基于智能变电站交直流一体化电源系统研究

牛晓玲

摘 要： 交直流电源智能化运行是通过整合交、直流电源实现的，为供电用电的一体化提供了解决方案，能有效地提高运行的稳定安全性，从而提高了变电站电源管理能力。而交直流一体化电源系统具有集成度高、管理简便等优势，可集中监控和管理多套电源系统，提高了多套站用电源系统蓄电池组的共享性，随着交直流一体化电源系统方案的广泛应用，其所存在的问题急需从根本上进行解决（包括标准化程度不高、各品牌间的兼容性差等）。为确保变电站的可靠运行，提出全模块化电源系统方案，以期提高维护效率并降低维护成本，为提高交直流一体化电源系统的标准化程度提供参考。

关键词： 变电站; 交直流一体化; 全模块化; 标准化通信

中图分类号： TM 762

文献标志码： A

Research on AC/DC Integrated Power System Based on Intelligent Substation

NIU Xiaoling

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xian Railway Vocational and Technical Institute， Xi'an， Shanxi 710026， China）

Abstract：

The intelligent operation of AC and DC power supply is realized by integrating AC and DC power supplies， which provides a solution for the integration of power supply and electricity， effectively improves the stability and safety of operation， and thus improves the power management capability of the substation. The AC/DC integrated power supply system has the advantages of high integration and simple management， which can centrally monitor and manage multiple sets of power supply systems， and improve the sharing of battery packs of multiple sets of power supply systems. With the wide application of the AC/DC integrated power system scheme， its problems urgently need to be fundamentally solved （including the degree of standardization， poor compatibility between brands， etc.）. In order to ensure the reliable operation of the substation， this paper proposes a fully modular power system scheme to improve maintenance efficiency and reduce maintenance costs， and provide reference for improving the standardization degree of AC/DC integrated power system.

Key words：

substations; AC/DC integration; full modularization; standardized communication

0 引言

目前变电站在不断发展和完善的新技术的支撑下，供电稳定性得以全面提升，其智能化、自动化水平不断提高，为用电安全打下牢固的基础。但随着用电规模的不断扩大为电力运行质量的要求逐渐提高，交直流一体进入了新的研究阶段，智能变电站交直流一体化电源系统实现了自动切换、启动设备，高效的满足了传唤供电及安全用电需求，交直流一体化电源系统主要由四类电源构成（包括通信电源、交/直流电源、交流不间断电源），主要负责将各类稳定可靠的电源提供给变电站，各电源子系统的后备电源共用一套蓄电池组，对交流电源进行分配或变换处理（通过使用电源变换器实现），转换成所需电压等级（AC380V、AC220V、DC220V）。通过配置一体化电源监控系统实现实时测量、控制功能，以确保系统正常运行。本文在分析交直流一体化电源系统特点的基础上，进一步对电源系统进行设计和优化，提出了全模块化电源系统方案[1]。

1 常规一体化电源系统

该系统由柜体、蓄电池组、高频开关電源模块（充电模块）、空气开关、DC直流变换器ATS、交流接触器、专用逆变器、监控系统、各类表计及传感器等构成。将电能通过各断路器完成变换后向各用电设备分配，主要存在的问题如下。

（1） 各变电站的一体化电源系统配置、监控系统受到厂家、电力公司企标、规模及项目预算等方面的影响而表现出不同程度的差异，各设备厂家通常需以各项目需求为依据进行设计和生产，导致目前系统产品标准化程度不高、存在较大的差异，提升了整体成本，阻碍了大规模工业化生产的实现及产品质量的提升。

（2） 一体化电源对智能化程度要求逐渐提高，系统复杂程度不断提升，馈线单元针对各类信息的检测功能也不断增加（包括电流、电压、连接点温度、故障告警、开关数量及状态等），显著增加了二次电缆数量、元器件数量和种类及设备后期维护的难度。各运行单位通常需对部分重要元器件进行购买，以满足现场维护的快速响应需求，一体化电源系统中种类繁多的器件（包括充电模块、监控系统、蓄电池等）面临着厂家和规格型号不同的问题，以空气开关用到的断路器为例包含框架、塑壳、微型等不同种类，种类繁多设计复杂的系统构成器件造成备货量大、占用资金高等问题，对维护人员能力要求不断提高[2]。

2 智能变电站电源系统特点

交直流一体化电源系统主要通过综合重组传统变电站的各类电源使用装置（包括交/直流、交流不间断、通信、逆变、直流交换等类型的电源），使其形成统一的运行模块，建立直流电源蓄电池组以实现充分共享（通过使用统一监视控制信息完成），在保证电源供应的同时是电源运行的系统性得以提升。

2.1 实现智能化和网络化

变电站设备的增加提升了所使用电源的复杂程度，使用不同线路及电源的各类设备则增加了维护与保养的难度，而一体化建设通过重组与设计线路使电源供应的稳定与安全性得以提高。交直流一体化电源系统作为智能变电站的重大突破之一，在一体统一外形的同时完善了功能设计，优化了电源系统的整体设计和安装过程，节约了整个电源系统的占地空间，提高了平台利用效率。一体化设计使新的供电模式得以有效实现，显著减少了了组屏数量，在确保整体集中统一的同时简化了系统供电运行过程，能够统一监控和分析各电源子系统，便于后期使用和维护。使不同的电源通信兼容问题（由不同供应商供应）得以充分解决，从而提高了变电站系统的智能化及自动化水平[3]。

2.2 提高了安全性和经济性

信息技术的运用实现了基础设备的自动检测，使系统安全性得以显著提高，一体化电源系统通过有机结合设备和信息技术形成了整体的系统结构特征（合围不同子系统），通过关联各系统实现总控制，各子系統在此基础上完成内部网络化，进而能够统一调整和控制各子系统运行状态和参数，特别是科对电源盲点部位进行及时监控，进一步提升看系统运行的稳定性和安全性。除此之外，各模块间参数通过全面互换能够在不影响整机运行工作的基础上检测单个开关或模块，减少了作业流程，实现了整体设备检修的连续性，从而简化了使用和维修的操作环节。相比于传统常规变电站电源，交直流一体化电源系统运行过程的成本更低，更能满足电力系统的经济实用的需求，优化后的系统整体结构使相关设备更加集成，有利于人力合理分配的实现，显著降低设备投入，节约了变电站运行成本。使用蓄电池还可在一定程度上降低污染，提升经济和社会效益[4]。

2.3 提升电源管理水平

运行复杂的传统变电站电源易引发安全事故，增加了电源管理的难度，随着交直流一体化电源系统在智能变电站中的应用范围逐渐增大，实现了统一整体的电源使用维护过程，使变电站电源使用效率得以显著提升，能够对各条线路进行精准设计，提高了电源管理的科学化和智能化，全部电源设计方案及安装服务均由厂家统一提供，使电源管理过程更加准确及时，管理各线路的历史数据，能够针对事故情况精准判断位置并做出报警处理（以系统各种设置数据为依据），同时对结果进行有效分析，控制操作电池管理输出确保各项事务合理处置，以确保电站安全稳定的运行[5]。

3 电源系统模块化设计

3.1 模块化特点

（1） 简化设计过程，提高出图效率与质量，通过模块化处理一体化电源系统实现多个器件到多个模块的转换过程，以现场的实际负载需求为依据对模块进行组合设计，缩短电源设备的交付周期，从而使相关的设计工作量得以显著减少。

（2） 提高生产及安装过程的标准化程度，生产过程中的系统构成通过模块化设计的运用可流水线生产单个模块，便于标准化程序的应用，进而弥补现有整柜生产的不足，实现流水线生产电源整柜，有效避免了人工生产电源易导致的工艺、任务方面的错误，使电源生产质量水平和效率得以有效提高。

（3） 简化维护过程，一体化电源系统通过模块化设计后，用户只需对构成系统的数个标准大模块进行操作和管理，并使定位电源设备故障更加简单，可使用备用器件对出现故障或损坏的模块进行快速更换，从而使设备现场维护效率得以显著提高，降低设备维护周期和成本。标准模块化设计降低了替换老旧模块的难度，提升单位运行效率[6]。

3.2 模块化设计

（1） 全模块化电源系统，为提升电源系统的全模块化，进行模块化设计时需以电源系统各器件各项功能为依据，为实现功能的模块化并简化设备维护工作量，需整合比较集中的功能，模块化设计包括充电模块、馈线开关（直流、交流、逆变、通信）、交流进线电源、逆变电源模块、直流系统交流进线部分、DC/DC-48V模块、逆变器进线部分。通过设备标准化实现厂家的流水线生产作业，以简化系统设计并提高系统维护效率。

（2） 馈线模块化，馈线开关模块化原理如图1所示。

主要由输出接口及标准通信接口构成，该部分对各厂家、各型号开关规格参数主要通过集成设计技术的使用完成汇总过程（共用尺寸模块），适用各品牌开关的安装，采用软铜牌连接部分一次线，以确保开关与模块间灵活可靠的连接;使用PCB板走线作为二次电缆。在模块内部集成了电流传感器、电压及温度检测功能，实现对电流/压、温度等参数的实时采集过程，通过各模块的智能采集单元完成模拟量数据（由传感器采集）到数字信号的转换过程后再将其上传至总监控处理分析（根据RS485通讯协议），同时能够汇总电流、电压、温度、功率等数据，模块具有较高的通用性，便于生产和后期维护，为大数据计算提供支撑[6]。

（3） 充电及DC/DC组件（即功率模块）模块化，技术的发展和完善为充电及功率模块体积的小型化发展趋势提供了支撑，受到厂家技术差异的影响，功率模块规格尺寸随着能量密度的逐渐增大表现出了较大的差异性。通过对四个功率模块进行集成设计，具有在线热插拔功能，以提高使用

过程的规范性，再将集成后的大模块均完成标准接口的设计（包括输入、输出、通讯接口），提高在线维护的质量和效率。通过更换大模块（接口与原模块保持一致）即可完成快速更换或技术升级，显著降低了更换成本。

（4） 直流部分交流进线（主要由直流总监控、指示灯、端子及交流进线断路器、接触器、监控器、防雷器构成）模块化，适用于220 kV及以下变电站的交直流一体化电源系统，由于该部分的电源包含两路交流电源，为确保直流电源交流供电的可靠性，其供电质量需通过交流监控单元进行检测，两路电源通过采用交流接触器进行自动投切（采用正常交流电源供电）。并且作为个体存在的直流部分交流进线的各组成器件，以导致型号选择、安装方案上的差异，通过断路器、接触器、交流监控、防雷器等（作为一体化电源必备的部分器件）进行模块化设计以作为标准化模块，将其集成于一个模块内，交流进线模块如图2所示，以标准的交流输/输出端子及通讯接口作为对外预留接口。全模块一体化电源采用标准RS485方式作为通信方式及协议，按照标准协议规范各功能模块通信协议点位，实现不同厂家模块的共用[7]。

4 总结

交直流电源智能化运行为供电用电的一体化提供了解决方案，有效提高了运行的稳定安全性，从而使变电站电源管理能力得以提高。而交直流一体化电源系统具有集成度高、管理简便等优势，可集中监控和管理多套电源系统，提高了多套站用电源系统蓄电池组的共享性，随着交直流一体化电源系统方案的广泛应用，其所存在的问题急需从根本上进行解决（包括标准化程度不高、各品牌间的兼容性差等）。为确保变电站的可靠运行，本文提出全模块化电源系统方案，实现标准化工业生产一体化单元的目标，即通过标准化设计，为提高一体化电源系统的共享程度提供有效途径，提高常用器件的备用效率以有效降低维护工作量。

参考文献

[1] 周贤培.分布式与集中式直流系统在变电站的应用研究[J].科技创新与应用， 2018（14）：167-169.

[2] 陈晓彬，邢文忠，孙玉彤，等.如何有效解决变电站站用交直流一体化的电源问题[J].自动化应用，2017（4）：89-91.

[3] 聂小勇，蒋兴，陈波波，等.并联磷酸铁锂电池在110kV变电站的应用研究[J].电源技术， 2016（5）：979-981.

[4] 张岩.试论交直流一体化电源系统的优化设计[J].通信电源技术， 2017（2）：151-153.

[5] 盛丹红.电力通信设备采用交直流一体化电源系统供电的可靠性[J].电子技术与软件工程，2017（22）：43-45.

[6] 陈亮亮，杨镇澴，刘孝鑫，等.风电场升压变电站交直流一体化电源的研究与设计[J].西北水电，2016（2）：63-66.

[7] 黄宁.交直流一体化电源诊断与监测系统的应用分析[J].通讯世界，2017（4）：151-152.

（收稿日期： 2019.06.27）