在双母线直流电源系统中母联方案的优化与探讨

李贞城，张昕驰，黄建锋

（1.国网吉林省电力有限公司 检修公司，吉林 长春 130000；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着电网重要保护设备越来越多，各行各业对直流电源的安全性、稳定性以及可靠性要求越来越高。直流电源系统是电网、电厂、通信、铁路以及化工的一个重要的组成部分，是其断路器中控制回路、信号回路、继电保护以及自动装置等二次回路所需的直流电源。一旦直流电源系统出现故障，将会给电力系统的控制保护设备带来巨大影响，甚至危及一次电力系统的安全运行[1]。

110 kV及以上变电站和电厂机组直流系统均双重化配置两套直流电源系统互为备用，保证直流负载实现不间断供电[2]。两套互为备用的直流系统在设计之初是采用母线联络开关进行连接，母线联络开关是手动操作器件，旨在提高直流电源系统互为备用的可靠性。这种母联方式设计简单，安全可靠，可以适应不同的电网运行方式，在电网中得到广泛应用[3]。但只有在某一段直流电源系统检修维护或者系统改造才会合闸母联开关，让两段互为备用的直流电源系统实现备用功能。

1 现有双母线直流电源系统的运行现状

为了保障电力系统的安全运行，发电厂和变电站的控制及保护设备均采用直流电源供电。直流系统采用AC/DC作为主电源，设计蓄电池作为后备电源。在日常运行中，直流电源系统可能发生站用交流电源故障、充电机模块故障、蓄电池脱离母线故障以及蓄电池开路故障等，故障发生后系统不能马上为直流系统负载提供可靠电源[4]。其中最大的问题在于发生故障后需要蓄电池给直流系统负荷供电时，由于蓄电池组供电回路故障、蓄电池组内个别蓄电池开路故障或蓄电池实际储电能力差等因素，将导致对应的直流母线直接失压或者不满足在规程要求的事故放电时间内正常工作。

目前直流电源系统的储能蓄电池采用的是单体额定电压为2 V的阀控式密封铅酸蓄电池，因二次设备的控制电压是110 V/220 V，蓄电池数量选用52只/104只。直流输出电源控制母线和合闸母线合二为一，变电站内的断路器分合闸与二次设备电源均接入该母线。电网公司使用调度综合信息系统，使得调度中心通过各变电站上传的站用交流电压、交流电流、控母电压、控母电流、蓄电池组电压、蓄电池电流、单体蓄电池电压、负荷电流、以及控母电压过欠压、蓄电池组电压过欠压、充电模块故障、绝缘监测故障、亏馈线开关故障等遥信数据，就能实现远方监控，及时将直流系统运行情况通知运维部门，运维部门根据设备故障情况采取相应解决措施，提高变电站直流系统运行可靠性和安全性。

2 母联方案优化探讨

目前，直流双电源系统大部分都是采用传统型的母线联络开关，近年来主网直流系统改造项目中也存在在现有母线联络开关基础上配合隔离式双向DC/DC装置使用的现象。

2.1 母线联络开关方案

这种母联方式采用人工手动操作，设计简单，安全可靠，可以适应不同的电网运行方式，在电网中得到了广泛应用。其最大缺陷是当故障发生时现有的母联开关不能自动合闸，不能实时性实现两套互为备用的直流电源系统设计的备用功能[5]。往往在直流系统检修或蓄电池核容时才需要手动操作传统式母线联络开关，但如果两套直流电源系统中一套直流电源系统发生失压时，并不能及时给故障侧直流电源系统的负荷供电，这很有可能导致故障侧负荷失电，不能正常运行，对电网会造成不可估量的损失。

2.2 隔离式双向DC/DC技术方案

隔离式双向DC/DC技术解决了两段独立直流系统智能互为备用问题，采用双向DC/DC电能转换模块进行设计，还具备自动模式与手动模式，设备正常运行设置自动模式[6]。该技术方案具有自动投入、高电压隔离以及短路保护等特性，确保故障直流电源系统发生严重短路事故时不会拖垮备用直流电源系统[7]。隔离式双向DC/DC应用结构如图1所示。但是该方案存在一些弊端，首先其需要根据现场蓄电池容量和负荷电流进行配置，这样容易导致设备数量增加，直接影响成本，使得成本方面不可控，而且还会占用屏柜更多的安装空间。另外，由于隔离式双向DC/DC装置核心部件属于电子器件设备，因此不能瞬间提供大电流，需要一段时间才能让电流到达所需电流值，这上升时间一般在5-200 ms左右。

如图1所示，设备跨接在两段直流母线之间，通过高速采样两段直流母线电压判断直流系统电源故障情况，当某段直流系统故障时，设备自动启动DC/DC转换功能。

图1 隔离式双向DC/DC应用结构图

2.3 自控母联技术方案

为解决直流电源系统智能母联需求问题，以直流系统故障监测设备厂家为代表提出采用超级电容储能后备结合电控开关构建智能母联，通过监测超级电容电流和直流母线电压变化情况判断直流电源系统故障，区分直流电源系统短路故障和电源系统失电故障，针对失电故障操作电控开关构成母联[8]。自控母联应用结构如图2所示。

图2 自控母联应用结构图

如图2所示，在两段直流母线分别安装超级电容作为后备电源，实时高速监测超级电容的输出电流。当超级电容有电流输出，依据电流的大小和母线电压的变化速率分析直流母线故障类别，若直流母线发生电源故障时，控制电操开关闭合，使得两段母线并联运行，保障电源故障测母线负载安全可靠持续供电。

全程设备自动开启智能闭锁算法，若判断为正常的失压情况，就会发出合闸指令控制电操开关，否则判断出直流电源系统存在严重的短路故障，是会坚决不合闸，避免故障危害殃及另一套直流电源系统的负荷。这种自控母联相对于前者隔离式双向DC/DC，其内部超级电容具有与蓄电池相似的特性，能够提供瞬间大电流，保障了短时间内故障侧负荷的供电问题，以此来满足系统要求，在这过程也弥补电操开关闭合所需的时间，而且其在设备数量配置上，只需一台设备，屏柜占用空间小，易安装。

2.4 方案比较

通过上述3种母联方案的简要阐述，传统的母线联络开关优势明显，缺陷也尤为突出。下面主要对比隔离式双向DC/DC和自控母联，具体如表1所示[9]。

表1 自控母联与隔离式双向DC/DC的对比分析

由表1可以看出，自控母联与隔离式双向DC/DC在组成部分各采用不同的硬件结构，两者共同之处则是均能够实现不间断供电和短路保护功能，不同之处则在于触发依据和系统配置方面[10]。前者是依据电流与电压变化量和电压变化速率来触发合闸，两套直流电源系统只需配置1台装置，占用空间小，安装便捷，而后者是依据电压阈值来触发合闸，需按照功率N+1方式来配置，占用空间大，安装不便捷。因此，在市场应用上，自控母联相对隔离式双向DC/DC更具性价比。

3 结 论

直流电源系统作为变电站/电厂二次设备的主要供电电源，其安全可靠性至关重要。本文阐述了目前直流电源系统的运行现状，针对解决母线失压问题介绍了可靠性强的母联优化技术方案并进行方案对比，凸显各自的特点，对于日后直流系统母联技术的升级发展具有参考意义。