智能高频开关电力操作电源系统在锦屏水电站的应用

徐廷成，阮　凡，吴光明

(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053；2.锦屏水力发电厂,四川 西昌 615000)



智能高频开关电力操作电源系统在锦屏水电站的应用

徐廷成1，阮凡2，吴光明2

(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053；2.锦屏水力发电厂,四川 西昌 615000)

摘要：锦屏水电站直流电源系统使用ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统，本文介绍其主要硬件的功能和特点，并结合锦屏水电站的实际应用情况，提出改进建议。

关键词：智能高频开关电力操作电源；锦屏水电站；直流系统

锦屏水电站位于四川省凉山州木里、冕宁和盐源三县交界处，是雅砻江流域水头最高、装机容量最大的双级联调电站，是雅砻江流域的龙头电站。锦屏水电站下设两级电站，共装机14台，总装机容量8 400 MW。其中锦屏一级水电站装机6台，总装机容量3 600 MW，多年平均发电量为166.2 亿kW·h，通过三回500 kV输电线路输送到西昌锦屏换流站；锦屏二级水电站装机8台，总装机容量4 800 MW，多年平均发电量为242.3亿kW·h，共四回出线，通过两回500 kV输电线路输送到西昌锦屏换流站，通过两回500 kV输电线路输送到乐山。本文介绍ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统主要硬件的功能和特点，根据该系统在锦屏水电站的实际应用，提出改进建议。

1系统简介

电力操作电源系统(或称为直流电源系统)主要应用于发电厂、变电站，为断路器的分闸、合闸，二次回路中的仪器、仪表、继电保护和事故应急照明等负荷提供不间断的直流电源[1]。锦屏水电站直流电源系统采用ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统，系统单元模块化，具有稳压、稳流、纹波系数小、精度高、可靠性高及运行维护方便等特点，还具有全面的监控功能，能够进行蓄电池组智能充放电管理、电池容量及电池内阻检测、蓄电池组电压巡检、直流母线和负荷支路在线绝缘接地检测。

ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源由交流配电、监控系统(由主监控和子监控系统组成)、充电模块(“N+1”冗余配置)、蓄电池组、直流负荷、降压单元、绝缘在线监测、电池巡检、直流屏柜等部分组成，如图1所示。ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统采用组态式一体化监控系统，由多个分散的子监控系统进行独立控制，主监控进行集中管理。每个子监控单元有独立的微机处理器，各自实现自己的控制功能。

图1　系统工作原理框图

2工作原理

2.1交流配电

每组充电模块采用两路交流进线电源，取自不同厂用电母线，进线开关都在合闸位置，由互锁交流接触器进行选切，防止两路交流电源同时供电时发生非同期合闸事故。主监控系统监测双路交流供电电压和交流接触器状态。当一路电源出现交流电源失电、缺相、电压三相不平衡、电压过高或电压过低时，系统自动将电源进线开关切换到另一路供电电源并发出声光报警信号。当主监控系统中交流配置为双路自动时一路优先，一旦交流一路正常就会切换到交流一路工作，而不管交流二路是否正常；配置为一路工作或者二路工作时，即使此路有故障也不会主动切换。

2.2充电模块

充电模块为直流操作电源“心脏”，锦屏水电站使用ZHR-4系列智能型高频开关整流模块。充电模块在220 V交流电源输入后，首先经过防雷处理和二级电磁干扰(EMI)滤波电路，然后经过整流和无源功率因数校正电路转换为高压直流电，通过三相全桥脉宽调制(PWM)逆变电路将高压直流电转换为高频交流电，再经过高频隔离变压器降压后再进行整流，输出稳定可控的直流电。充电模块配有标准RS485接口，与上位机对接[2]。

该整流模块配备输入缺相、输入欠压、输入过压、输出过流、输出短路、输出过压、输出欠压等告警，以及通信异常、模块过温、输入防雷等设备保护功能，具有遥控、遥信、遥调、遥测“四遥”功能。整流模块采用最新全桥移相软开关PWM技术，提高了模块效率，降低了电磁干扰，减小了体积重量。

另外，ZHR-4系列智能型高频开关整流模块实现了模块带电热插拔、较完善的电路板防尘及防潮处理、优化的热分布处理、充电模块间自主均流等功能。

2.3监控系统

监控系统是直流电源系统的控制中心和管理中心。监控系统通过对直流电源系统中的每个功能单元和蓄电池组进行自动监测，获取各个单元的运行状态参数并实时处理。以此为依据，对系统的各个功能单元及蓄电池组进行控制，实现电源系统的全自动精确管理[1,3-6]。

锦屏水电站直流电源监控系统由一个ZHM05主监控和多个子监控构成。本监控系统采用三级控制管理结构：第一级也是最高一级，为计算机监控后台，通过通信接口和本监控系统进行连接；第二级为ZHM05主监控；第三级为监控系统的最底层，由电池巡检单元、充电模块单元等子监控单元构成。主监控通过通信接口(RS232/RS485/网络)与电池巡检单元、交流配电单元、直流采样单元、充电模块单元等子监控相连接。这些基本单元负责监测各模块的工作状态和运行参数，执行主监控的控制命令。

ZHM05主监控系统硬件由主板、显示板、核心板、开关量输出板、直流采样板组成。该主监控系统采用7寸真彩触摸屏，嵌入式安装；可以控制32个以上充电模块，管理2组电池充电放电、带电池温度补偿、绝缘监测、馈线监控；配有上位机RS232或RS485接口，以及网络接口和多种协议，实现“四遥”功能。

ZHM05主监控系统操作界面采用窗口式显示、触摸式操作，由主窗区和菜单区两大部分组成。主窗区能显示系统状态信息、故障信息、系统设置参数、系统控制参数等具体内容。菜单区由查看、操作、设置、帮助4个功能按钮组成。通过查看按钮可以查询到当前和历史告警信息、馈线开关状态、实时数据及曲线、历史放电曲线、动态和静态放电记录等信息。通过操作按钮输入系统操作密码后进入系统操作界面，可控制电池均充和浮充、操作动态放电、交流切换操作以及充电模块的开关机。通过设置按钮输入系统设置密码后进入系统设置界面，其中包括时间设置、口令修改、通信参数、直流配置、模块配置、电池配置、开入开出配置、运行参数设置、系统配置、系统组成配置以及程序升级操作和文件备份载入操作。通过帮助按钮可以查看软件版本信息及其他帮助信息。

子监控由绝缘主控盒、多路漏电流采样盒、电池电压采样盒、交流配电单元盒、直流采样盒、无源开入盒、有源开入盒、无源开出盒、单路智能漏电流采样盒、多路温度采集盒、温度传感器探头、平衡电阻盒等单元组成。

2.4蓄电池组

蓄电池组因为电压平稳、容量较大，能够提供断路器合闸时所需的短时冲击电流，同时还可以作为事故保安负荷的备用电源。锦屏水电站根据国家电力工程直流系统设计规程要求，选择配置阀控式铅酸蓄电池组。在电力生产过程中起稳压和事故备用的作用，并承受冲击负荷。每组蓄电池配置一套电池巡检仪，可对单节电池的电压等参数进行巡检并具备报警功能。

2.5降压单元

锦屏水电站直流电源系统降压单元使用的是降压硅链，降压硅链处于合闸母线和控制母线中间。合闸母线通过降压硅链与控制母线相连，通过降压硅链调节电压，由控制母线输出负载所需电压。降压硅链是由多只大功率硅整流二极管串接而成，利用PN结基本恒定的正向压降来调整电压，通过改变串入线路的PN结(二极管)数量来获得一定的压降，达到电压调节的目的。该装置工作在“自动”状态时，由控制器检测控制母线电压并与设定值比较。当控制母线电压高于(或低于)设定值的上限(或下限)时控制器发出信号，驱动大电流直流继电器，通过继电器的分断与闭合，改变稳压硅链的降压值，确保母线电压值在规定范围内。当工作在“手动”状态时，通过外接转换开关直接控制大电流继电器，使硅链分组投入或被短接，从而使控制母线电压处于规定范围内。

2.6绝缘监测

绝缘监测由主监控系统绝缘单元和子监控绝缘单元组成，用于正常运行时监测直流母线、输出分路对大地的绝缘状况，能准确判断母线及某一支路绝缘降低情况，提高系统运行可靠性[7]。绝缘巡检单元由绝缘巡检主监控、绝缘主控盒、多路电流采样盒、智能漏电流采样盒、平衡电阻盒、电流霍尔传感器等组成。

2.7电池监测

电池监测由主监控电池巡检单元和子监控电池巡检单元组成，用于自动在线监测单体电池电压、电池组组端电压、充放电流和温度，自动计算电池内阻。电池巡检单元一方面具有放电模块过热保护、短路保护、输入反接、欠压、外部事件触发停止放电保护等完善保护功能；另一方面还具有充电监视、放电管理、放电保护等功能[8]。该单元可以自动存储报警信息及动态放电、静态放电数据，配合监控及瞬时放电器提供电池内阻检测及数据保存。电池巡检单元由电池巡检仪主监控、电池电压采样盒、电池温度采样盒、温度传感器探头、动态放电负载、恒流放电负载等组成。

3改进建议

ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源相对于传统的直流电源系统具有稳压、稳流、纹波系数小、精度高、可靠性高及运行维护方便等优点，但在锦屏的使用过程中发现有需要改进的地方：降压硅链装置的装设可以取消。

传统的直流电源系统使用降压硅链的原因是：以前的电磁操动式断路器操作电流大、隔镍电池放电倍率高，在负载回路上会形成很大的压降。为了提高蓄电池组的端电压，同时不会提高二次保护供电电压，于是采用了降压硅链，将合闸母线和控制母线进行分离。如今，早期的电磁操动式断路器早已淘汰，由于弹簧储能式断路器和免维护阀控式铅酸电池的广泛使用，降压硅链的使用只会使得直流电源系统更加复杂、系统可靠性降低、损耗增大[9-13]。取消降压硅链装置，不仅不会影响到直流电源系统的正常使用功能，还会提高直流电源系统的稳定性和可靠性。因此，可以取消降压硅链装置。

4结束语

本文主要结合ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统在锦屏水电站的实际应用，介绍了ZHDCS系列智能高频开关电力操作电源系统的硬件特点、功能，并对设备设计不合理的地方提出改进建议。锦屏水电站每套电力操作电源系统选用先进的配置方案、“N+1”冗余充电模块、功能强大的监控系统、先进的软件设计、高可靠的绝缘监测和电池巡检仪等，对锦屏水电站机组的安全稳定运行起到了强有力的保障作用。

参考文献：

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[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力用直流电源监控装置：DL/T 856—2004[S].北京：中国电力出版社，2005.

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A Study on the Application of the Electric Operating Power Supply System With Intelligent HF Switches in Jinping Hydroelectric Station

XU Tingcheng1，RUAN Fan2，WU Guangming2

(1．Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053，China；2．Jinping Hydroelectric Power Plant，Xichang Sichuan 615000，P.R.China)

Abstract：The ZHDCS electric operating power supply system with intelligent HF switches is used in the DC power system of Jinping Hydroelectric Station．This paper introduces the functions and characteristics of its hardware as well as giving relevant suggestions on its improvement based on its application in the hydroelectric station．

Key words：electric operating power supply system with intelligent high frequency(HF) switches；Jinping hydroelectric station；direct current(DC) power system

收稿日期：2016-04-18

作者简介：徐廷成(1986-)，助理工程师，研究方向为水电站运行管理与电气设备检测技术。

中图分类号：TN86

文献标识码：A

文章编号：1008- 8032(2016)03- 0033- 03