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厂用直流电源系统智能化技术研究
  • 企业:     行业:电力    
  • 点击数:498     发布时间:2023-12-30 15:16:46
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直流系统是电力生产的二次设备电源,其运行可靠性直接关系到电力安全生产。随着电子技术的发展,电力生产诸多领域已进入智能化阶段,诸如机器人应用、无人机应用已使得变电站实现无人化。但直流电源系统技术相对老旧,自动化水平较低,许多工作需要人工处理,有故障需要检修人员及时到现场,因此电力生产企业每年花费大量人力物力在直流电源检修维护上。针对上述现状,本文提出了直流电源系统自动化的设计方法,可远程实现大部分维护操作,提升了直流电源自动化水平,为电力生产提高效率和降低生产成本提供了技术支撑。

★中国长江电力股份有限公司溪洛渡电厂米文超,夏建华,罗腾

★广州市仟顺电子设备有限公司吴文健,潘韦琪

关键词:直流电源试验;直流电源自动化管理;直流电源监控后台

1 直流电源系统介绍

直流系统是变电站、发电厂等电力部门中非常重要的设备组成部分,它的主要任务就是给继电保护装置、断路器操作、各类信号回路提供电源。直流系统的正常运行与否,关系到继电保护及断路器能否正确动作,会影响变电站、发电厂乃至整个电网的安全运行。直流系统由充电设备、蓄电池、直流屏、直流分屏、监控装置、绝缘监察装置、负载等组成[1]

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图1 直流系统拓扑图

图1所示为一套典型的两充两电直流电源系统,国内220kV及以上电压等级变电站直流系统均是此规模。直流电源系统所用器件都是国内知名品牌或者国际品牌,设备运行需要定期检修,检修工作需要检修人员现场操作检修。

2 常见直流电源系统故障与检修工作现状

2.1 直流电源系统故障分析

直流系统常见故障有电源设备故障、监测设备故障、系统接地故障等不同类型故障[2]。其中电源设备故障需要及时投退/更换或者合母联(报检修计划),以保证直流系统正常运行;监测设备故障为次要设备故障,需要先记录缺陷、报维修计划、采购、维修;系统接地故障需要及时排查故障、解除故障。

2.2 直流电源系统检修工作概况

为保证直流电源系统安全可靠运行,规程要求检修人员定时对直流电源进行检修、核对测试、试验等,主要有蓄电池维护类:每月蓄电池电压核对测量、内阻核对测量、每季度定时蓄电池均充电、定期蓄电池核对性放电试验和充电机定期特性测试。

2.3 工作现状

目前电压直流系统故障需直流电源维护班组成员现场确认、操作,直流电源系统维护需要现场实施操作。核对测试需要用专用表计测试、记录;定期试验需要把目标设备退出运行,试验、验证被测设备性能合格,投运。所有工作自动化程度极低,耗费了大量电力生产人力资源。

2.4 本章小结

当前直流电源系统自动化水平较低,多数工作需要人员亲临现场;结合本次疫情禁足情况,很多临时工作可能不能及时进行,紧急故障需要冒险前往处理,所以有必要提升直流电源系统的自动化水平。

3 新型直流电源系统设计思路

3.1 新元件与新技术引入直流系统应用

直流系统核心目标是持续可靠供电,系统内各组件使用相对保守,直流系统设备技术已停滞数十年,导致系统自动化水平低。

(1)电控元件

在直流电源系统的母线回路隔离开关设计选材上,可引入电控开关器件,如电操开关、直流接触器等,这些器件已是成熟产品,安全可靠[3]。母线主回路开关引入电控器件后,可实现远程遥控,当监控装置监测到电源故障时,可远程控制倒母联。这样能够保证后备电源及时投入,确保直流电源运行质量,同时在类似本次疫情期间还可减少人员外出,保证人员安全。

(2)有源逆变器

直流电源维护作业有消耗直流电能的工作阶段,传统的耗能方式是电能转换热能,过程中产生大量热量。为保障工作安全开展,维护过程需有源监护。在新能源领域成熟应用的逆变电源模块,具备同期功能、防孤岛运行等,满足并网要求[4]。新直流电源系统也可引进逆变并网电源技术,设计出适用于直流电源系统的逆变并网模块,用来消耗直流系统维护工作过程消耗直流电能的能量,能量反馈电网安全又环保。

(3)智能母联技术应用

为更好地保障直流电源供电持续可靠,在有A、B段系统中增加智能母联,给系统多一重保障。当前应用直流电源智能母联装置有基于双向DC/DC技术设计的智能母联[5]和基于储能元件加电子开关设计的智能模块[6],两种技术各有优缺点,均可保障直流母线持续供电。

3.2 直流电源系统智能维护技术研究

综合上述分析,直流系统维护工作中耗时较大的是蓄电池核容试验、充电机特性测试和绝缘装置定检工作,同时直流系统缺少远控数据展示和分析平台;下一步需研究相关站端智能化设备和后台集控系统,以实现直流系统智能运维目标,免去人工现场操作维护。

(1)蓄电池在线核容系统

利用逆变并网技术作为基础技术,可解决蓄电池组核容过程中的热量安全问题;选择高精度采集蓄电池巡检仪作为控制数据支持;设计周全逻辑互锁,设计蓄电池在线核容系统[7]。2018年以来,该技术已在很多电网公司进行试点应用,并反馈良好。

借助已有技术,针对直流系统规模设计两段直流母线的在线式核容放电系统、两段直流母线的离线式核容放电系统和单母线的半核容在线式核容放电系统,可满足各种规模直流系统应用。

为保障蓄电池故障不影响直流母线供电,除了应用智能母联外,还可应用蓄电池开路续流装置,在单母线系统中蓄电池核容、充电、事故电流状态大电流可能发生开路情况,在故障发生到故障检修器件开路续流装置可保障直流系统安全。

(2)充电机特性在线测试系统

利用核容放电系统的负载消耗充电机特性试验过程的能量,选用电控开关控制充电机投退构建试验回路,设计具备试验控制功能的集中监控装置取代现有控制装置,实现充电机在线实施稳流、稳压特性测试。监控装置采用尖峰电压保持电路和高频数据采集技术实现实时监测充电机输出纹波电压,如此可实现充电机状态实时监测与智能运维。

(3)免维护绝缘监测装置设计

绝缘监测装置性能在入网检测时已论证,运行中的绝缘监测装置定检目标是检测绝缘装置平衡桥回路是否正常、互感器是否正常;研究通过控制投退电桥检测电压方式实现平衡桥检测技术,完成平衡桥自校功能设计;设计特制CT,CT具备控制标准电流输出,输出标准电流检测自校CT,如此实现互感器检测功能。平衡桥正常,设备正常测量直流系统绝缘;CT正常,设备正常对绝缘故障支路选线,设备实现免维护目标。

(4)直流系统集控后台开发设计

变电站直流电源监测系统后台设计结构分为三个板块:采集端、服务端与控制端。采样端硬件底层采用分布式部署,由服务器向所有现场设备主机获取实时数据,存入服务器控制端中由数据库进行处理;控制端负责管理前端采样执行流程以及处理来自服务端的控制指令,并对数据库进行操作调整;服务端主要负责对接用户界面、处理界面实时显示和用户控制指令转发,其采用B-S架构,可由局域网内用户端浏览器登录。

(5)站端直流系统智能运维成套设备

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图2 新型直流系统

根据研究成果设计直流电源系统,新型直流电源系统拓扑图如图2所示,直流系统各联络刀闸更换为电操开关,电操开关接受集中监控控制;直流系统成套设备增加逆变并网模块,逆变并网模块用来给蓄电池核容放电或者充电机特性测试;绝缘装置、集中监控均升级新型设备,其中绝缘装置实现性能自检达到免维护目标,而集中监控具备智能运维管理功能。

电操开关功能:DK11、DK12、DK13、DK21、DK22、DK23和DK31可实现充电模块上电、蓄电池上电、充电模块给蓄电池充电和母线联络作用,相比传统刀闸其解决了远控问题;DK14和DK24是蓄电池核容放电电操,也是新型直流系统增加功能用刀闸;DK15和DK25是充电机特性测试试验控制电操,也是新型直流系统增加功能用刀闸。

为保障直流母线供电安全,各电操开关动作实施闭锁控制。DK11、DK12、DK21、DK22分闸控制与DK31合闸状态进行闭锁控制,确保直流母线不失电;DK14、DK24、DK15和DK25合闸控制进行互锁,一次只能合闸一个刀闸,确保直流系统不出线环网。

核容维护控制:集中监控接到核容维护命令后,操作DK31合闸,然后操作退出目标电池组,闭合目标电池组连通逆变并网回路电操,建立核容回路;采样电池监测装置数据为控制依据,控制蓄电池组通过逆变并网模块释放能量核容。

充电机维护控制:集中监控接到充电机试验命令后,操作DK31合闸,然后操作退出目标充电机,闭合目标充电机连通逆变并网回路电操,建立试验回路,控制逆变器输出相应电流对充电机进行试验测试。

系统还可实现远控绝缘监测装置自检和蓄电池内阻测量,实现了直流系统远程控制智能运维目标。

4 结语

本文论述了智能化直流电源系统设计方案,该方案设计的直流电源系统可实现远程可视化监测直流电源运行状态和远程遥控直流电源自动维护测试,减轻了电力生产人员工作强度,提高了工作效率,同时更好地保障了电力系统安全运行。

★此成果由中国长江电力股份有限公司资助(科研项目合同编号:Z412302012)。

作者简介:

米文超(1983-),男,四川成都人,高级工程师,学士,现就职于中国长江电力股份有限公司溪洛渡电厂,主要从事大型水电站励磁直流设备维护技术方面的研究。

夏建华(1977-),男,湖北宜昌人,高级工程师,学士,现就职于中国长江电力股份有限公司溪洛渡电厂,主要从事电气二次设备维护技术方面的研究。

罗 腾(1987-),男,湖北天门人,工程师,学士,现就职于中国长江电力股份有限公司溪洛渡电厂,主要从事大型水电站励磁直流设备维护技术方面的研究。

吴文健(1985-),男,贵州黔南人,工程师,学士,现就职于广州市仟顺电子设备有限公司,主要从事厂/站用低压电源新技术、低压电源故障监测技术以及二次回路故障监测技术方面的研究。

潘韦琪(2000-),女,广东广州人,助理工程师,学士,现就职于广州市仟顺电子设备有限公司,主要从事低压电源故障检测设备产品开发方面的研究。

参考文献:

[1] 白忠敏, 刘百震, 於崇干. 电力工程直流系统设计手册(第二版)[M]. 北京: 中国电力出版社.

[2] 崔秀梅, 李超, 马安. 变电站直流系统常见故障分析及查找处理[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊), 2014.

[3] 天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社.

[4] 曹太强, 许建平, 祁强, 王军. 单相光伏并网逆变器控制技术[J]. 电力自动化设备, 2012.

[5] 张建华, 李欧. 基于双向DC/DC智能母联的直流电源系统的研究[J]. 通信电源技术, 2019.

[6] 杨爱晟, 徐玉凤, 李永祥. 直流系统的母联装置及其控制方法[P]. 2022.

[7] 中国团体标准. T/CEC 606-2022电力用直流电源系统蓄电池组远程充放电技术规范[M]. 2022.

摘自《自动化博览》2023年12月刊

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