宋海龍，史磊，柴斌，趙曉健

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.山東泰開自動化有限公司，山東 泰安 271000)

低壓直流電源系統(tǒng)是變電站安全運行的基礎(chǔ)，隨著變電站二次綜自設(shè)備的自動化程度越來越高，站用低壓直流電源系統(tǒng)的整體運行管理水平顯得至關(guān)重要[1-3]。作為變電站控保系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的“心臟”，低壓直流電源系統(tǒng)的運行可靠性將直接影響變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運行[4-5]。特別是直流換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)通常采用“兩電三充”接線方式[6]，即2組蓄電池和3組充電機，由于僅提供兩段獨立直流饋電母線，無法向換流站三套直流保護及接口裝置提供完全獨立的電源配置[7]，極大降低了換流站直流保護系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確動作率[8-10]，在換流站生產(chǎn)運維中存在較大安全隱患。

1 現(xiàn)狀及問題分析

1.1 現(xiàn)狀分析

換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)通常采用“兩電三充”接線方式，按2組蓄電池和3組充電機配置，每組充電機均由2路交流電源經(jīng)雙電源切換裝置可靠供電[11]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，M1為A段充電機組，M2為B段充電機組，M3為備用充電機組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。正常運行時，M3充電機組處于退出狀態(tài)，其他元器件處于以下狀態(tài)：

圖1 “兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)1QS1 2號隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)投入，M1充電機組對1DM進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

2)2QS1 5號隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)投入，M2充電機組對2DM進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

3)JQS J1隔離開關(guān)投入，由A段饋電母線帶C段饋電母線，C段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

4)3QS1隔離開關(guān)退出，M3充電機組作為A1、B1充電母線備用；

5)MQS隔離開關(guān)退出，A段和B段饋電母線互為備用。

對于三重化配置的換流站直流保護系統(tǒng)，其動作出口采取“三取二”邏輯：當(dāng)三套保護裝置均正常時，按“三取二”邏輯出口，即三套保護至少有兩套動作才出口；當(dāng)一套保護裝置出現(xiàn)故障時，按“二取一”邏輯出口，即剩余兩套保護至少有一套動作才出口；當(dāng)兩套保護裝置均故障時，按“一取一”邏輯出口，即剩余一套保護動作才出口。

由上可知，基于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的閥組用低壓直流電源系統(tǒng)C段直流饋電母線，一般由A段或B段饋電母線間接供電，C段沒有配置單獨的蓄電池組和充電機組，因此，基于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在供電電源丟失導(dǎo)致保護裝置故障問題，包括以下幾種情況：

1)當(dāng)A段、B段饋電母線均正常運行時，C段饋電母線能夠可靠運行，A套、B套、C套直流保護系統(tǒng)能夠正確實現(xiàn)“三取二”邏輯出口；

2)當(dāng)A段饋電母線發(fā)生故障時，A套直流保護系統(tǒng)將失電退出，B段、C段饋電母線可分別供B套、C套直流保護系統(tǒng)，實現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

3)當(dāng)B段饋電母線發(fā)生故障時，B套直流保護系統(tǒng)將失電退出，A段、C段饋電母線可分別供A套、C套直流保護系統(tǒng)，實現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

4)當(dāng)C段饋電母線發(fā)生故障時，C套直流保護系統(tǒng)將失電退出，A段、B段饋電母線可分別供A套、B套直流保護系統(tǒng)，實現(xiàn)“二取一”邏輯正確出口；

5)當(dāng)A段、C段饋電母線均發(fā)生故障時，A套、C套直流保護系統(tǒng)均會失電退出，B段饋電母線可供B套直流保護系統(tǒng)，實現(xiàn)“一取一”邏輯正確出口；

6)當(dāng)B段、C段饋電母線均發(fā)生故障時，B套、C套直流保護系統(tǒng)均會失電退出，A段饋電母線可供A套直流保護系統(tǒng)，實現(xiàn)“一取一”邏輯正確出口；

7)當(dāng)A段、B段饋電母線均發(fā)生故障時，由于C段由A段或B段間接供電，此時A套、B套、C套直流保護系統(tǒng)均會失電退出，從而無法實現(xiàn)直流保護“一取一”邏輯的正確出口，致使直流系統(tǒng)因同時失去三套保護而導(dǎo)致直流誤閉鎖，存在較大安全隱患。

1.2 存在的問題

基于“兩電三充”接線方式的閥組用低壓直流電源系統(tǒng)，當(dāng)A段、B段直流饋電母線均故障時，將直接導(dǎo)致閥組用低壓直流電源系統(tǒng)全部失電，一方面無法實現(xiàn)直流換流站三重化保護“一取一”邏輯的正確出口，另一方面將使直流系統(tǒng)因同時失去三套保護而導(dǎo)致直流誤閉鎖，極大降低了高壓直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

為了解決“兩電三充”低壓直流電源系統(tǒng)工作方式在閥組自動化系統(tǒng)電源方案中存在的隱患問題，使換流站直流保護及接口裝置的低壓直流電源配置完全獨立，提高直流保護系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確動作率，急需提出一種新結(jié)構(gòu)、新方法解決以上問題。本文提出了一種基于“三電五充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低壓直流電源系統(tǒng)，相較于“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其運行可靠性、靈活性和實用性等方面均有顯著優(yōu)勢。

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加1組蓄電池、2組充電機和1段直流饋電母線，將低壓直流電源系統(tǒng)設(shè)計為3組蓄電池和5組充電機結(jié)構(gòu)，將直流饋電母線分為獨立的A段、B段和C段[12]?！叭娢宄洹毕到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 “三電五充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖2可知，M1為A段充電機組，M2為B段充電機組，M3為C段充電機組，M4、M5為兩組備用充電機組；1DM為A母蓄電池組，2DM為B母蓄電池組，3DM為C母蓄電池組；A1為A段充電母線，B1為B段充電母線，C1為C段充電母線；A為A段饋電母線，B為B段饋電母線，C為C段饋電母線。

2.1.2 運行模式

結(jié)合圖2，“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)主要包括三種運行模式。

2.1.2.1 正常運行模式

1)1QS1 2號隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)投入，M1充電機組對1DM蓄電池組進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

2)2QS1 9號隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)投入，M2充電機組對2DM蓄電池組進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

3)3QS1 5號隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)投入，M3充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

4)4QS1隔離開關(guān)退出，M4充電機組作為A1、C1充電母線備用；5QS1隔離開關(guān)退出，M5充電機組作為B1、C1充電母線備用；

5)MQS1隔離開關(guān)退出，A段和C段饋電母線互為備用；MQS2隔離開關(guān)退出，B段和C段饋電母線互為備用。

2.1.2.2 充電機組檢修模式

當(dāng)M1、M2或M3充電機組因檢修需要退出時，需將M4或M5備用充電機組投入。

1)當(dāng)M1充電機組退出時，先將4QS1 3號隔離開關(guān)投入，1QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將1QS1 2號隔離開關(guān)退出，則M1充電機組完全退出，M4備用充電機組對1DM蓄電池組進行維護，A段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

2)當(dāng)M2充電機組退出時，先將5QS1 8號隔離開關(guān)投入，2QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將2QS1 9號隔離開關(guān)退出，則M2充電機組完全退出，M5備用充電機組對2DM蓄電池組進行維護，B段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

3)當(dāng)M3充電機組退出時，先將4QS1 4號隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將3QS1 5號隔離開關(guān)退出，則M3充電機組完全退出，M4備用充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態(tài)；

4)當(dāng)M3充電機組退出時，先將5QS1 7號隔離開關(guān)投入，3QS2隔離開關(guān)處于投入狀態(tài)，后將3QS1 5號隔離開關(guān)退出，則M3充電機組完全退出，M5備用充電機組對3DM蓄電池組進行維護，C段饋電母線處于正常運行狀態(tài)。

2.1.2.3 蓄電池組維護模式

任何情況下，均需保證直流饋電母線至少帶一組蓄電池作為后備直流電源，同時，需保證兩段直流饋電母線切換過程中不能中斷供電。當(dāng)1DM、2DM或3DM蓄電池組因維護需要退出時，直流饋電母線切換過程中允許兩組蓄電池組短時并聯(lián)運行。

1)當(dāng)1DM蓄電池組退出時，先將1QS1 1號隔離開關(guān)投入，再將MQS1隔離開關(guān)投入，此時1DM、3DM蓄電池組短時并聯(lián)運行，后將1QS2隔離開關(guān)退出，由M3充電機組、3DM蓄電池組和M1充電機組帶A段、C段饋電母線并列運行，此時可根據(jù)負載情況確定是否將M1充電機組退出。

2)當(dāng)2DM蓄電池組退出時，先將2QS1 10號隔離開關(guān)投入，再將MQS2隔離開關(guān)投入，此時2DM、3DM蓄電池組短時并聯(lián)運行，后將2QS2隔離開關(guān)退出，由M3充電機組、3DM蓄電池組和M2充電機組帶B段、C段饋電母線并列運行，此時可根據(jù)負載情況確定是否將M2充電機組退出。

3)當(dāng)3DM蓄電池組退出時，先將3QS1 6號隔離開關(guān)投入，再將MQS1隔離開關(guān)投入，此時1DM、3DM蓄電池組短時并聯(lián)運行，后將3QS2隔離開關(guān)退出，由M1充電機組、1DM蓄電池組和M3充電機組帶A段、C段饋電母線并列運行，此時可根據(jù)負載情況確定是否將M3充電機組退出。

4)當(dāng)3DM蓄電池組退出時，先將3QS1 6號隔離開關(guān)投入，再將MQS2隔離開關(guān)投入，此時2DM、3DM蓄電池組短時并聯(lián)運行，后將3QS2隔離開關(guān)退出，由M2充電機組、2DM蓄電池組和M3充電機組帶B段、C段饋電母線并列運行，此時可根據(jù)負載情況確定是否將M3充電機組退出。

針對以上“三電五充”接線方式需根據(jù)負載情況確定是否將該組蓄電池對應(yīng)的充電機組退出的問題，主要取決于帶兩段饋電母線并列運行時，一組充電機功率是否能夠同時滿足兩段饋電母線負載功率的需求。若能滿足要求，則可將待維護蓄電池組對應(yīng)的充電機組退出，僅用一組充電機帶兩段饋電母線負載運行，未退出的蓄電池組做后備電源；若不能滿足要求，為了避免蓄電池組長時間放電，則將待維護蓄電池組對應(yīng)的充電機組保持投入，仍由兩組充電機帶兩段饋電母線負載運行，未退出的蓄電池組做后備電源。

2.2 應(yīng)用案例

在工程應(yīng)用中，“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3可知，以“靈州換流站”為例，基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)包括3段獨立的直流饋電母線，每段直流饋電母線均由1組蓄電池、1組充電機進行獨立供電，另外2組充電機作為備用直流電源[13]。

圖3 “三電五充”工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)采取集中組屏方式，共10面屏，包括1面電源監(jiān)控屏、1面電源聯(lián)絡(luò)屏、5面充電機屏和3面直流饋電屏，集中布置于繼電器室，3組蓄電池布置于專用蓄電池室。相關(guān)組屏及現(xiàn)場照片如圖4、圖5所示。

圖4 “三電五充”組屏方式

圖5 蓄電池組

基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)通過1套直流監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時監(jiān)測3組蓄電池、5組充電機和3段直流饋電負載的整體運行狀態(tài)[14]。其中，直流監(jiān)控系統(tǒng)由1臺直流總監(jiān)控裝置和5臺直流分監(jiān)控裝置組成。直流總監(jiān)控裝置采集模擬量信息并對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視。每1套充電裝置均配置1臺直流分監(jiān)控裝置，根據(jù)采集模擬量信息對充電機及蓄電池進行維護，并將設(shè)備運行狀態(tài)反饋至直流總監(jiān)控裝置。

3 效果評價

1)基于“三電五充”低壓直流電源系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠滿足3段直流饋電母線的獨立供電需求，各段負載容量配置合理，提高了低壓直流系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2)“三電五充”接線方式下，在充電機組檢修或蓄電池組維護時，運維人員可根據(jù)實際需求進行多種典型運行方式轉(zhuǎn)換，其操作便捷，具有較強的運行穩(wěn)定性和靈活性。

3)“三電五充”接線方式能夠更好地匹配換流站現(xiàn)場實際需求，保障了換流站直流保護系統(tǒng)“三取二”出口邏輯的正確性，消除了低壓直流電源故障導(dǎo)致直流誤閉鎖的重大隱患。

4)“三電五充”采取集中組屏方式，占地面積小，屏間聯(lián)系緊密，通過1套直流監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部蓄電池、充電機和饋電負載的狀態(tài)監(jiān)視功能，具有較強的集成度和自動化水平。

4 結(jié) 論

1)“三電五充”接線方式能夠?qū)崿F(xiàn)低壓直流電源系統(tǒng)與換流站直流保護系統(tǒng)多電源配置需求的完美契合，真正消除了低壓直流電源故障導(dǎo)致直流誤閉鎖的重大隱患，具有一定的先進性和突破性。

2)采取集中組屏方式和統(tǒng)一監(jiān)控管理。當(dāng)?shù)蛪褐绷麟娫窗l(fā)生故障時，能夠及時監(jiān)測報警，極大地提升了運維人員應(yīng)急處置效率，保障了設(shè)備安全穩(wěn)定可靠運行。

3)與傳統(tǒng)“兩電三充”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，“三電五充”結(jié)構(gòu)具有更強的可靠性及實用性，其應(yīng)用推廣范圍更大。

4)“三電五充”工程設(shè)計及應(yīng)用，可為全國各直流換流站閥組用低壓直流電源系統(tǒng)提供有力參考，具有較高的指導(dǎo)意義。