王懷柱

（華自科技股份有限公司 長(zhǎng)沙市 410205）

一直以來(lái)，水電站站用電源分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS電源、通信電源系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)采用分散設(shè)計(jì)，獨(dú)立組屏，設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進(jìn)行管理，這種模式存在占用電源自動(dòng)化程度不高、安裝、服務(wù)難以協(xié)調(diào)及運(yùn)行維護(hù)不方便等問(wèn)題，供電系統(tǒng)可靠性得不到保障。水電站站用電源是水電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著電站綜合自動(dòng)化程度越來(lái)越高，相應(yīng)提高站用電源整體的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理水平具有特殊的意義。

1 傳統(tǒng)站用電源現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)水電站站用電源分為交流、直流、UPS（或逆變電源）、通信電源等系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采用分散設(shè)計(jì)，獨(dú)立組屏，設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進(jìn)行管理，這種模式存在以下主要問(wèn)題：

（1）站用電源自動(dòng)化程度不高。

由不同供應(yīng)商提供的各子系統(tǒng)通信規(guī)約一般不兼容，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，系統(tǒng)缺乏綜合的分析平臺(tái)，制約了管理的提升。

（2）經(jīng)濟(jì)性較差。

直流系統(tǒng)配置一套蓄電池組，UPS不間斷電源系統(tǒng)及DC48V通信電源各自分別配置獨(dú)立的蓄電池，浪費(fèi)嚴(yán)重；交流系統(tǒng)配置電源自動(dòng)切換設(shè)備，充電模塊又重復(fù)配置自動(dòng)切換設(shè)備，既浪費(fèi)又使設(shè)備之間難于協(xié)調(diào)運(yùn)行。站用電源資源不能綜合考慮，使一次性投資顯著增加。

（3）安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)較難。

各個(gè)供應(yīng)商由于利益的差異使安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)困難，遠(yuǎn)不如站用交直流電源一體化的“交鑰匙工程”模式順暢。

（4）運(yùn)行維護(hù)不方便。

站用電源分配不同專業(yè)人員進(jìn)行管理：交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)由變電站人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，UPS由自動(dòng)化人員進(jìn)行維護(hù)，通信電源有通信人員維護(hù)，人力資源不能總體調(diào)配，通信電源、UPS等也沒(méi)有納入變電站的巡檢范圍，可靠性得不到保障。

通過(guò)綜合分析以上問(wèn)題不難發(fā)現(xiàn)，站用電源沒(méi)有信息共享平臺(tái)，以致影響站用電源的維護(hù)、系統(tǒng)管理、深層次開(kāi)發(fā)；站用電源沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，上行下達(dá)信息不能數(shù)字化傳輸。

2 水電站交直流一體化電源系統(tǒng)的方案說(shuō)明

一體化電源是在現(xiàn)有水電站用電源、蓄電池、充電模塊等成熟的核心技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)水電站用交直流電源、通信電源、不間斷電源等進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和組屏生產(chǎn)的新的模組形式。

110kV電站（發(fā)變組模式）宜按雙重化配置，經(jīng)典方案如圖1所示（本文只針對(duì)圖1方案進(jìn)行介紹）。全站配置兩組蓄電池和充電模塊，一般的110 kV電站容量可按300AH/組設(shè)計(jì)。35kV電站（發(fā)變組模式）及小型水電站按200AH/組或150AH/組設(shè)計(jì)即可，經(jīng)典方案如圖2所示，配單組蓄電池和充電模塊。通信設(shè)備采用220V或110V電源模塊，通信電源從兩組直流母線直接拉兩路專用饋線至通信機(jī)柜，采用智能ATS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路電源的自動(dòng)切換，取消傳統(tǒng)占用380V電源備用自投配置。

圖1 站用交直流一體化電源結(jié)構(gòu)框圖一

圖2 站用交直流一體化電源結(jié)構(gòu)框圖二

目前通信設(shè)備一般采用48V電源，所以在一些直流一體供電方案中，采用了DC/DC模塊變換成48V工通信設(shè)備使用，但這種供電方式存在著不容忽視的弊端[1]，特別是通信機(jī)房有多臺(tái)通信設(shè)備，各通信設(shè)備采用支路帶空氣開(kāi)關(guān)供電方式，存在DC/DC模塊可能比空氣開(kāi)關(guān)先動(dòng)作，造成全部通信設(shè)備失壓。實(shí)際上通信設(shè)備本身的工作電壓并不是48V，而是12V或者5V，像所有微機(jī)保護(hù)一樣，裝置通過(guò)自身的電源模塊進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，把48V輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V或者5V內(nèi)部工作電壓，要實(shí)現(xiàn)通信電源直接采用220V或110V高壓直流供電，通信設(shè)備比尋選擇由220V直接轉(zhuǎn)換成12V/5V的接口電源。同時(shí)通信用較高的直流供電系統(tǒng)是高效節(jié)能的供電系統(tǒng)[2]。

不間斷電源設(shè)計(jì)：采用UPS（或逆變電源）直接掛于母線上，取消獨(dú)立的UPS電池。

3 一體化電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[3]

3.1 基本方案概述

站用交直流一體化電源系統(tǒng)是使用系統(tǒng)技術(shù)，針對(duì)水電站站用交流、直流、逆變、通信電源整體，根據(jù)實(shí)際問(wèn)題、發(fā)展現(xiàn)狀提出的解決方案，建設(shè)成為智能型站用交流電源交直流一體化系統(tǒng)的站用電源系統(tǒng)。

一體化電源系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面功能：

（1）站用電源信息共享平臺(tái)。

站用電源整體網(wǎng)絡(luò)智能化，一體化，將交流、直流、逆變、通信電源網(wǎng)絡(luò)智能化，對(duì)外1個(gè)通信接口。

（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化。

取消通信蓄電池組及充電模塊，使用DC/DC直流模塊直接掛于直流母線；取消UPS蓄電池，使用UPS（或逆變電源）直接掛于直流母線，對(duì)重要負(fù)荷如事故照明等采用逆變電源供電；統(tǒng)一進(jìn)行波形處理；統(tǒng)一進(jìn)行防雷配置；統(tǒng)一進(jìn)行二次配電管理；站用電源設(shè)備智能管理，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修。系統(tǒng)通信方案如圖3所示。

圖3 站用交直流一體化系統(tǒng)通信圖

3.2 整合電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（1）所用交流電源方案。

所用交流電源部分設(shè)計(jì)為“二路交流進(jìn)線、雙母線分列運(yùn)行”的全自動(dòng)型所用交流電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和本地控制操作，實(shí)現(xiàn)本體和遠(yuǎn)程顯示或讀取進(jìn)線和饋出斷路器的運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，執(zhí)行DL/T860通訊標(biāo)準(zhǔn)。

正常時(shí)兩路交流電源進(jìn)線，進(jìn)線一接1ATS的I路電源和2ATS的II路電源，進(jìn)線二接1ATS的II路電源和2ATS的I路電源。或者正常時(shí)有三路交流電源進(jìn)線，進(jìn)線一接1ATS的I路電源，進(jìn)線二接2ATS的I路電源，進(jìn)線三接1ATS的II路電源和2ATS的II路電源。當(dāng)某路工作電源故障時(shí)，由ATS自動(dòng)投入備用電源。當(dāng)然上述運(yùn)行方式也可以手動(dòng)就地實(shí)現(xiàn)。ATS的自動(dòng)切換功能可以由ATS自帶的控制器完成也可以由一體化電源方案中配置的交流監(jiān)控模塊來(lái)完成，各個(gè)工程根據(jù)具體情況確定。另外ATS 要求有 I、II、O 三個(gè)狀態(tài)，既 I側(cè)電源投入，II側(cè)電源投入，和退出狀態(tài)。用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行運(yùn)行方式的選擇，實(shí)現(xiàn)站用電壓多種運(yùn)行方式的智能聯(lián)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)不僅省設(shè)備，回路簡(jiǎn)單，而且運(yùn)行方式靈活方便，提高了站用交流電源智能管理和可靠性。

進(jìn)線電源需采集并傳送 U、I、P、Q、S、SF、Hz 等各種常用電力參數(shù)及各側(cè)電源投入狀態(tài)。

（2）UPS電源方案。

UPS電源部分設(shè)計(jì)為：串聯(lián)備用冗余UPS或并聯(lián)備用冗余UPS。前者不需要額外的切換裝置，主機(jī)旁路輸入接在從機(jī)輸出上。主機(jī)故障自動(dòng)轉(zhuǎn)旁路后，便由從機(jī)向負(fù)載供電。方案如圖4所示。后者需要另外配置切換裝置，2臺(tái)UPS的旁路輸入必須是同一個(gè)AC電源。方案如圖5所示。

圖4 UPS一用一備串聯(lián)冗余

圖5 UPS一用一備并聯(lián)冗余

（3）直流電源及DC48V方案。

直流電源部分設(shè)計(jì)為6臺(tái)容量為120A（20A×6）的充電模塊。直流充電模塊應(yīng)具有以下保護(hù)功能：輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出欠壓告警、短路保護(hù)、缺相保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等。

再說(shuō)個(gè)令我感動(dòng)的事情吧。廣州小北路小學(xué)的學(xué)生，曾為我開(kāi)過(guò)一個(gè)作品的公開(kāi)討論會(huì)。有個(gè)女孩子說(shuō)，她最喜歡我的一本書(shū)是《單翼天使不孤單》，這本書(shū)寫(xiě)的是單親家庭孩子的生活故事和情感世界。她說(shuō)，雖然她享受父母的愛(ài)，很幸福，但是，她的好朋友卻是個(gè)“單翼天使”。好朋友每天都嘻嘻哈哈的，大家都以為這個(gè)女孩子很幸福，唯有她知道，好朋友經(jīng)常會(huì)哭泣和悲傷，而且為自己不能享有完整的家庭而感到自卑。她又說(shuō)，感謝“陽(yáng)光姐姐”給予單親家庭的孩子一個(gè)美好溫暖的稱呼“單翼天使”，并且，在這本書(shū)里，好朋友讀到了溫暖和鼓勵(lì)，擁有了自信?，F(xiàn)在，她的好朋友再也不會(huì)隱瞞自己是“單翼天使”的事實(shí)，而且，她逐漸學(xué)會(huì)接受現(xiàn)實(shí)，樂(lè)觀面對(duì)。

DC48V電源設(shè)計(jì)為2臺(tái)容量為60A（30A×2）高頻DC/DC變換器模塊。DC48V電源因某一回路短路故障，而造成模塊保護(hù)停止輸出的問(wèn)題可能存在。理論上通過(guò)電流補(bǔ)償可以獲得足夠大的短路電流，當(dāng)某一回路發(fā)生短路故障時(shí)，此回路可以故障跳閘，DC48V電源輸出不降低，不影響其他回路。

直流充電模塊和DC/DC變換器模塊，應(yīng)通過(guò)對(duì)輸出電流和環(huán)境溫度綜合考慮進(jìn)行風(fēng)扇調(diào)速控制。且實(shí)現(xiàn)本體和遠(yuǎn)程的啟動(dòng)停止操作，實(shí)現(xiàn)本體和遠(yuǎn)程的功能轉(zhuǎn)換及參數(shù)設(shè)定與調(diào)整控制。所有饋出開(kāi)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)能提供開(kāi)關(guān)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)及開(kāi)關(guān)故障信號(hào)接入饋出支路檢測(cè)單元。配電池巡檢儀完成蓄電池運(yùn)行參數(shù)及溫度的檢測(cè)。

4 一體化電源系統(tǒng)智能監(jiān)控

將站內(nèi)的低壓交流電源、直流電源、DC48V通信電源（DC/DC變換器模塊）、UPS電源（逆變器），通過(guò)各對(duì)應(yīng)的監(jiān)控模塊將它們以通信的方式連接起來(lái)。如圖3所示。

平臺(tái)的開(kāi)發(fā)：在一體化電源的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一體化智能監(jiān)控器。相比常規(guī)電源，它有幾方面優(yōu)點(diǎn)：常規(guī)電源各套裝置分別監(jiān)視，監(jiān)控后只采一些簡(jiǎn)單的信號(hào)，一體化監(jiān)控器對(duì)全站電源進(jìn)行集中監(jiān)視，具備更強(qiáng)大的功能，它不僅能監(jiān)視單套設(shè)備各個(gè)元件，還能監(jiān)視整個(gè)交直流系統(tǒng)運(yùn)行方式和工況，系統(tǒng)首次開(kāi)發(fā)了站用電源的四遙功能和歷史查詢功能，不僅具備遙信、遙測(cè)功能，還首次開(kāi)發(fā)站用電源遙調(diào)、遙控功能。監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)主要由以下幾個(gè)方面：

（1）交流監(jiān)控模塊。

通過(guò)采集兩路交流進(jìn)線的AC380V電壓及兩路交流投入的狀態(tài)，通過(guò)固定的出口控制兩路交流電源的工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了進(jìn)線電源的自動(dòng)控制。另外還可根據(jù)需要采集兩路進(jìn)線的電流，并計(jì)算出P、Q、S、SF 等電氣量。

（2）直流監(jiān)控模塊。

負(fù)責(zé)對(duì)電池電壓、充電模塊輸出的直流電壓、控制母線的電壓、電池電流、總負(fù)載電流的數(shù)據(jù)采集，還可以完成對(duì)降壓硅鏈的控制。

（3）通用監(jiān)測(cè)模塊。

可采集交流饋出、直流饋出的空氣開(kāi)關(guān)的狀態(tài)及溫度等信號(hào)。該模塊應(yīng)配合其他的模塊還能完成直流饋出支路絕緣檢測(cè)功能。

（4）電池巡檢儀模塊。

完成一整套電池中單節(jié)電池的電壓檢測(cè)，及電池總電流、電池組所處環(huán)境的溫度等的檢測(cè)。

（5）UPS（或逆變電源）監(jiān)控模塊。

完成UPS（或逆變電源）的交流、直流及旁路的輸入電壓，輸出交流電壓輸出電流及溫度等的檢測(cè)。

（6）總監(jiān)控器。

將各個(gè)子系統(tǒng)所采集的信息收集起來(lái)，并將相關(guān)信息重新整合再通過(guò)以太網(wǎng)將信息發(fā)布出去，同時(shí)將遙調(diào)遙控命令下達(dá)給下面的各個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)下層通過(guò)CAN通訊或RS485通訊與各個(gè)模塊相連。對(duì)上層通過(guò)網(wǎng)口與水電站控制層以太網(wǎng)相連，傳輸協(xié)議執(zhí)行DL/T860標(biāo)準(zhǔn)。另外有硬接點(diǎn)完成聲光報(bào)警的功能。

5 一體化電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）整體標(biāo)準(zhǔn)化。

整個(gè)站用電源的設(shè)計(jì)只需要如下部分設(shè)計(jì)圖紙組成：正面屏面布置圖、背面屏面布置圖、一次原理圖及安裝接線圖等。使站用電源設(shè)計(jì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化。另外各種型號(hào)的模塊可提前標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，供貨時(shí)間大大縮短。

（2）統(tǒng)一的組屏生產(chǎn)。

一體化電源由一個(gè)廠家完成設(shè)備生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、組屏緊湊，節(jié)省屏柜。裝置內(nèi)部連線統(tǒng)一由廠家配線或通過(guò)成套裝置小母線連接，減少外部連接電纜，更方便運(yùn)行維護(hù)。

（3）統(tǒng)一的管理。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)全站電源集中管理后，由于一體化電源有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄和歷史查詢功能，維護(hù)班組可以定期拷貝數(shù)據(jù)加以分析，所以維護(hù)管理更專業(yè)、更到位、也更方便。

（4）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

一體化監(jiān)視器、蓄電池組一體化、統(tǒng)一的組屏生產(chǎn)和統(tǒng)一的運(yùn)行維護(hù)操作使得一體化電源方案比起傳統(tǒng)的電源模式更加具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，大大節(jié)省了開(kāi)支。保守估計(jì)在設(shè)備配置、安裝、維護(hù)，以及人員開(kāi)支等費(fèi)用上可以節(jié)約幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)元以上。

（5）下一步規(guī)劃。

統(tǒng)一站用電源電壓等級(jí)：全站只用220V或110 V，接入設(shè)備主動(dòng)適應(yīng)站用電源，如監(jiān)控計(jì)算機(jī)可選擇直流供電，通信電源采用220V電源。實(shí)現(xiàn)站用電源數(shù)字化，所有開(kāi)關(guān)智能化、模塊化設(shè)計(jì)將開(kāi)關(guān)機(jī)傳感器、智能電路板集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，全部二次接線全部在機(jī)箱內(nèi)完成，對(duì)外只有通信接口的設(shè)計(jì)模式。

6 結(jié) 語(yǔ)

水電站交直流一體化電源是對(duì)現(xiàn)有水電站站用電源設(shè)計(jì)和管理新模式的探討，它符合結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)維方便的技術(shù)發(fā)展路線，現(xiàn)在應(yīng)用的一體化電源還是一個(gè)初始的階段，它在體系結(jié)構(gòu)和深層次應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面都還有很大的開(kāi)拓空間，需要不斷地探索和嘗試。

1 余子勇.水電站電力通信系統(tǒng)DC-DC供電問(wèn)題探討[J].電力系統(tǒng)通信，2007，（6）；17-19.

2 劉希禹，通信供電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].UPS應(yīng)用，2010，（7）；25-31.

3 解放，王美君.淺析變電站交直流一體化電源系統(tǒng)[J].天津電力技術(shù)，2011，1.