110 kV智能变电站直流电源系统配置优化研究

张新来，艾 飞

(1.邯郸慧龙电力设计研究有限公司，河北 邯郸 056000；2.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000)

110 kV智能变电站直流电源系统配置优化研究

张新来1，艾 飞2

(1.邯郸慧龙电力设计研究有限公司，河北 邯郸 056000；2.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000)

针对如何合理选择110 kV智能变电站直流电源系统设备的问题，提出对实际直流负荷进行分类统计，并根据计算结果合理选择相应设备参数的方案。通过对通用设计方案中直流负荷进行分类统计和计算，得出蓄电池组、UPS电源、高频充电模块等主要设备的额定容量和额定电流值。详细分析了直流馈线屏馈线电缆截面积和馈线开关的选择原则，并计算得出合理参数值，为其它同等规模变电站的建设提供参考。

110 kV智能变电站；直流电源系统；电缆截面积；馈线开关

直流电源系统是变电站一、二次设备可靠运行的重要保障，主要包括蓄电池组、直流充电机屏、直流馈线屏、通信电源DC/DC模块等主要设备。自2017年开始，国家电网公司在系统内全面推广智能变电站模块化建设，相继制定并颁布了110(66) kV智能变电模块化建设(2015年版)、35～110 kV智能变电站模块化建设施工图设计(2016年版)2份重要的通用设计方案，要求在基建工程中严格执行。

在通用设计方案中，保护、控制、自动化设备等直流负荷的构成和分布与常规变电站有很大不同，但是通用设计方案对直流系统配置的描述不够详细，实际工程设计中需要对实际直流负荷进行分类统计，根据计算结果合理选择相应设备参数。

1 变电工程概况

1.1 工程规模

邯郸地区某110 kV智能变电站，根据国家电网公司模块化通用设计方案(2015年版)中110-A3-3方案建设。具体规模为：主变压器本期2台50 MVA，终期3台；110 kV本期2回进线，内桥接线，终期3回，扩大内桥接线；10 kV本期出线24回、电容器组4回、接地变2回，单母三分段接线，终期出线36回、电容器组6回、接地变3回，单母四分段接线。

1.2 二次设备配置原则

全站二次设备根据国家电网公司2016版通用设计方案中有关二次系统技术要求配置，主要原则为：

a. 站控层设备、间隔层主变压器保护测控装置、交直流一体化电源设备及通信设备在保护控制室内集中组屏；

b. 10 kV保护测控装置集成装置在开关柜上就地安装，110 kV线路、内桥间隔保护测控装置及电度表就地布置在智能汇控柜内；

c. 110 kV线路、内桥、主变压器中性点及主变低压侧开关间隔合并单元双套配置，主变压器高压侧间隔合并单元单套配置，主变压器各侧智能终端单套配置；

d. 过程层网络中心交换机布置在内桥间隔智能汇控柜内，站控层网络中心交换机布置在保护控制室内；

e. 低周减载、主变压器过负荷联切装置独立配置，组2面屏，布置在保护控制室内。

2 直流负荷统计

根据通用设计方案，智能变电站配置交直流一体化电源系统，取消UPS电源、通信电源的独立蓄电池组，所以直流负荷统计应包含全站直流经常性负荷、UPS电源负荷和通信用DC/DC负荷。

2.1 UPS电源负荷统计

根据DL/T 1074-2007《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》和变电站实际运行要求，该工程UPS负荷统计情况如表1所示。

表1 UPS负荷统计

设备名称功率/W监控主机及数据服务器1500调度数据网300电能采集50综合应用服务器800智能辅助控制及安防系统1000合计3650

UPS计算容量：

(1)

式中：Ki为动态稳定系数，取1.1；Kd为直流电压下降系数，取1.1；Kt为温度补偿系数，取1.05；Ka为设计预度系数，取1.05；P∑为全部负载计算功率，kW；cosφ为负载功率因数，取0.8。

将上述负荷统计结果，代入式(1)可得出Sc=6.1 kW，根据国家电网公司物资采购标准，UPS容量选取7.5 kVA[1]。

2.2 直流电源负荷统计

2.2.1 统计原则

a. 保护测控装置功耗不超过50 W/台[2]，断路器分合闸线圈电流不超过2.5 A/台[3]；

b. 交换机满载时整机功耗应不大于(10+1×电口数量+2×光口数量)W[4]，本站按照平均40 W/台进行统计；

c. 高压断路器跳闸的冲击负荷考虑低周减载动作时切除低压侧某一段母线出线的情况；

d. 全站电气负荷及通信负荷均按2 h事故放电时间计算[5]。

2.2.2 统计结果

与常规综自站相比，智能变电站直流经常性负荷主要增加了智能终端、合并单元设备，站控层设备及全站交换机数量也有所增加。全站二次设备按终期规模进行分类负荷统计的结果见表2。

表2 直流负荷统计

负荷名称装置容量/kW负荷系数计算容量/kW负荷电流/A经常负荷事故放电时间/min初期0～1持续1～120随机0.08微机监控保护系统5.040.62.96413.4713.47√√智能组件装置1.50.81.25.455.45√√DC/DC装置2.50.829.19.1√√UPS装置6.10.63.6616.64√√事故照明0.610.62.73√√断路器自投1.11.01.15√断路器跳闸6.60.63.9618√恢复供电断路器合闸0.551.00.552.5√电流统计/A28.0270.3947.392.5

3 直流电源系统配置

3.1 蓄电池组配置

3.1.1 基本参数选择

本站直流系统额定电压为220 V，蓄电池组为阀控式密封铅酸蓄电池，单体浮充电压选用2.23 V，可计算出蓄电池数量为104只，放电终止电压为1.85 V[6]。

3.1.2 容量选择

根据表2中直流负荷统计结果进行计算蓄电池容量，本站直流负荷在事故放电期间，分为初期负荷(1 min)和持续负荷(2 h)2个阶段。根据蓄电池容量简化计算法[7]：

初期冲击容量，

(2)

第一阶段计算容量，

(3)

随机负荷计算容量，

(4)

式(2)～(4)中：Kk为可靠系数，取1.4；Ich0为初期冲击放电电流，I1为持续放电电流，Ir为随机负荷电流；Kch0，Kc1，Kcr分别为放电时间1 min，119 min及5 s时对应的容量系数，根据阀控式密封铅酸蓄电池(单体2 V)的容量换算系数表，按照放电终止电压、持续放电时间查表得Kch0=1.24，Kc1=0.34，Kcr=1.34。代入式(2)～(4)可得Kch0=79.47 Ah，Kch1=191.2 Ah，Cr=1.87 Ah；取Kch0与(Kch+Cr)的较大值，因此蓄电池组容量选取200 Ah。

3.2 充电装置配置

3.2.1 额定充电电流选择

充电装置额定电流按下列公式计算：

满足浮充电要求，

Ir≥0.01I10+Ijc

(5)

满足初充电要求，

Ir=1.0I10

(6)

满足均衡充电要求，

Ir=1.0I10+Ijc

(7)

式(5)～(7)中:I10=20 A为蓄电池组10 h放电电流，取上述3个公式计算结果最大值得Ir=48.02 A，故选择充电装置额定充电电流Ir=50 A。根据直流设计规程要求，充电装置隔离开关及熔断器额定电流选为63 A，充电装置输出断路器额定电流为63 A。

3.2.2 高频电源开关模块选择

单个高频电源开关模块额定电流选取Ime=10 A，模块数量根据下式计算：

In=n1+n2

(8)

式中：n1为充电电流与单个模块额定电流之比，n2为备用模块数量。当n1≤6时，n2=1;当n1>6时，n2=2。经计算可得，高频电源开关模块容量为(5+1)×10 A。

3.3 馈线电缆截面选择

电缆截面应按电缆长期允许载流量和回路允许电压降2个条件选择，并按下列公式计算：

Ipc≥Ica1

(9)

(10)

式中：Ipc为电缆允许载流量,A；Ica1为回路长期工作计算电流，A；Scac为电缆计算截面，mm2；L为电阻系数，取0.018 4 Ω，mm2/m；L为电缆长度；Ica为允许压降计算电流，A；ΔUp为回路允许电压降，V，取3%～6.5%Un。

本工程直流电源系统采用集中辐射形供电，保护室内各间隔层设备、110 kV GIS及主变压器本体智能汇控柜内设备等分散负荷终端以屏柜为单位直接从直流馈线屏分别引出1回保护、控制电源；10 kV保护测控装置按照10 kV母线段设置直流小母线，每段小母线从馈线屏分别引出1回保护、控制电源。因此直流馈线电缆截面应按这2种情况校验。

a. 分散负荷终端

选取最远处变压器本体智能汇控柜负荷终端，L=60 m；因智能汇控柜内二次设备工作电流远小于断路器线圈合闸电流，故取Ica1=2.5 A(合闸线圈控制电流)。代入式(9)可得Ipc≥2.5 A，根据低压电线电缆载流量索引表[8]可查得电缆截面积选取Scac≥0.5 mm2。

根据直流电源系统不同回路允许电压降计算公式(表E.2-2)[7]，取Ica=10 A，代入式(10)计算可得1.6 mm2≤Scac≤3.4 mm2。根据两式计算结果取较大值并结合常用电缆规格，至分散负荷终端的控缆截面积选取Scac=2.5 mm2，此时ΔUp=4%，满足规程要求。

b. 10 kV直流小母线

取最远处一段小母线，L=50 m；考虑低周减载保护动作一段母线上10 kV出线回路同时跳闸的极端情况，Ica1=2.5*12=30 A。代入式(9)可得Ipc≥30 A，查低压电线电缆载流量索引表得Scac≥6 mm2。

此时,取Ica=Ica1=30 A, 代入式(10)可得3.9 mm2≤Icac≤8.4 mm2。结合常用电缆规格，至10 kV直流小母线的控缆截面积可选取Icac=8 mm2，此时ΔUp=3.1%，满足规程要求。

3.4 直流断路器配置

该工程直流电源系统采用集中辐射形供电，网络接线方式如图1所示。

图1 集中辐射形供电接线

图1中F1为蓄电池出口熔断器；S2为直流馈线柜内出线断路器，选用C型脱扣直流断路器；S3为保护测控屏、智能汇控柜等终端负荷的电源空开，选用B型脱扣直流断路器。S3额定电流根据负荷电流实际大小，可选择2 A，4 A，6 A等不同的额定电流，最大不超过10 A。S2的额定电流选择除了应满足额定负荷的需求，同时还应满足上下级选择性的配合要求。

实际上，直流馈线回路负荷一般很小，因此设计中主要考虑馈线开关的选择性配合问题。根据3.3节ΔUp计算值，按照“A.5-1集中辐射型系统保护电器选择性配合表”[8]的推荐值并结合国家电网直流电源物资采购标准进行简要选择，结果如表3所示。

表3 直流馈线开关额定电流

馈线开关额定电流/AS324610S225324063

F1额定电流按式(11)、(12)计算：

In≥5.5I10

(11)

In≥2In.max

(12)

上式中，I10=20 A为蓄电池组10 h放电电流，In.max为馈线屏断路器S2中额定值最大值，取63 A。代入式(11)、(12) 取最大值，得In≥126 A。

3.5 DC/DC模块配置

根据通信专业提资：通信设备负荷2.5 kW,DC/DC模块额定电压为220/48 V。计算可得模块输出电流50 A,根据N+1原则，通信电源模块额定电流选择(3+1)×20 A。

4 结束语

通过对站内直流负荷进行分类统计与计算，本工程直流电源系统配置为：蓄电池组200 Ah，2 V，104节；UPS电源7.5 kVA；充电机高频模块6×10 A；直流网络采用集中辐射型供电，馈线开关选择25 A、32 A、40 A及63 A规格；馈线屏至各个分散负荷终端的电缆截面选用2.5 mm2，至10 kV配电室直流小母线电缆截面选用8 mm2；通信电源DC/DC模块额定电流选择4×20 A。与国网通用设计方案模块化建设施工图设计(2016)相比，在UPS电源容量、充电机高频模块的配置方面进行了优化，对直流馈线开关配置，电缆截面选择进行了细化研究，可以为其它方案的智能变电站直流电源设计提供参考。

[1] 国家电网公司物资采购标准 电源系统卷 智能变电站电源系统卷[M].北京:中国电力出版社，2014.

[2] 国家电网公司物资采购标准 智能变电站继电保护及自动装置卷[M].北京:中国电力出版社，2014.

[3] 国家电网公司物资采购标准 气体绝缘金属封闭开关设备卷[M].北京：中国电力出版社，2014.

[4] Q/GDW 1429-2012,智能变电站网络交换机技术规范[S].

[5] 国家电网公司输变电工程通用设计-35～110 kV智能变电站模块化建设施工图设计(2016年版)[M].北京:中国电力出版社，2017.

[6] 曹程杰.智能变电站交直流一体化电源计算与选择[J].电工技术,2013(11)：16-18，28.

[7] DL/T 5044-2014,电力工程直流电源系统设计技术规程[S].

[8] 马国栋.电线电缆载流量[M].北京:中国电力出版社，2013.

Research on 110 kV Smart Substation DC Power System Configuration Optimization

Zhang Xinlai1,Ai Fei2

(1.Handan Huilong Electric Power Design&Research Co.,Ltd,Handan 056000,China;2.State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310000,China)

In order to select the proper device of 110 kV smart substation DC power system,the DC load is classified and counted,the design scheme are selected by calculation result,battery group,UPS power supply,high frequency charge etc are ascertained through classifying and calculating DC load of the design scheme.The selecting principles of cable section and feed breaker are fully analyzed,the proper parameters are calculated.This DC power system optimized design will be a reference for the other same scale substation building.

110 kV smart grid;DC power system;cable section;feed breaker

2017-07-03

张新来(1984-)，男，工程师，主要从事变电工程电气设计工作。

TM64

B

1001-9898(2017)06-0025-04

本文责任编辑：杨秀敏