基于并聯(lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的一體化電源系統(tǒng)設(shè)計

1應(yīng)用背景

交直流一體化電源系統(tǒng)作為變電站等重要用電場所必備的電源,為控制裝置、繼電保護、通信設(shè)備、消防安保系統(tǒng)等重要負荷提供工作電源。其中蓄電池可在外部交流電源停電后提供備用電能,是變電站監(jiān)控、安保、消防等的重要保障。目前國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等所屬變電站交直流電源中,將電池組串聯(lián)成組使用,對電池單體的一致性要求較高,不同容量、不同品牌、不同年限的電池不能混合使用,電池組需要停電進行維護,可靠性差,使用壽命短,費用高:對交直流饋電回路不能實現(xiàn)電流、電能測量以及用電量的分析,不能實時監(jiān)測交流饋電回路的漏電流、線纜的絕緣程度,對安全隱患防范不夠。由此可見,傳統(tǒng)交直流一體化電源技術(shù)難以滿足智慧電網(wǎng)建設(shè)的需要。

2工作原理

新型交直流一體化電源系統(tǒng)的核心是并聯(lián)電池組件和模塊化開關(guān)組件。

并聯(lián)電池組件由整流（AC/DC）、供電(DC/DC1）、充電(DC/DC2）、升壓(DC/DC3）、監(jiān)控單元、蓄電池、儲能元件、限流元件等部件組成。

并聯(lián)電池組件工作原理如圖1所示。交流電源輸入,經(jīng)AC/DC整流并由EMI濾波電路和PFC功率因數(shù)校正電路處理后變換為400V直流,經(jīng)DC/DC1變換降壓為110V（220V）直流輸出到母線,提供負載使用,同時經(jīng)DC/DC2變換降壓為24V的直流給電池進行充電。當交流失電后,電池輸出經(jīng)DC/DC3變換升壓為110V（220V）直流輸出到母線,提供負載使用。

模塊化開關(guān)組件由開關(guān)、智能元件、外殼、熱插拔元件、管理裝置等部件組成。

模塊化開關(guān)組件的工作原理:（1）智能單元具備信號采集、計算、通信功能,實現(xiàn)對回路的監(jiān)控:（2）外殼具有標準化尺寸和結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)狀態(tài)指示等功能:（3）熱插拔件能實現(xiàn)模塊化開關(guān)組件的帶電裝配,通過旁路回路實現(xiàn)負荷不斷電維修維護:（4）管理裝置通過通信接口與智能元件以及上級系統(tǒng)連接,實現(xiàn)信息接收處理和人機界面功能。

3系統(tǒng)構(gòu)成和功能

新型交直流一體化電源系統(tǒng)由交流電源模組、并聯(lián)電池電源模組、通信電源模組、UPS不間斷電源模組、交流饋電模組、直流饋電模組、綜合監(jiān)控模組構(gòu)成。各模組根據(jù)需要,既可單獨組屏,又可混合組屏。

交流電源模組:具備雙路電源進線,可實現(xiàn)對進線電流、功率、電度、開關(guān)狀態(tài)以及母線電壓的采集,具備主備自動投切功能。

并聯(lián)電池電源模組:由若干套并聯(lián)電池組件和管理裝置構(gòu)成。單套并聯(lián)電池組件可實現(xiàn)對直流母線供電（DC220V/110V）、蓄電池充放電及容量管理。組件之間通過并聯(lián)均流功能實現(xiàn)負載均衡:當在線核容放電時,管理裝置根據(jù)負荷大小,可控制實驗組件放電,用軟件計算積分放電量。組件數(shù)量為N+2配置,在線檢修更換時,單組件檢修不影響系統(tǒng)運行。

通信供電模組:若干臺DC/DC降壓模塊并聯(lián),將母線電壓（DC220V/110V）降低為DC48V輸出到匯流母線,通過饋電模塊給通信設(shè)備供電。

UPS不間斷電源模組:核心裝置是智能UPS供電模塊,供電由交流（AC220V）、旁路（AC220V）、直流（DC220V/110V）3種電源。交流為主供電源,旁路為備用電源,直流為應(yīng)急電源,從而保證供電可靠、穩(wěn)定。

交直流饋電模組:由管理裝置、匯流母線和若干交直流模塊化開關(guān)組件構(gòu)成。模塊化開關(guān)通過RS485通信總線與管理裝置通信,將采集的開關(guān)量、模擬量和信號傳輸?shù)焦芾硌b置并接受管理裝置的控制。

綜合監(jiān)控模組:該模組配置了工控機、顯示器和系統(tǒng)軟件,與各子模組通過以太網(wǎng)通信,采用61850協(xié)議,兼容性好,功能強大。綜合監(jiān)控模組不僅能夠接收和轉(zhuǎn)發(fā)各模組監(jiān)控裝置的信息,還可以根據(jù)收集的信息和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行拓撲分析、負載分析,進而判斷系統(tǒng)運行狀態(tài),對異常狀態(tài)進行判斷并報警。

4應(yīng)用實例分析

上海供電公司某110kV變電站,直流供電電壓為110V。以此變電站為例,分析新型交直流一體化電源系統(tǒng)的配置參數(shù)。

變電站負荷情況:直流負荷為二次設(shè)備室經(jīng)常性負荷電流11.5A,斷路器操作負荷電流為16.2A,通信、UPs負荷電流為18.6A,合計負荷電流為46.3A:10kV開關(guān)室負荷電流為27.8A:交流負荷為166A。

直流電源采用就地化布置方案,配置為:二次設(shè)備室和10kV開關(guān)室分別布置一套并聯(lián)電池電源模組和直流饋電模組。參數(shù)為:額定輸出DC110V/8A,配12V/150Ah電池2節(jié),分別配置并聯(lián)電池組件6+2臺、4+2臺,屏柜各2面:二次設(shè)備室直流饋電模組包括Z71-32型模塊化開關(guān)組件14只和管理裝置1臺,屏柜組屏1面:10kV開關(guān)室直流饋電模組包括Z71-32型模塊化開關(guān)組件24只,Z71-63型模塊化開關(guān)組件8只和管理裝置1臺,屏柜組屏1面。

交流電源模組由主進線開關(guān)2只(額定電流250A）、雙電源自動切換器1臺(額定電流250A）、管理裝置1臺組成:交流饋電模組由J99-32型模塊化開關(guān)組件(配2P微斷開關(guān)）12只、J99-63型模塊化開關(guān)組件(配3P微斷開關(guān)）28只組成。2面屏柜,其中交流電源模組、管理裝置和12只J99-32型模塊化開關(guān)組件組成1面屏,28只J99-63型模塊化開關(guān)組件組成1面屏。

通信供電模組:屏柜1面,配置DC48V/30A供電模塊4臺,每2臺1組,兩組模塊互為備用,并聯(lián)工作:配置TU71-32型模塊化開關(guān)組件10只。

UPs不間斷電源模組:屏柜1面,配置5kVAUPs主機1臺:配置TU71-32型模塊化開關(guān)組件12只。

綜合監(jiān)控模組由主機1臺、顯示器1臺,2260mm(H）×800mm(w）×600mm(D）屏柜1面,組屏安裝于綜合監(jiān)控屏。

5基于并聯(lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)原理

不同于目前傳統(tǒng)變電站一體化電源系統(tǒng),基于并聯(lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的一體化電源系統(tǒng)由于采用了并聯(lián)電池技術(shù),可以實現(xiàn)對蓄電池的并聯(lián)應(yīng)用,避免了蓄電池成組應(yīng)用帶來的一致性和停電維護問題:可根據(jù)負載分布就地化布置,使得工程應(yīng)用更為靈活方便:多套電源互為備用的方式,使得整個電源系統(tǒng)更為可靠。另外由于模塊化開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,不僅實現(xiàn)對各饋電回路工況進行全面監(jiān)視,還可實現(xiàn)對電源系統(tǒng)管理和智能判斷。

并聯(lián)電池電源的系統(tǒng)配置,根據(jù)實際工程負載要求選擇模塊數(shù)量,然后根據(jù)現(xiàn)場負載分組情況和饋電回路數(shù)量,即可確定組屏方案。上述案例就是將并聯(lián)電池組件組成了兩組,分別組成三面屏。

雙路交流電源回路經(jīng)ATs后,輸出到交流母線供給各并聯(lián)電池組件。各并聯(lián)電池組件并聯(lián)輸出到直流母線,組件間通過均流線均衡各模塊輸出負載大小,也可以通過管理裝置控制各模塊的輸出功率。對蓄電池充放電、核容及維護,均可通過對模塊的操作進行。既可以整套系統(tǒng)同時運行,也可以某個系統(tǒng)獨自運行。

與傳統(tǒng)直流供電系統(tǒng)不同的是,基于并聯(lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的一體化電源系統(tǒng)的模塊化開關(guān)的應(yīng)用使饋電屏柜結(jié)構(gòu)、裝配工藝與傳統(tǒng)直流供電系統(tǒng)大不相同。各系統(tǒng)具有如下特點:

(1）模塊化饋電開關(guān)組件采用熱插拔連接件,各功能組件能在線維護、在線更換、在線擴容。內(nèi)部采用固定式斷路器,適應(yīng)國內(nèi)外多種品牌。同類型模塊具有互換性,一旦發(fā)生故障,可在系統(tǒng)供電情況下更換故障開關(guān),迅速恢復(fù)供電。

(2）饋線開關(guān)組件內(nèi)部的開關(guān)、指示燈、監(jiān)測單元等安裝采用標準導(dǎo)軌,卡槽式安裝,只需要簡單工具即可完成在線更換。

(3）饋線開關(guān)組件內(nèi)部二次連線,設(shè)置信號連接板,實現(xiàn)弱電系統(tǒng)接線電路板集成化,避免接線困擾,最大限度減少故障接點。各種接線采用了標準線束、插拔式連接器,安裝方便。

(4）饋線開關(guān)組件內(nèi)各母線均用母線絕緣子、絕緣熱縮管實現(xiàn)隔離,防止人為誤觸及帶電導(dǎo)體。母線外露部分分相色套熱縮套管。

(5）饋電系統(tǒng)設(shè)置專用弱電敷設(shè)通道,信號連接板、連接線束等弱電信號通過該通道傳輸,避免了外界和屏內(nèi)強電干擾。

6結(jié)語

基于并聯(lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的一體化電源系統(tǒng),并聯(lián)電池組件和模塊化開關(guān)組件的使用,使整個系統(tǒng)具備模塊化、標準化特點,有利于實現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn):模塊的互換性、可帶電插拔特點方便其操作維護:智能充供電模塊和處理單元的分布式應(yīng)用,使得對電池動態(tài)管理、負載在線監(jiān)視、系統(tǒng)工況分析功能得以進一步提升?；诓⒙?lián)電池和模塊化開關(guān)技術(shù)的一體化電源系統(tǒng)是對電網(wǎng)智慧終端的有益探索,是智慧電網(wǎng)建設(shè)不可或缺的部分。