智能变电站交直流一体化电源计算与选择

电源技术　智能变电站交直流一体化电源计算与选择　曹程杰　（江苏省电力公司电力经济技术研究院设计中心，南京２１０００８）　［摘要］　阐述智能变电站交直流一体化电源系统组成单元的技术特征，并以某２２ＯｋＶ智能变电站为例，介绍站用负荷　的组成结构，计算出全站交直流负荷，最后在此基础上，依据国家电力行业规程提出该２２０ｋＶ变电站一体化　电源的配置方案。　关键词　智能变电站交直流一体化站用电源负荷　０引言　台路由器；二次安全防护配置４套纵向加密装置、２台单　向隔离装置、２台硬件防火墙。　站用电源是变电站安全运行的基础。传统变电站站用　１．２间隔层设备配置　电源分为交流系统、直流系统、ＵＰＳ、通信电源系统等子　系统。各子系统采用分散设计、独立组屏，由不同的供应　间隔层由保护、测控、计量、录波、网络记录分析等　商生产、安装、调试，现场运行也由不同专业的人员进行　二次子系统组成。根据相关规程规范要求，２２０ｋＶ系统、　管理。随着变电站数字化程度的提高以及智能变电站试点　主变系统采用保护、测控独立装置；１１０ｋＶ系统采用保　工程的投运，逐渐明确并提出了交直流一体化电源的概　护、测控一体化装置；１ＯｋＶ系统采用保护、测控、录波　念。在智能变电站中，将以上各子系统一体化设计、一体　多合一装置。主变各侧配置关口电能表；２２０ｋＶ、１１０ｋＶ　化配置、一体化监控；取消通信蓄电池组及充电装置，使　及１ＯｋＶ出线回路配置平衡电能表。全站共配置测控装置　用ＤＣ／ＤＣ变换器直接挂于直流母线代替；取消ＵＰＳ蓄电　３６台，保护装置２７台，保护、测控一体化装置１３台，保　池，使用逆变器直接挂于直流母线代替；同时，增加了合　护、测控、录波多合一装置６９台，各类计量电能表６９　并单元、智能终端等智能设备，并大量使用交换机。鉴于　块。　此，提高智能变电站一体化站用电源的设计计算水平具有　１．３过程层设备配置　重要的意义＿１　］。　过程层由合并单元、智能终端等构成，完成与一次设　备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状　１　２２０ｋＶ智能变电站介绍　态的检测、控制命令的执行等。根据相关规程规范要求，　某２２０ｋｖ智能变电站为全户内ＧＩＳ结构，有３台　２２０ｋＶ系统、主变系统采用合并单元、智能终端独立装　２４０ＭＶＡ主变，电压等级为２２０／１ｌＯ／ｌＯｋＶ，２２０ｋＶ、　置；ｌｌ０ｋＶ系统采用合并单元、智能终端一体化装置；　Ｉｉ０ｋＶ系统均为双母线接线形式。２２０ｋＶ出线８回；　１ｏｋＶ系统采用传统数字变电站模式，不配置合并单元、　１１ＯｋＶ出线１２回，均按馈供线路考虑；ｌＯｋＶ出线３６　智能终端。全站共配置合并单元５Ｏ台，智能终端４７台，　回，电容器１８组，电抗器６组，站用变３台，ｌＯｋＶ主接　合并单元、智能终端一体化装置１５台。　线为单母线六分段环形接线，所有断路器均配弹簧操作机　１．４交换机配置　构。变电站自动化系统按智能变电站相关规程规范要求采　交换机作为主要的网络通信设备在智能变电站中起着　用“三层两网”结构口］。　至关重要的作用。全站共配置站控层交换机１８台、过程　１．１站控层设备配置　层交换机５０台、主变系统交换机１２台。　站控层由主机兼操作员工作站、远动通信装置、状态　由于ＵＰＳ及通信电源均不设独立蓄电池，由直流系　监测及智能辅助控制系统后台主机、网络打印机等设备构　统直接供电，因此智能变电站交直流一体化电源计算应先　成，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔　从ＵＰＳ开始，然后是直流系统，最后是交流所用电。　层、过程层设备等功能，形成全站监控、管理中心，并与　２　ＵＰＳ电源计算　远方监控／调度中心通信。站控层设备配置：一体化平台　主机双机冗余配置；综合应用服务器单套配置；Ｉ区远动　依据ＤＬ／Ｔ　１０７４－－２００７｛电力用直流和交流一体化不　网关机双套配置；ＩＩ区远动网关机单套配置；ＩＩＩ／ＩＶ区远　间断电源设备》，变电站站用ＵＰＳ的负荷统计包括微机监　动网关机单套配置；网络打印机１台；调度数据网配置２　测、监控系统（１　５００Ｗ），电能计费系统（６９０Ｗ），自动和　收稿日期：２０１３—０４—１１　作者简介：曹程杰（１９８２一），硕士，研究方向为变电站二次设计、电力系统控制等。　１６ｌ＼　Ⅳｌｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ　ｌ电工技术　电源技术　保护装置（１　ｏｏ０Ｗ），需辅助电源的变送器，火灾监测系统　，ｚ一１．ｏ５　Ｕ　ｎ　（１　ｏｏｏｗ），打印机（３００Ｖ￣），系统调度调信系统（１　４００Ｗ）。　Ｕ】）Ｓ电源系统容量为：　式中，Ｕｎ为直流系统标称电压，２２０Ｖ；Ｕｆ为单体蓄电池　ｓＰ∑　浮充电电压，２．２３Ｖ。由此计算得蓄电池个数为１０３．５８　——Ｌ，＼／　＼／　＼／　ｃＫＸＫｄ×Ｋｔ×Ｋａ　只，取整为１０４只。　式中，Ｓ　为ＵＰＳ计算容量，ｋＶＡ；Ｋｉ为动态稳定系数，　３．２单体蓄电池放电终止电压计算　取１．１；Ｋ　为直流电压下降系数，取１．１；Ｋ　为温度补偿　控制负荷和动力负荷由同一供电系统供电，则单体蓄　系数，取１．０５；Ｋ　为设备老化系数及设计裕度系数，取　电池放电终止电压为：　１．０５；Ｐ∑为全部负荷的计算功率，ｋＷ；ｃｏｓ　为负荷功率　Ｕｍ￣／０．８７５　一１．８５Ｖ　因数，取０．８（滞后）。　咒　Ｓ　为９．８ｋＶＡ时，ＵＰＳ容量可取为１０ｋＶＡ。智能变　由此可得单体蓄电池放电终止电压取１．８５Ｖ。　电站ＵＰＳ的容量较常规数字化变电站大，这是因为增加　３．３蓄电池容量计算　了许多后台服务器及网络通信设备。　蓄电池容量计算中，第　阶段计算容量为：　３直流负荷计算　Ｃｃ￣ｚｇ　Ｉ１＋　＋．．斗　］　智能变电站经常性直流负荷主要集中在微机保护测控　式中，Ｌ、　…Ｌ为各阶段的负荷电流（见表１），Ａ；ＫｌＫ为　可靠系数，取１．４；Ｋｃ　为各计算阶段中全部放电时间的容量　装置、现场合并单元智能终端装置以及大量应用的交换　机。而冲击性直流负荷主要出现在事故导致断路器跳闸　换算系数；Ｋ　为各计算阶段中除第一阶梯时间外的放电时间　的容量换算系数；Ｋ　为各计算阶段中最后一个阶梯放电时间　时，此时的负荷主要有两部分：一是断路器跳闸线圈，采　的容量换算系数。不同阶段的容量换算系数根据不同蓄电池　用弹簧操作的断路器的分合闸电流大多在１～５Ａ；二是事　型式、终止电压和放电时间选择，阀控式密封铅酸蓄电池的　故时交换机数据量传输变大，保护装置有计算、出口跳闸　终止电压为１．８５Ｖ，放电时间分为ｌｍｉｎ、ｌｈ、２ｈ三个阶段，　等行为，这些设备的功耗会比平时大，计算时需考虑最严　则容量换算系数ｌｍｉｎ的Ｋ　一１．２４，１ｈ的Ｋ　－－０．５４，２ｈ的　重事故，即２２０ｋＶ母线保护动作，跳２２０ｋＶ侧所有断路　Ｋｌｄ—Ｏ．３４４，５９ｍｉｎ的Ｋｃ２一Ｏ．５５８，ｌｈ５９ｍｉｎ的Ｋ　一Ｏ．３４４，　器，同时低压侧低频低压减载动作，跳低压侧所有出线。　１ｈ的Ｋ　一０．５４，随机５ｓ负荷的Ｋ　—１．３４。　参考许继、南自等厂家的产品资料，保护、测控、合　根据ＤＬ／Ｔ５０４４－－２００４＜＜电力工程直流系统设计技术规　并单元、智能终端等装置的正常运行功耗均在３０￣４０Ｗ左　程》附录Ｂ．２．２计算出的第一阶段计算容量为１４９．５Ａ・　右，系统事故时的功耗约在５０￣６０Ｗ左右。山东鲁能的　ｈ；第二阶段计算容量为２０１．３Ａ・ｈ；第三阶段计算容量　２２ＯｋＶ、ｌｌ０ｋＶ　ＧＩＳ产品，其分合闸线圈电流约为２Ａ；江　为３４４Ａ．ｈ；随机负荷计算容量为：　苏帕威尔的１ＯｋＶ开关柜，其分合闸线圈电流约为１Ａ。　直流系统选择阀控式密封铅酸蓄电池、高频开关式充　ＣＲ一　ＩＲ一一１．４９Ａ・ｈ　电装置。蓄电池容量选择依据ＤＬ／Ｔ　５０４４－－２００４￣电力工　将ＣＲ叠加在　至　上，然后与Ｃｃ　比较，取其大　程直流系统设计技术规程》附录Ｂ．２．２阶梯计算法。　者，即为蓄电池的计算容量，本工程蓄电池计算容量为：　直流负荷统计计算结果见表１。　Ｃｃ—Ｃｄ＋ＣＲ一３４５．４９Ａ・ｈ　表１直流负荷统计计算表　因此选用蓄电池容量为４００Ａ・ｈ。按照规范要求，　事故放电时间　２２０ｋＶ变电站应装设不少于２组蓄电池，本工程直流系统　序号　负荷名称　容装置　负荷系数　计算　负荷　随机　持续／ｍｉｎ　量／ｗ　或同时率　容量／　电流／＾　蓄电池选择为２×４ＯＯＡ・ｈ，每小时放电容量Ｊ　。＝４００Ａ・　５ｓ　０～１　１～６Ｏ　６０～１２０　ｈ／ｌｏｈ＝４０Ａ。　１　保护测控装置　３　５００　０．６　２　１００　９．５５　√　√　√　２　合并单元、智能终端　４　１６０　０．６　２　４９６　１１．３５　√　√　√　３．４充电装置选择　３　交换机　４　８００　０．６　２　８８０　１３．１　√　√　√　工程采用高频开关电源，容量计算如下。　４　其它二次系统　２　０００　０．６　１　２００　５．４５　√　√　√　５　ＵＰＳ系统　８　０００　０．６　４　８００　２ｌ＿８２　√　√　√　（１）充电装置额定电流。　６　事故照明　３　０００　１．０　３　０００　１３．６４　√　①充电装置额定电流需满足浮充电要求，则有：　７　ＤＣ／ＤＣ转换装置　４　０００　０．８　３　２００　１４．５５　√　√　√　Ｉｏ＝＝＝０．０１　１ｏ＋Ｌ　一５４．４Ａ　８　断路器跳闸　２０　７４０　０．６　１２　４４４　５６．５６　√　式中，Ｉ。为充电装置额定电流，Ａ；ｋ为直流系统的经常　９　恢复供电断路器合　４４０　１．０　４４０　２　√　负荷电流，由表１可知为５４Ａ。　１０　合计　；２Ａ　Ｉｌ＝１３２．４Ａ　Ｉ２＝７５．８Ａ　１３＝８９．５Ａ　②充电装置额定电流需满足初充电要求，则有：　３．１蓄电池数量计算　Ｉ　一（１～１．２５）　１。　蓄电池数量为：　系数取１．１５，则Ｉ　为４６Ａ。　电工技术ｌ　２０１３　ｌ　１１期ｌ１７　电源技术　③充电装置额定电流需满足均衡充电要求，则有：　ｒ　一（１～１．２５）Ｉ１。＋Ｉ　系数取１．１５，则　为１００Ａ。　取上述计算结果较大者作为充电装置的计算电流，即　Ｊ　为１００Ａ。　（２）充电装置输出电压。　Ｕｒ一，２　一２４９．６Ｖ　式中，Ｕｒ为充电装置的额定电压，Ｖ；　为蓄电池组单体　个数；　为充电末期单体蓄电池电压，阀控式铅酸蓄电　池为２．４Ｖ。　３．５高频开关电源模块配置和数量选择　每组蓄电池配置一组高频开关电源模块。模块数量＂／ｌ　为：　一，ｚｌ十　２：６　其中，基本模块　的数量为：　一　Ｊｎ　＋｝一５』ｎ弛　　式中，　为单个模块的额定电流，本工程选择２０Ａ。　附加模块　的数量为：　２—１　（当　１４６时）　７２２—２　（当ｎ１≥７时）　综上计算结果，本工程单组蓄电池组为１０４只阀控式　铅酸蓄电池，单只容量为４００Ａ・ｈ，每组蓄电池配套充电　装置额定电流为１００Ａ，充电模块的充电型式及容量为（５×　２ＯＡ＋１×２ＯＡ）　４交流负荷计算　统计交流负荷的目的是用于选择站用变的二次容量。　交流负荷计算采用换算系数法，负荷统计需遵循的原则：　连续运行及经常短时运行的设备应予以计算；不经常短时　及不经常连续运行的设备不予计算。　４．１动力负荷计算　变电站动力负荷主要包括断路器的储能电机及各类通　风排风机械。　根据厂家资料，２２０ｋＶ、ｌｌ０ｋＶ　ＧＩＳ开关的储能电机　功率为３００Ｗ；分相操作断路器的储能电机功率为每相　６６０Ｗ；三相联动断路器的储能电机功率为１　１００Ｗ；１０ｋＶ　断路器的储能电机功率为１００Ｗ。各类风机视其所选规　格、型号的不同，其电机功率每台在０．５５～２．２ｋｗ。　站用变动力负荷计算结果见表２。　表２站用变动力负荷计算结果表　序号　名称　单位容ｔ／ｋＷ数量／台容量／ｋＷ　１８ｌ　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ　ｌ电工技术　续表　序号　名称　单位容量／ｋＷ数量／台容量／ｋＷ　４．２加热负荷计算　变电站加热负荷主要包括低压开关柜及高压断路器端　子箱或ＧＩＳ智能汇控柜内的加热装置以及各房间内的空调　装置。柜内加热装置功率约为２００Ｗ，空调视其所选型号　的不同，每台功率在１．６６～１Ｏ．５ｋｗ。站用变加热负荷计　算结果见表３。　表３站用变加热负荷计算结果表　序号　名称　单位容量／ｋＷ数量／台容量／ｋＷ　４．３照明负荷计算　变电站室内照明一般采用各类荧光灯，功率在４Ｏ～　５０Ｗ；户外照明则采用各类投光灯、防眩路灯，功率在　１５０Ｗ左右。站用变照明负荷计算结果见表４。　表４站用变照明负荷计算结果表　序号　名称　单位容量／ｋｗ数量／台容量／ｋＷ　由表２～表４可知，　Ｓｉ。≥Ｋ１Ｐ１＋Ｐ２＋　＝２４９．６８ｋＷ　式中，Ｓ　为站用变计算容量，ｋＶＡ；Ｋ１为站用动力负荷换算　系数，一般取０．８５；Ｐ１为站用动力负荷之和，ｋＷ；Ｐ２为站　用加热负荷之和，ｋｗ；Ｐ３为站用照明负荷之和，ｋＷ。　根据以上计算结果，本工程站用变选用２台２５０Ｉ【ＶＡ　的站用变，１台从主变低压侧引接，１台从站外电源引接。　５结束语　经计算，该２２０ｋＶ智能变电站一体化电源选择１０ｋＶＡ　ＵＰＳ装置、４ＯＯＡ・ｈ直流系统、２５０ｋＶＡ交流站用变。　变电站内使用的交流电源、直流电源、逆变电源、通　（下转第２８页）　线路技术　后，装置经６００ｍｓ延时启动单相重合闸。由于该公司“发　报警、反时限出口，按发电机在最大负序电流情况下重　合，即在满负荷情况下非全相运行，此时保护出口时间ｔ　电厂侧”控制字置ｌ，因此当本装置用于发电厂侧时，若　“发电厂侧”控制字投入，则单相重合闸为单重方式时也　要判该线路三相是否有压，即对侧开关先重合后才允许本　侧重合。当线路三相二次电压均大于４０Ｖ（即７０％Ｕ　）　时，线路有压条件满足，故启动单重延时到达后并不能直　接出口重合，还需等待对侧重合后对线路充电，经２００ｍｓ　检无压延时后，再经“先合投入压板”出口发合闸令。　最短，根据计算公式　一　』２　（＇『　・为负序电流以额定电　』　２　流为基准的标幺值），可得ｔ一３４ｓ，远大于重合闸时间，　故此保护能够与重合闸配合。而发电机非全相保护启动值　较低，出口时间较短，无法与重合闸配合，需对定值进行　修改。为了确保该保护的灵敏度，仍采用原启动电流值，　仅将出口时间改为重合闸动作时间＋Ａｔ＝１－１ｓ＋０．２ｓ＝　１．３ｓ，即将原非全相Ｉ保护的ｔ　定值由０．８ｓ改为１．３ｓ　丝冬合闸命令　（出口跳３３０６开关），将原非全相ＩＩ保护的ｔ　定值由　０．８ｓ改为１．３ｓ（解除失灵保护复合电压闭锁回路），将　原非全相ＩＩ保护的ｔ　ｚ定值由０．９ｓ改为１．６ｓ（启动失灵　保护）。开关本体三相不一致保护为非电气量保护，通过　开关三相位置辅助接点启动出口，原定值整定为６ｓ。根据　《继电保护和安全自动装置技术规程》６．６．２规定，２２０ｌ【Ｖ　图２单相重合闸逻辑简图　及以上电压等级分相操作的断路器应附有三相不一致（非　综上所述，重合闸完成时间为对侧启动单重延时　６００ｍｓ＋对侧开关合闸时间１４０ｍｓ左右＋本侧装置检无压　２００ｍｓ延时＋合闸出口继电器固有动作时间１０ｍｓ左右＋本　侧开关合闸时间１４０ｍｓ，共计１　０９０ｍｓ。即从开关跳闸到重　全相）保护回路；三相不一致保护动作时间应为０．５～４ｓ　可调，以躲开单相重合闸动作周期；而调度要求开关本体　三相不一致保护时间大于２．５ｓ。综合以上情况，将三相不　一致保护出口时间变更为３ｓ。　合完成期间发电机将有１．１ｓ左右的时间处于缺相运行。　为了保护发电机转子回路，发电机配有不对称过负荷　保护、非全相保护及开关本体三相不一致保护，在发电机　非全相运行下以上保护均会启动。因此，若要实现线路带　６结束语　由于该发电公司采用发变线组接线这一特殊的主接线　方式，因此设计时未考虑线路重合闸，而采用这种运行方　式无论从安全生产、系统稳定以及经济效益方面考虑都存　在问题。本文对原方案中存在的问题逐一进行了分析，介　绍了线路带发变组单相重合闸新方案的应用情况，并对其　在实施过程中存在的问题及解决方案进行了阐述。实践证　明，采用该方案后，机组的安全性及连续发电能力得到显　著提高。　参考文献　发变组单相重合，则上述保护均需在出口时间上与重合闸　时间相配合，确保保护不会在重合闸之前出口三跳开关，　造成重合闸失败。发电机保护定值见表２。　表２发电机保护定值　负序电流ｋ　０．３９　动作延时　。／ｓ　９　下限电流Ｌ．／Ａ　０．４３　下限延时ｔ．／ｓ　３００　发电机不对称　过负荷　上限电流ｈ　／Ａ　６．６　上限延时　／ｓ　０．５　热值系数墨　８　散热系数Ｋ２　０．１　额定电流Ｌ／Ａ　３．９　非全相Ｉ　非全相Ⅱ　电流定值ｈ。／Ａ　０．１　动作延时ｔ。　／ｓ　０．８　电流定值Ｌ／Ａ　０．５８　电流定值ｋ／Ａ　０．１　动作延时ｔｌ　／Ｂ　０．８　动作延时ｔｌ：／。　０．９　Ｅ１３电力系统继电保护规定汇编ＥＭ］．北京：中国电力出版社，　２０００　发电机不对称过负荷保护为定反时限相结合，定时限　（上接第１８页）　（编辑　昊宁）　或投资浪费。　参考文献　信电源等电源系统，通过网络通信、一体化监控、系统联　动等方法，实现了站用电源安全化、网络智能化，解决了　传统分离式电源系统的弊端，提高了变电站智能化水平及　站用电源管理水平，加强了电源系统的可靠性和灵活性，　实现了智能站用电源系统与变电站辅助设备的无缝衔接以　及变电站辅助设备的网络智能化管理。但是，交直流一体　化电源系统对各类站用电源进行全面整合后，在设计计算　时需综合考虑各子系统间的关系，依次计算，同时还要考　虑智能变电站所采用的各种新设备、新装置，审慎选取各　项参数，以保证计算结果正确，从而避免出现电源超负荷　［１］刘成印，高峰，马金平，甄阳清．一体化的变电站电源系统　［Ｊ］．电力自动化设备，２０１０，３０（９）：１１１￣１１３　Ｅｚ３焦国锋，雷宏．智能变电站交直流一体化电源系统的研究与　应用Ｉ－Ｊ３．陕西电力，２０１０，３８（１０）：３７￣４０　Ｅ３］国家电网公司基建部．智能变电站建设技术ＥＭ］．北京：中国　电力出版社，２０１１　（编辑彭　湃）　２８　Ｊ　ｗｗｗ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ　ｌ电工技术