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    廠用直流電源系統智能化技術研究
    • 企業:     行業:電力    
    • 點擊數:577     發布時間:2023-12-30 15:16:46
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    直流系統是電力生產的二次設備電源,其運行可靠性直接關系到電力安全生產。隨著電子技術的發展,電力生產諸多領域已進入智能化階段,諸如機器人應用、無人機應用已使得變電站實現無人化。但直流電源系統技術相對老舊,自動化水平較低,許多工作需要人工處理,有故障需要檢修人員及時到現場,因此電力生產企業每年花費大量人力物力在直流電源檢修維護上。針對上述現狀,本文提出了直流電源系統自動化的設計方法,可遠程實現大部分維護操作,提升了直流電源自動化水平,為電力生產提高效率和降低生產成本提供了技術支撐。

    ★中國長江電力股份有限公司溪洛渡電廠米文超,夏建華,羅騰

    ★廣州市仟順電子設備有限公司吳文健,潘韋琪

    關鍵詞:直流電源試驗;直流電源自動化管理;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、發電廠等電力部門中非常重要的設備組成部分,它的主要任務就是給繼電保護裝置、斷路器操作、各類信號回路提供電源。直流系統的正常運行與否,關系到繼電保護及斷路器能否正確動作,會影響變電站、發電廠乃至整個電網的安全運行。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]

    image.png 

    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操作檢修。

    2 常見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型故障[2]。其中電源設備故障需要及時投退/更換或者合母聯(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對直流電源進行檢修、核對測試、試驗等,主要有蓄電池維護類:每月蓄電池電壓核對測量、內阻核對測量、每季度定時蓄電池均充電、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確認、操作,直流電源系統維護需要現場實施操作。核對測試需要用專用表計測試、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。所有工作自動化程度極低,耗費了大量電力生產人力資源。

    2.4 本章小結

    當前直流電源系統自動化水平較低,多數工作需要人員親臨現場;結合本次疫情禁足情況,很多臨時工作可能不能及時進行,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,直流系統設備技術已停滯數十年,導致系統自動化水平低。

    (1)電控元件

    在直流電源系統的母線回路隔離開關設計選材上,可引入電控開關器件,如電操開關、直流接觸器等,這些器件已是成熟產品,安全可靠[3]。母線主回路開關引入電控器件后,可實現遠程遙控,當監控裝置監測到電源故障時,可遠程控制倒母聯。這樣能夠保證后備電源及時投入,確保直流電源運行質量,同時在類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,過程中產生大量熱量。為保障工作安全開展,維護過程需有源監護。在新能源領域成熟應用的逆變電源模塊,具備同期功能、防孤島運行等,滿足并網要求[4]。新直流電源系統也可引進逆變并網電源技術,設計出適用于直流電源系統的逆變并網模塊,用來消耗直流系統維護工作過程消耗直流電能的能量,能量反饋電網安全又環保。

    (3)智能母聯技術應用

    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,給系統多一重保障。當前應用直流電源智能母聯裝置有基于雙向DC/DC技術設計的智能母聯[5]和基于儲能元件加電子開關設計的智能模塊[6],兩種技術各有優缺點,均可保障直流母線持續供電。

    3.2 直流電源系統智能維護技術研究

    綜合上述分析,直流系統維護工作中耗時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;下一步需研究相關站端智能化設備和后臺集控系統,以實現直流系統智能運維目標,免去人工現場操作維護。

    (1)蓄電池在線核容系統

    利用逆變并網技術作為基礎技術,可解決蓄電池組核容過程中的熱量安全問題;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,設計蓄電池在線核容系統[7]。2018年以來,該技術已在很多電網公司進行試點應用,并反饋良好。

    借助已有技術,針對直流系統規模設計兩段直流母線的在線式核容放電系統、兩段直流母線的離線式核容放電系統和單母線的半核容在線式核容放電系統,可滿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供電,除了應用智能母聯外,還可應用蓄電池開路續流裝置,在單母線系統中蓄電池核容、充電、事故電流狀態大電流可能發生開路情況,在故障發生到故障檢修器件開路續流裝置可保障直流系統安全。

    (2)充電機特性在線測試系統

    利用核容放電系統的負載消耗充電機特性試驗過程的能量,選用電控開關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,實現充電機在線實施穩流、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實現實時監測充電機輸出紋波電壓,如此可實現充電機狀態實時監測與智能運維。

    (3)免維護絕緣監測裝置設計

    絕緣監測裝置性能在入網檢測時已論證,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;研究通過控制投退電橋檢測電壓方式實現平衡橋檢測技術,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,設備實現免維護目標。

    (4)直流系統集控后臺開發設計

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

    (5)站端直流系統智能運維成套設備

    image.png

    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,直流系統各聯絡刀閘更換為電操開關,電操開關接受集中監控控制;直流系統成套設備增加逆變并網模塊,逆變并網模塊用來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。

    電操開關功能:DK11、DK12、DK13、DK21、DK22、DK23和DK31可實現充電模塊上電、蓄電池上電、充電模塊給蓄電池充電和母線聯絡作用,相比傳統刀閘其解決了遠控問題;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。

    為保障直流母線供電安全,各電操開關動作實施閉鎖控制。DK11、DK12、DK21、DK22分閘控制與DK31合閘狀態進行閉鎖控制,確保直流母線不失電;DK14、DK24、DK15和DK25合閘控制進行互鎖,一次只能合閘一個刀閘,確保直流系統不出線環網。

    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,控制蓄電池組通過逆變并網模塊釋放能量核容。

    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行試驗測試。

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

    4 結語

    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現遠程可視化監測直流電源運行狀態和遠程遙控直流電源自動維護測試,減輕了電力生產人員工作強度,提高了工作效率,同時更好地保障了電力系統安全運行。

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

    作者簡介:

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

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

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

    吳文健(1985-),男,貴州黔南人,工程師,學士,現就職于廣州市仟順電子設備有限公司,主要從事廠/站用低壓電源新技術、低壓電源故障監測技術以及二次回路故障監測技術方面的研究。

    潘韋琪(2000-),女,廣東廣州人,助理工程師,學士,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品開發方面的研究。

    參考文獻:

    [1] 白忠敏, 劉百震, 於崇干. 電力工程直流系統設計手冊(第二版)[M]. 北京: 中國電力出版社.

    [2] 崔秀梅, 李超, 馬安. 變電站直流系統常見故障分析及查找處理[J]. 中小企業管理與科技(上旬刊), 2014.

    [3] 天津電氣傳動設計研究所. 電氣傳動自動化技術手冊[M]. 北京: 機械工業出版社.

    [4] 曹太強, 許建平, 祁強, 王軍. 單相光伏并網逆變器控制技術[J]. 電力自動化設備, 2012.

    [5] 張建華, 李歐. 基于雙向DC/DC智能母聯的直流電源系統的研究[J]. 通信電源技術, 2019.

    [6] 楊愛晟, 徐玉鳳, 李永祥. 直流系統的母聯裝置及其控制方法[P]. 2022.

    [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規范[M]. 2022.

    摘自《自動化博覽》2023年12月刊

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