摘要：隨著我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展和自動化水平的提高，對直流電源、交流電源等設備及系統(tǒng)的要求越來越高。電力用直流和交流一體化不間斷電源設備（以下簡稱一體化電源設備）是公司自主研發(fā)、引領行業(yè)趨勢的新產(chǎn)品，一體化電源設備是一個多功能的電源系統(tǒng)，由幾面到數(shù)十面柜體構成。其是將智能高頻開關直流操作電源，電力專用UPS電源與電力專用逆變電源等裝置組合為一體，共用直流動力母線、共享直流電源的蓄電池組，實現(xiàn)統(tǒng)一控制、統(tǒng)一管理的電源系統(tǒng)。該設備為電力系統(tǒng)用直流操作電源，作為高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、電信裝置、事故照明等使用的操作電源和控制電源，同時提供電力用交流不間斷電源和通信用直流變換電源。該這設備主要應用于發(fā)電廠、變配電所、石化、冶金、城市軌道交通等領域的電力工程。適用于無人值守變配電所電站的數(shù)字化、網(wǎng)絡化管理的發(fā)展需要，并實現(xiàn)系統(tǒng)全參數(shù)在線監(jiān)測功能，是最佳的專業(yè)化解決方案設計制造的成套電源設備。本文給出了一整套相關設備設計要求與指標規(guī)定，具有很大的實用性。

關鍵詞：交直流一體化電源,電力系統(tǒng),直流操作電源

1引言

一直以來，變電站用電源分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS電源、通信電源系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)采用分散設計、獨立組屏，設備由不同的供應商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進行管理，這種模式存在站用電源自動化程度不高。安裝、服務協(xié)調(diào)較難以及運行維護不方便等問題，供電系統(tǒng)可靠性得不到保證。因此存在很多不足。比如各子系統(tǒng)通信規(guī)約不兼容，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡化。

經(jīng)濟性較差。從站用系統(tǒng)設計來講，變電站綜合自動化系統(tǒng)已由集中分布式系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展。目前綜合自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為站用電源信息共享平臺，站用電源信息也一直作為綜合自動化系統(tǒng)的簡單附屬信息，難以實現(xiàn)系統(tǒng)管理和信息共享。

2交直流一體化電源系統(tǒng)構成

一體化電源是在現(xiàn)有站用電源蓄電池、充電機等成熟的核心技術基礎上，對站用交直流電源、通信電源、不間斷電源等進行一體化設計和組屏生產(chǎn)的新的模組形式。整機如圖1所示。系統(tǒng)結構可具體看圖2所示。

圖1交直流一體化整機產(chǎn)品

圖2交直流一體化電源系統(tǒng)結構

3主要技術方案及特點

一體化電源設備將智能高頻開關直流電源、電力用交流不間斷電源（UPS）和電力用逆變電源（INV）、通訊用直流變換電源（DC/DC）等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組、并統(tǒng)一監(jiān)控的成套設備。該組合方式是以直流電源為核心，直流電源與上述任意一種電源及以上電源所構成的組合體，均稱為一體化電源設備。根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)構成現(xiàn)進一步進行闡明一體化電源主要特點及功能。

3.1相應設備子系統(tǒng)

1電力用交流不間斷電源

簡稱UPS，由整流器和逆變器等組成的一種電源裝置，它與直流電源的蓄電池組配合，能提供符合要求的不間斷交流電源。由于與不接地的蓄電池組相連接，所以該裝置的直流輸入部分與交流部分是隔離的。

2電力用逆變器電源

簡稱INV，一種不含整流器的電力交流不間斷電源

3通信用直流變換電源

簡稱DC/DC。一種DC/DC電源變換裝置，其輸入與直流電源的蓄電池組相連接，輸出特性滿足通信電源的要求，由于與不接地系統(tǒng)的蓄電池組相連接，所以該裝置的輸入部分和輸出部分是隔離的。

4蓄電池組

蓄電池組容量蓄電池組按照表1規(guī)定的放電電流進行容量試驗。蓄電池組允許進行三次充放電循環(huán)，第三次循環(huán)應達到額定容量，放電終止電壓符合表1規(guī)定。

表1蓄電池組容量計算表

(1)蓄電池電壓溫度補償：

蓄電池的運行環(huán)境溫度以25℃為基準，根據(jù)對蓄電池的運行環(huán)境溫度的監(jiān)測，判定對蓄電池電壓溫度補償?shù)牧炕?，對單體蓄電池的電壓溫度補償每單位溫度為：-3.3mV/℃,整組蓄電池溫度補償值為：Ut=-3.3×(t-25)N/1000(V)。式中：t—電池運行環(huán)境溫度；N—蓄電池單體數(shù)；Ut—蓄電池充電電壓溫度補償值。

(2)事故放電能力：

蓄電池組按規(guī)定的事故放電電流放電1h后，疊加規(guī)定的沖擊電流，進行10次沖擊放電，沖擊放電時間為500ms，兩次間隔時間為2s，在10次沖擊放電的時間內(nèi)，直流動力母線上的電壓不低于直流標稱電壓的90%。

(3)負荷能力：

一體化電源設備在正常浮充電狀態(tài)下運行，當提供沖擊負荷時，其直流母線上電壓不低于直流標稱電壓的90%。

(4)連續(xù)供電

一體化電源設備在正常運行時，交流電源突然中斷，直流母線可連續(xù)供電，其直流控制母線電壓瞬間波動不得低于直流標稱電壓的90%。

(5)電壓調(diào)整功能

一體化點煙設備內(nèi)的調(diào)壓裝置具有手動調(diào)壓功能和自動調(diào)壓功能。采用無級自動調(diào)壓裝置的設備有備用調(diào)壓裝置。當備用調(diào)壓裝置投入運行時，直流控制母線可連續(xù)供電。

(6)穩(wěn)流精度與穩(wěn)壓精度

充電裝置的穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度、UPS、INV及DC/DC的穩(wěn)壓精度滿足表2的規(guī)定。

表2充電裝置的穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度計量表

5充電浮充電裝置

一體化電源設備有充電（恒流、限流恒壓充電）、浮充電及自動轉(zhuǎn)換的功能，并具有軟啟動特性。

并機限流特性

浮充電裝置、DC/DC在額定負載電流的20%~100%范圍內(nèi)，其均流度不平衡度小于±5%。

6高頻開關電源模塊

一種AC-DC電源變換裝置，其功能是為蓄電池組、通信電源及常規(guī)負載提供電源。高頻開關電源模塊的基本功能滿足GB/T19826-2005標準的規(guī)定。根據(jù)交直流一體化電源所匹配的高頻電源模塊子系統(tǒng)產(chǎn)品如圖3所示。高頻開關電源模塊采用了先進的三相有源PFC技術和LLC軟開關技術的控制技術，使得模塊效率進一步提高，諧波減小，模塊采用交流三相三線制380VAC輸入方式，不存在中線電流損耗。模塊交流輸入經(jīng)過尖峰抑制電路和EMI吸收電路，經(jīng)三相有源PFC電路將三相交流電壓整流為直流電壓，有LLC諧振變換器將直流電壓變換為高頻方波電壓，再由輸出整流濾波電路，使得穩(wěn)定的輸出電壓和電流，在電網(wǎng)電壓和負載發(fā)生變化時反饋調(diào)整電路控制LCC電路。使得輸出電壓和電流保持穩(wěn)定。

圖3高頻電源模塊

該高頻模塊特點如下：

交流輸入范圍寬：260~500VAC

先進的三相有源PFC技術；更好地抑制高次諧波，THD滿載時小于5%，功率因數(shù)可達0.99。

智能溫控風冷方式：增加風機的使用壽命，使模塊運行更可靠，噪音更小。

先進的LCC諧振變換技術：工作頻率高，開關損耗小，轉(zhuǎn)換效率高，大大減小磁性元件體積，使模塊體積和重量大幅減小。

先進的數(shù)字化控制方式：摒棄了以前所有的模擬控制方式，改用數(shù)字控制方式。模塊精度高，響應速度快。校驗和升級也更方便。

模塊支持熱插拔，使日常維護和維修更快捷。

充電裝置運行狀態(tài)：獨立工作能力，模塊在脫離監(jiān)控的情況下，可以正常工作。

7監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置其功能是作為一體化電源設備的總監(jiān)控器（用戶可選觸摸屏或液晶屏），即同時監(jiān)控直流電源、UPS、INV、DC/DC、蓄電池組和配電狀態(tài)等。監(jiān)控裝置的基本功能滿足DL/T856標準的規(guī)定。監(jiān)控裝置如圖4所示。

圖3監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置能顯示下列信息：交流輸入電壓、電流；直流系統(tǒng)母線電壓電流；蓄電池組電壓電流；充電裝置輸出電壓電流；DC/DC輸出電壓電流；直流系統(tǒng)接地電阻、對地電壓及其接地支路編號；充電裝置運行狀態(tài)；UPS、INV運行狀態(tài)；DC/DC運行狀態(tài)。

3.2一體化系統(tǒng)保護措施

1限壓及限流特性

(1)限壓特性：充電浮充電裝置以恒流充電方式運行，當充電電壓達到限壓整定值時，設備能自動限制電壓，自動轉(zhuǎn)換為恒壓充電運行，以限制其輸出電壓的增加。

(2)限流特性：充電浮充電裝置以恒壓充電方式運行，當充電電流達到限壓整定值時，設備能自動限制電壓，自動轉(zhuǎn)換為恒壓充電運行，以限制其輸出電流的增加。

2絕緣監(jiān)察

設備的絕緣監(jiān)察裝置絕緣監(jiān)察水平滿足表3要求。當直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障（正接地、負接地或正負同時接地）其絕緣水平下降到低于表3規(guī)定值時，絕緣監(jiān)察裝置能可靠動作，能直接讀接地的極性，同時發(fā)出燈光或音響報警信號并具有遠方信號觸點以便引接屏（柜）的端子及發(fā)出數(shù)字信息上傳DCS。

表3絕緣監(jiān)察水平表

3電壓監(jiān)察

設備內(nèi)的過電壓繼電器電壓返回系數(shù)不小于0.95，欠壓繼電器電壓返回系數(shù)不大于1.05.當直流母線電壓高于或低于規(guī)定值時電壓裝置可靠動作，發(fā)出燈光或音響信號并具有遠方信號觸點以便引接屏（柜）的端子，有直讀功能。

4故障報警

當發(fā)生下列故障情況時設備能發(fā)出報警信號：交流輸入過電壓、欠電壓和缺相；交流輸出過電壓、欠電壓；直流母線過電壓和欠電壓；蓄電池組過電壓和欠電壓；蓄電池組出口熔斷器熔斷或斷路器跳閘；直流母線絕緣故障；饋線斷路器跳閘；充電機故障；UPS、INV裝置故障；DC/DC裝置故障；絕緣監(jiān)察裝置故障；監(jiān)控裝置故障；總告警故障。

5過電壓和欠電壓保護

當輸入過電壓時，裝置具有過電壓關機保護或輸入自動切換功能、輸入恢復正常后，能自動恢復原工作狀態(tài)。

當輸入欠電壓時，裝置具有欠電壓關機保護或輸入自動切換功能、輸入恢復正常后，能自動恢復原工作狀態(tài)。

當輸出過電壓時，直流電源裝置和DC/.DC具有過電壓關機保護功能，故障排除后，能人工恢復工作；UPS和INV具有輸出自動切換功能，故障排除后，能自動恢復原工作狀態(tài)。

當輸出欠電壓時，直流電源裝置和DC/.DC具有欠電壓關機保護功能，故障排除后，能自動恢復工作；UPS和INV具有輸出自動切換功能，故障排除后，能自動恢復原工作狀態(tài)。

6過載和短路保護

(1)充電浮充電裝置和DC/DC

當輸出過載或短路時，能自動進入輸出限流保護狀態(tài)，故障排除后，能自動恢復原工作狀態(tài)

(2)UPS和INV

輸出功率在額定值德爾105%~125%范圍內(nèi)時，運行時間大于或等于10min后自動轉(zhuǎn)旁路，故障排除后，能自動恢復原工作。

輸出功率在額定值德爾125%~150%范圍內(nèi)時，運行時間大于或等于1min后自動轉(zhuǎn)旁路，故障排除后，能自動恢復原工作。

輸出功率超過額定值德爾150%或短路時，立刻轉(zhuǎn)旁路，旁路開關具有過載能力使配電開關脫扣，故障排除后，能自動恢復原工作。

自檢和人機對話功能：監(jiān)控裝置具有在線診斷和人機聯(lián)系功能，并符合DL/T5149-2001中的相關規(guī)定。

電磁兼容性（抗擾度）：設備能承受國標中規(guī)定的試驗等級為三級的振蕩波抗擾度、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度和浪涌抗擾度試驗。

3.3一體化系統(tǒng)故障管理措施

根據(jù)被監(jiān)控的工作狀態(tài)和參數(shù)變化趨勢，及時準確判斷異?；蚬收项愋停⒆詣訉嵤┊惓９r限制、故障保護和聲光報警顯示功能。

報警分為緊急報警和一般報警兩類，系統(tǒng)異?；蚬收蠒r能自動或人工轉(zhuǎn)入報警畫面。緊急報警信號有蓄電池熔斷器故障、斷路器脫扣。直流母線電壓異常、直流系統(tǒng)接地、整組充電機故障、逆變器故障、交流母線電壓異常等。

監(jiān)控裝置提供用于信號報警輸出的無源觸點。

監(jiān)控裝置配有標準的串行接口、網(wǎng)絡接口和USB接口，實現(xiàn)對設備的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)功能并方便導出運行記錄。用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際情況來選擇通訊設備接口，出廠默認設置為CDT規(guī)約（推薦）。同時，還可提供MODBUS規(guī)約、103規(guī)約和PROFIBUS規(guī)約。

4交直流一體化電源解決方案

110kV及以上電站宜按雙重化配置，常規(guī)解決方案如圖4所示。全站配置兩組蓄電池和充電機，一般的110kV電站容量可按300Ah/組設計，220kV電站500Ah/組。通信設備直接采用220V或110V電源模塊。通信電源從兩組直流母線直接拉兩路專用饋線至通信機柜，采用智能ATS開關實現(xiàn)兩路電源自動切換，取消傳統(tǒng)站用380V電源備自投配置。主要實現(xiàn)：建立站用電源信息共享平臺。站用電源整體網(wǎng)絡智能化：一體化將交流、直流、逆變、通信電源網(wǎng)絡智能化，對外1個通信接口；取消通信蓄電池組及充電裝置，使用DC/DC變換器直接掛于直流母線代替；使用逆變器直接掛于直流母線，對重要負荷如事故照明等采用逆變電源供電；統(tǒng)一進行波形處理；統(tǒng)一進行防雷配置；統(tǒng)一進行二次配電管理；站用電源設備智能管理，實現(xiàn)狀態(tài)檢修。

圖4一體化電源解決方案系統(tǒng)圖

8結束語

本文分別介紹了交直流一體化電源的系統(tǒng)構成，具體子系統(tǒng)構成和相關技術指標。為大規(guī)模接入電網(wǎng)提供了理論和實驗指導。變電站站用電源交直流一體化系統(tǒng)立足用系統(tǒng)技術研究站用電源，是對現(xiàn)有變電站站用電源設計和管理新模式的探討，它符合結構合理，技術先進，運維方便的技術發(fā)展路線。一體化電源系統(tǒng)技術先進，維護方便，運行安全可靠，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，可在電網(wǎng)中推廣應用。

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