变电站直流应急电源开发与设计

施浩楠，倪佳，顾于昊

(国网江苏省电力有限公司张家港市供电分公司，江苏 苏州 215600)

1 引言

变电站作为电力系统的重要组成部分，负责承担能量的传输与转换，其工作稳定性直接关系到电力系统的运行[1－2]。一旦变电站的交流电源失效，变电站的直流应急电源立即投入运行为变电站的控制装置、继电保护装置、信号采集装置等提供电能，保证这些二次设备正常运行[3－4]。因此变电站直流应急电源是变电站的重要组成部分，对于变电站的安全、稳定、可靠运行至关重要[5]。

2 直流应急电源结构

直流应急电源从功能组成上可以分为锂电池系统、电池管理系统(BMS)、直流变换器(DC/DC)、交直流变换器(AC/DC)、实时监控装置、通信控制单元等[6]；其中锂电池系统用于实现电能的存储，电池管理系统用于实现锂电池系统的充放电控制、直流变换器用于将 DC48V的电变换为 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V的电，交直流变换器用于将AC220V的电变换为DC48V的电，实时监控装置能够进行参数设置、充放电操作、数据显示及故障报警等功能，通信控制系统负责将数据上传到实时监控装置进行显示[7]，具体结构如图1所示。

图1 直流应急电源拓扑结构

3 直流应急电源功能需求

直流应急电源需要具备两种工作模式，即电源模式和充电模式，能够满足锂电池系统充电及为变电站二次设备供电等要求，直流应急电源需要采用LED液晶显示屏实时显示自身实时状态，操作便捷；直流应急电源结构精巧、重量轻便、便于移动，能够在多个变电站之间轻松移动，需要满足如下具体要求[8－9]:

(1)输入采用单相AC220V－50Hz电源，电源出现波动的情况下仍然能够正常工作(AC220V±15%、50Hz±10%)。

(2)该电源能够输出 DC220V、DC110V、DC48V、DC24V、DC15V多路直流电，输出功率要求能够满足变电站的二次侧设备在极端工况下的负载需求；供电的不间断时间必须大于继电保护及自动控制装置最长动作时间，从而保证变电站二次侧设备的动作可靠性[10]。供电不间断时间及输出功率要求至少留出一倍冗余。

(3)直流应急电源需要配置蓄电池组，但由于体积和重量的限制，配置的蓄电池组容量应当在满足需求的前提下尽量小，数量不宜过多，体积不宜过大[11]。

(4)直流应急电源要求轻便，单人能够进行轻松移动、操作。

(5)需要具备故障报警功能，实时提示直流电源的工作状态，为检修人员的维修作业提供辅助条件[12]。

(6)直流应急电源应当具备良好的绝缘状态，保证其工作时的安全性、可靠性、稳定性。

4 直流应急电源功能设计

4.1 直流系统转换方案

变电站二次侧设备所需要的直流电源普遍都是DC220V和DC110V，如果能够将所需要配置的蓄电池数量达到48V通信电源的水平，则蓄电池的数量能够大大减少，对蓄电池的容量进行有效控制，就能够实现对直流应急电源体积和重量的控制，因此直流系统需要实现从 DC48V到 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V的转换就能满足具体需求。

该直流应急电源的直流转换方案可以描述为:当变电站正常工作时，输入电源为AC220V，经过交直流变换器变换为DC48V，DC48V向锂电池系统充电，同时DC48V经过直流变换器变换输出DC220V、DC110V、DC24V、DC15V，为变电站的二次侧设备提供电源；当变电站出现问题时，无法提供AC220V，锂电池系统输出DC48V，DC48V经过直流变换器变换输出 DC220V、DC110V、DC24V、DC15V，为变电站的二次侧设备提供电源，从而实现对变电站二次侧设备的不间断供电。此外直流应急电源，还能够实现DC48V母线欠压及过压保护，以及各个功能模块的故障报警等功能。

4.2 智能开关电源方案

如图2所示为智能开关电源的控制原理，其主要包括了主监控单元、交流配电单元、整流单元、配电监控单元、绝缘监控单元等。其中主监控单元是直流应急电源管理与控制的核心，对直流输出电压电流、直流充电装置的电压电流、锂电池的电压等进行测量、控制与显示，通过串行的RS232/RS485总线与外部进行数据交换；当直流应急电源出现接地情况时，会引起继电保护装置的动作，因此直流应急电源应当配置绝缘监控单元，以便对直流应急电源的绝缘水平以及接地故障等进行监控，绝缘监控单元需要具备自主选择、自主显示、自主报警等功能。当直流应急电源处于正常工作状态时，其各个支路对地的绝缘阻值都很接近，并且超过允许值，此时绝缘监控单元不会发出报警信号；如果支路或者母线出现接地情况，绝缘电阻值低于允许值，此时绝缘监控单元会发出报警信号，并且实时显示报警支路的绝缘电阻值。

图2 智能开关电源控制原理

4.3 整流模块设计

整流模块是高频开关电源的核心组成部分，整流模块直接决定了直流应急电源输出的直流电压已经直流电压的稳定性，如图3所示为直流应急电源整流模块的原理。当整流模块处于正常工作状态时，输入的AC220V电需要经过防雷滤波环节，这样能够保证后级电路的安全性，然后经过防雷滤波处理后的交流电还需要经过整流和无源功率因数校正，最后再经过直流变换器输出可控的直流电。

图3 整流模块原理

无源功率因数矫正电路主要由二极管、电阻、电感、电容等构成，整流桥与滤波电容之间采用电感进行连接，基于流经电感的电流不突变特性改善了充电脉冲波形和电流畸变情况，此外由于流经电感电流相位滞后于电感上电压特性能够改善电磁干扰和功率因数问题。无源功率因数矫正是能实现对电流突变的抑制。直流变换器的功能是将直流电压变换为可控的直流电压，这种控制方式优点显著，响应速度快、加速平稳、能够抑制电网谐波电流噪声、节约电能。

整流模块能够实现交流电到直流电的变换，但脉动很大，存在较大的交流成分，为了得到平滑的直流电压，整流模块的后端需要增加滤波电路，滤除交流部分，在整流桥的输出端与负载之并联一个大电容。

4.4 显示屏

显示屏选用LCD液晶显示屏，其工作原理可以描述为将液晶材料置于平行板之间，通过调节电压来触发液晶材料内部分子的排列结构，来实现遮光与透光的变化对图像进行显示。LCD液晶显示屏优点显著，功耗低、工作电压低、发热量低、完全平面不失真、可视化面积大、抗干扰能力强、画面稳定等。

5 稳压稳流功能验证

稳压精度和稳流精度过高会对直流输出的稳定性造成影响，并且会对功率的输出产生影响，从而影响保护逻辑的误动作，稳压精度和稳流精度的计算公式分别如式(1)和式(2)所示。

其中，δU为稳压精度，UM为输出电压波动值的极大值或极小值，UZ为输出电压目标值。

其中，δI为稳压精度，IM为输出电流波动值的极大值或极小值，IZ为输出电流目标值。

稳压试验和稳流试验结果如表1和表2所示。

表1 稳压试验结果

表2 稳流试验结果

分析表1和表2数据可以得出，稳压精度为0.23%，该值满足设计要求(<±0.50%)，稳流精度为0.48%，该值满足设计要求(<±0.50%)。因此该直流应急电源的稳压和稳流功能合格。

6 结论

变电站是电力系统中的核心设备，其运行状况直接决定了电力系统的安全性、稳定性、可靠性。本文设计了一种直流应急电源，该电源能够在变电站工作出现异常的情况下，为变电站的智能终端、监控单元、继电保护系统、断路器等二次侧设备提供直流电源。经验证，该直流应急电源体积小巧轻便、可靠性高、性价比高、功耗低、实用性强、输出特性优良，可以进行大规模推广应用。