趙 軍

智能變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換遠(yuǎn)方操作解決方案

趙 軍

（國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

本文論述了已運(yùn)行的智能變電站直流電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀。針對(duì)這種直流電源系統(tǒng)在運(yùn)行方式切換時(shí)仍需人工手動(dòng)操作完成，不適應(yīng)智能變電站發(fā)展趨勢的要求，提出了硬件上采用電動(dòng)操作、機(jī)械保持的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，軟件上采用順序控制邏輯的解決方案，實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換的遠(yuǎn)方智能操作。

智能變電站；運(yùn)行方式切換；雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)；順序控制

對(duì)于雙套直流電源設(shè)備配置的變電站，如果某組蓄電池組或某套充電裝置故障，首先需要切換直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式，將故障直流電源設(shè)備所在直流母線上的負(fù)荷由未故障的另一套直流電源設(shè)備供電，然后退出故障直流電源設(shè)備進(jìn)行檢修。國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施明確規(guī)定：應(yīng)定期對(duì)直流充電裝置的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，定期對(duì)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電試 驗(yàn)[1]。對(duì)于雙套直流電源設(shè)備配置的變電站，在按規(guī)定進(jìn)行定期試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行直流電源運(yùn)行方式切換操作，即將待試驗(yàn)的一套直流電源設(shè)備退出運(yùn)行，由另外一套直流電源設(shè)備帶兩段直流母線運(yùn)行。因此定期試驗(yàn)和直流電源設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行直流電源運(yùn)行方式切換的操作是非常必要的。

隨著自動(dòng)化技術(shù)水平的大幅提高，智能變電站的迅猛發(fā)展，變電站一次設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行方式以及二次保護(hù)、測控裝置均已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方智能化“一鍵式”順序控制操作[2]，然而變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換操作卻還沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方智能操作。不能滿足智能變電站發(fā)展的要求[3-4]。

1 已運(yùn)行智能變電站直流電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前已經(jīng)運(yùn)行的智能變電站，將全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源等，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、一體化配置、一體化監(jiān)控，取消獨(dú)立的通信電源用蓄電池組、充電裝置等，使用DC/DC變換器直接接至直流母線代替[5]。取消UPS的獨(dú)立組屏，使用DC/AC逆變器直接接至直流母線代替，從而減少了一次投資，減少了組屏數(shù)量，節(jié)省了空間，簡化了電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

交流電源切換采用ATS自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)方控制和狀態(tài)監(jiān)測。直流電源系統(tǒng)依然通過操作傳統(tǒng)的直流斷路器和隔離開關(guān)完成切換，無法對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)方自動(dòng)控制。直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換仍然需要人工手動(dòng)操作來實(shí)現(xiàn)。直流電源系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

集中監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源等的一體化監(jiān)控，目前其對(duì)直流電源監(jiān)控的主要任務(wù)僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中各功能元件和蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測，獲取系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)中各功能元件自身功能的實(shí)時(shí)管理和異常報(bào)警。但卻無法實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式的遠(yuǎn)方切換操作。

圖1 某變電站直流系統(tǒng)接線圖

2 智能變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式遠(yuǎn)方操作解決方案

智能變電站已經(jīng)廣泛投運(yùn)，國家電網(wǎng)公司2009年編制的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中關(guān)于站用電源系統(tǒng)要求“全站直流、交流、逆變、UPS、通信等一體化設(shè)計(jì)、一體化配置、一體化監(jiān)控，其運(yùn)行工況和信息數(shù)據(jù)能通過一體化監(jiān)控單元展示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)格式接入當(dāng)?shù)刈詣?dòng)化系統(tǒng)，并上傳至遠(yuǎn)方控制中心[6]。”，該導(dǎo)則只是對(duì)站用電源的一體化設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況、信息數(shù)據(jù)的一體化監(jiān)控及上傳提出了要求，卻并未對(duì)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式的遠(yuǎn)方操作提出要求。

實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換的遠(yuǎn)方操作需要從硬件和軟件兩個(gè)方面解決。

2.1 硬件方面解決方案

硬件方面在如圖1所示的直流電源系統(tǒng)中增加5個(gè)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)（雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)），構(gòu)成具備電動(dòng)操作條件的直流電源系統(tǒng)[7]，接線圖如圖2所示。這種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)有合位和分位兩種工作狀態(tài)，由兩個(gè)控制回路分別完成開關(guān)的合、分操作控制，并機(jī)械保持合位和分位工作狀態(tài)。

正常運(yùn)行方式下，1#雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)處于斷開位置，2#、3#、4#、5#四個(gè)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)處于閉合位置，變電站直流母線分段、分列運(yùn)行；當(dāng)定期試驗(yàn)或直流電源設(shè)備故障時(shí)，通過邏輯軟件順序控制這5個(gè)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的合分狀態(tài)來完成直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換的遠(yuǎn)方操作，開關(guān)異?；蚬收蠒r(shí)將報(bào)警并閉鎖遠(yuǎn)方切換操作。由于本方案中雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的分合采用電動(dòng)操作、機(jī)械保持的原理，因此可以保證在出現(xiàn)控制電源失電、系統(tǒng)復(fù)位或控制斷線等異常情況時(shí)主回路雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)均不會(huì)動(dòng)作，從而避免直流母線失電的嚴(yán)重事件發(fā)生。

2.2 軟件方面解決方案

在硬件方面通過增加雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，使直流電源系統(tǒng)具備了電動(dòng)操作的條件，但要真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方式切換的遠(yuǎn)方操作，還需要在集中監(jiān)控模塊中實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。

圖2 增加雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的變電站直流電源系統(tǒng)接線圖

閉環(huán)控制是控制理論的一個(gè)基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制理論中，閉環(huán)控制通常是輸出端通過“旁鏈”方式反饋到輸入，并參與對(duì)輸出端再控制。本方案中直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式切換遠(yuǎn)方操作即采用閉環(huán)邏輯序列控制策略，操作過程中嚴(yán)格按照電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)操作控制序列，每個(gè)操作步驟，均有反饋信息，即為閉環(huán)的，并且通過對(duì)上一個(gè)或幾個(gè)操作步驟反饋信息以及直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（如直流母線電壓是否正常）等綜合邏輯判斷的基礎(chǔ)上，根據(jù)判斷結(jié)果，來決定下一個(gè)步驟如何執(zhí)行；整個(gè)執(zhí)行過程就是由無數(shù)個(gè)“執(zhí)行—反饋—邏輯判斷—再執(zhí)行”的小循環(huán)構(gòu)成。

1）退出1套直流電源設(shè)備的邏輯框圖

在定期試驗(yàn)或直流電源設(shè)備故障時(shí)需要將待試驗(yàn)（故障）直流電源設(shè)備退出運(yùn)行，由另一套直流電源設(shè)備帶全站直流負(fù)荷，這種情況的邏輯控制框圖如圖3所示。

2）投運(yùn)直流電源設(shè)備的邏輯框圖

在定期試驗(yàn)結(jié)束或直流電源設(shè)備故障處理完畢后需要將被試驗(yàn)（故障）直流電源設(shè)備重新投入運(yùn)行，全站直流負(fù)荷分別由兩套直流電源設(shè)備供電，這種情況的邏輯控制框圖如圖4所示。

圖3 退出直流電源設(shè)備的軟件流程圖

圖4 投運(yùn)直流電源設(shè)備的軟件流程圖

在本方案中，整個(gè)操作序列執(zhí)行過程中，均是在上一個(gè)操作步驟正確完成、反饋信息收到后，才進(jìn)行下一個(gè)操作，任一步驟執(zhí)行出現(xiàn)異常，將執(zhí)行故障恢復(fù)序列并報(bào)警。整個(gè)操作序列，具有軟、硬件多重閉鎖和保護(hù)。

3 結(jié)論

變電站直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行方式切換實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方“一鍵式”順序控制操作[8]可以從根本上杜絕由于人為因素造成運(yùn)行方式切換過程中發(fā)生直流母線失電等異常事件發(fā)生[9]，是智能變電站直流電源系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，本方案在硬件上采用電動(dòng)操作、機(jī)械保持的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，可以保證在出現(xiàn)控制電源失電、系統(tǒng)復(fù)位或控制斷線等異常情況時(shí)均不會(huì)動(dòng)作，從而避免直流母線失電等嚴(yán)重事件發(fā)生[10]，在軟件上采用閉環(huán)順序控制邏輯，順應(yīng)了智能變電站技術(shù)發(fā)展的方向。

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The solution of remote operation for switching the operation mode of the DC power system in smart substation

Zhao Jun

(SPIC Institute of Science and Technology Co., Ltd, Beijing 102209)

This paper discusses the current situation of the DC power system in running smart substations. Switching the operation mode of the DC power system must be manually. It can not meet the requirements for smart substation. This paper put forward a solution for remote switching the operation mode of the DC power system. Bistable switch that can be operated by electric and maintained by mechanism is adopted, which is operated by sequential control logic.

smart substation; operation mode swithover; bistable switch; sequential control

2018-03-29

趙 軍（1970-），女，山東濟(jì)南人，漢族，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎舛螌I(yè)技術(shù)。