变电站交直流一体化电源系统全模块化应用研究

张海平　柴宜　王琳琳　周贤培　刘忠祥

摘 要：变电站交直流一体化电源系统方案实现了多套站用电源系统蓄电池组的共用，多套电源系统的集中监控、集中管理，一套设备多种电源输出。因交直流一体化电源系统方案具有集成度高、管理简便等诸多优点，该方案已在国家电网公司全国各电压等级变电站得到广泛应用，南方电网公司也在逐步扩大应用范围。但多年以来交直流一体化电源系统所存在的标准化低、不同品牌器件兼容性差、维护成本高等问题一直未从根本上得到解决。交直流一体化电源系统一方面维护效率低、维护成本高，同时严重影响到了变电站的可靠运行。文章针交直流一体化电源系统所存在标准化程度低的问题，提出全模块化电源系统方案。

关键词：变电站；交直流一体化；全模块化；标准化通信

中图分类号：TM63 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0180-03

Abstract： The scheme of integrated AC/DC power supply system for substation realizes the sharing of batteries in several sets of station power supply system， the centralized monitoring and centralized management of multiple sets of power supply systems， and the output of multiple power sources for one set of equipment. Because the integrated AC/DC power system has many advantages such as high integration and simple management， this scheme has been widely used in various voltage grade substations of the State Grid Corporation， and the Southern Power Grid Corporation is gradually expanding the scope of application. But for many years， the problems of low standardization， poor compatibility of different brand components and high maintenance cost have not been fundamentally solved in the integrated AC/DC power supply system. On the one hand， the integrated AC/DC power supply system has low maintenance efficiency and high maintenance cost； on the other hand， it seriously affects the reliable operation of the substation. In this paper， the problem of low standardization exists in the integrated AC/DC power supply system， and the scheme of fully modular power supply system is put forward.

Keywords： substation； integration of AC and DC； full modularization； standardized communication

引言

交直流一體化电源系统（下文简称：一体化电源）由站用交流电源、直流电源、通信电源、交流不间断电源构成，主要功能是为变电站提供各类稳定、可靠的电源。各个电源子系统共用一套蓄电池组作为后备电源，通过各类电源变换器将交流电源分配或变换为AC380V、AC220V、DC220V/110V、DC-48V这四种电压等级。为了保证系统正常运行，配置一体化电源监控系统对系统进行实时测量、控制。

1 常规一体化电源系统

一体化电源系统由空气开关、ATS（双电源自动切换装置）、交流接触器、高频开关电源模块（下文简称：充电模块）、调压硅链（选配）、蓄电池组、电力专用逆变器、DC/DC直流变换器、各类表计、监控系统、各类传感器、柜体等部分构成。市电通过各断路器将电能变换并分配至各用电设备，目前面临的问题如下。

（1）项目定制化

每个变电站因规模、省电力公司企标、厂家、项目预算的差异使得每套一体化电源系统配置、器件品牌、监控系统均各不相同。设备厂家需根据每个项目需求重新设计、生产。这也就造成目前产品差异大，系统标准化程度低，难以实现大规模工业化生产，整体成本较高，同时产品质量也难以保障。

（2）智能化程度要求提升

随着一体化电源智能化程度的提高，馈线单元增加了各种检测功能，馈线支路电流、电压、开关量、开关状态、故障告警、连接点温度等各类信息。虽然提升配电系统智能化程度，但也增加大量元器件数量和种类、以及二次电缆数量，使得设备后期维护难度增大。

（3）器件多，系统复杂，维护难

在整个一体化电源系统中，充电模块、监控系统、蓄电池等众多器件，有众多器件厂家和不同规格型号。如空气开关可能用到框架断路器、塑壳断路器、微型断路器，微型断路器也有多种规格型号。一套功能完善的110kV变电站一体化电源系统由多达三十余种、七十余种规格器件构成。系统构成器件种类多、设计复杂，系统维护难度大，对维护人员的专业能力要求高。

为了快速响应现场维护需求，每个运行单位均需购置部分重要元器件，器件种类过多也造成备货量大，占用资金高、备件管理难的问题，给设备维护单位的管理工作带来诸多困难。

2 模块化设计

2.1 全模块化电源系统

全模块化一体化电源系统根据一体化电源系统各器件的各功能进行模块化设计，将集中的功能进行整合，实现功能的模块化，进而提升一体化电源系统的全模块化。交流进线电源关、直流系统交流进线部分、充电模块、逆变器进线部分、逆变电源模块、DC/DC-48V模块，以及直流、交流、逆变、通信的馈线开关部分进行模块化设计。以达到简化系统设计，实现设备厂家标准化、流水线生产作业，同时简化设备维护工作量，提高系统维护工作效率。

2.2 馈线模块化

馈线模块化方案是采用集成设计技术，汇总各厂家、各型号开关规格参数，设计开模以共用尺寸模块。其一次线部分采用软铜牌连接，开关与模块直接的连接灵活可靠，实现各品牌开关均可适用安装；二次电缆均采用PCB板走线，彻底消灭二次电缆。电流传感器、电压检测、温度检测全部集成于模块内部，实时采集各回路电流、电压、关键器件温度等参数。传感器所采集模拟量数据通过每个模块的智能采集单元转换为数字信号，通过RS485通讯协议上传至总监控处理分析。

图1 馈线开关模块化原理图

图2 馈线开关模块化

模块适用于主流国内、合资品牌开关，通用性强；仅有输出接口、RS485标准通信接口，无二次电缆，生产、维护简单；电流、电压、温度、功率因数、功率等参数的大数据汇总，为后续大数据计算提供硬件支持。

2.3 直流部分交流进线模块化

一体化电源系统直流部分交流进线电源有两路交流电源，交流监控单元检测两路交流电源供电质量，通过交流接触器实现两路电源的自动投切，选择正常交流电源供电，以保证直流电源交流供电的可靠性。

直流系统交流进线部分主要构成器件：交流进线断路器、交流防雷器、交流监控器、直流总监控、交流接触器、指示灯、端子。各个器件作为一个个体存在，型号选择、安装方案因人而异千差万别，但是部分器件也是一体化电源必备器件，可作为一个整体设计为成模块。将断路器、接触器、防雷器、交流监控等器件集成为一个模块，作为一个标准化的模块。如图3。

图3 交流进线模块

对外预留接口为标准的交流输入、输出端子以及标准的RS485通讯接口，后续维护简单便捷。本模块适用于220kV及以下变电站的一体化、直流电源系统。

2.4 充电模块、DC/DC模块组件模块化

随着技术发展，充电模块、DC/DC电源（本段简称为：功率模块）体积往小型化发展，能量密度越做越大，因各厂家技术差异，功率模块规格尺寸千差万别。为了规范使用，将4个功率模块集成设计为单个大模块，该大模块输入、输出、通讯接口均设计为标准接口，单个功率模块具有在线热插拔功能，可在线更好维护。如需模块全部更换或技术升级，可将整个大模块进行更换，其采用的接口与原模块保持一直，可实现快速更换，更换成本低。

2.5 标准化通讯

智能化的实现需要有各器件的各类实时数据，这就需要各器件与监控系统进行实时通讯，供后台监控、计算使用。传统一体化电源系统中，各厂家均有各自通信规约，通信协议也是千差万别。这就造成在改造项目中或维护中，单个监控模块或电源模块故障，只能寻找原厂家更换，否则整套系统无法继续使用，设备维护成本高，周期长。

全模块一体化电源中对通信方式、通信协议，均采用标准RS485方式，对其中各功能模块通信协议点位进行规范。按照标准协议要求编写通讯协议，任意一厂家设备即可与原设备进行协同工作，实现不同厂家模块的共用。

3 模块化特点

3.1 简化系统设计

一体化电源系统模块化将多个器件变为多个模块，设计只需根据现场负载需求，组合设计模块。可减少技术人员的设计工作量、提高出图效率与质量，缩短一体化电源设备的交付周期。

3.2 标准化生产、安装对生产而言，模块化设计使得系统构成更趋于标准化，单个模块可流水线生产，进而实现一体化电源整柜的流水线生产。改变现有整柜生产落后生产模块，避免一体化电源人工生产存在的工艺、任务错误带来的质量风险，提高一体化电源生产的质量水平及生产效率。使得未来一体化电源智能机器人生产变得可能。

3.3 维护简单

采用模块化设计，对用户而言一体化电源系统仅仅由数个标准的大模块构成，这使得一体化电源设备故障定位变得更加容易。当模块故障或损坏，可使用备用器件快速更换，提高设备现场维护效率。

标准模块化设计后，目前的老旧模块替换将不再是難题，可采用其他厂家标准模块进行快速替换，提升运行单位运行效率，降低设备维护周期和成本。

4 结束语

模块化设计是通过标准化设计，是解决目前一体化电源系统差异化大、标准化生产难度大的有效途径，全模块化也是未来产品的发展趋势。通过模块化设计实现一体化单元的标准化工业生产，提高维护单位常用器件的备用效率，减少一体化电源系统的维护工作量。这在目前各供电局提效减员政策下，直接减轻各维护单位的工作量，提高电力系统供电安全。

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