王懷柱
(華自科技股份有限公司 長沙市 410205)
一直以來,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),隨著電站綜合自動化程度越來越高,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。
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題:
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,制約了管理的提升。
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)配置電源自動切換設(shè)備,充電模塊又重復(fù)配置自動切換設(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。
各個供應(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。
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等也沒有納入變電站的巡檢范圍,可靠性得不到保障。
通過綜合分析以上問題不難發(fā)現(xiàn),站用電源沒有信息共享平臺,以致影響站用電源的維護(hù)、系統(tǒng)管理、深層次開發(fā);站用電源沒有進(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。
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開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路電源的自動切換,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)房有多臺通信設(shè)備,各通信設(shè)備采用支路帶空氣開關(guān)供電方式,存在DC/DC模塊可能比空氣開關(guān)先動作,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。
站用交直流一體化電源系統(tǒng)是使用系統(tǒng)技術(shù),針對水電站站用交流、直流、逆變、通信電源整體,根據(jù)實(shí)際問題、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)以下幾個方面功能:
(1)站用電源信息共享平臺。
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,對外1個通信接口。
(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
(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?;蛘哒r(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自動投入備用電源。當(dāng)然上述運(yùn)行方式也可以手動就地實(shí)現(xiàn)。ATS的自動切換功能可以由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)控模塊來完成,各個工程根據(jù)具體情況確定。另外ATS 要求有 I、II、O 三個狀態(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。這種設(shè)計(jì)不僅省設(shè)備,回路簡單,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UPS的旁路輸入必須是同一個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:輸入過壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出欠壓告警、短路保護(hù)、缺相保護(hù)和過溫保護(hù)等。
再說個令我感動的事情吧。廣州小北路小學(xué)的學(xué)生,曾為我開過一個作品的公開討論會。有個女孩子說,她最喜歡我的一本書是《單翼天使不孤單》,這本書寫的是單親家庭孩子的生活故事和情感世界。她說,雖然她享受父母的愛,很幸福,但是,她的好朋友卻是個“單翼天使”。好朋友每天都嘻嘻哈哈的,大家都以為這個女孩子很幸福,唯有她知道,好朋友經(jīng)常會哭泣和悲傷,而且為自己不能享有完整的家庭而感到自卑。她又說,感謝“陽光姐姐”給予單親家庭的孩子一個美好溫暖的稱呼“單翼天使”,并且,在這本書里,好朋友讀到了溫暖和鼓勵,擁有了自信?,F(xiàn)在,她的好朋友再也不會隱瞞自己是“單翼天使”的事實(shí),而且,她逐漸學(xué)會接受現(xiàn)實(shí),樂觀面對。
DC48V電源設(shè)計(jì)為2臺容量為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)停止輸出的問題可能存在。理論上通過電流補(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)通過對輸出電流和環(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。所有饋出開關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)能提供開關(guān)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)及開關(guān)故障信號接入饋出支路檢測單元。配電池巡檢儀完成蓄電池運(yùn)行參數(shù)及溫度的檢測。
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),通過各對應(yīng)的監(jiān)控模塊將它們以通信的方式連接起來。如圖3所示。
平臺的開發(fā):在一體化電源的基礎(chǔ)上,開發(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)控后只采一些簡單的信號,一體化監(jiān)控器對全站電源進(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)備各個元件,還能監(jiān)視整個交直流系統(tǒng)運(yùn)行方式和工況,系統(tǒng)首次開發(fā)了站用電源的四遙功能和歷史查詢功能,不僅具備遙信、遙測功能,還首次開發(fā)站用電源遙調(diào)、遙控功能。監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)主要由以下幾個方面:
通過采集兩路交流進(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。
負(fù)責(zé)對電池電壓、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,還可以完成對降壓硅鏈的控制。
可采集交流饋出、直流饋出的空氣開關(guān)的狀態(tài)及溫度等信號。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功能。
完成一整套電池中單節(jié)電池的電壓檢測,及電池總電流、電池組所處環(huán)境的溫度等的檢測。
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。
將各個子系統(tǒng)所采集的信息收集起來,并將相關(guān)信息重新整合再通過以太網(wǎng)將信息發(fā)布出去,同時(shí)將遙調(diào)遙控命令下達(dá)給下面的各個子系統(tǒng)。對下層通過CAN通訊或RS485通訊與各個模塊相連。對上層通過網(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。
整個站用電源的設(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。另外各種型號的模塊可提前標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),供貨時(shí)間大大縮短。
一體化電源由一個廠家完成設(shè)備生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝調(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)。
實(shí)現(xiàn)了對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。
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,大大節(jié)省了開支。保守估計(jì)在設(shè)備配置、安裝、維護(hù),以及人員開支等費(fèi)用上可以節(jié)約幾萬到幾十萬元以上。
統(tǒng)一站用電源電壓等級:全站只用220V或110 V,接入設(shè)備主動適應(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,所有開關(guān)智能化、模塊化設(shè)計(jì)將開關(guān)機(jī)傳感器、智能電路板集成在一個機(jī)箱內(nèi),全部二次接線全部在機(jī)箱內(nèi)完成,對外只有通信接口的設(shè)計(jì)模式。
水電站交直流一體化電源是對現(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初始的階段,它在體系結(jié)構(gòu)和深層次應(yīng)用開發(fā)方面都還有很大的開拓空間,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[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.