★中國長(cháng)江電力股份有限公司溪洛渡電廠(chǎng)米文超，夏建華，羅騰

★廣州市仟順電子設備有限公司吳文健，潘韋琪

關(guān)鍵詞：直流電源試驗；直流電源自動(dòng)化管理；直流電源監控后臺

1　直流電源系統介紹

直流系統是變電站、發(fā)電廠(chǎng)等電力部門(mén)中非常重要的設備組成部分，它的主要任務(wù)就是給繼電保護裝置、斷路器操作、各類(lèi)信號回路提供電源。直流系統的正常運行與否，關(guān)系到繼電保護及斷路器能否正確動(dòng)作，會(huì )影響變電站、發(fā)電廠(chǎng)乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全運行。直流系統由充電設備、蓄電池、直流屏、直流分屏、監控裝置、絕緣監察裝置、負載等組成^[1]。

圖1 直流系統拓撲圖

圖1所示為一套典型的兩充兩電直流電源系統，國內220kV及以上電壓等級變電站直流系統均是此規模。直流電源系統所用器件都是國內知名品牌或者國際品牌，設備運行需要定期檢修，檢修工作需要檢修人員現場(chǎng)操作檢修。

2　常見(jiàn)直流電源系統故障與檢修工作現狀

2.1　直流電源系統故障分析

直流系統常見(jiàn)故障有電源設備故障、監測設備故障、系統接地故障等不同類(lèi)型故障^[2]。其中電源設備故障需要及時(shí)投退/更換或者合母聯(lián)（報檢修計劃），以保證直流系統正常運行；監測設備故障為次要設備故障，需要先記錄缺陷、報維修計劃、采購、維修；系統接地故障需要及時(shí)排查故障、解除故障。

2.2　直流電源系統檢修工作概況

為保證直流電源系統安全可靠運行，規程要求檢修人員定時(shí)對直流電源進(jìn)行檢修、核對測試、試驗等，主要有蓄電池維護類(lèi)：每月蓄電池電壓核對測量、內阻核對測量、每季度定時(shí)蓄電池均充電、定期蓄電池核對性放電試驗和充電機定期特性測試。

2.3　工作現狀

目前電壓直流系統故障需直流電源維護班組成員現場(chǎng)確認、操作，直流電源系統維護需要現場(chǎng)實(shí)施操作。核對測試需要用專(zhuān)用表計測試、記錄；定期試驗需要把目標設備退出運行，試驗、驗證被測設備性能合格，投運。所有工作自動(dòng)化程度極低，耗費了大量電力生產(chǎn)人力資源。

2.4　本章小結

當前直流電源系統自動(dòng)化水平較低，多數工作需要人員親臨現場(chǎng)；結合本次疫情禁足情況，很多臨時(shí)工作可能不能及時(shí)進(jìn)行，緊急故障需要冒險前往處理，所以有必要提升直流電源系統的自動(dòng)化水平。

3　新型直流電源系統設計思路

3.1　新元件與新技術(shù)引入直流系統應用

直流系統核心目標是持續可靠供電，系統內各組件使用相對保守，直流系統設備技術(shù)已停滯數十年，導致系統自動(dòng)化水平低。

（1）電控元件

在直流電源系統的母線(xiàn)回路隔離開(kāi)關(guān)設計選材上，可引入電控開(kāi)關(guān)器件，如電操開(kāi)關(guān)、直流接觸器等，這些器件已是成熟產(chǎn)品，安全可靠^[3]。母線(xiàn)主回路開(kāi)關(guān)引入電控器件后，可實(shí)現遠程遙控，當監控裝置監測到電源故障時(shí)，可遠程控制倒母聯(lián)。這樣能夠保證后備電源及時(shí)投入，確保直流電源運行質(zhì)量，同時(shí)在類(lèi)似本次疫情期間還可減少人員外出，保證人員安全。

（2）有源逆變器

直流電源維護作業(yè)有消耗直流電能的工作階段，傳統的耗能方式是電能轉換熱能，過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量。為保障工作安全開(kāi)展，維護過(guò)程需有源監護。在新能源領(lǐng)域成熟應用的逆變電源模塊，具備同期功能、防孤島運行等，滿(mǎn)足并網(wǎng)要求^[4]。新直流電源系統也可引進(jìn)逆變并網(wǎng)電源技術(shù)，設計出適用于直流電源系統的逆變并網(wǎng)模塊，用來(lái)消耗直流系統維護工作過(guò)程消耗直流電能的能量，能量反饋電網(wǎng)安全又環(huán)保。

（3）智能母聯(lián)技術(shù)應用

為更好地保障直流電源供電持續可靠，在有A、B段系統中增加智能母聯(lián)，給系統多一重保障。當前應用直流電源智能母聯(lián)裝置有基于雙向DC/DC技術(shù)設計的智能母聯(lián)^[5]和基于儲能元件加電子開(kāi)關(guān)設計的智能模塊^[6]，兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，均可保障直流母線(xiàn)持續供電。

3.2　直流電源系統智能維護技術(shù)研究

綜合上述分析，直流系統維護工作中耗時(shí)較大的是蓄電池核容試驗、充電機特性測試和絕緣裝置定檢工作，同時(shí)直流系統缺少遠控數據展示和分析平臺；下一步需研究相關(guān)站端智能化設備和后臺集控系統，以實(shí)現直流系統智能運維目標，免去人工現場(chǎng)操作維護。

（1）蓄電池在線(xiàn)核容系統

利用逆變并網(wǎng)技術(shù)作為基礎技術(shù)，可解決蓄電池組核容過(guò)程中的熱量安全問(wèn)題；選擇高精度采集蓄電池巡檢儀作為控制數據支持；設計周全邏輯互鎖，設計蓄電池在線(xiàn)核容系統^[7]。2018年以來(lái)，該技術(shù)已在很多電網(wǎng)公司進(jìn)行試點(diǎn)應用，并反饋良好。

借助已有技術(shù)，針對直流系統規模設計兩段直流母線(xiàn)的在線(xiàn)式核容放電系統、兩段直流母線(xiàn)的離線(xiàn)式核容放電系統和單母線(xiàn)的半核容在線(xiàn)式核容放電系統，可滿(mǎn)足各種規模直流系統應用。

為保障蓄電池故障不影響直流母線(xiàn)供電，除了應用智能母聯(lián)外，還可應用蓄電池開(kāi)路續流裝置，在單母線(xiàn)系統中蓄電池核容、充電、事故電流狀態(tài)大電流可能發(fā)生開(kāi)路情況，在故障發(fā)生到故障檢修器件開(kāi)路續流裝置可保障直流系統安全。

（2）充電機特性在線(xiàn)測試系統

利用核容放電系統的負載消耗充電機特性試驗過(guò)程的能量，選用電控開(kāi)關(guān)控制充電機投退構建試驗回路，設計具備試驗控制功能的集中監控裝置取代現有控制裝置，實(shí)現充電機在線(xiàn)實(shí)施穩流、穩壓特性測試。監控裝置采用尖峰電壓保持電路和高頻數據采集技術(shù)實(shí)現實(shí)時(shí)監測充電機輸出紋波電壓，如此可實(shí)現充電機狀態(tài)實(shí)時(shí)監測與智能運維。

（3）免維護絕緣監測裝置設計

絕緣監測裝置性能在入網(wǎng)檢測時(shí)已論證，運行中的絕緣監測裝置定檢目標是檢測絕緣裝置平衡橋回路是否正常、互感器是否正常；研究通過(guò)控制投退電橋檢測電壓方式實(shí)現平衡橋檢測技術(shù)，完成平衡橋自校功能設計；設計特制CT，CT具備控制標準電流輸出，輸出標準電流檢測自校CT，如此實(shí)現互感器檢測功能。平衡橋正常，設備正常測量直流系統絕緣；CT正常，設備正常對絕緣故障支路選線(xiàn)，設備實(shí)現免維護目標。

（4）直流系統集控后臺開(kāi)發(fā)設計

變電站直流電源監測系統后臺設計結構分為三個(gè)板塊：采集端、服務(wù)端與控制端。采樣端硬件底層采用分布式部署，由服務(wù)器向所有現場(chǎng)設備主機獲取實(shí)時(shí)數據，存入服務(wù)器控制端中由數據庫進(jìn)行處理；控制端負責管理前端采樣執行流程以及處理來(lái)自服務(wù)端的控制指令，并對數據庫進(jìn)行操作調整；服務(wù)端主要負責對接用戶(hù)界面、處理界面實(shí)時(shí)顯示和用戶(hù)控制指令轉發(fā)，其采用B-S架構，可由局域網(wǎng)內用戶(hù)端瀏覽器登錄。

（5）站端直流系統智能運維成套設備

圖2 新型直流系統

根據研究成果設計直流電源系統，新型直流電源系統拓撲圖如圖2所示，直流系統各聯(lián)絡(luò )刀閘更換為電操開(kāi)關(guān)，電操開(kāi)關(guān)接受集中監控控制；直流系統成套設備增加逆變并網(wǎng)模塊，逆變并網(wǎng)模塊用來(lái)給蓄電池核容放電或者充電機特性測試；絕緣裝置、集中監控均升級新型設備，其中絕緣裝置實(shí)現性能自檢達到免維護目標，而集中監控具備智能運維管理功能。

電操開(kāi)關(guān)功能：DK11、DK12、DK13、DK21、DK22、DK23和DK31可實(shí)現充電模塊上電、蓄電池上電、充電模塊給蓄電池充電和母線(xiàn)聯(lián)絡(luò )作用，相比傳統刀閘其解決了遠控問(wèn)題；DK14和DK24是蓄電池核容放電電操，也是新型直流系統增加功能用刀閘；DK15和DK25是充電機特性測試試驗控制電操，也是新型直流系統增加功能用刀閘。

為保障直流母線(xiàn)供電安全，各電操開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)施閉鎖控制。DK11、DK12、DK21、DK22分閘控制與DK31合閘狀態(tài)進(jìn)行閉鎖控制，確保直流母線(xiàn)不失電；DK14、DK24、DK15和DK25合閘控制進(jìn)行互鎖，一次只能合閘一個(gè)刀閘，確保直流系統不出線(xiàn)環(huán)網(wǎng)。

核容維護控制：集中監控接到核容維護命令后，操作DK31合閘，然后操作退出目標電池組，閉合目標電池組連通逆變并網(wǎng)回路電操，建立核容回路；采樣電池監測裝置數據為控制依據，控制蓄電池組通過(guò)逆變并網(wǎng)模塊釋放能量核容。

充電機維護控制：集中監控接到充電機試驗命令后，操作DK31合閘，然后操作退出目標充電機，閉合目標充電機連通逆變并網(wǎng)回路電操，建立試驗回路，控制逆變器輸出相應電流對充電機進(jìn)行試驗測試。

系統還可實(shí)現遠控絕緣監測裝置自檢和蓄電池內阻測量，實(shí)現了直流系統遠程控制智能運維目標。

4　結語(yǔ)

本文論述了智能化直流電源系統設計方案，該方案設計的直流電源系統可實(shí)現遠程可視化監測直流電源運行狀態(tài)和遠程遙控直流電源自動(dòng)維護測試，減輕了電力生產(chǎn)人員工作強度，提高了工作效率，同時(shí)更好地保障了電力系統安全運行。

★此成果由中國長(cháng)江電力股份有限公司資助（科研項目合同編號：Z412302012）。

作者簡(jiǎn)介：

米文超（1983-），男，四川成都人，高級工程師，學(xué)士，現就職于中國長(cháng)江電力股份有限公司溪洛渡電廠(chǎng)，主要從事大型水電站勵磁直流設備維護技術(shù)方面的研究。

夏建華（1977-），男，湖北宜昌人，高級工程師，學(xué)士，現就職于中國長(cháng)江電力股份有限公司溪洛渡電廠(chǎng)，主要從事電氣二次設備維護技術(shù)方面的研究。

羅　騰（1987-），男，湖北天門(mén)人，工程師，學(xué)士，現就職于中國長(cháng)江電力股份有限公司溪洛渡電廠(chǎng)，主要從事大型水電站勵磁直流設備維護技術(shù)方面的研究。

吳文?。?985-），男，貴州黔南人，工程師，學(xué)士，現就職于廣州市仟順電子設備有限公司，主要從事廠(chǎng)/站用低壓電源新技術(shù)、低壓電源故障監測技術(shù)以及二次回路故障監測技術(shù)方面的研究。

潘韋琪（2000-），女，廣東廣州人，助理工程師，學(xué)士，現就職于廣州市仟順電子設備有限公司，主要從事低壓電源故障檢測設備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的研究。

參考文獻：

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[3] 天津電氣傳動(dòng)設計研究所. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社.

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[7] 中國團體標準. T/CEC 606-2022電力用直流電源系統蓄電池組遠程充放電技術(shù)規范[M]. 2022.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊