110 kV变电站直流蓄电池容量计算算法优化

张尚云

（国电龙源节能技术有限公司上海分公司，上海 200333）

0 引 言

变电站中，直流系统是非常重要的一部分。直流电源主要为控制系统、保护系统、监控系统、直流应急照明、断路器开合闸、DC/DC变换装置以及直流电机等提供不间断电源。直流系统的核心是蓄电池，因此合理选择蓄电池容量是保证事故情况下各用电设备能可靠动作、运行的关键。目前，选择蓄电池容量的计算方法有两种——电压控制法和阶梯计算。本文以直流负荷性质为基础，结合实际案例数据分析两种计算方法，并在原有计算过程基础上提出优化的计算方法[1]。

1 直流负荷统计

以某无人值守110 kV变电站典型设计为例，该站直流系统标称电压110 V，采用直流控制与动力负荷合并的一组蓄电池供电。蓄电池拟选用阀控式密封铅酸蓄电池、贫夜单体2 V、放电终止电压为1.85 V。无人值守变电站，全站交流电源事故停电时间按2 h计算[2]。变电站直流负荷包括信号、控制与保护装置2 kW，监控系统1 kW，智能装置0.5 kW，断路器跳闸3 kW，断路器自投5 kW，恢复供电断路器合闸5 kW，交流不停电电源2 kW，应急照明1 kW，氢密封油泵20 kW，DC/DC变换装置1.3 kW。为简化计算过程，略去部分负荷，仅对部分负荷容量进行统计调整，统计结果如表1所示。

按直流负荷统计表有：经常负荷电流Ijc=31.26 A；初期1 min冲击电流I1min=404.1 A；事故放电时间持续负荷电流I0.5h=I1.0h=I1.5h=I2h=196.8 A；随机5 s负荷电流I5s=45.5 A。

表1 直流负荷统计

2 蓄电池容量选择

蓄电池容量选择应符合以下规定：满足变电站（或发电厂）事故全停电时间内的放电容量要求；满足变电站事故放电初期直流电动机的启动和其他设备冲击负荷的放电容量要；满足蓄电池组的持续放电时间内的随机5 s冲击负荷电流的放电容量要求。

蓄电池容量选择计算应满足下列规定：按相应事故放电时间分别计算事故放电电流，确定其负荷曲线；根据蓄电池的型式、蓄电池放电时间、放电终止电压等，确定相应的蓄电池容量换算系数；按事故放电阶段，根据事故电流分阶段进行容量计算，如果有随机负荷，应相应地叠加到各阶段计算容量中最大的放电阶段；选取最大值作为蓄电池的选择容量[3]。目前，计算方法有两种——阶梯计算法（HOX-IE）和电压控制法（简化法）。

阶梯计算法（HOX-IE）是将全部负荷视为不同大小的阶梯，按阶梯计算所需容量，然后取较大值；电压控制法（简化法）是将负荷分为初期冲击负荷和持续负荷，分别计算所需容量，然后比较取较大值。相比阶梯计算法，电压控制法（简化法）计算时间只有1 min、30 min、60 min、120 min等整数，计算过程相对简化，比阶梯计算法少算一个阶梯。

简化计算算法是根据容量换算，用初期1 min冲击负荷电流计算其实际最低母线电压和校验后的计算容量；阶梯计算法是用电流值换算，事先设定好母线电压值，之后不再校核，因为最后选择的蓄电池容量总是大于计算容量，所以实际得到的最终母线电压一定会高于要求。这两种方法所用的换算系数蓄电池容量换算系数可以相互替换，本质一样。

（1）事故放电初期1 min冲击放电电流容量为：

（2）第n阶段的计算容量为：

（3）随机负荷计算容量为：

式中，Kk=1.4为可靠系数；Cc1～Ccn为电池10 h或5 h放电率各阶段的计算容量，单位Ah）；Kc1～Kcn为各计算阶段中相对应放电时间的容量换算系数；I1～In为各阶段的负荷电流，单位A。

2.1 阶梯计算法（HOX-IE）

（1）第一阶段计算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系数），I1=404.1（初期1 min电流），于是有：

（2）第二阶段计算容量

t=30 min，Kc1=0.78（30 min系数），Kc2=0.8（29 min），I2=196.8（30 min电流），于是有：

（3）第三阶段计算容量

t=60 min，Kc1=0.54（60 min系数），Kc2=0.558（59 min），Kc3=0.78（30min），I3=196.8（60 min），于是有：

（4）第四阶段计算容量

t=120 min，Kc1=0.33（120 min），Kc2=0.347（119 min），Kc3=0.428（90 min），Kc4=0.54（90 min），I4=196.8（120 min），于是有：

（5）随机负荷计算容量

Ir=45.5为可靠系数，Kcr=1.34为随机5 s负荷系数，于是有：

根据比较以上各阶段计算结果，有：

故本110 kV变电站蓄电池容量为791 Ah。

2.2 电压控制法（简化计算法）

简化计算法，计算时间仅有1 min、30 min、60 min、120 min等整数，且将阶梯计算法第一个阶段提出作为初期1 min冲击放电容量，比阶梯计算法少用一个阶梯，详细计算过程此处不赘述。

3 蓄电池容量计算方法优化

事故停电时间有人值守变电站，分析变电站直流负荷性质。一般除去初期1 min冲击负荷电流、随机5 s负荷电流，事故放电持续时间内各用电设备事故停电持续时间基本相同，这样负荷统计过程中计算电流会有几个阶段计算电流相同。考虑可以将变电站负荷统计过程中计算电流相同阶段视为同一阶段优化阶梯法和电压控制法计算过程。例如，阶梯法计算过程1～30 min、30～60 min、60～120 min计算电流相同（电压控制法类似）。将这3个阶段简化为一个阶段1～120 min，简化计算过程如下。

（1）第一阶段计算容量

t=1 min，Kc=1.24（1 min系数），I1=404.1（初期1 min电流），于是有：

（2）第二阶段计算容量

t=120 min，Kc1=0.344（120 min），Kc2=0.347（119 min），I2=196.8（120 min），于是有：

（3）随机负荷计算容量

Ir=45.5（随机5 s），Kcr=1.34（随机5 s），于是有：

故本110 kV变电站蓄电池容量为791 Ah。

对比可见，优化后不影响计算结果，计算过程大大简化，原阶梯计算法有4个阶段（阶梯），优化后仅剩2个阶段。需要说明的是，本优化计算法同样适用于电压控制法（简化法）。

4 结 论

本文仅对直流系统蓄电池容量计算方法阶梯计算法和电压控制法计算过程进行优化改进，并未对蓄电池选择中其他方面做赘述。比较发现，优化后的计算方法在不影响计算结果的基础上大大简化了计算过程，为变电站设计中蓄电池容量计算提供了参考。