郭亞昌,王洪峰,苗 梅

(山西省電力勘測設(shè)計院,山西太原 030001)

數(shù)字化變電站一體化站用電源解決方案

郭亞昌,王洪峰,苗 梅

(山西省電力勘測設(shè)計院,山西太原 030001)

通過對分散式站用電源系統(tǒng)的分析和研究,總結(jié)了變電站傳統(tǒng)站用電源系統(tǒng)存在的弊端,從狀態(tài)檢修和全壽命周期成本管理角度出發(fā),提出了一種適用于數(shù)字化變電站的一體化站用電源解決方案。

分散式站用電源;一體化站用電源;狀態(tài)檢修;全壽命周期成本管理

0 引言

隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,以及智能化開關(guān)、電子式互感器、一次運行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日趨成熟,變電站綜合技術(shù)與智能化水平得到了極大的提升,數(shù)字化變電站技術(shù)已成為應(yīng)用研究的熱點,然而針對變電站站用電源的技術(shù)研究與產(chǎn)品創(chuàng)新卻相對滯后。數(shù)字化變電站要求能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備的互操作性、實現(xiàn)變電站信息共享、支持系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作,傳統(tǒng)分散式站用電源系統(tǒng)無法滿足[1]。國家電網(wǎng)公司 “兩型一化”變電站試點建設(shè)的推行、電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)的推廣以及國網(wǎng)公司全壽命周期管理理念在電網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計、基建、運行等全過程的應(yīng)用,傳統(tǒng)變電站的傳統(tǒng)分散式站用電源系統(tǒng)在經(jīng)濟性和環(huán)保方面難以適應(yīng)新型變電站發(fā)展的需求。

1 傳統(tǒng)分散式站用電源存在的弊端

多年以來,受專業(yè)劃分及其他因素的影響,變電站內(nèi)站用電源系統(tǒng)分為交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、交流不間斷電源系統(tǒng)UPS(Uninterrup tib le Power System s)、通信電源系統(tǒng),關(guān)口計量UPS電源系統(tǒng)等,各系統(tǒng)由設(shè)計院不同的專業(yè)進行設(shè)計,獨立組屏,設(shè)備也由不同的供貨商進行生產(chǎn)、安裝及調(diào)試,同時運行部門也分配不同的專業(yè)人員進行各個電源系統(tǒng)的管理與維護。這種分散式的站用電源系統(tǒng)的設(shè)計與管理,存在著諸多問題。

a)傳統(tǒng)站用電源難以實現(xiàn)系統(tǒng)化管理,信息不能共享,無法實現(xiàn)電源設(shè)備的狀態(tài)檢修。變電站交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)均由不同的中標廠家提供,各廠家設(shè)計的電源系統(tǒng)均采用不同的通訊規(guī)約,并且通訊規(guī)約一般不兼容。這樣一來就難以實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理,其自動化程度較低。由于沒有統(tǒng)一的監(jiān)控設(shè)備對整個站用電源進行管理,不能實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享,無法進行站用電源協(xié)調(diào)聯(lián)動等深層次開發(fā)應(yīng)用,電源設(shè)備的檢修還停留在傳統(tǒng)的故障檢修和周期性定期檢修階段,無法對站用電源進行全參數(shù)在線監(jiān)測。無法滿足數(shù)字化變電站對電源設(shè)備進行狀態(tài)檢修的要求。

b)可靠性受到影響。由于站用電源信息不能網(wǎng)絡(luò)共享,針對故障或告警信息不具備進行綜合分析的基礎(chǔ)平臺,不同專業(yè)的巡檢人員分別管理各自電源子系統(tǒng),難以進行系統(tǒng)分析判斷、及時發(fā)現(xiàn)事故隱患。對于涉及需站用電源各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)才能解決的問題難以統(tǒng)一處理。如防雷配置、避雷器參數(shù)選擇、安裝位置等,只有將整個站用電源交直流系統(tǒng)統(tǒng)一考慮才能解決;由于充電模塊均流對于直流母線上紋波較敏感[2],需要對母線所接負荷,如逆變電源等反灌電流進行統(tǒng)一治理等,這一系列亟待解決的問題給站用電源系統(tǒng)的可靠、安全運行帶來了隱患。

c)經(jīng)濟性差。由不同供貨廠家分別設(shè)計的各個電源子系統(tǒng),資源不能綜合考慮,造成了部分設(shè)備的重復(fù)配置,一次性投資顯著增加。如直流電源、UPS不間斷電源、通訊電源分別配置獨立的蓄電池,浪費嚴重;交流系統(tǒng)配置電源自動切換設(shè)備,直流電源充電模塊和通訊電源充電模塊前又重復(fù)配置交流電源自動投切裝置,既浪費又使設(shè)備之間難于協(xié)調(diào)運行。

d)長期運行不方便,全壽命周期成本 LCC(Life Cycle Cost)增加。各個供貨廠家由于利益差異使站用電源系統(tǒng)的安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)困難,站用電源一旦出現(xiàn)故障需向多個廠家進行溝通協(xié)調(diào),造成溝通困難與效率低下。同時由于現(xiàn)有變電站站用電源分配不同專業(yè)運行人員進行管理,交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)由變電人員進行運行維護,UPS由自動化人員進行維護,通信電源由通信人員維護,人力資源不能總體調(diào)配,造成運行成本的增加,最終導(dǎo)致站用電源全壽命周期成本LCC增加。

2 一體化站用電源系統(tǒng)設(shè)計方案及優(yōu)點

為避免站用電源分散設(shè)計存在的問題,在變電站建設(shè)過程中,可以考慮采用交直流一體化站用電源系統(tǒng),即將站用交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、UPS不間斷電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)、關(guān)口計量UPS電源系統(tǒng)組合為一體,取消各專業(yè)相互重復(fù)配置的功能部分,將電源系統(tǒng)進行優(yōu)化整合,由一個設(shè)備廠家進行統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一生產(chǎn)、統(tǒng)一調(diào)試和統(tǒng)一服務(wù)[3]。站用電源交直流一體化系統(tǒng)包括:智能交流電源子系統(tǒng)、智能直流電源子系統(tǒng)、智能逆變電源子系統(tǒng)、智能通信電源子系統(tǒng)、一體化監(jiān)控子系統(tǒng)等,見圖1。

圖1 某變電站一體化電源接線示意圖

一體化站用電源系統(tǒng)以電氣直流電源系統(tǒng)為核心,UPS電源系統(tǒng)和通訊電源系統(tǒng)不再設(shè)置獨立的蓄電池組,共享電氣直流系統(tǒng)的蓄電池組。該系統(tǒng)并不是對交流、直流電源系統(tǒng)的簡單混裝,具有鮮明的技術(shù)優(yōu)點。

a)網(wǎng)絡(luò)智能化設(shè)計,實現(xiàn)信息共享。通過一體化監(jiān)控器對站用交流電源、直流電源、逆變電源、通信電源進行統(tǒng)一監(jiān)控,建立統(tǒng)一的信息共享平臺,解決了由不同供應(yīng)商提供的各獨立電源通信規(guī)約不兼容等問題,提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度。

b)設(shè)計優(yōu)化。取消直流充電模塊前的交流自動切換回路;取消原直流系統(tǒng)對交流部分的數(shù)據(jù)采集 (配電監(jiān)控);統(tǒng)一進行波形優(yōu)化處理,針對逆變電源反灌電流影響充電模塊均流進行抑制等;統(tǒng)一進行防雷配置。

c)對交流電源部分進行安全、智能化設(shè)計。交流進線采用智能化程度更高的自動轉(zhuǎn)化開關(guān)ATS(Automati c Transfer Switch)、實現(xiàn)電氣與機械雙閉鎖;集中對系統(tǒng)各組成部分進行監(jiān)控,可以實時查看各子系統(tǒng)的電量、開關(guān)狀態(tài)、事件信息等,可修改系統(tǒng)參數(shù)、運行方式、遙控開關(guān),實現(xiàn)站用電源 “四遙”功能。

d)優(yōu)化蓄電池配置。取消 UPS系統(tǒng)的蓄電池,將逆變器直接掛于直流母線;取消通信蓄電池組及充電設(shè)備,使用DC/DC變換器直接掛于直流母線。避免了UPS蓄電池與通信電源蓄電池維護不精細、損壞不能及時發(fā)現(xiàn)的問題。

e)可以方便地實現(xiàn)交直流系統(tǒng)的聯(lián)動。根據(jù)交流進線運行方式,自動調(diào)整直流運行,達到最佳方式運行。

f)二次配電智能化?？梢苑奖愕貙φ彰?、風機、空調(diào)、水泵、門禁等系統(tǒng)進行遠方操作,達到遠方控制的功能,使各二次系統(tǒng)之間的聯(lián)動更加智能化、方便化。如在各功能房間內(nèi)安裝溫度監(jiān)測裝置,將采集的溫度信息利用通信上傳到一體化監(jiān)控模塊,監(jiān)控模塊根據(jù)溫度設(shè)定自動啟/停風機和空調(diào)設(shè)備的電源開關(guān),避免風機和空調(diào)的長期運行,達到節(jié)約能源目的;當變電站圍墻安全防護體系發(fā)現(xiàn)有人非法進時入,其信息傳到一體化監(jiān)控模塊,監(jiān)控模塊立即啟動照明系統(tǒng)開關(guān),從而協(xié)調(diào)立即啟動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

g)利于深層次開發(fā),使站用電源的狀態(tài)檢修成為可能。統(tǒng)一的信息共享平臺,可以提高一體化站用電源綜合自動化應(yīng)用水平,減輕運行人員的工作強度,使檢修人員現(xiàn)場定期試驗和測量工作量減輕到最小,提高了工作效率。能夠充分利用已有的狀態(tài)信息,通過多方位、多角度的分析,最大限度地把握設(shè)備的狀態(tài),依此制定合理的檢修維護策略,為提高設(shè)備運行可靠性提供了保障。

3 一體化站用電源系統(tǒng)LCC分析

全壽命周期成本管理LCC[4]方法具有 “全系統(tǒng)、全費用、全過程”的特點,能更科學(xué)、合理、有效的評估設(shè)備生命周期的效用。電力系統(tǒng)的全壽命周期成本管理主要應(yīng)用以下計算模型。

式中:C LCC——全壽命周期成本 (Life Cycle Cost);

C I ——投入成本 (Investment Costs);

C O ——運行成本 (Operation Costs);

C M ——維護成本 (Maintenance Costs);

CF——故障 成 本 (Outage or Failure Costs);

C D ——廢棄成本 (Disposal Costs)。

a)變電站采用一體化站用電源系統(tǒng)后,取消了UPS系統(tǒng)的蓄電池和通訊系統(tǒng)的蓄電池組,同時也取消了一些重復(fù)配置的設(shè)備單元,所以系統(tǒng)投入成本C I是降低的。

b)由于系統(tǒng)的整合,由一組維護人員替換原來四組維護人員,可大大減少人力資源的支出,系統(tǒng)運行成本C O和維護成本C F降低。

c)由于一體化站用電源系統(tǒng)實現(xiàn)了對分散式站用電源系統(tǒng)的優(yōu)化、整合,一次、二次設(shè)備均采用了技術(shù)成熟可靠的產(chǎn)品,對站用電源故障進行綜合分析、及時發(fā)現(xiàn)潛在問題,實現(xiàn)了對站用電源的狀態(tài)檢修。因此一體化站用電源系統(tǒng)的可靠性、安全性及穩(wěn)定性都大大增強,故障率大大降低,故障成本CM降低。

d)一節(jié)1號電池爛在地里,能使1 m2的土壤永久失去利用價值;一粒紐扣電池可使600 t水受到污染,相當于一個人一生的飲水量!在環(huán)保日益成為一個全球化問題的今天,廢舊電池所帶來的環(huán)境污染問題顯得非常突出,而在 “電池污染”中,電力系統(tǒng)所使用的鉛酸蓄電池又尤其顯眼。目前對于廢舊電池的處理一般采取固化填埋的方式,雖然能夠有效防止污染擴散,但是電池所含的鉛、汞等重金屬材料依然是個環(huán)保隱患。此外,為固化填埋而建設(shè)的工業(yè)固體廢物處置場,其建設(shè)費用價格不菲。

變電站采用一體化站用電源系統(tǒng)后,系統(tǒng)共享電氣專業(yè)的直流蓄電池,蓄電池組的數(shù)量減少,蓄電池在制造、運行、以及后期報廢處理階段對環(huán)境造成的污染大大減少,廢棄成本C D降低,同時也符合國網(wǎng)公司建設(shè) “資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”的 “兩型一化”變電站的要求。

4 結(jié)論

一體化站用電源系統(tǒng)由于其先進的設(shè)計理念、較高的智能化水平,使得一體化電源無論是在安全性、可靠性及運行維護簡單化方面,還是在經(jīng)濟性和環(huán)保方面都具有傳統(tǒng)分散式站用電源無法超越的優(yōu)勢。一體化站用電源系統(tǒng)具有較高的網(wǎng)絡(luò)化程度,各子系統(tǒng)之間做到了數(shù)據(jù)共享和互操作性,方便后期的深層次開發(fā),利于實現(xiàn)站用電源系統(tǒng)的狀態(tài)檢修,能方便的滿足無人值班變電站或數(shù)字化變電站的各種功能需求。同時,一體化站用電源系統(tǒng)的全壽命周期管理成本比傳統(tǒng)分散站用電源系統(tǒng)大大降低,節(jié)約了規(guī)劃設(shè)計成本、基建成本和運行成本,使得工程的總投資成本降低。

目前,一體化站用電源設(shè)備在部分省市110 kV變電站已經(jīng)開始推廣運行,且運行情況良好。隨著全壽命周期管理理念在電網(wǎng)建設(shè)中的深層次應(yīng)用、變電站數(shù)字化程度的逐漸提高以及節(jié)能環(huán)保意識的逐漸加強,一體化站用電源設(shè)備將在電網(wǎng)工程建設(shè)中得到普及。

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008:14-35.

[2] 國電華北電力設(shè)計院工程有限公司,等.DL/T 5044—2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國電力出版社,2004:6-33.

[3] 中國電力科學(xué)研究院,等.DL/T 1074—2007 電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備 [S].北京:中國電力出版社,2008:1-9.

[4] 高翔.繼電保護狀態(tài)檢修應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008:164-184.

Solution to Integrated Power Supp ly of Digital Substation

GUO Ya-chang,WANG Hong-feng,M iao Mei
(Shanxi Electric Power Exploration and Design Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The defects of traditional pow er supp ly in substation are summed up based on the analysis and research on the distributed pow er supp ly.A solution to integrated power supp ly app lied to digital substation is suggested from the point of Condition Based Maintenance and Life Cycle Costing.

distributed power supp ly;integrated power supp ly;Condition Based Maintenance;LifeCycle Costing

TM 910.2

A

1671-0320(2010)01-0007-03

2009-08-18,

2009-12-11

郭亞昌 (1977-),男,河北無極人,2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè),助理工程師,從事變電站二次專業(yè)設(shè)計工作;

王洪峰 (1967-),男,山西運城人,1990年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè),高級工程師,從事變電站一次專業(yè)設(shè)計工作;

苗 梅 (1982-),女,山西臨縣人,2004年畢業(yè)于中北大學(xué)通信工程專業(yè),助理工程師,從事變電站二次專業(yè)設(shè)計工作。