基于“三电五充”低压直流电源系统的开发与应用

宋海龙，史磊，柴斌，赵晓健

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011；2.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；3.山东泰开自动化有限公司，山东 泰安 271000)

低压直流电源系统是变电站安全运行的基础，随着变电站二次综自设备的自动化程度越来越高，站用低压直流电源系统的整体运行管理水平显得至关重要[1-3]。作为变电站控保系统、自动化系统的“心脏”，低压直流电源系统的运行可靠性将直接影响变电站设备的安全稳定运行[4-5]。特别是直流换流站阀组用低压直流电源系统通常采用“两电三充”接线方式[6]，即2组蓄电池和3组充电机，由于仅提供两段独立直流馈电母线，无法向换流站三套直流保护及接口装置提供完全独立的电源配置[7]，极大降低了换流站直流保护系统“三取二”出口逻辑的正确动作率[8-10]，在换流站生产运维中存在较大安全隐患。

1 现状及问题分析

1.1 现状分析

换流站阀组用低压直流电源系统通常采用“两电三充”接线方式，按2组蓄电池和3组充电机配置，每组充电机均由2路交流电源经双电源切换装置可靠供电[11]，系统结构如图1所示。

从图1可知，M1为A段充电机组，M2为B段充电机组，M3为备用充电机组；1DM为A母蓄电池组，2DM为B母蓄电池组；A1为A段充电母线，B1为B段充电母线；A为A段馈电母线，B为B段馈电母线，C为C段馈电母线。正常运行时，M3充电机组处于退出状态，其他元器件处于以下状态：

图1 “两电三充”系统结构

1)1QS1 2号隔离开关投入，1QS2隔离开关投入，M1充电机组对1DM进行维护，A段馈电母线处于正常运行状态；

2)2QS1 5号隔离开关投入，2QS2隔离开关投入，M2充电机组对2DM进行维护，B段馈电母线处于正常运行状态；

3)JQS J1隔离开关投入，由A段馈电母线带C段馈电母线，C段馈电母线处于正常运行状态；

4)3QS1隔离开关退出，M3充电机组作为A1、B1充电母线备用；

5)MQS隔离开关退出，A段和B段馈电母线互为备用。

对于三重化配置的换流站直流保护系统，其动作出口采取“三取二”逻辑：当三套保护装置均正常时，按“三取二”逻辑出口，即三套保护至少有两套动作才出口；当一套保护装置出现故障时，按“二取一”逻辑出口，即剩余两套保护至少有一套动作才出口；当两套保护装置均故障时，按“一取一”逻辑出口，即剩余一套保护动作才出口。

由上可知，基于“两电三充”系统结构的阀组用低压直流电源系统C段直流馈电母线，一般由A段或B段馈电母线间接供电，C段没有配置单独的蓄电池组和充电机组，因此，基于“两电三充”系统结构存在供电电源丢失导致保护装置故障问题，包括以下几种情况：

1)当A段、B段馈电母线均正常运行时，C段馈电母线能够可靠运行，A套、B套、C套直流保护系统能够正确实现“三取二”逻辑出口；

2)当A段馈电母线发生故障时，A套直流保护系统将失电退出，B段、C段馈电母线可分别供B套、C套直流保护系统，实现“二取一”逻辑正确出口；

3)当B段馈电母线发生故障时，B套直流保护系统将失电退出，A段、C段馈电母线可分别供A套、C套直流保护系统，实现“二取一”逻辑正确出口；

4)当C段馈电母线发生故障时，C套直流保护系统将失电退出，A段、B段馈电母线可分别供A套、B套直流保护系统，实现“二取一”逻辑正确出口；

5)当A段、C段馈电母线均发生故障时，A套、C套直流保护系统均会失电退出，B段馈电母线可供B套直流保护系统，实现“一取一”逻辑正确出口；

6)当B段、C段馈电母线均发生故障时，B套、C套直流保护系统均会失电退出，A段馈电母线可供A套直流保护系统，实现“一取一”逻辑正确出口；

7)当A段、B段馈电母线均发生故障时，由于C段由A段或B段间接供电，此时A套、B套、C套直流保护系统均会失电退出，从而无法实现直流保护“一取一”逻辑的正确出口，致使直流系统因同时失去三套保护而导致直流误闭锁，存在较大安全隐患。

1.2 存在的问题

基于“两电三充”接线方式的阀组用低压直流电源系统，当A段、B段直流馈电母线均故障时，将直接导致阀组用低压直流电源系统全部失电，一方面无法实现直流换流站三重化保护“一取一”逻辑的正确出口，另一方面将使直流系统因同时失去三套保护而导致直流误闭锁，极大降低了高压直流输电系统的运行可靠性。

2 系统设计及应用

2.1 系统设计

为了解决“两电三充”低压直流电源系统工作方式在阀组自动化系统电源方案中存在的隐患问题，使换流站直流保护及接口装置的低压直流电源配置完全独立，提高直流保护系统“三取二”出口逻辑的正确动作率，急需提出一种新结构、新方法解决以上问题。本文提出了一种基于“三电五充”系统结构的低压直流电源系统，相较于“两电三充”系统结构，其运行可靠性、灵活性和实用性等方面均有显著优势。

2.1.1 系统结构

在传统“两电三充”系统结构的基础上，通过增加1组蓄电池、2组充电机和1段直流馈电母线，将低压直流电源系统设计为3组蓄电池和5组充电机结构，将直流馈电母线分为独立的A段、B段和C段[12]。“三电五充”系统结构如图2所示。

图2 “三电五充”系统结构

从图2可知，M1为A段充电机组，M2为B段充电机组，M3为C段充电机组，M4、M5为两组备用充电机组；1DM为A母蓄电池组，2DM为B母蓄电池组，3DM为C母蓄电池组；A1为A段充电母线，B1为B段充电母线，C1为C段充电母线；A为A段馈电母线，B为B段馈电母线，C为C段馈电母线。

2.1.2 运行模式

结合图2，“三电五充”低压直流电源系统主要包括三种运行模式。

2.1.2.1 正常运行模式

1)1QS1 2号隔离开关投入，1QS2隔离开关投入，M1充电机组对1DM蓄电池组进行维护，A段馈电母线处于正常运行状态；

2)2QS1 9号隔离开关投入，2QS2隔离开关投入，M2充电机组对2DM蓄电池组进行维护，B段馈电母线处于正常运行状态；

3)3QS1 5号隔离开关投入，3QS2隔离开关投入，M3充电机组对3DM蓄电池组进行维护，C段馈电母线处于正常运行状态；

4)4QS1隔离开关退出，M4充电机组作为A1、C1充电母线备用；5QS1隔离开关退出，M5充电机组作为B1、C1充电母线备用；

5)MQS1隔离开关退出，A段和C段馈电母线互为备用；MQS2隔离开关退出，B段和C段馈电母线互为备用。

2.1.2.2 充电机组检修模式

当M1、M2或M3充电机组因检修需要退出时，需将M4或M5备用充电机组投入。

1)当M1充电机组退出时，先将4QS1 3号隔离开关投入，1QS2隔离开关处于投入状态，后将1QS1 2号隔离开关退出，则M1充电机组完全退出，M4备用充电机组对1DM蓄电池组进行维护，A段馈电母线处于正常运行状态；

2)当M2充电机组退出时，先将5QS1 8号隔离开关投入，2QS2隔离开关处于投入状态，后将2QS1 9号隔离开关退出，则M2充电机组完全退出，M5备用充电机组对2DM蓄电池组进行维护，B段馈电母线处于正常运行状态；

3)当M3充电机组退出时，先将4QS1 4号隔离开关投入，3QS2隔离开关处于投入状态，后将3QS1 5号隔离开关退出，则M3充电机组完全退出，M4备用充电机组对3DM蓄电池组进行维护，C段馈电母线处于正常运行状态；

4)当M3充电机组退出时，先将5QS1 7号隔离开关投入，3QS2隔离开关处于投入状态，后将3QS1 5号隔离开关退出，则M3充电机组完全退出，M5备用充电机组对3DM蓄电池组进行维护，C段馈电母线处于正常运行状态。

2.1.2.3 蓄电池组维护模式

任何情况下，均需保证直流馈电母线至少带一组蓄电池作为后备直流电源，同时，需保证两段直流馈电母线切换过程中不能中断供电。当1DM、2DM或3DM蓄电池组因维护需要退出时，直流馈电母线切换过程中允许两组蓄电池组短时并联运行。

1)当1DM蓄电池组退出时，先将1QS1 1号隔离开关投入，再将MQS1隔离开关投入，此时1DM、3DM蓄电池组短时并联运行，后将1QS2隔离开关退出，由M3充电机组、3DM蓄电池组和M1充电机组带A段、C段馈电母线并列运行，此时可根据负载情况确定是否将M1充电机组退出。

2)当2DM蓄电池组退出时，先将2QS1 10号隔离开关投入，再将MQS2隔离开关投入，此时2DM、3DM蓄电池组短时并联运行，后将2QS2隔离开关退出，由M3充电机组、3DM蓄电池组和M2充电机组带B段、C段馈电母线并列运行，此时可根据负载情况确定是否将M2充电机组退出。

3)当3DM蓄电池组退出时，先将3QS1 6号隔离开关投入，再将MQS1隔离开关投入，此时1DM、3DM蓄电池组短时并联运行，后将3QS2隔离开关退出，由M1充电机组、1DM蓄电池组和M3充电机组带A段、C段馈电母线并列运行，此时可根据负载情况确定是否将M3充电机组退出。

4)当3DM蓄电池组退出时，先将3QS1 6号隔离开关投入，再将MQS2隔离开关投入，此时2DM、3DM蓄电池组短时并联运行，后将3QS2隔离开关退出，由M2充电机组、2DM蓄电池组和M3充电机组带B段、C段馈电母线并列运行，此时可根据负载情况确定是否将M3充电机组退出。

针对以上“三电五充”接线方式需根据负载情况确定是否将该组蓄电池对应的充电机组退出的问题，主要取决于带两段馈电母线并列运行时，一组充电机功率是否能够同时满足两段馈电母线负载功率的需求。若能满足要求，则可将待维护蓄电池组对应的充电机组退出，仅用一组充电机带两段馈电母线负载运行，未退出的蓄电池组做后备电源；若不能满足要求，为了避免蓄电池组长时间放电，则将待维护蓄电池组对应的充电机组保持投入，仍由两组充电机带两段馈电母线负载运行，未退出的蓄电池组做后备电源。

2.2 应用案例

在工程应用中，“三电五充”低压直流电源系统系统结构如图3所示。

从图3可知，以“灵州换流站”为例，基于“三电五充”低压直流电源系统包括3段独立的直流馈电母线，每段直流馈电母线均由1组蓄电池、1组充电机进行独立供电，另外2组充电机作为备用直流电源[13]。

图3 “三电五充”工程系统结构

基于“三电五充”低压直流电源系统采取集中组屏方式，共10面屏，包括1面电源监控屏、1面电源联络屏、5面充电机屏和3面直流馈电屏，集中布置于继电器室，3组蓄电池布置于专用蓄电池室。相关组屏及现场照片如图4、图5所示。

图4 “三电五充”组屏方式

图5 蓄电池组

基于“三电五充”低压直流电源系统通过1套直流监控系统能够同时监测3组蓄电池、5组充电机和3段直流馈电负载的整体运行状态[14]。其中，直流监控系统由1台直流总监控装置和5台直流分监控装置组成。直流总监控装置采集模拟量信息并对系统运行状态进行实时监视。每1套充电装置均配置1台直流分监控装置，根据采集模拟量信息对充电机及蓄电池进行维护，并将设备运行状态反馈至直流总监控装置。

3 效果评价

1)基于“三电五充”低压直流电源系统具有完善的系统结构设计，能够满足3段直流馈电母线的独立供电需求，各段负载容量配置合理，提高了低压直流系统的安全性和可靠性。

2)“三电五充”接线方式下，在充电机组检修或蓄电池组维护时，运维人员可根据实际需求进行多种典型运行方式转换，其操作便捷，具有较强的运行稳定性和灵活性。

3)“三电五充”接线方式能够更好地匹配换流站现场实际需求，保障了换流站直流保护系统“三取二”出口逻辑的正确性，消除了低压直流电源故障导致直流误闭锁的重大隐患。

4)“三电五充”采取集中组屏方式，占地面积小，屏间联系紧密，通过1套直流监控系统能够实现全部蓄电池、充电机和馈电负载的状态监视功能，具有较强的集成度和自动化水平。

4 结 论

1)“三电五充”接线方式能够实现低压直流电源系统与换流站直流保护系统多电源配置需求的完美契合，真正消除了低压直流电源故障导致直流误闭锁的重大隐患，具有一定的先进性和突破性。

2)采取集中组屏方式和统一监控管理。当低压直流电源发生故障时，能够及时监测报警，极大地提升了运维人员应急处置效率，保障了设备安全稳定可靠运行。

3)与传统“两电三充”系统结构相比，“三电五充”结构具有更强的可靠性及实用性，其应用推广范围更大。

4)“三电五充”工程设计及应用，可为全国各直流换流站阀组用低压直流电源系统提供有力参考，具有较高的指导意义。