智能变电站直流系统的研发及应用

摘要：针对传统变电站直流系统智能化改造项目，采用改进后的新一代智能变电站体系架构，开发出了具有远程蓄电池电压均衡、单体内阻测量和智能核对性放电功能单元的智能直流系统，并在江苏镇江供电公司取得了良好的运行效果。

关键词：电压均衡；内阻测量；核对性放电；体系结构

中图分类号：TE63 文献标识码：A 文章编号：

变电站直流系统作为可靠地后备电源，不间断的为保护装置、通信装置和自动装置提供动力。基于直流系统在变电站中的特殊地位，为保证监控、保护、通信和自动装置的可靠运行，必须确保直流系统的可持续供电。传统变电站中对蓄电池的维护工作，强度依赖于现场检修人员的操作，人为因素对蓄电池的监测及评估造成较大影响。

随着电网规模的不断扩大，变电站直流系统蓄电池的日常巡视和维护工作量日益增大，传统的定期巡视和周期性维护方式越来越不能满足一线工作的需要，有限的人力、物力、财力更加重了这一矛盾。为此，开发一套变电站智能直流系统显得十分必要。同时，随着计算机技术、自动控制技术和网络通讯技术的发展，为成功研发智能直流系统提供了有力的技术支撑，使得研发该系统成为可能。

1远程智能直流系统的功能设计

远程智能直流系统应具备实时数据采集单元、智能核对性放电单元、蓄电池电压均衡单元和单体电池内阻检测单元四大核心单元，以及一些监控辅助单元，具体功能设计如图1所示。

图1智能直流系统功能设计

Fig.1 Design of intelligent DC system function

1.1远程蓄电池电压均衡单元和内阻检测单元

依据现场工作过程，优化配置设计，将远程蓄电池电压均衡单元和内阻检测单元整合为一体，其原理设计，如图2所示。

图2 电压均衡单元和内阻检测单元原理

Fig.2 principle of voltage balancing unit and internal resistance detection unit

（1）远程蓄电池电压均衡单元

为便于蓄电池维护和保证其可靠运行，将电压均衡单元分解为多个功能相同的小单元。每个小单元可以实时采集12路蓄电池电压和温度。电压均衡单元基于间歇式低充高放、能量守恒的闭环控制原则，当单只电池电压满足动作条件时，启动均衡电阻旁路分流，实现电压高的电池放电，电压低的电池充电，保证蓄电池组中每节电池都工作在最佳运行状态，避免蓄电池水分蒸发干涸及硫化现象的发生，延长了电池的使用寿命。

（2）远程内阻检测单元

基于恒流负载小电流瞬时放电法的内阻检测单元，检测时不对直流系统注入任何外部信号，通过测量单体电池的电压瞬时变化量，即可依据欧姆定律算出内阻。该方法不需将蓄电池组脱离系统，简单安全，能够发现电池极板断裂、连接松动等安全隐患。

1.2智能核对性放电单元

依据国家电网公司十八项电网重大反事故措施规定，蓄电池组核对性放电试验是蓄电池维护的最重要工作。目前，蓄电池组的核对性放电试验已采用恒流负载，实现了放电过程的自动控制，但其必须现场操作。随着电网的快速发展，变电站数量骤增，在有限的人力物力条件下很难按照规程要求，完成蓄电池的定期核对性放电试验。由于上述困难的存在，现场很少对蓄电池进行容量测试，甚至不做容量校核试验，这就给变电站直流系统的安全运行埋下了巨大隐患。因此，利用计算机技术、实时以太网通信技术的智能核对性放电单元应运而生。单母线分段直流系统充放电原理图，如图3所示。图4为变电站直流系统充放电完整设计图。

图3 单母线分段直流系统放电原理

Fig.3 the discharge principle of single busbar DC system

图4 变电站直流系统充放电模拟图

Fig.4 the charging and discharging mimic diagram for substation DC system

对于单组蓄电池直流系统，不能退出运行，也不能做全核对性放电试验，只能通过恒流负载放出蓄电池额定容量的50%。智能核对性放电单元的工作过程如下：

（1）在远方操作方式下，断开直流接触器A，切断蓄电池组的浮充/均充回路，使得充电机无法给蓄电池继续充电。在此情况下，若发生全所失电事故，蓄电池组仍可通过二极管对控制母线供电，以确保直流负载可靠运行。

（2）合上直流接触器B，通过恒流负载放电装置，实现恒流放电。在放电过程中，若出现异常情况，可立即停止放电，恢复到浮充/均充状态。

1.3实时数据采集单元

蓄电池组实时状态参数的采集，是整个智能直流系统的数据来源，可实现对单体电池电压、温度，蓄电池组电压、电流，控制母线电压，充电机纹波电压、纹波系数的实时测量。利用实时数据采集单元，系统才能实现电池电压均衡、内阻测量和核对性放电试验等功能。

2智能直流系统的系统结构设计

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。目前，虽有大量的新建智能变电站项目，但对众多的常规变电站进行智能化改造是必不可少的，这是实现坚强智能电网的必须途径。变电站智能直流系统即为常规变电站智能化改造项目之一，其系统结构应与智能变电站的系统结构保持一致。通过智能化改造，可显著降低对蓄电池组的运维成本，优化资源配置。

2.1典型智能变电站系统结构

图5 典型智能变电站系统结构

Fig.5 Typical smart substation system structure

典型智能变电站采用“三层两网”结构，系统结构如图5所示，两层网络分别与过程层设备、间隔层设备和站控层设备相连。

典型智能变电站站控层，采用双星型拓扑结构，冗余网络采用双网双工作方式运行。而过程层的网络结构为单星型的以太网结构，保护装置由2套独立的单网配置提供，因此能够使过程层网络具有双重化的特点，且2套网络互相物理隔离。过程层中的网络采样值按点对点传输的方式完成，以直接跳闸的方式来实现对间隔层设备的保护。

采用典型智能变电站系统结构，可实现GOOSE和SV以太网口的独立传输，在信息传输时交换机所承担的任务明确，能够有效避免数据之间的干扰。过程层GOOSE网络承担着繁重的数据采样任务，而网络仅具备100M的流量承载力，严重影响了数据的传输效率，加之网络接口独立设置，因此不便于网络结构的维护。

2.2优化后的智能变电站直流系统结构

针对典型智能变电站曝露出的问题，为提高网络的实时性，充分发挥硬件的优势，智能直流系统采用新一代智能变电站系统结构，其系统结构如图6所示。

图6智能直流系统的结构

Fig.6 Intelligent DC system structure

智能直流系统采用2层设备、1层网络的分层分布式的体系结构，智能设备单元与站控层设备通过高可靠性的网络连接。智能设备单元高度集成，打破现有的一、二次设备界限，完成测量、控制以及状态监测等功能，并与一次设备有机融合。站控层设备功能深度整合，采用变电站一体化监控系统实现变电站后台监控。

3智能直流系统的应用

基于2层设备、1层网络的智能直流系统研制成功后，即投入到镇江供电公司某110kV变电站的智能化改造项目中，现场应用如图7所示。智能直流系统依据规程通过验收，经过一段时间的运行，发现其电池电压均衡单元、内阻测量单元、核对性放电试验单元工作良好，最大限度的避免了人为因素对操作结果的影响，明显减少了检修工对直流系统的维护工作量。

图7智能直流系统的现场应用

Fig.7 Intelligent DC field applications

4结语

随着对传统变电站智能化改造的不断深入，传统变电站的智能化水平会不断提高。智能直流系统是智能变电站的重要组成部分，其成功研发和现场应用，为更多的变电站智能化改造工程提供了实践依据和工程经验。

参考文献：

刘琳，王向东，沈斌．常规变电站智能化改造的技术探讨[J]．华东电力，2011，39(8)：1288-1290．

方景辉，徐伟明，朱晓峰，徐伟．110kV智能变电站网络架构分析比选与应用[J]．电力系统及其自动化，2012，34(4)：50-53．

王克杰，杨恒云，宗志荣．110kV智能变电站关键技术研究[J]．电网与清洁能源，2012，28(10)：37-43．

作者简介：

谢昌华（1976），男，江苏镇江人，助理工程师，本科，直流检修技师，从事电力系统直流设备检修工作。

武江斌(1984)，男，河北石家庄人，硕士研究生，从事变电检修工作。

黄曙峰（1986），男，江苏无锡人，助理工程师，从事电力系统直流设备检修工作。