka为设备老化系数及设计裕度系数；Pz为全部负荷的计算功率；cosφ为负荷功率因数。

4.2 UPS电源子系统二次设备

UPS电源子系统二次设备主要包括UPS监控器、交直流进线监测模块和馈线状态监测模块，其功能与交直流电源子系统二次设备基本一致。

5 通信电源子系统

通信电源子系统采用DC／DC变换装置，将直流电源子系统电压（220 V）转换为通信用直流电压（-48 V）。系统采用与充电模块整流器相同的控制技术和模块结构，并采用N+1并联模式和硬件自主均流技术。

作为通信电源子系统二次设备主要组成部分的通信电源监控器，可对系统DC／DC模块、48V直流母线及48 V配电单元等进行实时监控，通过与上位机通信，可实现远程管理，达到变电站无人值守的要求。

6 变电站一体化电源的应用案例

据统计，某地区110 kV及以上变电站中智能变电站数量达60%以上，全部配置一体化电源系统。通过对比这些智能变电站中交直流一体化电源系统的布置方式发现，基本按照典型11屏柜布置：交流进线屏、交流馈线屏（2屏）、直流充电屏、直流馈线屏（2屏）、蓄电池屏（一般配置3屏）、UPS电源屏和通信电源屏。与常规站用交直流系统相比，屏柜数量大约减少了50%，不仅降低了投资成本，而且减小了占地面积，适应了智能变电站小型化、智能化的要求。

通过查询近两年的记录，对缺陷类型、缺陷数量、消缺时长等信息进行比较，一体化电源系统与常规站用交直流系统的对比情况如表1所示。

表1 某地区变电站一体化电源系统与常规系统对比

由表1可以看出，近两年站用交直流系统缺陷数量一共65个，一体化电源系统缺陷仅占到缺陷总数的38.5%，而一体化电源系统应用占比达到60%以上，可见一体化电源系统的故障率较低。常规站用交直流系统最常见的缺陷是规约转换故障造成的通信中断，这需要多厂家联合确定事故装置责任方，再进行消缺处理，使得消缺时长大大增加。一体化电源系统往往采用同一供应商产品，因此不会存在规约转换问题，其最常见故障类型是装置本身故障，消缺时只需单一厂家进站更换装置即可，消缺效率得到提高。

7 结语

智能变电站作为目前变电站的主流类型，对站内电源系统要求很高。交直流一体化电源系统由于具有技术先进、体积小、集成度高、安装方便、经济智能、管理高效等诸多优势，在智能变电站中得到了广泛应用。某地区变电站一体化电源系统应用情况表明，一体化电源系统故障率低，消缺周期短，对新建变电站一体化电源系统的应用和推广有较好的借鉴意义。