李亮玉

變電站直流負(fù)荷分級(jí)及管控方法研究

李亮玉

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

隨著變電站內(nèi)直流設(shè)備增加，蓄電池容量配置越來(lái)越大。為減少直流蓄電池容量配置，以及在交流全部失電情況下，優(yōu)先保證重要直流負(fù)荷供電，本文提出變電站內(nèi)直流負(fù)荷分級(jí)原則，將全站負(fù)荷分為3級(jí)，針對(duì)不同級(jí)別負(fù)荷，給出具體管控實(shí)施方法。經(jīng)計(jì)算，分級(jí)后可減少蓄電池容量配置。

變電站；直流負(fù)荷分級(jí)；蓄電池容量；管控方法

0 引言

隨著變電站內(nèi)直流負(fù)荷增加，蓄電池容量配置增大[1]，投資增加，同時(shí)直流蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，增加損耗。因此，考慮直流系統(tǒng)負(fù)荷分級(jí)，分析故障情況下需優(yōu)先保障的負(fù)荷種類非常必要，可減少蓄電池容量，在嚴(yán)重故障情況下增加重要直流負(fù)荷供電時(shí)間，為工程應(yīng)用提供有益參考。

近年來(lái)，關(guān)于變電站直流電源系統(tǒng)的研究集中在新型電池、容量配置、直流系統(tǒng)智能控制方面。文獻(xiàn)[2]研究了基于變電站的儲(chǔ)能電站等規(guī)劃配置方法，文獻(xiàn)[3]分析了磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用安全性，但是從直流負(fù)荷分級(jí)角度研究蓄電池容量的方法仍較少。針對(duì)直流系統(tǒng)智能控制方面，文獻(xiàn)[4]提出硬件上采用電動(dòng)操作、機(jī)械保持的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)，軟件上采用順序控制邏輯的解決方案；文獻(xiàn)[5]提出針對(duì)變電站電源系統(tǒng)的電力電子集中式開(kāi)關(guān)保護(hù)方案，但是目前關(guān)于直流系統(tǒng)智能控制的研究還未見(jiàn)工程應(yīng)用案例。

本文從直流設(shè)備負(fù)荷角度出發(fā)，提出直流負(fù)荷分級(jí)方法及分級(jí)后負(fù)荷智能控制方法，可減少蓄電池容量配置，且在目前工程應(yīng)用條件下可行。

1 總體思路和原則

目前，變電站一般集中設(shè)置閥控式密封鉛酸蓄電池，不設(shè)置通信專用蓄電池，通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)通信設(shè)備供電[6-7]。變電站采取無(wú)人值班模式，220V直流系統(tǒng)在全所交流事故斷電后工作2h后自動(dòng)或手動(dòng)切斷，蓄電池剩余電能繼續(xù)為48V通信系統(tǒng)供電4h。

考慮按以下原則進(jìn)行直流負(fù)荷分級(jí)：

1）優(yōu)先保證系統(tǒng)和站內(nèi)通信負(fù)荷供電，保證通信通道暢通。

2）按照重要性原則，優(yōu)先保證站控層二次負(fù)荷供電，該部分二次負(fù)荷是站內(nèi)任何設(shè)備恢復(fù)供電的保證。

3）對(duì)于間隔層和過(guò)程層負(fù)荷，按照優(yōu)先保證高電壓等級(jí)主網(wǎng)可靠性原則，保證主網(wǎng)二次保護(hù)測(cè)控及相應(yīng)過(guò)程層設(shè)備（針對(duì)智能站）供電可靠性。

4）主變及中低壓設(shè)備的二次負(fù)荷采取統(tǒng)籌考慮的原則，優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)送電，對(duì)于主變帶低壓側(cè)站用變（或接地變）的，應(yīng)該優(yōu)先考慮恢復(fù)供電，相應(yīng)主變二次設(shè)備應(yīng)該保證其在事故情況下的供電。

5）對(duì)于重要負(fù)荷和涉及電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的線路，宜根據(jù)變電站位置合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)，保證相應(yīng)二次設(shè)備供電，以便事故處理后能快速恢復(fù)供電。

6）對(duì)于次要一次負(fù)荷，短時(shí)難以恢復(fù)供電，可以考慮相應(yīng)二次負(fù)荷停電，待站用交流恢復(fù)供電后恢復(fù)其供電。

2 直流負(fù)荷分級(jí)

按照上述原則，將直流負(fù)荷分為3級(jí)。

2.1 第一級(jí)負(fù)荷

第一級(jí)為必須保證供電的負(fù)荷，包括全部通信負(fù)荷[6]及站控層負(fù)荷（包括蓄電池供不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）負(fù)荷）、事故照明負(fù)荷。還應(yīng)保證主網(wǎng)迅速恢復(fù)供電，保證主網(wǎng)二次間隔層及相應(yīng)過(guò)程層設(shè)備供電可靠性。以220kV站為例，包括220kV環(huán)網(wǎng)線路的保護(hù)測(cè)控及過(guò)程層設(shè)備。第一級(jí)直流負(fù)荷見(jiàn)表1。

表1 第一級(jí)直流負(fù)荷

2.2 第二級(jí)負(fù)荷

優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)供電，對(duì)于主變帶低壓側(cè)站用變（或接地變）的，應(yīng)該優(yōu)先考慮恢復(fù)供電，相應(yīng)主變二次設(shè)備應(yīng)該在事故情況下較為優(yōu)先保證供電。第二級(jí)直流負(fù)荷見(jiàn)表2。

表2 第二級(jí)直流負(fù)荷

2.3 第三級(jí)負(fù)荷

次要一次負(fù)荷，短時(shí)難以恢復(fù)供電，可以考慮相應(yīng)二次設(shè)備負(fù)荷停電，待站用交流恢復(fù)供電后恢復(fù)其供電。第三級(jí)直流負(fù)荷見(jiàn)表3。

表3 第三級(jí)直流負(fù)荷

3 直流分級(jí)后蓄電池容量

分別計(jì)算第三級(jí)、第二級(jí)負(fù)荷需要的蓄電池容量，以220-A1-1方案的規(guī)模計(jì)算，第三級(jí)負(fù)荷考慮以下設(shè)備的二次負(fù)荷：中壓出線10回（2回二次負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷），低壓出線24回，主變1臺(tái)，電容器12臺(tái)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)第三級(jí)直流負(fù)荷見(jiàn)表4。

根據(jù)階梯計(jì)算法（電流換算法）[8-9]計(jì)算蓄電池容量。蓄電池為閥控密封鉛酸蓄電池（貧液），按照控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的計(jì)算過(guò)程如下：

表4 統(tǒng)計(jì)后的第三級(jí)直流負(fù)荷

1）按第一階段放電計(jì)算

2）按第二階段放電計(jì)算

式中：2為第二階段放電時(shí)間；c2為容量換算系數(shù)；2為第二階段負(fù)荷電流；c2為第二階段計(jì)算容量。

3）按第三階段放電計(jì)算

式中：3為第三階段放電時(shí)間；c3為容量換算系數(shù)；3為第三階段負(fù)荷電流；c3為第三階段計(jì)算容量。

經(jīng)計(jì)算，蓄電池容量減少41.4A·h。通?？紤]留有一定裕度進(jìn)行蓄電池配置，以220-A1-1方案為例，未分級(jí)前直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)為365A·h，實(shí)際選擇400A·h蓄電池。分級(jí)后蓄電池容量可選擇350A·h，或者仍選擇400A·h蓄電池容量。經(jīng)估算，可增加供電時(shí)間[41.4/(400-41.4)]×2h=0.23h。

按照同樣的方法，在第三級(jí)負(fù)荷基礎(chǔ)上，第二級(jí)負(fù)荷為中、低壓母線保護(hù)，分段保護(hù)測(cè)控裝置，2回中壓出線，1臺(tái)主變保護(hù)測(cè)控及過(guò)程層設(shè)備，1臺(tái)站用變保護(hù)測(cè)控、消弧線圈控制裝置。統(tǒng)計(jì)第二級(jí)、第三級(jí)負(fù)荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可減少蓄電池容量68A·h。分級(jí)后蓄電池容量可選擇300A·h，或仍選擇400A·h蓄電池容量。經(jīng)估算，可增加供電時(shí)間[68/(400-68)]× 2h=0.41h。

4 直流負(fù)荷分級(jí)管控實(shí)施方法

目前，直流負(fù)荷智能控制技術(shù)研究有所進(jìn) 展[4-5]，根據(jù)現(xiàn)有直流系統(tǒng)配置方案[10]，按照目前工程中控制方法，對(duì)于第二、三級(jí)直流負(fù)荷，可以采取以下控制方法。

1）對(duì)于第二級(jí)負(fù)荷，考慮該部分負(fù)荷數(shù)量不多，有一定重要性，由直流饋線屏供電，采用加裝分勵(lì)脫扣器的方式，可以實(shí)現(xiàn)空開(kāi)分控制，合控制需要采取手動(dòng)方式。加裝分勵(lì)脫扣器原理示意圖如圖1所示。該方法造價(jià)較低，適用于直供負(fù)荷的空開(kāi)，例如位于二次設(shè)備室的主變二次負(fù)荷。

圖1 加裝分勵(lì)脫扣器原理示意圖

2）對(duì)于第三級(jí)負(fù)荷，由分電屏供電，通過(guò)在電源處（直流饋線屏大空開(kāi)）加裝遠(yuǎn)程控制電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空開(kāi)分合控制。加裝遠(yuǎn)程控制電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。例如直流饋線屏上供給中低壓集中負(fù)荷的空開(kāi)，可采取該方式，實(shí)現(xiàn)中壓出線二次直流負(fù)荷集中控制，待交直流電源系統(tǒng)恢復(fù)交流供電后，自動(dòng)控制該部分直流負(fù)荷恢復(fù)供電。

圖2 加裝遠(yuǎn)程控制電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

隨著電網(wǎng)規(guī)模增大，變電站內(nèi)直流負(fù)荷呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因此考慮直流負(fù)荷合理分級(jí)供電，減小蓄電池容量，增加重要直流負(fù)荷供電時(shí)間，顯得非常必要。本文所做研究工作如下：

1）進(jìn)行了直流負(fù)荷分級(jí)，第一級(jí)為必須保證供電的負(fù)荷，第二級(jí)負(fù)荷為優(yōu)先保證重要設(shè)備快速恢復(fù)送電的負(fù)荷，第三級(jí)為次要一次負(fù)荷相應(yīng)二次設(shè)備。

2）對(duì)三級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，可有效減少蓄電池容量配置或者增加重要負(fù)荷供電時(shí)間。

3）提出對(duì)于第二級(jí)負(fù)荷采用直供方式，采取加裝分勵(lì)脫扣器的方式實(shí)現(xiàn)控制；對(duì)于第三級(jí)負(fù)荷采用集中分電屏控制，在電源處加裝遠(yuǎn)程控制電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)二次直流負(fù)荷集中分合控制。

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Research on classification and management methods of DC loads in substation

LI Liangyu

(State Grid Hebei Economic Research Institute, Shijiazhuang 050021)

With the increase of DC equipments in substation, the battery capacity configuration is becoming larger and larger. In order to reduce the capacity configuration of DC battery and ensure the power supply of important DC loads in the case of all AC power loss, this paper proposes the principle of priority of DC loads in substation. The DC loads of the whole substation are divided into 3 levels, and specific management methods are provided for different levels of loads. The calculation results show that the battery capacity can be reduced after classification.

substation; DC load classification; battery capacity; management method

2021-07-19

2021-08-22

李亮玉（1990—），男，河北省邢臺(tái)市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與電氣二次設(shè)計(jì)工作。