数字化变电站一体化站用电源解决方案

郭亚昌,王洪峰,苗 梅

(山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)

数字化变电站一体化站用电源解决方案

郭亚昌,王洪峰,苗 梅

(山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)

通过对分散式站用电源系统的分析和研究,总结了变电站传统站用电源系统存在的弊端,从状态检修和全寿命周期成本管理角度出发,提出了一种适用于数字化变电站的一体化站用电源解决方案。

分散式站用电源;一体化站用电源;状态检修;全寿命周期成本管理

0 引言

随着微电子技术、信息技术、网络通信技术的发展,以及智能化开关、电子式互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟,变电站综合技术与智能化水平得到了极大的提升,数字化变电站技术已成为应用研究的热点,然而针对变电站站用电源的技术研究与产品创新却相对滞后。数字化变电站要求能够实现智能设备的互操作性、实现变电站信息共享、支持系统联调工作,传统分散式站用电源系统无法满足[1]。国家电网公司 “两型一化”变电站试点建设的推行、电气设备状态检修技术的推广以及国网公司全寿命周期管理理念在电网工程规划、设计、基建、运行等全过程的应用,传统变电站的传统分散式站用电源系统在经济性和环保方面难以适应新型变电站发展的需求。

1 传统分散式站用电源存在的弊端

多年以来,受专业划分及其他因素的影响,变电站内站用电源系统分为交流电源系统、直流电源系统、交流不间断电源系统UPS(Uninterrup tib le Power System s)、通信电源系统,关口计量UPS电源系统等,各系统由设计院不同的专业进行设计,独立组屏,设备也由不同的供货商进行生产、安装及调试,同时运行部门也分配不同的专业人员进行各个电源系统的管理与维护。这种分散式的站用电源系统的设计与管理,存在着诸多问题。

a)传统站用电源难以实现系统化管理,信息不能共享,无法实现电源设备的状态检修。变电站交流电源系统和直流电源系统均由不同的中标厂家提供,各厂家设计的电源系统均采用不同的通讯规约,并且通讯规约一般不兼容。这样一来就难以实现对电源系统的网络化管理,其自动化程度较低。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等深层次开发应用,电源设备的检修还停留在传统的故障检修和周期性定期检修阶段,无法对站用电源进行全参数在线监测。无法满足数字化变电站对电源设备进行状态检修的要求。

b)可靠性受到影响。由于站用电源信息不能网络共享,针对故障或告警信息不具备进行综合分析的基础平台,不同专业的巡检人员分别管理各自电源子系统,难以进行系统分析判断、及时发现事故隐患。对于涉及需站用电源各子系统协调才能解决的问题难以统一处理。如防雷配置、避雷器参数选择、安装位置等,只有将整个站用电源交直流系统统一考虑才能解决;由于充电模块均流对于直流母线上纹波较敏感[2],需要对母线所接负荷,如逆变电源等反灌电流进行统一治理等,这一系列亟待解决的问题给站用电源系统的可靠、安全运行带来了隐患。

c)经济性差。由不同供货厂家分别设计的各个电源子系统,资源不能综合考虑,造成了部分设备的重复配置,一次性投资显著增加。如直流电源、UPS不间断电源、通讯电源分别配置独立的蓄电池,浪费严重;交流系统配置电源自动切换设备,直流电源充电模块和通讯电源充电模块前又重复配置交流电源自动投切装置,既浪费又使设备之间难于协调运行。

d)长期运行不方便,全寿命周期成本 LCC(Life Cycle Cost)增加。各个供货厂家由于利益差异使站用电源系统的安装、服务协调困难,站用电源一旦出现故障需向多个厂家进行沟通协调,造成沟通困难与效率低下。同时由于现有变电站站用电源分配不同专业运行人员进行管理,交流系统与直流系统由变电人员进行运行维护,UPS由自动化人员进行维护,通信电源由通信人员维护,人力资源不能总体调配,造成运行成本的增加,最终导致站用电源全寿命周期成本LCC增加。

2 一体化站用电源系统设计方案及优点

为避免站用电源分散设计存在的问题,在变电站建设过程中,可以考虑采用交直流一体化站用电源系统,即将站用交流电源系统、直流电源系统、UPS不间断电源系统、通信电源系统、关口计量UPS电源系统组合为一体,取消各专业相互重复配置的功能部分,将电源系统进行优化整合,由一个设备厂家进行统一设计、统一监控、统一生产、统一调试和统一服务[3]。站用电源交直流一体化系统包括:智能交流电源子系统、智能直流电源子系统、智能逆变电源子系统、智能通信电源子系统、一体化监控子系统等,见图1。

图1 某变电站一体化电源接线示意图

一体化站用电源系统以电气直流电源系统为核心,UPS电源系统和通讯电源系统不再设置独立的蓄电池组,共享电气直流系统的蓄电池组。该系统并不是对交流、直流电源系统的简单混装,具有鲜明的技术优点。

a)网络智能化设计,实现信息共享。通过一体化监控器对站用交流电源、直流电源、逆变电源、通信电源进行统一监控,建立统一的信息共享平台,解决了由不同供应商提供的各独立电源通信规约不兼容等问题,提高了系统网络化、智能化程度。

b)设计优化。取消直流充电模块前的交流自动切换回路;取消原直流系统对交流部分的数据采集 (配电监控);统一进行波形优化处理,针对逆变电源反灌电流影响充电模块均流进行抑制等;统一进行防雷配置。

c)对交流电源部分进行安全、智能化设计。交流进线采用智能化程度更高的自动转化开关ATS(Automati c Transfer Switch)、实现电气与机械双闭锁;集中对系统各组成部分进行监控,可以实时查看各子系统的电量、开关状态、事件信息等,可修改系统参数、运行方式、遥控开关,实现站用电源 “四遥”功能。

d)优化蓄电池配置。取消 UPS系统的蓄电池,将逆变器直接挂于直流母线;取消通信蓄电池组及充电设备,使用DC/DC变换器直接挂于直流母线。避免了UPS蓄电池与通信电源蓄电池维护不精细、损坏不能及时发现的问题。

e)可以方便地实现交直流系统的联动。根据交流进线运行方式,自动调整直流运行,达到最佳方式运行。

f)二次配电智能化。可以方便地对照明、风机、空调、水泵、门禁等系统进行远方操作,达到远方控制的功能,使各二次系统之间的联动更加智能化、方便化。如在各功能房间内安装温度监测装置,将采集的温度信息利用通信上传到一体化监控模块,监控模块根据温度设定自动启/停风机和空调设备的电源开关,避免风机和空调的长期运行,达到节约能源目的;当变电站围墙安全防护体系发现有人非法进时入,其信息传到一体化监控模块,监控模块立即启动照明系统开关,从而协调立即启动视频监控系统。

g)利于深层次开发,使站用电源的状态检修成为可能。统一的信息共享平台,可以提高一体化站用电源综合自动化应用水平,减轻运行人员的工作强度,使检修人员现场定期试验和测量工作量减轻到最小,提高了工作效率。能够充分利用已有的状态信息,通过多方位、多角度的分析,最大限度地把握设备的状态,依此制定合理的检修维护策略,为提高设备运行可靠性提供了保障。

3 一体化站用电源系统LCC分析

全寿命周期成本管理LCC[4]方法具有 “全系统、全费用、全过程”的特点,能更科学、合理、有效的评估设备生命周期的效用。电力系统的全寿命周期成本管理主要应用以下计算模型。

式中:C LCC——全寿命周期成本 (Life Cycle Cost);

C I ——投入成本 (Investment Costs);

C O ——运行成本 (Operation Costs);

C M ——维护成本 (Maintenance Costs);

CF——故障 成 本 (Outage or Failure Costs);

C D ——废弃成本 (Disposal Costs)。

a)变电站采用一体化站用电源系统后,取消了UPS系统的蓄电池和通讯系统的蓄电池组,同时也取消了一些重复配置的设备单元,所以系统投入成本C I是降低的。

b)由于系统的整合,由一组维护人员替换原来四组维护人员,可大大减少人力资源的支出,系统运行成本C O和维护成本C F降低。

c)由于一体化站用电源系统实现了对分散式站用电源系统的优化、整合,一次、二次设备均采用了技术成熟可靠的产品,对站用电源故障进行综合分析、及时发现潜在问题,实现了对站用电源的状态检修。因此一体化站用电源系统的可靠性、安全性及稳定性都大大增强,故障率大大降低,故障成本CM降低。

d)一节1号电池烂在地里,能使1 m2的土壤永久失去利用价值;一粒纽扣电池可使600 t水受到污染,相当于一个人一生的饮水量!在环保日益成为一个全球化问题的今天,废旧电池所带来的环境污染问题显得非常突出,而在 “电池污染”中,电力系统所使用的铅酸蓄电池又尤其显眼。目前对于废旧电池的处理一般采取固化填埋的方式,虽然能够有效防止污染扩散,但是电池所含的铅、汞等重金属材料依然是个环保隐患。此外,为固化填埋而建设的工业固体废物处置场,其建设费用价格不菲。

变电站采用一体化站用电源系统后,系统共享电气专业的直流蓄电池,蓄电池组的数量减少,蓄电池在制造、运行、以及后期报废处理阶段对环境造成的污染大大减少,废弃成本C D降低,同时也符合国网公司建设 “资源节约型、环境友好型、工业化”的 “两型一化”变电站的要求。

4 结论

一体化站用电源系统由于其先进的设计理念、较高的智能化水平,使得一体化电源无论是在安全性、可靠性及运行维护简单化方面,还是在经济性和环保方面都具有传统分散式站用电源无法超越的优势。一体化站用电源系统具有较高的网络化程度,各子系统之间做到了数据共享和互操作性,方便后期的深层次开发,利于实现站用电源系统的状态检修,能方便的满足无人值班变电站或数字化变电站的各种功能需求。同时,一体化站用电源系统的全寿命周期管理成本比传统分散站用电源系统大大降低,节约了规划设计成本、基建成本和运行成本,使得工程的总投资成本降低。

目前,一体化站用电源设备在部分省市110 kV变电站已经开始推广运行,且运行情况良好。随着全寿命周期管理理念在电网建设中的深层次应用、变电站数字化程度的逐渐提高以及节能环保意识的逐渐加强,一体化站用电源设备将在电网工程建设中得到普及。

[1] 高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008:14-35.

[2] 国电华北电力设计院工程有限公司,等.DL/T 5044—2004电力工程直流系统设计技术规程 [S].北京:中国电力出版社,2004:6-33.

[3] 中国电力科学研究院,等.DL/T 1074—2007 电力用直流和交流一体化不间断电源设备 [S].北京:中国电力出版社,2008:1-9.

[4] 高翔.继电保护状态检修应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008:164-184.

Solution to Integrated Power Supp ly of Digital Substation

GUO Ya-chang,WANG Hong-feng,M iao Mei
(Shanxi Electric Power Exploration and Design Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The defects of traditional pow er supp ly in substation are summed up based on the analysis and research on the distributed pow er supp ly.A solution to integrated power supp ly app lied to digital substation is suggested from the point of Condition Based Maintenance and Life Cycle Costing.

distributed power supp ly;integrated power supp ly;Condition Based Maintenance;LifeCycle Costing

TM 910.2

A

1671-0320(2010)01-0007-03

2009-08-18,

2009-12-11

郭亚昌 (1977-),男,河北无极人,2002年毕业于太原理工大学电气工程及自动化专业,助理工程师,从事变电站二次专业设计工作;

王洪峰 (1967-),男,山西运城人,1990年毕业于太原理工大学电气工程及自动化专业,高级工程师,从事变电站一次专业设计工作;

苗 梅 (1982-),女,山西临县人,2004年毕业于中北大学通信工程专业,助理工程师,从事变电站二次专业设计工作。