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    廠用直流電源系統(tǒng)智能化技術(shù)研究
    • 企業(yè):     行業(yè):電力    
    • 點擊數(shù):798     發(fā)布時間:2023-12-30 15:16:46
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    直流系統(tǒng)是電力生產(chǎn)的二次設備電源,其運行可靠性直接關系到電力安全生產(chǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電力生產(chǎn)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(xiàn)無人化。但直流電源系統(tǒng)技術(shù)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(xiàn)場,因此電力生產(chǎn)企業(yè)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(xiàn)狀,本文提出了直流電源系統(tǒng)自動化的設計方法,可遠程實現(xiàn)大部分維護操作,提升了直流電源自動化水平,為電力生產(chǎn)提高效率和降低生產(chǎn)成本提供了技術(shù)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(jiān)控后臺

    1 直流電源系統(tǒng)介紹

    直流系統(tǒng)是變電站、發(fā)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(tǒng)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(fā)電廠乃至整個電網(wǎng)的安全運行。直流系統(tǒng)由充電設備、蓄電池、直流屏、直流分屏、監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)察裝置、負載等組成[1]

    image.png 

    圖1 直流系統(tǒng)拓撲圖

    圖1所示為一套典型的兩充兩電直流電源系統(tǒng),國內(nèi)220kV及以上電壓等級變電站直流系統(tǒng)均是此規(guī)模。直流電源系統(tǒng)所用器件都是國內(nèi)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(xiàn)場操作檢修。

    2 常見直流電源系統(tǒng)故障與檢修工作現(xiàn)狀

    2.1 直流電源系統(tǒng)故障分析

    直流系統(tǒng)常見故障有電源設備故障、監(jiān)測設備故障、系統(tǒng)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(lián)(報檢修計劃),以保證直流系統(tǒng)正常運行;監(jiān)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(tǒng)接地故障需要及時排查故障、解除故障。

    2.2 直流電源系統(tǒng)檢修工作概況

    為保證直流電源系統(tǒng)安全可靠運行,規(guī)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(nèi)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(xiàn)狀

    目前電壓直流系統(tǒng)故障需直流電源維護班組成員現(xiàn)場確認、操作,直流電源系統(tǒng)維護需要現(xiàn)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(chǎn)人力資源。

    2.4 本章小結(jié)

    當前直流電源系統(tǒng)自動化水平較低,多數(shù)工作需要人員親臨現(xiàn)場;結(jié)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(tǒng)的自動化水平。

    3 新型直流電源系統(tǒng)設計思路

    3.1 新元件與新技術(shù)引入直流系統(tǒng)應用

    直流系統(tǒng)核心目標是持續(xù)可靠供電,系統(tǒng)內(nèi)各組件使用相對保守,直流系統(tǒng)設備技術(shù)已停滯數(shù)十年,導致系統(tǒng)自動化水平低。

    (1)電控元件

    在直流電源系統(tǒng)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(chǎn)品,安全可靠[3]。母線主回路開關引入電控器件后,可實現(xiàn)遠程遙控,當監(jiān)控裝置監(jiān)測到電源故障時,可遠程控制倒母聯(lián)。這樣能夠保證后備電源及時投入,確保直流電源運行質(zhì)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(yè)有消耗直流電能的工作階段,傳統(tǒng)的耗能方式是電能轉(zhuǎn)換熱能,過程中產(chǎn)生大量熱量。為保障工作安全開展,維護過程需有源監(jiān)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(wǎng)要求[4]。新直流電源系統(tǒng)也可引進逆變并網(wǎng)電源技術(shù),設計出適用于直流電源系統(tǒng)的逆變并網(wǎng)模塊,用來消耗直流系統(tǒng)維護工作過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(xù)可靠,在有A、B段系統(tǒng)中增加智能母聯(lián),給系統(tǒng)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關設計的智能模塊[6],兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點,均可保障直流母線持續(xù)供電。

    3.2 直流電源系統(tǒng)智能維護技術(shù)研究

    綜合上述分析,直流系統(tǒng)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(tǒng)缺少遠控數(shù)據(jù)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(tǒng),以實現(xiàn)直流系統(tǒng)智能運維目標,免去人工現(xiàn)場操作維護。

    (1)蓄電池在線核容系統(tǒng)

    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(shù)據(jù)支持;設計周全邏輯互鎖,設計蓄電池在線核容系統(tǒng)[7]。2018年以來,該技術(shù)已在很多電網(wǎng)公司進行試點應用,并反饋良好。

    借助已有技術(shù),針對直流系統(tǒng)規(guī)模設計兩段直流母線的在線式核容放電系統(tǒng)、兩段直流母線的離線式核容放電系統(tǒng)和單母線的半核容在線式核容放電系統(tǒng),可滿足各種規(guī)模直流系統(tǒng)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(lián)外,還可應用蓄電池開路續(xù)流裝置,在單母線系統(tǒng)中蓄電池核容、充電、事故電流狀態(tài)大電流可能發(fā)生開路情況,在故障發(fā)生到故障檢修器件開路續(xù)流裝置可保障直流系統(tǒng)安全。

    (2)充電機特性在線測試系統(tǒng)

    利用核容放電系統(tǒng)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(gòu)建試驗回路,設計具備試驗控制功能的集中監(jiān)控裝置取代現(xiàn)有控制裝置,實現(xiàn)充電機在線實施穩(wěn)流、穩(wěn)壓特性測試。監(jiān)控裝置采用尖峰電壓保持電路和高頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測充電機輸出紋波電壓,如此可實現(xiàn)充電機狀態(tài)實時監(jiān)測與智能運維。

    (3)免維護絕緣監(jiān)測裝置設計

    絕緣監(jiān)測裝置性能在入網(wǎng)檢測時已論證,運行中的絕緣監(jiān)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(xiàn)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,如此實現(xiàn)互感器檢測功能。平衡橋正常,設備正常測量直流系統(tǒng)絕緣;CT正常,設備正常對絕緣故障支路選線,設備實現(xiàn)免維護目標。

    (4)直流系統(tǒng)集控后臺開發(fā)設計

    變電站直流電源監(jiān)測系統(tǒng)后臺設計結(jié)構(gòu)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(xiàn)場設備主機獲取實時數(shù)據(jù),存入服務器控制端中由數(shù)據(jù)庫進行處理;控制端負責管理前端采樣執(zhí)行流程以及處理來自服務端的控制指令,并對數(shù)據(jù)庫進行操作調(diào)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(zhuǎn)發(fā),其采用B-S架構(gòu),可由局域網(wǎng)內(nèi)用戶端瀏覽器登錄。

    (5)站端直流系統(tǒng)智能運維成套設備

    image.png

    圖2 新型直流系統(tǒng)

    根據(jù)研究成果設計直流電源系統(tǒng),新型直流電源系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示,直流系統(tǒng)各聯(lián)絡刀閘更換為電操開關,電操開關接受集中監(jiān)控控制;直流系統(tǒng)成套設備增加逆變并網(wǎng)模塊,逆變并網(wǎng)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(jiān)控均升級新型設備,其中絕緣裝置實現(xiàn)性能自檢達到免維護目標,而集中監(jiān)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(xiàn)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(lián)絡作用,相比傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)不出線環(huán)網(wǎng)。

    核容維護控制:集中監(jiān)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(jiān)測裝置數(shù)據(jù)為控制依據(jù),控制蓄電池組通過逆變并網(wǎng)模塊釋放能量核容。

    充電機維護控制:集中監(jiān)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行試驗測試。

    系統(tǒng)還可實現(xiàn)遠控絕緣監(jiān)測裝置自檢和蓄電池內(nèi)阻測量,實現(xiàn)了直流系統(tǒng)遠程控制智能運維目標。

    4 結(jié)語

    本文論述了智能化直流電源系統(tǒng)設計方案,該方案設計的直流電源系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程可視化監(jiān)測直流電源運行狀態(tài)和遠程遙控直流電源自動維護測試,減輕了電力生產(chǎn)人員工作強度,提高了工作效率,同時更好地保障了電力系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)方面的研究。

    夏建華(1977-),男,湖北宜昌人,高級工程師,學士,現(xiàn)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(shù)方面的研究。

    羅 騰(1987-),男,湖北天門人,工程師,學士,現(xiàn)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(shù)方面的研究。

    吳文健(1985-),男,貴州黔南人,工程師,學士,現(xiàn)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(shù)、低壓電源故障監(jiān)測技術(shù)以及二次回路故障監(jiān)測技術(shù)方面的研究。

    潘韋琪(2000-),女,廣東廣州人,助理工程師,學士,現(xiàn)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)品開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)常見故障分析及查找處理[J]. 中小企業(yè)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(shù)手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社.

    [4] 曹太強, 許建平, 祁強, 王軍. 單相光伏并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)[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(lián)的直流電源系統(tǒng)的研究[J]. 通信電源技術(shù), 2019.

    [6] 楊愛晟, 徐玉鳳, 李永祥. 直流系統(tǒng)的母聯(lián)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(tǒng)蓄電池組遠程充放電技術(shù)規(guī)范[M]. 2022.

    摘自《自動化博覽》2023年12月刊

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