变电站直流负荷分级及管控方法研究

李亮玉

变电站直流负荷分级及管控方法研究

李亮玉

（国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄 050021）

随着变电站内直流设备增加，蓄电池容量配置越来越大。为减少直流蓄电池容量配置，以及在交流全部失电情况下，优先保证重要直流负荷供电，本文提出变电站内直流负荷分级原则，将全站负荷分为3级，针对不同级别负荷，给出具体管控实施方法。经计算，分级后可减少蓄电池容量配置。

变电站；直流负荷分级；蓄电池容量；管控方法

0 引言

随着变电站内直流负荷增加，蓄电池容量配置增大[1]，投资增加，同时直流蓄电池长期处于浮充状态，增加损耗。因此，考虑直流系统负荷分级，分析故障情况下需优先保障的负荷种类非常必要，可减少蓄电池容量，在严重故障情况下增加重要直流负荷供电时间，为工程应用提供有益参考。

近年来，关于变电站直流电源系统的研究集中在新型电池、容量配置、直流系统智能控制方面。文献[2]研究了基于变电站的储能电站等规划配置方法，文献[3]分析了磷酸铁锂电池在变电站的应用安全性，但是从直流负荷分级角度研究蓄电池容量的方法仍较少。针对直流系统智能控制方面，文献[4]提出硬件上采用电动操作、机械保持的双稳态开关，软件上采用顺序控制逻辑的解决方案；文献[5]提出针对变电站电源系统的电力电子集中式开关保护方案，但是目前关于直流系统智能控制的研究还未见工程应用案例。

本文从直流设备负荷角度出发，提出直流负荷分级方法及分级后负荷智能控制方法，可减少蓄电池容量配置，且在目前工程应用条件下可行。

1 总体思路和原则

目前，变电站一般集中设置阀控式密封铅酸蓄电池，不设置通信专用蓄电池，通过DC-DC转换实现对通信设备供电[6-7]。变电站采取无人值班模式，220V直流系统在全所交流事故断电后工作2h后自动或手动切断，蓄电池剩余电能继续为48V通信系统供电4h。

考虑按以下原则进行直流负荷分级：

1）优先保证系统和站内通信负荷供电，保证通信通道畅通。

2）按照重要性原则，优先保证站控层二次负荷供电，该部分二次负荷是站内任何设备恢复供电的保证。

3）对于间隔层和过程层负荷，按照优先保证高电压等级主网可靠性原则，保证主网二次保护测控及相应过程层设备（针对智能站）供电可靠性。

4）主变及中低压设备的二次负荷采取统筹考虑的原则，优先保证重要设备快速恢复送电，对于主变带低压侧站用变（或接地变）的，应该优先考虑恢复供电，相应主变二次设备应该保证其在事故情况下的供电。

5）对于重要负荷和涉及电网薄弱环节的线路，宜根据变电站位置合理设置优先级，保证相应二次设备供电，以便事故处理后能快速恢复供电。

6）对于次要一次负荷，短时难以恢复供电，可以考虑相应二次负荷停电，待站用交流恢复供电后恢复其供电。

2 直流负荷分级

按照上述原则，将直流负荷分为3级。

2.1 第一级负荷

第一级为必须保证供电的负荷，包括全部通信负荷[6]及站控层负荷（包括蓄电池供不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）负荷）、事故照明负荷。还应保证主网迅速恢复供电，保证主网二次间隔层及相应过程层设备供电可靠性。以220kV站为例，包括220kV环网线路的保护测控及过程层设备。第一级直流负荷见表1。

表1 第一级直流负荷

2.2 第二级负荷

优先保证重要设备快速恢复供电，对于主变带低压侧站用变（或接地变）的，应该优先考虑恢复供电，相应主变二次设备应该在事故情况下较为优先保证供电。第二级直流负荷见表2。

表2 第二级直流负荷

2.3 第三级负荷

次要一次负荷，短时难以恢复供电，可以考虑相应二次设备负荷停电，待站用交流恢复供电后恢复其供电。第三级直流负荷见表3。

表3 第三级直流负荷

3 直流分级后蓄电池容量

分别计算第三级、第二级负荷需要的蓄电池容量，以220-A1-1方案的规模计算，第三级负荷考虑以下设备的二次负荷：中压出线10回（2回二次负荷为二级负荷），低压出线24回，主变1台，电容器12台。经统计第三级直流负荷见表4。

根据阶梯计算法（电流换算法）[8-9]计算蓄电池容量。蓄电池为阀控密封铅酸蓄电池（贫液），按照控制负荷和动力负荷合并供电的计算过程如下：

表4 统计后的第三级直流负荷

1）按第一阶段放电计算

2）按第二阶段放电计算

式中：2为第二阶段放电时间；c2为容量换算系数；2为第二阶段负荷电流；c2为第二阶段计算容量。

3）按第三阶段放电计算

式中：3为第三阶段放电时间；c3为容量换算系数；3为第三阶段负荷电流；c3为第三阶段计算容量。

经计算，蓄电池容量减少41.4A·h。通常考虑留有一定裕度进行蓄电池配置，以220-A1-1方案为例，未分级前直流负荷统计为365A·h，实际选择400A·h蓄电池。分级后蓄电池容量可选择350A·h，或者仍选择400A·h蓄电池容量。经估算，可增加供电时间[41.4/(400-41.4)]×2h=0.23h。

按照同样的方法，在第三级负荷基础上，第二级负荷为中、低压母线保护，分段保护测控装置，2回中压出线，1台主变保护测控及过程层设备，1台站用变保护测控、消弧线圈控制装置。统计第二级、第三级负荷，经过计算，可减少蓄电池容量68A·h。分级后蓄电池容量可选择300A·h，或仍选择400A·h蓄电池容量。经估算，可增加供电时间[68/(400-68)]× 2h=0.41h。

4 直流负荷分级管控实施方法

目前，直流负荷智能控制技术研究有所进 展[4-5]，根据现有直流系统配置方案[10]，按照目前工程中控制方法，对于第二、三级直流负荷，可以采取以下控制方法。

1）对于第二级负荷，考虑该部分负荷数量不多，有一定重要性，由直流馈线屏供电，采用加装分励脱扣器的方式，可以实现空开分控制，合控制需要采取手动方式。加装分励脱扣器原理示意图如图1所示。该方法造价较低，适用于直供负荷的空开，例如位于二次设备室的主变二次负荷。

图1 加装分励脱扣器原理示意图

2）对于第三级负荷，由分电屏供电，通过在电源处（直流馈线屏大空开）加装远程控制电动操作机构，可以实现空开分合控制。加装远程控制电动操作机构示意图如图2所示。例如直流馈线屏上供给中低压集中负荷的空开，可采取该方式，实现中压出线二次直流负荷集中控制，待交直流电源系统恢复交流供电后，自动控制该部分直流负荷恢复供电。

图2 加装远程控制电动操作机构示意图

5 结论

随着电网规模增大，变电站内直流负荷呈现增大的趋势，因此考虑直流负荷合理分级供电，减小蓄电池容量，增加重要直流负荷供电时间，显得非常必要。本文所做研究工作如下：

1）进行了直流负荷分级，第一级为必须保证供电的负荷，第二级负荷为优先保证重要设备快速恢复送电的负荷，第三级为次要一次负荷相应二次设备。

2）对三级负荷和二级负荷进行了统计，经计算，可有效减少蓄电池容量配置或者增加重要负荷供电时间。

3）提出对于第二级负荷采用直供方式，采取加装分励脱扣器的方式实现控制；对于第三级负荷采用集中分电屏控制，在电源处加装远程控制电动操作机构的方式实现二次直流负荷集中分合控制。

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Research on classification and management methods of DC loads in substation

LI Liangyu

(State Grid Hebei Economic Research Institute, Shijiazhuang 050021)

With the increase of DC equipments in substation, the battery capacity configuration is becoming larger and larger. In order to reduce the capacity configuration of DC battery and ensure the power supply of important DC loads in the case of all AC power loss, this paper proposes the principle of priority of DC loads in substation. The DC loads of the whole substation are divided into 3 levels, and specific management methods are provided for different levels of loads. The calculation results show that the battery capacity can be reduced after classification.

substation; DC load classification; battery capacity; management method

2021-07-19

2021-08-22

李亮玉（1990—），男，河北省邢台市人，硕士，工程师，主要从事电力系统分析与电气二次设计工作。