徐廷成，阮　凡，吳光明

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053；2.錦屏水力發(fā)電廠,四川 西昌 615000)

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智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)在錦屏水電站的應(yīng)用

徐廷成1，阮凡2，吳光明2

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053；2.錦屏水力發(fā)電廠,四川 西昌 615000)

摘要：錦屏水電站直流電源系統(tǒng)使用ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)，本文介紹其主要硬件的功能和特點(diǎn)，并結(jié)合錦屏水電站的實(shí)際應(yīng)用情況，提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源；錦屏水電站；直流系統(tǒng)

錦屏水電站位于四川省涼山州木里、冕寧和鹽源三縣交界處，是雅礱江流域水頭最高、裝機(jī)容量最大的雙級(jí)聯(lián)調(diào)電站，是雅礱江流域的龍頭電站。錦屏水電站下設(shè)兩級(jí)電站，共裝機(jī)14臺(tái)，總裝機(jī)容量8 400 MW。其中錦屏一級(jí)水電站裝機(jī)6臺(tái)，總裝機(jī)容量3 600 MW，多年平均發(fā)電量為166.2 億kW·h，通過(guò)三回500 kV輸電線路輸送到西昌錦屏換流站；錦屏二級(jí)水電站裝機(jī)8臺(tái)，總裝機(jī)容量4 800 MW，多年平均發(fā)電量為242.3億kW·h，共四回出線，通過(guò)兩回500 kV輸電線路輸送到西昌錦屏換流站，通過(guò)兩回500 kV輸電線路輸送到樂(lè)山。本文介紹ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)主要硬件的功能和特點(diǎn)，根據(jù)該系統(tǒng)在錦屏水電站的實(shí)際應(yīng)用，提出改進(jìn)建議。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電力操作電源系統(tǒng)(或稱為直流電源系統(tǒng))主要應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站，為斷路器的分閘、合閘，二次回路中的儀器、儀表、繼電保護(hù)和事故應(yīng)急照明等負(fù)荷提供不間斷的直流電源[1]。錦屏水電站直流電源系統(tǒng)采用ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)，系統(tǒng)單元模塊化，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波系數(shù)小、精度高、可靠性高及運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，還具有全面的監(jiān)控功能，能夠進(jìn)行蓄電池組智能充放電管理、電池容量及電池內(nèi)阻檢測(cè)、蓄電池組電壓巡檢、直流母線和負(fù)荷支路在線絕緣接地檢測(cè)。

ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源由交流配電、監(jiān)控系統(tǒng)(由主監(jiān)控和子監(jiān)控系統(tǒng)組成)、充電模塊(“N+1”冗余配置)、蓄電池組、直流負(fù)荷、降壓?jiǎn)卧⒔^緣在線監(jiān)測(cè)、電池巡檢、直流屏柜等部分組成，如圖1所示。ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)采用組態(tài)式一體化監(jiān)控系統(tǒng)，由多個(gè)分散的子監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，主監(jiān)控進(jìn)行集中管理。每個(gè)子監(jiān)控單元有獨(dú)立的微機(jī)處理器，各自實(shí)現(xiàn)自己的控制功能。

圖1　系統(tǒng)工作原理框圖

2工作原理

2.1交流配電

每組充電模塊采用兩路交流進(jìn)線電源，取自不同廠用電母線，進(jìn)線開(kāi)關(guān)都在合閘位置，由互鎖交流接觸器進(jìn)行選切，防止兩路交流電源同時(shí)供電時(shí)發(fā)生非同期合閘事故。主監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)雙路交流供電電壓和交流接觸器狀態(tài)。當(dāng)一路電源出現(xiàn)交流電源失電、缺相、電壓三相不平衡、電壓過(guò)高或電壓過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)切換到另一路供電電源并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)主監(jiān)控系統(tǒng)中交流配置為雙路自動(dòng)時(shí)一路優(yōu)先，一旦交流一路正常就會(huì)切換到交流一路工作，而不管交流二路是否正常；配置為一路工作或者二路工作時(shí)，即使此路有故障也不會(huì)主動(dòng)切換。

2.2充電模塊

充電模塊為直流操作電源“心臟”，錦屏水電站使用ZHR-4系列智能型高頻開(kāi)關(guān)整流模塊。充電模塊在220 V交流電源輸入后，首先經(jīng)過(guò)防雷處理和二級(jí)電磁干擾(EMI)濾波電路，然后經(jīng)過(guò)整流和無(wú)源功率因數(shù)校正電路轉(zhuǎn)換為高壓直流電，通過(guò)三相全橋脈寬調(diào)制(PWM)逆變電路將高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再經(jīng)過(guò)高頻隔離變壓器降壓后再進(jìn)行整流，輸出穩(wěn)定可控的直流電。充電模塊配有標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，與上位機(jī)對(duì)接[2]。

該整流模塊配備輸入缺相、輸入欠壓、輸入過(guò)壓、輸出過(guò)流、輸出短路、輸出過(guò)壓、輸出欠壓等告警，以及通信異常、模塊過(guò)溫、輸入防雷等設(shè)備保護(hù)功能，具有遙控、遙信、遙調(diào)、遙測(cè)“四遙”功能。整流模塊采用最新全橋移相軟開(kāi)關(guān)PWM技術(shù)，提高了模塊效率，降低了電磁干擾，減小了體積重量。

另外，ZHR-4系列智能型高頻開(kāi)關(guān)整流模塊實(shí)現(xiàn)了模塊帶電熱插拔、較完善的電路板防塵及防潮處理、優(yōu)化的熱分布處理、充電模塊間自主均流等功能。

2.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)是直流電源系統(tǒng)的控制中心和管理中心。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)直流電源系統(tǒng)中的每個(gè)功能單元和蓄電池組進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲取各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)并實(shí)時(shí)處理。以此為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能單元及蓄電池組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的全自動(dòng)精確管理[1,3-6]。

錦屏水電站直流電源監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)ZHM05主監(jiān)控和多個(gè)子監(jiān)控構(gòu)成。本監(jiān)控系統(tǒng)采用三級(jí)控制管理結(jié)構(gòu)：第一級(jí)也是最高一級(jí)，為計(jì)算機(jī)監(jiān)控后臺(tái)，通過(guò)通信接口和本監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接；第二級(jí)為ZHM05主監(jiān)控；第三級(jí)為監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，由電池巡檢單元、充電模塊單元等子監(jiān)控單元構(gòu)成。主監(jiān)控通過(guò)通信接口(RS232/RS485/網(wǎng)絡(luò))與電池巡檢單元、交流配電單元、直流采樣單元、充電模塊單元等子監(jiān)控相連接。這些基本單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各模塊的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，執(zhí)行主監(jiān)控的控制命令。

ZHM05主監(jiān)控系統(tǒng)硬件由主板、顯示板、核心板、開(kāi)關(guān)量輸出板、直流采樣板組成。該主監(jiān)控系統(tǒng)采用7寸真彩觸摸屏，嵌入式安裝；可以控制32個(gè)以上充電模塊，管理2組電池充電放電、帶電池溫度補(bǔ)償、絕緣監(jiān)測(cè)、饋線監(jiān)控；配有上位機(jī)RS232或RS485接口，以及網(wǎng)絡(luò)接口和多種協(xié)議，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。

ZHM05主監(jiān)控系統(tǒng)操作界面采用窗口式顯示、觸摸式操作，由主窗區(qū)和菜單區(qū)兩大部分組成。主窗區(qū)能顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息、故障信息、系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、系統(tǒng)控制參數(shù)等具體內(nèi)容。菜單區(qū)由查看、操作、設(shè)置、幫助4個(gè)功能按鈕組成。通過(guò)查看按鈕可以查詢到當(dāng)前和歷史告警信息、饋線開(kāi)關(guān)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線、歷史放電曲線、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)放電記錄等信息。通過(guò)操作按鈕輸入系統(tǒng)操作密碼后進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，可控制電池均充和浮充、操作動(dòng)態(tài)放電、交流切換操作以及充電模塊的開(kāi)關(guān)機(jī)。通過(guò)設(shè)置按鈕輸入系統(tǒng)設(shè)置密碼后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面，其中包括時(shí)間設(shè)置、口令修改、通信參數(shù)、直流配置、模塊配置、電池配置、開(kāi)入開(kāi)出配置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)組成配置以及程序升級(jí)操作和文件備份載入操作。通過(guò)幫助按鈕可以查看軟件版本信息及其他幫助信息。

子監(jiān)控由絕緣主控盒、多路漏電流采樣盒、電池電壓采樣盒、交流配電單元盒、直流采樣盒、無(wú)源開(kāi)入盒、有源開(kāi)入盒、無(wú)源開(kāi)出盒、單路智能漏電流采樣盒、多路溫度采集盒、溫度傳感器探頭、平衡電阻盒等單元組成。

2.4蓄電池組

蓄電池組因?yàn)殡妷浩椒€(wěn)、容量較大，能夠提供斷路器合閘時(shí)所需的短時(shí)沖擊電流，同時(shí)還可以作為事故保安負(fù)荷的備用電源。錦屏水電站根據(jù)國(guó)家電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程要求，選擇配置閥控式鉛酸蓄電池組。在電力生產(chǎn)過(guò)程中起穩(wěn)壓和事故備用的作用，并承受沖擊負(fù)荷。每組蓄電池配置一套電池巡檢儀，可對(duì)單節(jié)電池的電壓等參數(shù)進(jìn)行巡檢并具備報(bào)警功能。

2.5降壓?jiǎn)卧?/p>

錦屏水電站直流電源系統(tǒng)降壓?jiǎn)卧褂玫氖墙祲汗桄?，降壓硅鏈處于合閘母線和控制母線中間。合閘母線通過(guò)降壓硅鏈與控制母線相連，通過(guò)降壓硅鏈調(diào)節(jié)電壓，由控制母線輸出負(fù)載所需電壓。降壓硅鏈?zhǔn)怯啥嘀淮蠊β使枵鞫O管串接而成，利用PN結(jié)基本恒定的正向壓降來(lái)調(diào)整電壓，通過(guò)改變串入線路的PN結(jié)(二極管)數(shù)量來(lái)獲得一定的壓降，達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的。該裝置工作在“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，由控制器檢測(cè)控制母線電壓并與設(shè)定值比較。當(dāng)控制母線電壓高于(或低于)設(shè)定值的上限(或下限)時(shí)控制器發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)大電流直流繼電器，通過(guò)繼電器的分?jǐn)嗯c閉合，改變穩(wěn)壓硅鏈的降壓值，確保母線電壓值在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)工作在“手動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，通過(guò)外接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直接控制大電流繼電器，使硅鏈分組投入或被短接，從而使控制母線電壓處于規(guī)定范圍內(nèi)。

2.6絕緣監(jiān)測(cè)

絕緣監(jiān)測(cè)由主監(jiān)控系統(tǒng)絕緣單元和子監(jiān)控絕緣單元組成，用于正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線、輸出分路對(duì)大地的絕緣狀況，能準(zhǔn)確判斷母線及某一支路絕緣降低情況，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[7]。絕緣巡檢單元由絕緣巡檢主監(jiān)控、絕緣主控盒、多路電流采樣盒、智能漏電流采樣盒、平衡電阻盒、電流霍爾傳感器等組成。

2.7電池監(jiān)測(cè)

電池監(jiān)測(cè)由主監(jiān)控電池巡檢單元和子監(jiān)控電池巡檢單元組成，用于自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)單體電池電壓、電池組組端電壓、充放電流和溫度，自動(dòng)計(jì)算電池內(nèi)阻。電池巡檢單元一方面具有放電模塊過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸入反接、欠壓、外部事件觸發(fā)停止放電保護(hù)等完善保護(hù)功能；另一方面還具有充電監(jiān)視、放電管理、放電保護(hù)等功能[8]。該單元可以自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)警信息及動(dòng)態(tài)放電、靜態(tài)放電數(shù)據(jù)，配合監(jiān)控及瞬時(shí)放電器提供電池內(nèi)阻檢測(cè)及數(shù)據(jù)保存。電池巡檢單元由電池巡檢儀主監(jiān)控、電池電壓采樣盒、電池溫度采樣盒、溫度傳感器探頭、動(dòng)態(tài)放電負(fù)載、恒流放電負(fù)載等組成。

3改進(jìn)建議

ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源相對(duì)于傳統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波系數(shù)小、精度高、可靠性高及運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但在錦屏的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有需要改進(jìn)的地方：降壓硅鏈裝置的裝設(shè)可以取消。

傳統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)使用降壓硅鏈的原因是：以前的電磁操動(dòng)式斷路器操作電流大、隔鎳電池放電倍率高，在負(fù)載回路上會(huì)形成很大的壓降。為了提高蓄電池組的端電壓，同時(shí)不會(huì)提高二次保護(hù)供電電壓，于是采用了降壓硅鏈，將合閘母線和控制母線進(jìn)行分離。如今，早期的電磁操動(dòng)式斷路器早已淘汰，由于彈簧儲(chǔ)能式斷路器和免維護(hù)閥控式鉛酸電池的廣泛使用，降壓硅鏈的使用只會(huì)使得直流電源系統(tǒng)更加復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性降低、損耗增大[9-13]。取消降壓硅鏈裝置，不僅不會(huì)影響到直流電源系統(tǒng)的正常使用功能，還會(huì)提高直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，可以取消降壓硅鏈裝置。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要結(jié)合ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)在錦屏水電站的實(shí)際應(yīng)用，介紹了ZHDCS系列智能高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)、功能，并對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)不合理的地方提出改進(jìn)建議。錦屏水電站每套電力操作電源系統(tǒng)選用先進(jìn)的配置方案、“N+1”冗余充電模塊、功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)、先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)、高可靠的絕緣監(jiān)測(cè)和電池巡檢儀等，對(duì)錦屏水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了強(qiáng)有力的保障作用。

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A Study on the Application of the Electric Operating Power Supply System With Intelligent HF Switches in Jinping Hydroelectric Station

XU Tingcheng1，RUAN Fan2，WU Guangming2

(1．Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053，China；2．Jinping Hydroelectric Power Plant，Xichang Sichuan 615000，P.R.China)

Abstract：The ZHDCS electric operating power supply system with intelligent HF switches is used in the DC power system of Jinping Hydroelectric Station．This paper introduces the functions and characteristics of its hardware as well as giving relevant suggestions on its improvement based on its application in the hydroelectric station．

Key words：electric operating power supply system with intelligent high frequency(HF) switches；Jinping hydroelectric station；direct current(DC) power system

收稿日期：2016-04-18

作者簡(jiǎn)介：徐廷成(1986-)，助理工程師，研究方向?yàn)樗娬具\(yùn)行管理與電氣設(shè)備檢測(cè)技術(shù)。

中圖分類號(hào)：TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008- 8032(2016)03- 0033- 03