变电站交直流一体化电源研究.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 电源是变电站稳定运行的前提条件，尤其是进入 21 世纪以后，各种智能设备在变电站中得到使用，中 国变电站愈加趋于无人值守形式，对变电站电源管理 水平和管理质量的要求也在提高。近年来，高中压开 关柜和集成管理系统在变电站中得到了广泛的应用， 中国变电站的智能化水平显著提升。但就目前而言， 中国变电站电源的技术研究和产品创新依然相对落后， 不能满足现今时代发展的需求[1]。另外，传统的变电站 电源设计方案已经不能够满足新时代下社会对变电站 的要求，可以说，智能变电站建设已然成为中国变电 站未来的发展趋势。在此背景下，数字变电站集成电 源系统 （ 交直流一体化系统） 应运而生，为中国变电 站智能化发展保驾护航。 1变电站传统电源存在的问题 在变电站中，直流电源系统用于信号控制，同时 为变电站内的自动设备和一些执行器提供电源；交流 电源系统则主要用于变电站内一般用电设备的电源供 应和照明；而为事故照明之类的设备供电的为交流不 间断电源系统；用于给各类通信设备提供电能支持的 为通信电源系统。每个电源系统采用分散式设计，独 立地组屏，各个电源系统所使用的设备一般由不同的生 产厂家提供，且各个电源系统设备的安装和调试工作均 需要供应商负责。而在实践中为了确保各部分电源系统 运行的稳定性[2]，通常会安排不同的人员对不同的电源 系统进行管理。随着电力系统的发展，变电站传统电源 的劣势凸显，例如在应用中存在维护困难、性价比低以 及缺乏系统管理的问题。对于传统的变电站而言，控制 电源设备通常相互独立，且这些设备往往是由不同的生 产厂家提供，这就会造成变电站一些设备的功能重复， 在安装调试不同电源系统设备时成本较高，这无疑增 加了变电站设备投资。同时，不同专业的维修工作接口 不同，使得供电设备的运行和管理成本较高。此外，由 于缺乏统一的直流、交流控制电源接口和监视设备，变 电站网络管理模式变得复杂。另外，在实践中由于变电 站各电源系统所使用的设备由不同的生产厂家提供，设 备在运行中发生故障时需要与多个厂家协调，降低了维 护效率。如果使用传统的电源系统，则上述 4 个电源系 统需要配置独立的电池组，AC 系统将针对电源配置自 动切换设备，而充电模块同样需配置自动切换设备，显 然造成了设备功能的重复。变电站通信协议的规范化虽 然解决了设备通信的兼容性问题，但是由于缺乏统一的 监控设备来管理整个变电站的电源，因此无法实现系统 数据共享。 收稿日期2020-04-15 作者简介吴雷雷，1989年生，男，山西长子人，2012年毕业于太 原理工大学电气工程及其自动化专业，助理工程师。 变电站交直流一体化电源研究 吴雷雷 （ 山西潞安矿业 （ 集团 ） 有限责任公司古城煤矿，山西 长治 046100 ） 摘要 变电站的电源系统是确保电能传输质量的基础。随着变电站综合自动化水平的提高和大量智能设备的使用， 变电站电力系统的整体运行质量逐渐提高。但变电站现有的供电系统仍缺乏系统集成，而交直流一体化的电源系统具有 集成度高、经济效益好、管理方便等优点，可大规模应用于变电站中。基于此，首先阐述了变电站传统电源存在的问 题，其次分析了变电站交直流一体化电源的优点，最后重点探讨了交直流一体化电源系统的应用，以期为变电站稳定运 行提供参考。 关键词 变电站；电源系统；交直流一体化电源 中图分类号 TM762文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0110-02 Research on Integrated AC and DC Power Supply of Substation WU Leilei Gucheng Coal Mine, Shanxi Luan Mining Group Co., Ltd., Changzhi 046100, Shanxi, China Abstract The power system of substation is the basis of ensuring the quality of power transmission. With the improvement of the comprehensive automation level and the use of a large number of intelligent equipment, the overall operation quality of the substation power system has gradually improved. However, the existing power supply system of the substation is still lack of system integration, and the integrated AC and DC power supply system has the advantages of high integration, good economic benefits, convenient management, etc., which can be widely used in the substation. Based on this, this paper first described the problems of traditional power supply in substation, then analyzed the advantages of integrated AC and DC power supply in substation, and finally focused on the application of integrated AC and DC power supply system, in order to provide reference for stable operation of substation. Key words substation; power supply system; integrated AC and DC power supply （总第 177 期） 技术研究 110 2020 年第 6 期2020 年 6 月 图 1直流操作电源系统构成原理接线图 2变电站交直流一体化电源的优点 变电站交直流一体化电源相比于传统的分散式供电 系统具有显著的优势。交直流一体化设计将这些组件组 合成一个统一的集成体，这个集成体不仅能够满足对其 内部电源系统的监控和调试需求，还能够实现设备之间 的信息共享，且相比于变电站传统电源系统，交直流一 体化设计的电源系统具有更高的安全性。从实际应用来 看，AC/DC （ 交直流 ） 集成电源系统主要具有以下几个 优点a 统一的集成电源系统可以实现对变电站电源子 系统的故障监测和分析，同时确保变电站电源信息管理 的智能化[3]。AC/DC 集成电源系统解决了传统变电站电 源系统子系统分布式管理的不兼容问题，对促进变电站 智能化发展具有重要意义。b 目前中国交直流一体化电 源系统中应用的技术已经趋于成熟，并且一体化电源系 统所使用的各种设备本身不存在任何风险，具有较高的 运行稳定性，可以显著减少设备维护的次数。c 变电站 电源系统的监控、管理、生产、安装和维护工作更加方 便，减少了电源系统和子系统之间的重复管理，有效地 降低了电源子系统的运营成本。 3变电站交直流一体化电源解决方案与应用 3.1交直流一体化电源原理 交直流一体化电源系统是数字智能变电站发展的 重要支撑，该系统将变电站的远程电源、UPS 电源 （ 不 间断电源 ） 、通信电源、交流电源和逆变器电源信息进 行整合，将测量参数和记录数据等运行状态信息统一 整理，通过网络系统传输到远程服务器，以实现对系 统运行状态信息的实时在线监视、分析和诊断，为变 电站的日常维护提供支持。直流操作电源系统是 AC/DC 集成电源的核心部分，系统结构原理接线图如 图 1 所示。 交流输入电源正常时，通过交流配电单元向各整流 器模块供电，整流器模块将交流电转换为直流电，一方 面输出保护电气设备给电池组充电，另一方面通过直流 供电单元向直流负载提供正常的工作电源。而当交流输 入电源出现故障时，整流器模块将停止工作，电池组将 为直流负载供电，这样就确保了电源系统的正常运行。 交流不间断电源包括专用 UPS 和 INV （ 逆变电源 ） 。其 中，特定功率的 INV 适用于“后备”操作模式[4]。 DC-DC 通信电源采用与高频开关整流器一致的控 制技术。该系统以“N1”并行冗余模式工作，采用独 立于硬件的电流共享技术，为变电站和其他通信设备 提供可靠的通信电源。 3.2一体化电源的设计选型 直流操作电源是变电站的核心控制电源，是集成 电源系统的总备用电源，为直流控制负载提供电能， 选择容量时应计算电源专用的 UPS 和 INV。用于通信 的 DC-DC 由 DC 总线供电，DC 容量应叠加在 DC 操作 系统的当前荷载上，充电设备的容量选择应满足集成 电源系统的所有常规负载和电池充电要求。直流工作电 源的监视设备可以用作集成电源系统的总监视单元，通 过现场总线与功率专用的 UPS、INV 和 DC-DC 连接，具 有管理功能，实现对集成电源系统的集中监控和管理。 3.3现场应用及注意事项 目前，交直流一体化电源系统已广泛应用于变电 站中，结合自身工作经验来看，在应用中应注意以下 几点a 根据规范要求，必须将充电装置的稳压、稳 流与高频开关电源式充电装置结合使用，对电池进行 充放电测试，并验证诸如电流不平衡之类的参数。 b 交直流一体化电源系统集成了许多子系统，因此在 进行电源系统管理的过程中，要注意各级人员的职责 分工，弄清各方的工作接口，编制切实可行的现场作 业程序。此外，应加大对现场相关运维人员的技术培 训力度，确保设备运行的安全稳定。 *） .系统不设置硅降压装置时， 动力母线和控制母线合并。 配电监测 整流模块 整流模块 电池巡检绝缘监测 动力输出 控制输出 RS485 硅 降 压 监控模块 RS485 RJ45 RS455RS455 无源触点 交流输入 交 流 配 电 单 元 动 力 母 线 RS455 控 制 母 线 整流模块 至电站监控系统 *） （下转 170 页） 吴雷雷 变电站交直流一体化电源研究 111 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 111 页） 4结语 进入 21 世纪以来，各种信息设备的发展与应用推 动了变电站交直流一体化供电系统的发展和应用，相 比于变电站传统电源系统，交直流一体化电源系统具 有不可比拟的优势，不仅可以提升电源系统的安全性， 还可以解决常规变电站存在的问题，提高变电站的管 理水平。相信在不久的将来，随着各种智能设备的应 用，变电站交直流一体化电源系统将为变电站高质量 运行提供更大助力。 参考文献 ［1］ 张洁.110 kV 模块化智能变电站二次系统的设计与研究 ［D］ . 南昌 南昌大学， 2019. ［2］ 刘英楠.交直流一体化电源系统优化设计 ［J］ .中小企业管理 与科技中旬刊， 20192 162-163. ［3］ 王永飞.交直流一体化电源在 110 kV 变电站中的应用分析 ［J］ . 通信电源技术， 2018， 356 99-100. ［4］ 陈杰， 李守棋.变电站一体化电源系统的管理方法 ［J］ .农村电 工， 2018， 264 40. （ 责任编辑刘晓芳 ） 离层现象，当顶板出现下沉时，会对锚杆体产生一个 向下的剪切应力，且通过顶板岩体传递至锚杆端头钢 带上，由于锚杆不具有让压效果，直接导致钢带断裂、 变形[3]。 3柔性让压锚杆支护 3.1施工工艺 为了适应变形、大应力顶板，保证支护体对顶板 具有一定的让压效果，决定对原巷道顶板支护设计进 行优化，采用柔性让压锚杆支护。 a 支护体组成。2201 巷顶板采用的柔性让压锚杆 主要由柔性锚杆和让压件组成，柔性锚杆主要为长 3.5 m、直径 18 mm 的钢绞线；让压件长度为 0.5 m， 主要安装在距锚固端 1.0 m 处。 b 支护工艺。a为了降低顶板支护钻孔在施工过 程中对顶板产生的扰动破坏作用，降低顶板支护成本， 决定对原顶板支护锚杆进行优化。优化后顶板每排布置 5 根柔性让压锚杆，锚杆间距为 1.3 m，排距为 1.2 m。 b为了增加钢带对顶板支护的截面积，同一排柔性让 压锚杆支护后，在锚杆外露端安装 1 根 JW 型钢带，钢 带长度为 5.0 m，宽度为 0.28 m，锚杆与钢带之间采用 锁具预紧。c为了减弱顶板垂直应力破坏作用，相邻 2 排锚杆采用拉杆进行张拉预紧，并采用“三二 三” 排列布置方式。d为了提高锚索对顶板的支护效果， 决定对原顶板锚索进行优化。优化后每排施工 3 根锚 索，锚索间距为 2.0 m，排距为 2.4 m，如图 1 所示。 单位mm 1.JW型钢带；2.柔性让压锚杆；3.桁架拉杆；4.张拉器；5.锚索。 图 1优化后 2201 巷顶板支护平面图 c 支护要求。a为了保证柔性让压锚杆锚固效果， 每根柔性让压锚杆采用 3 支锚固剂锚固[4]，1 支超快速型 （ MSKC23/35 ） ，2 支快速型 （ MSKC23/60 ） 。b锚杆安装 前必须对让压件进行检查，确保无误后方可安装。锚 杆必须垂直顶板布置。c锚杆预紧力不得低于 150 kN， 锚固力不得低于 220 kN，每施工 100 根锚杆后必须进行 拉拔试验，锚杆支护合格率不得低于 97。 3.2支护优点 a 降低支护成本。施工巷道采用柔性让压锚杆支护 后，与传统锚杆支护相比，巷道每掘进 100 m 可减少锚 杆支护数量达150 根，不仅缩短了顶板锚杆支护时间， 而且整个巷道可减少支护成本 2.1伊105元。b 提高支护 效果。与传统钢性锚杆相比，柔性让压锚杆具有一定 的柔韧性，可适应顶板蠕动变形，同时该锚杆安装了 让压件，当顶板出现来压下沉、离层时，锚杆可通过让 压件发挥让压作用[5]。c 降低支护失效率。由于柔性让 压锚杆能够适应顶板变形、下沉现象，从而降低了锚 杆支护失效率。 4结语 从 2201 巷 242 m 处开始对顶板原支护设计进行优 化，采用柔性让压锚杆。截至 2019 年 2 月 3 日，巷道 已掘进到位。通过观察顶板柔性锚杆支护情况发现， 施工巷道顶板采用柔性让压锚杆支护后，顶板下沉、离 层现象得到了有效控制，在过断层期间顶板最大下沉量 为 0.14 m，未出现顶板大面积破碎、冒落现象；同时采 用该锚杆支护后，锚杆失效率降低至 3以下，保证了 软岩巷道的安全快速掘进，取得了显著的应用成效。 参考文献 ［1］ 张雅彬.浅述巷道支护技术在井下掘进中的应用研究 ［J］ .当 代化工研究， 201916 40-41. ［2］ 葛梁.陷落柱应力区巷道掘进支护技术 ［J］ .山东煤炭科技， 201911 26-28. ［3］ 郭晓朋.掘进巷道过断层支护技术探究 ［J］ .能源与节能， 201911 91-92. ［4］ 侯灿.煤矿掘进巷道顶板事故预防措施研究 ［J］ .江西煤炭科 技， 201910 165-166. ［5］ 杜亮亮.掘进巷道支护技术研究 ［J］ .江西化工， 20195 219- 220. （ 责任编辑刘晓芳 ） 1 3001 3002 400 3 4 5 2 1 170